Scanning elektronmikroskop ( SEM ) eller scanning elektronmikroskop ( SEM ) ( eng. scanning elektronmikroskop , SEM ) er en elektronmikroskopklasseenhed designet til at opnå et billede af overfladen af et objekt med en høj (op til 0,4 nanometer ) rumlig opløsning , samt oplysninger om sammensætningen , strukturen og nogle andre egenskaber ved lag nær overfladen. Baseret på princippet om interaktion af en elektronstråle med det undersøgte objekt.
Moderne SEM giver dig mulighed for at arbejde i en bred vifte af forstørrelser fra omkring 3-10 gange (det vil sige svarende til forstørrelsen af en stærk håndlinse ) til 1.000.000 gange, hvilket er omkring 500 gange forstørrelsesgrænsen for de bedste optiske mikroskoper .
I dag bruges scanningselektronmikroskopi i stort set alle områder inden for videnskab og industri, fra biologi til materialevidenskab . Der er et stort antal forskellige designs og typer af SEM'er fremstillet af en række virksomheder og udstyret med forskellige typer detektorer.
Historien om elektronmikroskopi (især SEM) begyndte med den tyske fysiker Hans Buschs teoretiske arbejde om indflydelsen af et elektromagnetisk felt på ladede partiklers bane . I 1926 beviste han, at sådanne felter kunne bruges som elektromagnetiske linser [1] , og etablerede dermed de grundlæggende principper for geometrisk elektronoptik. Som svar på denne opdagelse blev ideen om et elektronmikroskop født, og to hold - Max Knoll og Ernst Ruska fra det tekniske universitet i Berlin og Ernst Brush fra EAG-laboratoriet - forsøgte at omsætte denne idé i praksis. Og i 1931 skabte Knoll og Ruska det første transmissionselektronmikroskop [2] .
Efter at have flyttet til det tyske radioselskab Telefunken for at forske i katoderør- fjernsyn , udviklede Max Knoll en elektronrørsanalysator eller "elektronstråleanalysator", som simulerede alle de nødvendige egenskaber ved et scanningselektronmikroskop: prøven var placeret på den ene side af de forseglede[ klargør ] et glasrør og en elektronkanon på den anden. Elektroner accelereret med en spænding på 500 til 4000 volt blev fokuseret på overfladen af prøven, og et system af spoler sikrede deres afbøjning. Strålen scannede overfladen af prøven med en hastighed på 50 billeder i sekundet, og målingen af strømmen , der passerede gennem prøven, gjorde det muligt at rekonstruere billedet af dens overflade. Den første enhed, der bruger dette princip, blev skabt i 1935 [3] .
I 1938 byggede den tyske specialist Manfred von Ardenne det første scanningselektronmikroskop [4] . Men dette apparat lignede endnu ikke en moderne SEM, da kun meget tynde prøver kunne ses gennem det. Det vil sige, at det snarere var et scanningstransmissionselektronmikroskop (STEM eller STEM) - Von Ardenne tilføjede faktisk et scanningsystem til transmissionselektronmikroskopet. Udover billedregistrering på et kinescope var apparatet udstyret med et fotografisk optagelsessystem på en film placeret på en roterende tromle. En elektronstråle med en diameter på 0,01 mikron scannede overfladen af prøven, og de transmitterede elektroner oplyste den fotografiske film , som bevægede sig synkront med elektronstrålen.
Det første STEM-mikrofotografi fangede en zinkoxidkrystal (ZnO) forstørret 8000 gange med en opløsning på 50 til 100 nanometer . Billedet var sammensat af et raster på 400x400 pixels, og det tog 20 minutter at akkumulere det. Mikroskopet havde to elektrostatiske linser omgivet af afbøjningsspoler.
I 1942 offentliggjorde den russiske emigrant, fysiker og ingeniør Vladimir Zworykin , som på det tidspunkt arbejdede i laboratoriet hos Radio Corporation of America i Princeton i USA , detaljerne om det første scanningselektronmikroskop, som gjorde det muligt at analysere ikke kun en tynd prøve i transmission, men også overfladen af en massiv prøve. En elektronkanon med en wolframkatode udsendte elektroner, som derefter blev accelereret med en spænding på 10 kilovolt. Enhedens elektroniske optik var sammensat af tre elektrostatiske spoler, og afbøjningsspolerne blev placeret mellem den første og anden linse. For at sikre bekvemmeligheden ved at placere prøven og manipulere den i SEM-designet, blev elektronkanonen placeret i bunden af mikroskopet (dette design havde en ubehagelig egenskab - risikoen for, at prøven falder ind i mikroskopsøjlen).
Denne første SEM opnåede en opløsning i størrelsesordenen 50 nanometer. Men på det tidspunkt var transmissionselektronmikroskopi i hastig udvikling, mod hvilket SEM virkede som et mindre interessant instrument, hvilket påvirkede udviklingshastigheden af denne type mikroskopi [5] .
I slutningen af 1940'erne blev Charles Otley , som formand for Design Department Conference ved University of Cambridge i Storbritannien , interesseret i elektronoptik og besluttede at annoncere et program til udvikling af et scanningselektronmikroskop til at supplere det igangværende arbejde i afdelingen for fysik på et transmissionselektronmikroskop under ledelse af Vernon Ellis Cosslett . En af Charles Otleys elever, Ken Sander, begyndte at arbejde på en SEM-søjle ved hjælp af elektrostatiske linser, men måtte stoppe arbejdet efter et år på grund af sygdom. Arbejdet blev genoptaget i 1948 af Dennis MacMillan . Han og Charles Otley byggede deres første SEM ( SEM1 eller Scanning Electron Microscope 1 ), og i 1952 nåede dette instrument en opløsning på 50 nanometer og, vigtigst af alt, gav det en tredimensionel effekt af at gengive prøvens relief - et karakteristisk træk ved alle moderne SEM'er [6] .
I 1960 accelererede Thomas Everhart og Richard Thornley ved at opfinde en ny detektor ("Everhart-Thornley-detektor") udviklingen af scanningselektronmikroskopet. Denne detektor, som er ekstremt effektiv til at indsamle både sekundære og reflekterede elektroner, er ved at blive meget populær og findes nu på mange SEM'er.
Det arbejde, der blev udført på University of Cambridge af Charles Otleys gruppe i 60'erne, bidrog i høj grad til udviklingen af SEM, og i 1965 Cambridge Instrument Co. blev udgivet det første kommercielle scanning elektronmikroskop - Stereoscan [7] .
Opløsningen (evnen til at skelne mellem fine detaljer) af et optisk mikroskop er begrænset af bølgelængden af synlige lysfotoner . De kraftigste optiske mikroskoper kan give observation af detaljer med en størrelse på 0,1-0,2 µm [8] . Hvis vi vil se finere detaljer, er vi nødt til at forkorte den bølgelængde, der belyser studieobjektet. For at gøre dette kan du ikke bruge fotoner, men for eksempel elektroner, hvis bølgelængde er meget kortere. Elektronmikroskoper er resultatet af denne idé.
Følgende figur illustrerer det grundlæggende SEM-skema: en elektronstråle er rettet mod den analyserede prøve. Interaktionen genererer sekundære elektroner med lav energi, som opsamles af en sekundær elektrondetektor . Intensiteten af detektorens elektriske signal afhænger både af prøvens beskaffenhed (i mindre grad) og af topografien (i større grad) af prøven i interaktionsområdet. Det er således muligt at få et reliefkort over den analyserede zone.
En tynd elektronsonde genereres af en elektronkanon, der fungerer som en kilde til elektroner og fokuseres af elektronlinser (normalt elektromagnetiske, nogle gange elektrostatiske). Scanningsspolerne afbøjer sonden i to indbyrdes vinkelrette retninger og scanner overfladen af prøven med sonden, svarende til scanning af skærmen på et tv- katodestrålerør med en elektronstråle . En elektronkilde, elektronlinser (normalt toroidale magnetiske) og afbøjningsspoler danner et system kaldet en elektronsøjle .
I moderne SEM'er er billedet optaget i digital form, men de første SEM'er dukkede op i begyndelsen af 1960'erne længe før udbredelsen af digital teknologi, og derfor blev billedet dannet ved at synkronisere elektronstrålens sweep i kineskopet med elektronstrålen i SEM og justere intensiteten af røret med et sekundært signal. Billedet af prøven dukkede derefter op på kineskopets phosphorescerende skærm og kunne optages på fotografisk film .
Probe-(stråle-)elektronerne interagerer med prøvematerialet og genererer forskellige typer signaler: sekundære elektroner, tilbagespredte elektroner, Auger-elektroner , røntgenstråler, lysstråling (katodoluminescens) osv. Disse signaler bærer information om topografien og prøvematerialet [ 9] .
Som et resultat af interaktion med prøvens atomer kan elektronerne i den primære stråle overføre en del af deres energi til prøvens elektroner. Som et resultat af en sådan vekselvirkning kan løsrivelse af elektroner forekomme. Sådanne elektroner kaldes sekundære. Disse elektroner har normalt lav energi (i størrelsesordenen 50 eV ). Ofte har en elektron i den primære stråle energi nok til at producere flere sekundære elektroner.
Da energien af sekundære elektroner er lav, er deres flugt kun mulig fra overfladenære lag af materialet (mindre end 10 nm). På grund af deres lave kinetiske energi afbøjes disse elektroner let af en lille potentialforskel. Dette gør det muligt at øge effektiviteten af detektorerne betydeligt (for at indsamle det maksimalt mulige antal elektroner) og opnå billeder af høj kvalitet med et godt signal-støjforhold og en opløsning bedre end 1 nm. Antallet af sekundære elektroner afhænger af elektronstrålens kollisionsvinkle med prøvens overflade, det vil sige topografien. Derfor bruges det sekundære elektronsignal til at gengive prøvens topografi. [9] .
Grundlaget for et scanningselektronmikroskop er en elektronkanon og en elektronsøjle, hvis funktion er at danne en skarpt fokuseret elektronsonde med mellemenergier (200 eV - 50 keV ) på prøveoverfladen. Enheden skal være udstyret med et vakuumsystem. Hver SEM har også en objekttabel, der giver dig mulighed for at flytte prøven i mindst tre retninger. Når elektroner interagerer med et objekt, opstår der flere typer signaler, som hver især fanges af en speciel detektor (se nedenfor). Følgelig kan billeder fremstillet af et mikroskop konstrueres ved hjælp af forskellige signaler, ofte flere signaler på samme tid (f.eks. sekundært elektronbillede, reflekteret elektronbillede, røntgenbillede (kort)).
SEM'er er udstyret med detektorer , der tillader udvælgelse og analyse af stråling , der er opstået under interaktionen, og partikler, der har ændret energi som følge af interaktionen mellem elektronsonden og prøven. [9] De udviklede teknikker gør det muligt at undersøge ikke kun egenskaberne af prøveoverfladen, men også at visualisere information om egenskaberne af underjordiske strukturer.
De vigtigste typer af signaler , der genereres og detekteres under driften af SEM:
Alle mulige typer detektorer installeret på én enhed er ekstremt sjældne.
Sekundære elektrondetektorer er den første type detektorer, der traditionelt er installeret på de fleste SEM'er (i nogle forenklede desktopmodeller bruges kun en reflekteret elektrondetektor). I denne tilstand er opløsningen af SEM maksimal. På grund af den meget smalle elektronstråle har SEM'er en meget stor dybdeskarphed , omkring to størrelsesordener højere end et optisk mikroskop, og giver dig mulighed for at få klare mikrofotografier med en karakteristisk tredimensionel effekt for objekter med kompleks relief. Denne SEM-egenskab er yderst nyttig til at forstå overfladestrukturen af en prøve. Et mikrofotografi af pollen demonstrerer mulighederne for SE SEM-tilstanden.
Reflekterede elektroner (BE) er stråleelektroner, der reflekteres fra prøven ved elastisk spredning. Afhængigt af konfigurationen af detektoren kan de vise enten prøvens sammensætning (sammensætning) eller dens topografi (overfladetopografi). I kompositionstilstanden bruges OE'er ofte i analytisk SEM i forbindelse med analysen af karakteristiske røntgenspektre. Da intensiteten af OE-signalet er direkte relateret til det gennemsnitlige atomnummer (Z) af området af prøven, der i øjeblikket bestråles af elektronstrålen, bærer OE-billederne information om fordelingen af forskellige elementer i prøven. For eksempel gør SE-mode det muligt at detektere kolloide guldimmunmærker med en diameter på 5-10 nm, som er meget vanskelige eller endda umulige at påvise i biologiske objekter i SE-mode. Et mikrofotografi af overfladen af en poleret sektion af et metaloxidsystem demonstrerer mulighederne for OE SEM-tilstanden. I topografisk tilstand kan OE'er bruges under forhold, hvor traditionelle sekundære elektrondetektorer ikke fungerer, såsom i SEM med variabelt vakuum.
Karakteristiske røntgenstråler genereres, når en elektron i strålen banker en elektron af den indvendige skal af et af prøvens atomer, hvilket får en elektron fra et højere energiniveau til at bevæge sig til et lavere energiniveau, mens den samtidig udsender et røntgenkvante. Behandlingen af det karakteristiske røntgenspektrum giver mulighed for at udføre en kvalitativ og kvantitativ elementær analyse af prøvens sammensætning.
Normalt bruges sekundære og/eller reflekterede (tilbagespredte) elektroner til at få information om overfladestrukturen. Kontrasten i sekundære elektroner afhænger mest af alt af overfladerelieffet, mens reflekterede elektroner bærer information om fordelingen af elektrontæthed (regioner beriget med et grundstof med et højere atomnummer ser lysere ud). Derfor indeholder tilbagespredte elektroner, som genereres samtidigt med sekundære, udover information om overflademorfologien yderligere information om prøvens sammensætning. Bestråling af prøven med en elektronstråle producerer ikke kun sekundære og reflekterede elektroner, men forårsager også emission af karakteristiske røntgenstråler . Analysen af denne stråling gør det muligt at bestemme grundstofsammensætningen af prøvens mikrovolumen (opløsningen for massive prøver er normalt ikke bedre end 1 μm ).
Everhart-Thornley-detektoren bruges som en sekundær elektrondetektor , hvilket gør det muligt effektivt at indsamle elektroner med en energi i størrelsesordenen 50 eV.
Mange SEM'er er udstyret med en meget følsom halvleder-backscattered elektrondetektor. Detektoren er monteret på den nederste overflade af objektivlinsen eller indsat på en speciel stang under polstykket. Dette giver mulighed for, ved at vælge en tilstand fra menuen, at få billeder af overfladetopografi, et billede i kompositionskontrast eller i et mørkt felt.
For at analysere grundstofsammensætningen anvendes røntgenspektral mikroanalyse , hvor den karakteristiske røntgenstråling af et stof detekteres, som opstår, når prøvens overflade bestråles med elektroner. Der er energidispersive (EDX) og bølgedispersive (WDX) analysatorer.
Hidtil har man brugt kvælstofkølede energidispersive spektrometre, men i de senere år er producenterne gået over til nitrogenfrie detektorer.
Moderne mikroskoper er i stand til at fungere ved lave accelererende spændinger, op til 200 volt. Anvendelsen af det retarderende potentiale gør det muligt at reducere accelerationsspændingen til 10 volt. Lave spændinger har en række fordele. Ved lav spænding kan en ligevægtstilstand nås, når antallet af stråleelektroner absorberet af prøven er lig med antallet af elektroner udsendt af prøven. Under disse forhold er påføring af ledende belægninger på prøven ikke påkrævet. Ved lave spændinger er beskadigelse af prøven af stråleelektroner minimal, hvilket er vigtigt for sarte prøver. Og endelig, ved lave spændinger, falder interaktionszonen mellem stråleelektronerne med prøven kraftigt, hvilket fører til en signifikant stigning i den rumlige opløsning, når der arbejdes med reflekterede elektroner og røntgenstråler.
Nogle moderne mikroskoper er udstyret med et vakuumsystem, der er i stand til at opretholde et højt (og ultrahøjt) vakuum på 10-3 Pa i elektronsøjlen og et relativt dårligt vakuum på op til 5-2000 Pa i prøvekammeret. Som et resultat er prøven placeret i en atmosfære, omend sjældent, men tæt nok til at neutralisere overfladeladningen (normalt bestående af vanddamp eller nitrogen). Gasmolekyler ioniseres under påvirkning af primære elektroner, der udsendes af katoden. De dannede positive ioner interagerer med elektronerne, der akkumuleres på prøven og neutraliserer overfladeladningen.
Som et resultat kan dielektriske prøver observeres uden en ledende belægning. Hvis mikroskopet også er udstyret med en kølende prøveholder, så er det muligt at arbejde med våde prøver og endda med vand. For eksempel kan man observere direkte i mikroskop opløsning og omkrystallisation af bordsalt (eller andre krystaller).
Den rumlige opløsning af et scanningselektronmikroskop afhænger både af diameteren af elektronstrålen og af størrelsen af interaktionsområdet mellem elektronsonden og prøven. Størrelsen af elektronproben og størrelsen af interaktionsområdet mellem proben og prøven er meget større end afstanden mellem målatomerne . Selvom opløsningen af scanningselektronmikroskoper er ringere end opløsningen af transmissionsmikroskoper , har de en række fordele, såsom evnen til at studere prøvens topografi, visualisering af et relativt stort område af prøven, studiet af massive objekter (ikke kun tynde film), et sæt analytiske metoder, der gør det muligt at måle sammensætningen og egenskaberne af det objekt, der undersøges.
Afhængigt af det særlige instrument og eksperimentets parametre kan en opløsning fra tiere til en brøkdel af en nanometer opnås . I 2009 blev den bedste opløsning opnået med et Hitachi S-5500 mikroskop og udgjorde 0,4 nm (ved en spænding på 30 kV) [10] .
Som regel kan den bedste opløsning opnås ved hjælp af sekundære elektroner, den dårligste - i de karakteristiske røntgenstråler. Sidstnævnte skyldes den store størrelse af strålingsexcitationsområdet, som er flere gange større end elektronsondens størrelse. Når du bruger lavvakuumtilstand, forringes opløsningen noget.
Ledende (metal) prøver kræver normalt ikke særlig forberedelse og kan placeres direkte i mikroskopkammeret. Hvis det er nødvendigt, kan prøverne renses. Tynde snit kan forberedes for at se den indre struktur og/eller bruge røntgenmikroanalyse.
Pulvere og nanopartikler aflejres på spejllignende overflader (glas, plastik, glimmer osv.) som en suspension i vand eller et organisk opløsningsmiddel. Efter at væsken er tørret, kan prøven bruges i mikroskopet. Pulvere med større partikler kan påføres ledende kulstoftape.
Ikke-ledende prøver udsættes sædvanligvis for sputtering af et tyndt ledende lag for at fjerne ladningen og skærme den indfaldende stråle fra ladningen, der er akkumuleret i hovedparten af materialet. Til ledende belægninger anvendes oftest kulstof, guld eller en legering af guld og palladium. Førstnævnte er nyttig til røntgenmikroanalyse. Sputtering af guld eller en legering baseret på det giver mulighed for at opnå mikrofotografier med højere forstørrelse og kontrast (oftest uden selvbillede). Hvis det er umuligt at afsætte en film på en prøve, så er det i en SEM med variabelt vakuum muligt at fjerne ladningen fra prøven af ioner af gasser, der indføres i kammeret (normalt vanddamp eller nitrogen). Ladningsakkumulering på prøven kan også undgås ved at arbejde ved lave accelerationsspændinger (normalt i størrelsesordenen 1 kV).
Biologiske prøver skal være kemisk fikseret, dehydreret i en række alkohol- eller acetoneopløsninger med koncentrationer, der stiger fra 30-50 % til 100 %, derefter skal alkoholen (eller acetonen) fjernes fra prøven i et specielt apparat, hvori alkoholen er erstattet af flydende kuldioxid, som overføres til gasform ved at passere gennem det kritiske tredobbelte punkt.
Scanningsmikroskoper bruges som et forskningsværktøj inden for fysik , elektronik , biologi , farmaceutiske produkter , medicin , materialevidenskab osv. Deres hovedfunktion er at få et forstørret billede af prøven under undersøgelse og/eller billeder af prøven i forskellige optagede signaler. Sammenligning af billeder opnået i forskellige signaler gør det muligt at drage en konklusion om overfladens morfologi og sammensætning.
Karakteristika for Magellan XHR SEM scanningselektronmikroskopet
| elektronstråleapparater | ||
|---|---|---|
| Sendere | Crookes rør | |
| Foster |
| |
| huske | ||
| Elektronmikroskop | ||
| Andet |
| |
| Hoveddele |
| |
| Begreber | ||