Что такое сканирующий электронный микроскоп (СЭМ)?

Что такое сканирующий электронный микроскоп (СЭМ)?

СЭМ (сканирующий электронный микроскоп) — это тип электронного микроскопа, который позволяет нам наблюдать за состоянием поверхности образца, облучая образец электронными пучками и обнаруживая вторичные электроны, испускаемые образцом.

СЭМ позволяет наблюдать даже мельчайшие структуры, которые трудно наблюдать с помощью оптического микроскопа. По этой причине он используется в широком спектре областей, таких как материаловедение и биохимия.

Применение СЭМ

Рисунок 1. Типы и разрешения микроскопов

Увеличение СЭМ может быть увеличено до нескольких сотен тысяч раз, а разрешение может быть увеличено до нескольких нм. Он также имеет такие особенности, как большая глубина фокусировки, которые позволяют легко наблюдать неровности в образце.

Предел увеличения оптического микроскопа составляет около 1000x, а предел разрешения — около 150 нм.

Кроме того, в отличие от изображений, полученных с помощью оптических микроскопов, СЭМ обеспечивает трехмерные изображения с контрастом, в которых плоскость, перпендикулярная направлению падения электронного пучка, тем темнее, и чем ближе плоскость к параллельной, тем ярче становится изображение.

Используя эти особенности, СЭМ используются для наблюдения за состоянием поверхности различных материалов, таких как полупроводниковые и керамические материалы, микроорганизмов, таких как бактерии и вирусы, и биологических образцов, таких как клетки. С другой стороны, просвечивающие электронные микроскопы обычно используются для наблюдения за внутренней структурой образцов.

Принцип СЭМ

Рисунок 2. Структура и изображение измерения сканирующего электронного микроскопа

В СЭМ ускоренный электронный пучок фокусируется на поверхности образца и облучается, а вторичные электроны (SE) и обратно рассеянные электроны (BSE), образующиеся во время облучения, обнаруживаются и анализируются.

Увеличивая ускоряющее напряжение и энергию облучающих электронов, можно увеличить разрешение до нескольких нм. Увеличение ускоряющего напряжения увеличивает разрешение. Однако слишком высокое ускоряющее напряжение может вызвать такие проблемы, как влияние отраженных электронов из более глубоких положений в образце и зарядка. Поэтому обычно используются ускоряющие напряжения от нескольких кВ до нескольких десятков кВ.

Вторичные электроны — это электроны, выброшенные из-под поверхности образца при применении электронного пучка.

Состояние электронов различается в зависимости от неровности образца, создавая контраст в данных изображения, полученных путем измерения вторичных электронов, и позволяя наблюдать неровности поверхности и формы частиц.

С другой стороны, обратнорассеянные электроны — это электроны, которые отражаются назад, когда электронный луч взаимодействует с атомом.

Отражательная способность испускаемых электронов различается в зависимости от атома. Измеряя обратнорассеянные электроны, контраст усиливается для каждого типа атома, и можно наблюдать распределение атомов в образце.

Структура СЭМ

СЭМ в основном состоят из электронной пушки, которая испускает электронные лучи, электронной линзы, которая фокусирует электронные лучи на поверхность образца, и детектора, который обнаруживает вторичные электроны и обратно рассеянные электроны.

Существует три типа электронных пушек: термоэлектронная эмиссия, автоэлектронная эмиссия и тип Шоттки, каждый из которых имеет различные характеристики. Электронные линзы, как правило, относятся к типу, в котором электрический ток пропускается через катушку, а электронный луч управляется магнитным полем, и существуют различные типы, такие как тип с внешней линзой и тип с внутренней линзой.

Внутри СЭМ во время измерения поддерживается высокий вакуум около 10^-4 Па. Однако в последнее время были разработаны некоторые СЭМ, которые могут проводить измерения при низком вакууме (около 10^2 Па) или атмосферном давлении, и часто используются в биологической области, где используются образцы с высоким содержанием влаги.

Другая информация о СЭМ

1. Подготовка образцов для СЭМ

СЭМ можно использовать для измерения самых разных образцов, но для некоторых образцов требуются соответствующие условия подготовки образцов и измерения.

Изолирующие образцы
При использовании изолирующего образца поверхность образца может быть заряжена облученным электронным пучком. Это может вызвать искажение изображения и аномальный контраст, что может привести к неточным данным изображения. Для предотвращения зарядки необходимо принять такие меры, как покрытие поверхности образца тонким напылением металла, наблюдение при низком ускоряющем напряжении и наблюдение в условиях низкого вакуума.

Образцы, которые испаряются или сублимируются в условиях высокого вакуума
Если испарение или сублимация происходят в условиях высокого вакуума, это не только изменяет структуру или форму образца, но и может привести к отказу оборудования. Для предотвращения этих проблем эффективно принимать меры, такие как измерение в условиях низкого вакуума. Кроме того, биологические образцы, содержащие много воды, часто требуют отдельной предварительной обработки даже для наблюдения в условиях низкого вакуума.

Магнитные образцы
При использовании магнитных образцов, если расстояние между электронной линзой и образцом слишком мало, образец может намагничиваться, что затрудняет регулировку электронного луча, а большие образцы могут отрываться от подставки для образца и поглощаться линзой. Чтобы предотвратить эти проблемы, необходимо использовать СЭМ с системой внешних линз или аналогичной и фиксировать образец винтами или клеем.

Наблюдение за внутренней частью образца
Если вы хотите наблюдать за внутренней частью образца без использования режима пропускания, описанного ниже, вам необходимо обработать образец с помощью сфокусированного ионного пучка (ФИП) или подобного и наблюдать поперечное сечение.

2. Основные аналитические устройства, прикрепленные к СЭМ

Рисунок 3. Пример электромагнитных волн, испускаемых при облучении электронным пучком

Когда образец облучается ускоренным электронным пучком, могут быть получены такие сигналы, как проходящие электроны, рентгеновские лучи, катодолюминесценция и поглощенные электроны, а также вторичные электроны и обратно рассеянные электроны. Для обнаружения этих сигналов могут быть подключены анализаторы.

Проходящие электроны
Если толщина образца достаточно мала или материал состоит из частиц, часть облученных электронов будет передаваться через образец и может быть обнаружена как переданные электроны. Обычно, передаваемые электроны измеряются просвечивающим электронным микроскопом или сканирующим просвечивающим электронным микроскопом (СТЭМ), которые являются независимыми измерительными приборами. Сканирующий просвечивающий электронный микроскоп (СТЭМ) Можно наблюдать внутренние структуры, с которыми СЭМ не справляется.

Рентген
Когда атом облучается электронным пучком, иногда в дополнение к электронным пучкам испускаются рентгеновские лучи. Поскольку каждый атом имеет свою собственную уникальную энергию, можно определить тип атомов, присутствующих на поверхности образца, путем обнаружения испускаемых рентгеновских лучей.

Существует два типа детекторов рентгеновского излучения: энергодисперсионные рентгеновские детекторы (EDS) и волнодисперсионные рентгеновские детекторы (WDS). Каждый из них имеет разные характеристики и должен выбираться в соответствии с целью.

Катодолюминесценция
Катодолюминесценция — это свет, испускаемый при облучении образца электронным пучком. Обнаруживая этот свет, можно измерить кристаллические свойства образца, такие как дефекты кристалла, примеси и концентрацию носителей.

Можно добавить различные другие функции, добавив другие опции. По сравнению со случаем, когда измерение выполняется независимым измерительным устройством, СЭМ имеют то преимущество, что положение измерения можно выбрать во время просмотра изображения СЭМ, что позволяет проводить более детальные измерения.