Svepelektronmikroskop ( SEM ) eller svepelektronmikroskop ( SEM ) ( eng. svepelektronmikroskop, SEM ) är en elektronmikroskopklassanordning utformad för att erhålla en bild av ytan på ett objekt med en hög (upp till 0,4 nanometer ) rumslig upplösning , samt information om sammansättningen, strukturen och några andra egenskaper hos ytnära skikt. Baserat på principen om interaktion av en elektronstråle med föremålet som studeras.
Modern SEM låter dig arbeta i ett brett spektrum av förstoringar från cirka 3-10 gånger (det vill säga motsvarande förstoringen av en stark handlins ) till 1 000 000 gånger, vilket är cirka 500 gånger förstoringsgränsen för de bästa optiska mikroskopen .
Idag används svepelektronmikroskopi inom praktiskt taget alla områden inom vetenskap och industri, från biologi till materialvetenskap . Det finns ett stort antal olika konstruktioner och typer av SEM tillverkade av ett antal företag och utrustade med olika typer av detektorer.
Historien om elektronmikroskopi (särskilt SEM) började med den tyske fysikern Hans Buschs teoretiska arbete om påverkan av ett elektromagnetiskt fält på laddade partiklars bana . 1926 bevisade han att sådana fält kunde användas som elektromagnetiska linser [1] , vilket etablerade de grundläggande principerna för geometrisk elektronoptik. Som svar på denna upptäckt föddes idén om ett elektronmikroskop, och två team - Max Knoll och Ernst Ruska från Berlins tekniska universitet och Ernst Brush från EAG-laboratoriet - försökte omsätta denna idé i praktiken. Och 1931 skapade Knoll och Ruska det första transmissionselektronmikroskopet [2] .
Efter att ha flyttat till det tyska radioföretaget Telefunken , för att bedriva forskning om katodrörs- tv , utvecklade Max Knoll en elektronrörsanalysator eller "elektronstråleanalysator", som simulerade alla nödvändiga egenskaper hos ett svepelektronmikroskop: provet var placerat på ena sidan av de förseglade[ förtydliga ] ett glasrör och en elektronpistol på den andra. Elektroner accelererade med en spänning på 500 till 4000 volt fokuserades på provets yta, och ett system av spolar säkerställde deras avböjning. Strålen skannade provets yta med en hastighet av 50 bilder per sekund, och mätningen av strömmen som passerade genom provet gjorde det möjligt att rekonstruera bilden av dess yta. Den första enheten som använder denna princip skapades 1935 [3] .
1938 byggde den tyske specialisten Manfred von Ardenne det första svepelektronmikroskopet [4] . Men denna apparat liknade ännu inte en modern SEM, eftersom endast mycket tunna prover kunde ses genom den. Det vill säga, det var snarare ett sveptransmissionselektronmikroskop (STEM eller STEM) - Von Ardenne lade faktiskt till ett skanningssystem till transmissionselektronmikroskopet. Förutom bildregistrering på ett kinescope var enheten utrustad med ett fotografiskt inspelningssystem på en film placerad på en roterande trumma. En elektronstråle med en diameter på 0,01 mikron skannade provets yta, och de överförda elektronerna belyste den fotografiska filmen , som rörde sig synkront med elektronstrålen.
Det första STEM-mikrofotografiet fångade en zinkoxid (ZnO) kristall förstorad 8000 gånger med en upplösning på 50 till 100 nanometer . Bilden var sammansatt av ett raster på 400x400 pixlar och det tog 20 minuter att ackumulera den. Mikroskopet hade två elektrostatiska linser omgivna av avböjningsspolar.
1942 publicerade den ryska emigranten, fysikern och ingenjören Vladimir Zworykin , som vid den tiden arbetade i laboratoriet vid Radio Corporation of America i Princeton i USA , detaljerna om det första svepelektronmikroskopet, vilket gjorde det möjligt att analysera inte bara ett tunt prov i transmission, men också ytan på ett massivt prov. En elektronkanon med en volframkatod avgav elektroner, som sedan accelererades med en spänning på 10 kilovolt. Anordningens elektroniska optik bestod av tre elektrostatiska spolar, och avböjningsspolarna placerades mellan den första och andra linsen. För att säkerställa bekvämligheten med att placera provet och manipulera det i SEM-designen var elektronpistolen placerad längst ner i mikroskopet (denna design hade en obehaglig egenskap - risken för att provet skulle falla in i mikroskopkolonnen).
Denna första SEM uppnådde en upplösning i storleksordningen 50 nanometer. Men på den tiden utvecklades transmissionselektronmikroskopi snabbt, mot vilket SEM verkade vara ett mindre intressant instrument, vilket påverkade utvecklingshastigheten för denna typ av mikroskopi [5] .
I slutet av 1940-talet blev Charles Otley , som ordförande för Design Department Conference vid University of Cambridge i Storbritannien , intresserad av elektronoptik och bestämde sig för att tillkännage ett program för att utveckla ett svepelektronmikroskop för att komplettera det pågående arbetet på avdelningen för fysik på ett transmissionselektronmikroskop under ledning av Vernon Ellis Cosslett . En av Charles Otleys elever, Ken Sander, började arbeta på en SEM-kolonn med hjälp av elektrostatiska linser, men var tvungen att sluta arbeta efter ett år på grund av sjukdom. Arbetet återupptogs 1948 av Dennis MacMillan . Han och Charles Otley byggde sin första SEM ( SEM1 eller Scanning Electron Microscope 1 ) och 1952 nådde detta instrument en upplösning på 50 nanometer och, viktigast av allt, gav det en tredimensionell effekt av att reproducera reliefen av provet - ett karakteristiskt drag för alla moderna SEMs [6] .
1960 påskyndade Thomas Everhart och Richard Thornley , genom att uppfinna en ny detektor ("Everhart-Thornley-detektor"), utvecklingen av svepelektronmikroskopet. Denna detektor, som är extremt effektiv för att samla in både sekundära och reflekterade elektroner, börjar bli mycket populär och finns nu på många SEM.
Arbetet som utfördes vid University of Cambridge av Charles Otleys grupp på 60-talet bidrog i hög grad till utvecklingen av SEM, och 1965 Cambridge Instrument Co. släpptes det första kommersiella svepelektronmikroskopet - Stereoscan [7] .
Upplösningen (förmågan att urskilja fina detaljer) hos ett optiskt mikroskop begränsas av våglängden hos fotoner av synligt ljus . De mest kraftfulla optiska mikroskopen kan ge observation av detaljer med en storlek på 0,1–0,2 µm [8] . Om vi vill se finare detaljer måste vi förkorta den våglängd som belyser studieobjektet. För att göra detta kan du inte använda fotoner, utan till exempel elektroner, vars våglängd är mycket kortare. Elektronmikroskop är resultatet av denna idé.
Följande figur illustrerar det grundläggande SEM-schemat: en elektronstråle riktas mot det analyserade provet. Interaktionen genererar sekundära elektroner med låg energi, som samlas upp av en sekundär elektrondetektor . Intensiteten hos detektorns elektriska signal beror både på provets natur (i mindre utsträckning) och på topografin (i större utsträckning) av provet i interaktionsområdet. Således är det möjligt att få en reliefkarta över den analyserade zonen.
En tunn elektronsond genereras av en elektronkanon som fungerar som en elektronkälla och fokuseras av elektronlinser (vanligtvis elektromagnetiska, ibland elektrostatiska). Skanningsspolarna böjer sonden i två ömsesidigt vinkelräta riktningar, avsöker ytan av provet med sonden, på samma sätt som att skanna skärmen på ett TV- katodstrålerör med en elektronstråle . En elektronkälla, elektronlinser (vanligtvis toroidmagnetiska) och avböjningsspolar bildar ett system som kallas en elektronkolonn .
I moderna SEM:er registreras bilden i digital form, men de första SEM:erna dök upp i början av 1960 -talet långt före spridningen av digital teknik, och därför bildades bilden genom att synkronisera elektronstrålens svep i kineskopet med elektronstrålen i SEM och justera rörets intensitet med en sekundär signal. Bilden av provet dök sedan upp på kineskopets fosforescerande skärm och kunde spelas in på fotografisk film .
Sond-(stråle)elektronerna interagerar med provmaterialet och genererar olika typer av signaler: sekundära elektroner, tillbakaspridda elektroner, Auger-elektroner , röntgenstrålar, ljusstrålning (katodoluminescens), etc. Dessa signaler bär information om topografin och provmaterialet [ 9] .
Som ett resultat av interaktion med provets atomer kan primärstrålens elektroner överföra en del av sin energi till provets elektroner. Som ett resultat av en sådan interaktion kan lösgöring av elektroner ske. Sådana elektroner kallas sekundära. Dessa elektroner har vanligtvis låg energi (i storleksordningen 50 eV ). Ofta har en elektron i primärstrålen tillräckligt med energi för att producera flera sekundära elektroner.
Eftersom energin hos sekundära elektroner är låg är deras flykt endast möjlig från ytan nära skikt av materialet (mindre än 10 nm). På grund av sin låga kinetiska energi avleds dessa elektroner lätt av en liten potentialskillnad. Detta gör det möjligt att avsevärt öka effektiviteten hos detektorerna (för att samla in maximalt möjliga antal elektroner) och få bilder av hög kvalitet med ett bra signal-brusförhållande och en upplösning bättre än 1 nm. Antalet sekundära elektroner beror på elektronstrålens kollisionsvinkel med provets yta, det vill säga på topografin. Därför används den sekundära elektronsignalen för att reproducera provets topografi. [9] .
Grunden för ett svepelektronmikroskop är en elektronkanon och en elektronkolonn, vars funktion är att bilda en skarpt fokuserad elektronsond av medelenergier (200 eV - 50 keV ) på provytan. Enheten måste vara utrustad med ett vakuumsystem. Dessutom har varje SEM en objekttabell som låter dig flytta provet i minst tre riktningar. När elektroner interagerar med ett föremål uppstår flera typer av signaler som var och en fångas upp av en speciell detektor (se nedan). Följaktligen kan bilder producerade av ett mikroskop konstrueras med användning av olika signaler, ofta flera signaler samtidigt (t.ex. sekundär elektronbild, reflekterad elektronbild, röntgenbild (karta)).
SEM är utrustade med detektorer som möjliggör urval och analys av strålning som har uppstått under interaktionen, och partiklar som har ändrat energi som ett resultat av interaktionen mellan elektronsonden och provet. [9] De utvecklade teknikerna gör det möjligt att undersöka inte bara egenskaperna hos provytan, utan också att visualisera information om egenskaperna hos underjordiska strukturer.
Huvudtyperna av signaler som genereras och detekteras under driften av SEM:
Alla möjliga typer av detektorer installerade på en enhet är extremt sällsynta.
Sekundära elektrondetektorer är den första typen av detektorer som traditionellt installeras på de flesta SEM (i vissa förenklade skrivbordsmodeller används endast en reflekterad elektrondetektor). I detta läge är upplösningen för SEM maximal. På grund av den mycket smala elektronstrålen har SEM ett mycket stort skärpedjup , ungefär två storleksordningar högre än för ett optiskt mikroskop, och låter dig få tydliga mikrofotografier med en karakteristisk tredimensionell effekt för objekt med komplex relief. Denna SEM-egenskap är extremt användbar för att förstå ytstrukturen hos ett prov. Ett mikrofotografi av pollen visar funktionerna i SE SEM-läget.
Reflekterade elektroner (BE) är strålelektroner som reflekteras från provet genom elastisk spridning. Beroende på detektorns konfiguration kan de visa antingen provets sammansättning (sammansättning) eller dess topografi (yttopografi). I kompositionsläget används OE ofta i analytisk SEM i samband med analys av karakteristiska röntgenspektra. Eftersom intensiteten av OE-signalen är direkt relaterad till det genomsnittliga atomnumret (Z) för området av provet som för närvarande bestrålas av elektronstrålen, bär OE-bilderna information om fördelningen av olika element i provet. Till exempel gör SE-läget det möjligt att detektera kolloidala guldimmunmärkningar med en diameter på 5-10 nm, som är mycket svåra eller till och med omöjliga att upptäcka i biologiska objekt i SE-läget. Ett mikrofotografi av ytan på en polerad sektion av ett metalloxidsystem visar möjligheterna med OE SEM-läget. I topografiskt läge kan OE:er användas under förhållanden där traditionella sekundära elektrondetektorer inte fungerar, såsom i SEM med variabelt vakuum.
Karakteristiska röntgenstrålar genereras när en elektron i strålen slår bort en elektron från det inre skalet av en av provets atomer, vilket gör att en elektron från en högre energinivå flyttar till en lägre energinivå samtidigt som den sänder ut ett röntgenkvantum. Bearbetningen av det karakteristiska röntgenspektrumet gör det möjligt att utföra en kvalitativ och kvantitativ elementaranalys av provets sammansättning.
Vanligtvis används sekundära och/eller reflekterade (bakåtspridda) elektroner för att få information om ytstrukturen. Kontrasten i sekundära elektroner beror mest av allt på ytreliefen, medan reflekterade elektroner bär information om fördelningen av elektrondensitet (regioner berikade med ett grundämne med ett högre atomnummer ser ljusare ut). Därför innehåller tillbakaspridda elektroner, som genereras samtidigt med sekundära, förutom information om ytmorfologin, ytterligare information om provets sammansättning. Bestrålning av provet med en elektronstråle producerar inte bara sekundära och reflekterade elektroner, utan orsakar också emission av karakteristiska röntgenstrålar . Analysen av denna strålning gör det möjligt att bestämma grundämnessammansättningen av provets mikrovolym (upplösningen för massiva prover är vanligtvis inte bättre än 1 μm ).
Everhart-Thornley-detektorn används som en sekundär elektrondetektor , vilket gör det möjligt att effektivt samla in elektroner med en energi i storleksordningen 50 eV.
Många SEM är utrustade med en mycket känslig halvledar-backscattered elektrondetektor. Detektorn monteras på den nedre ytan av objektivlinsen eller sätts in på en speciell stav under polstycket. Detta gör det möjligt att, genom att välja ett läge från menyn, få bilder av yttopografi, en bild i kompositionskontrast eller i ett mörkt fält.
För att analysera grundämnessammansättningen används röntgenspektral mikroanalys , där den karakteristiska röntgenstrålningen av ett ämne detekteras, vilket uppstår när provets yta bestrålas med elektroner. Det finns energidispersiva (EDX) och vågdispersiva (WDX) analysatorer.
Hittills har kvävekylda energispridande spektrometrar använts, men på senare år har tillverkarna gått över till kvävefria detektorer.
Moderna mikroskop kan arbeta vid låga accelererande spänningar, upp till 200 volt. Tillämpningen av retardationspotentialen gör det möjligt att reducera accelerationsspänningen till 10 volt. Låga spänningar har ett antal fördelar. Vid låg spänning kan ett jämviktstillstånd uppnås när antalet strålelektroner som absorberas av provet är lika med antalet elektroner som emitteras av provet. Under dessa förhållanden krävs inte applicering av ledande beläggningar på provet. Vid låga spänningar är skadan på provet av strålelektroner minimal, vilket är viktigt för ömtåliga prover. Och slutligen, vid låga spänningar, minskar strålelektronernas interaktionszon med provet kraftigt, vilket leder till en signifikant ökning av den rumsliga upplösningen när man arbetar med reflekterade elektroner och röntgenstrålar.
Vissa moderna mikroskop är utrustade med ett vakuumsystem som kan upprätthålla ett högt (och ultrahögt) vakuum på 10–3 Pa i elektronkolonnen och ett relativt dåligt vakuum på upp till 5–2000 Pa i provkammaren. Som ett resultat är provet lokaliserat i en atmosfär, om än sällsynt, men tillräckligt tät för att neutralisera ytladdningen (vanligtvis bestående av vattenånga eller kväve). Gasmolekyler joniseras under påverkan av primära elektroner som emitteras av katoden. De bildade positiva jonerna interagerar med elektronerna som ackumuleras på provet och neutraliserar ytladdningen.
Som ett resultat kan dielektriska prov observeras utan en ledande beläggning. Om mikroskopet dessutom är utrustat med en kylande provhållare är det möjligt att arbeta med våta prover och även med vatten. Till exempel kan man observera direkt i mikroskop upplösning och omkristallisation av bordssalt (eller andra kristaller).
Den rumsliga upplösningen för ett svepelektronmikroskop beror både på elektronstrålens diameter och på storleken på området för interaktion mellan elektronsonden och provet. Storleken på elektronsonden och storleken på interaktionsområdet mellan sonden och provet är mycket större än avståndet mellan målatomerna . Även om upplösningen hos svepelektronmikroskop är sämre än upplösningen hos transmissionsmikroskop , har de ett antal fördelar, såsom förmågan att studera provets topografi, visualisering av ett relativt stort område av provet, studiet av massiva föremål (inte bara tunna filmer), en uppsättning analytiska metoder som gör det möjligt att mäta sammansättningen och egenskaperna hos föremålet som studeras .
Beroende på det specifika instrumentet och parametrarna för experimentet kan en upplösning från tiotals till en bråkdel av en nanometer erhållas . 2009 uppnåddes den bästa upplösningen med ett Hitachi S-5500-mikroskop och uppgick till 0,4 nm (vid en spänning på 30 kV) [10] .
Som regel kan den bästa upplösningen erhållas med hjälp av sekundära elektroner, den sämsta - i de karakteristiska röntgenstrålar. Det senare beror på den stora storleken på strålningsexcitationsområdet, som är flera gånger större än storleken på elektronsonden. När du använder lågvakuumläget försämras upplösningen något.
Konduktiva (metall) prover kräver vanligtvis ingen speciell förberedelse och kan placeras direkt i mikroskopkammaren. Vid behov kan prover rengöras. Tunna sektioner kan förberedas för att se den interna strukturen och/eller använda röntgenmikroanalys.
Pulver och nanopartiklar avsätts på spegelliknande ytor (glas, plast, glimmer, etc.) som en suspension i vatten eller ett organiskt lösningsmedel. Efter att vätskan har torkat kan provet användas i mikroskopet. Pulver med större partiklar kan appliceras på ledande koltejp.
Icke-ledande prover utsätts vanligtvis för förstoftning av ett tunt ledande skikt för att avlägsna laddningen och avskärma den infallande strålen från laddningen som ackumulerats i huvuddelen av materialet. För ledande beläggningar används oftast kol, guld eller en legering av guld och palladium. Den förra är användbar för röntgenmikroanalys. Sputtering av guld eller en legering baserad på det gör det möjligt att erhålla mikrofotografier med högre förstoring och kontrast (oftast utan självbild). Om det är omöjligt att avsätta en film på ett prov, är det i en SEM med variabelt vakuum möjligt att avlägsna laddningen från provet genom joner av gaser som införs i kammaren (vanligtvis vattenånga eller kväve). Laddningsackumulering på provet kan också undvikas genom att arbeta vid låga accelerationsspänningar (vanligtvis i storleksordningen 1 kV).
Biologiska prover måste fixeras kemiskt, dehydreras i en serie alkohol- eller acetonlösningar med koncentrationer som ökar från 30-50 % till 100 %, sedan måste alkoholen (eller acetonet) avlägsnas från provet i en speciell apparat där alkoholen är ersättas av flytande koldioxid, som överförs till gasformigt tillstånd genom att passera genom den kritiska trippelpunkten.
Skannamikroskop används som ett forskningsverktyg inom fysik , elektronik , biologi , läkemedel , medicin , materialvetenskap , etc. Deras huvudsakliga funktion är att få en förstorad bild av provet som studeras och/eller bilder av provet i olika registrerade signaler. Jämförelse av bilder erhållna i olika signaler gör det möjligt att dra en slutsats om ytans morfologi och sammansättning.
Egenskaper för Magellan XHR SEM svepelektronmikroskop
| elektronstråleanordningar | ||
|---|---|---|
| Sändare | Crookes rör | |
| Främja |
| |
| komma ihåg | ||
| Elektron mikroskop | ||
| Övrig |
| |
| Huvuddelar |
| |
| Begrepp | ||