Skaningowy mikroskop elektronowy

Skaningowy mikroskop elektronowy JEOL JSM-6340F

Skaningowy mikroskop elektronowy JEOL JSM-5500

Skaningowy mikroskop elektronowy (ang. Scanning Electron Microscope) - przyrząd badawczy służący do obserwacji i charakteryzacji materiałów organicznych i nieorganicznych w skali od nanometrycznej do mikrometrycznej. Wiązką pierwotną w tej metodzie badawczej jest wiązka elektronów.

Historia

W 1935 roku pierwszy obraz SEM uzyskał niemiecki elektrotechnik Max Knoll (1897-1969). Topografia powierzchni próbki wykonanej ze stali transformatorowej została uzyskana w wyniku zaistnienia kontrastu kanałowania. Skaningowa mikroskopia elektronowa była dalej rozwijana. W 1965 roku firma Cambridge Scientific Instrument Company uruchomiła sprzedaż mikroskopów (Stereoscan) zaprojektowanych przez profesora Sir Charles Oatley'a (1904-1996) i jego doktoranta Gary'ego Stewart'a.

Ogólne informacje

Optyka mikroskopii elektronowej jest bardzo podobna do optyki wykorzystywanej w tradycyjnej mikroskopii świetlnej. Długość fali przyspieszanych elektronów jest w przypadku SEM dużo mniejsza, niż długość fali światła widzialnego, co zapewnia dużo lepszą rozdzielczość. Dla światła długość fali wynosi 350–750nm, natomiast długość fali wiązki elektronów dochodzi do 0,05nm. W przypadku mikroskopu świetlnego można uzyskać maksymalne powiększenie rzędu 2000x, w przypadku SEM może wynieść 200 000x. W całej mikroskopii elektronowej należy utrzymywać próżnię minimalnie 10^-4Pa.

Podstawy fizyczne

W uproszczonym rozumowaniu promieniowanie elektromagnetyczne może być opisane jako strumień fotonów, a poruszające się cząstki jako fale. Wszystkie te mechanizmy opisuje tzw. dualizm korpuskularno-falowy. Padające promieniowanie można zapisać w postaci jednego równania de Broglie’a:

$\lambda ={h \over {m\nu }}$

gdzie:

λ – długość fali [m]

ν – częstotliwość fali [1/s]

h – stała Plancka [eV•s]

m – masa [kg].

Dla każdego zakresu promieniowania występuje wiele możliwości różnych procesów rozpraszania wiązki. W ogólnie rozproszenie fal możemy podzielić na dwa procesy:

• rozpraszanie sprężyste, czyli zderzenia, podczas których nie dochodzi do zmian energii, a jedynie do zmiany kierunku padającej fali
• rozpraszanie niesprężyste, czyli zderzenia, podczas których dochodzi zarówno do zmiany kierunku fali jak i zmiany energii.

Rys. 1. Uproszczony schemat obrazujący oddziaływanie elektron-próbka

Wraz z obniżeniem ciśnienia w komorze pomiarowej wzrasta wielkość średniej drogi swobodnej Λ. Spowodowane to jest mniejszym prawdopodobieństwem przypadkowych zderzeń w silniej rozrzedzonym ośrodku. Z punktu widzenia badawczego pożądane jest uzyskanie wysokiej próżni.

$\Lambda ={{k_{B}T} \over {\pi \cdot d_{m}^{2}{\sqrt {2}}p}}$

gdzie:

k_B – stała Boltzmanna [eV/K]

T – temperatura bezwzględna [K]

d_m – średnica cząstki [m]

p - ciśnienie [N/m²].

Oddziaływanie elektron-próbka

Rys. 2. Emisja SE

Strefa oddziaływanie pomiędzy elektronami, a próbką ma kształt gruszki (rys. 1.) i rozumiana jest jako miara objętości, w której 95% elektronów pierwotnych uległo rozproszeniu. Próbka wykonana z materiału o dużej liczbie atomowej będzie wykazywała mniejszą głębokość wnikania elektronów w porównaniu do próbki wykonanej z materiału o małej liczbie atomowej. W wyniku oddziaływania wiązką pierwotną na próbkę można uzyskać kilka sygnałów.

Elektron wtórny

Elektron wtórny (ang. Secondary electron (SE)) - niskoenergetyczny elektron (umownie o energii kinetycznej mniejszej niż 50 eV), najczęściej wybity od atomów położonych najbliżej powierzchni materiału (rys. 2.). Elektronami wtórnymi nie muszą być tylko elektrony wybite na skutek zderzenia niesprężystego, ale również mogą to być elektrony pochodzące z wiązki pierwotnej, które utraciły większość swojej energii w wyniku rozproszenia i jednocześnie wydostały się z powierzchni trafiając do detektora. Ilość elektronów SE jest bardzo duża w stosunku do ilości elektronów wstecznie rozproszonych. Wydajność emisji SE silnie zależy od wielkości napięcia przyspieszającego. Wyróżnia się dwa podtypy elektronów wtórnych:

• SE I - elektrony wtórne wyemitowane w wyniku oddziaływania wiązki pierwotnej na próbkę
• SE II - elektrony wtórne wyemitowane w wyniku oddziaływania z elektronami wstecznie rozproszonymi.

Elektron wstecznie rozproszony

Rys. 3. Emisja BSE

Elektron wstecznie rozproszony (ang. Backscattered electron (BSE)) - wysokoenergetyczny elektron, który uległ sprężystemu odbiciu i opuściły jednocześnie powierzchnię materiału praktycznie bez utraty energii kinetycznej (rys. 3.). Ilość elektronów BSE jest bardzo mała w stosunku do ilości elektronów wtórnych. Wydajność emisji BSE silnie zależy od liczby atomowej. Wraz ze wzrostem liczby atomowej rośnie ilość wyemitowanych elektronów wstecznie rozproszonych. Istnieje możliwość oszacowania obszaru półkulistego, z którego są emitowane elektrony wstecznie rozproszone:

$R_{BSE}\approx {0,007A\cdot E_{0}^{1,67} \over {Z^{0,9}\cdot \rho }}$

gdzie:

A - masa atomowa [Jednostka masy atomowe|u]

Z - liczba atomowa

E₀ - energia wiązki pierwotnej [eV]

ρ - gęstość [g/m³].

Rys. 4. Emisja elektronu Augera

Rys. 5. Emisja promieniowania X

Elektron Augera

Elektron Augera (ang. Auger electron) - niskoenergetyczny elektron (umownie od 100-1000 eV) powstały w wyniku bezpromienistego przeskoku innego elektronu na niższą podpowłokę (rys. 4.). Wzbudzony atom emituje nadmiar energii, który może spowodować emisję elektronu Augera lub promieniowania rentgenowskiego. Z tego powodu wyemitowanie elektronu Augera jest konkurencyjne do emisji charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego i częściej zachodzi w lekkich materiałach. Elektrony Auger nie są zbiera w standardowym wyposażeniu skaningowego mikroskopu elektronowego. Spektrometr Augera może być osobnym urządzeniem lub działać jako dodatkowy moduł w SEM.

Charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie

Charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie - wzbudzony atom oddaje nadmiar energii poprzez emisję promieniowania rentgenowskiego o danej energii (rys. 5). Energia promieniowania wynika z różnicy energii pomiędzy poziomami energetycznymi elektronów (wybitego i przeskakującego). Promieniowanie charakterystyczne jest zjawiskiem konkurencyjnym dla emisji elektronów Auger i częściej zachodzi w przypadku ciężkich materiałów.

Katodoluminescencja

Katodoluminescencja - rekombinacja pary elektron-dziura, która została wytworzona przez wybicie elektronu walencyjnego przez wiązkę pierwotną.

Rozdzielczość

Rys. 6. Pyłki kwiatowe obserwowane przy pomocy SEM, ukazujące charakterystyczną głębię ostrości

W mikroskopii elektronowej długość wykorzystywanej fali elektronów jest około 10⁵ razy mniejsza od długości fali świetlnej. Charakteryzuje się dużo lepszą rozdzielczością. Bez uwzględniania efektów relatywistycznych elektrony przyspieszone w polu elektrycznym oraz odpowiadająca im długość fali de Broglie’a wyraża się relacją:

$\lambda ={h \over {(2m_{e}\cdot e\cdot V)}^{1/2}}$

gdzie:

h – stała Plancka [eV·s]

m_e – masa spoczynkowa elektronu [kg]

e – ładunek elektryczny elementarny [C]

V – napięcie pola elektrycznego [V].

W skaningowej mikroskopii elektronowej rozdzielczość jest zależy głównie od rozmiaru wiązki skanującej. Im mniejszy jest rozmiar wiązki, tym większą rozdzielczość można uzyskać.

Głębia ostrości

Rys. 7. Plik wideo przedstawiający standardowy zakres powiększeń SEM. Film ukazuje zwiększenie powiększenia od 12x do 12000x i obserwację szklanych kulek

Największy wpływ na wielkość głębi ostrości ma połowa kąta apertury obiektywu oraz długość wykorzystywanej fali. Głębia ostrości zwiększa się, gdy połowa kąta apertury obiektywu i długość fali maleją. Jest to szczególnie ważny parametr w przypadku obrazowania trójwymiarowego. Wyraża się równaniem:

$z={0,61\lambda \over {n_{r}\cdot sin\alpha \cdot tg\alpha }}$

gdzie:

λ – długość fali [m]

α – połowa kąta apertury obiektywu [⁰]

n_r - współczynnik załamania wiązki elektronowej w danym ośrodku (dla próżni wynosi 1).

Powiększenie

Powiększenie w skaningowej mikroskopii elektronowej może być zmieniane w szerokim rzędzie wielkości od 10x do nawet 200 000x. Wyjątkowość technik SEM polega na tym, że uzyskane powiększenie nie zależy od mocy soczewek elektromagnetycznych. SEM nie posiada w ogóle soczewki obiektywowej. Układ optyczny pozwala zogniskować wiązkę, która skupiona w jednym miejscu pozwala uzyskać sygnały tworzące obraz (poprawa rozdzielczości). Powiększenie definiuje się jako stosunek wymiaru rastra na lampie oscyloskopowej/monitorze do wymiaru plamki (obrazu skanowanego) wiązki pierwotnej na próbce. Dla stałych wymiarów monitora powiększenie będzie rosnąć, gdy rozmiar plamki będzie się zmniejszać. Dowolny sygnał powstający w wyniku oddziaływania elektronów z próbką może zostać wykorzystany do tworzenia obrazu. Powiększenie można kontrolować poprzez zmianę parametrów prądu w cewkach odchylających (rys. 7.).

Budowa urządzenia

Rys. 8. Schemat budowy skaningowego mikroskopu elektronowego

Wiązka elektronów może być generowana w wyniku dwóch zjawisk:

• termoemisji - wyniku dostarczenia odpowiedniej energii cieplnej elektron opuszcza pasmo przewodnictwa emitera
• emisji polowej - działo z emisją polową FEG (ang. Field Emission Gun) znajduje się w bardzo dużym polu elektrycznym, które powoduje znaczne obniżenie energii wyjścia elektronu z emitera. Można stosować działa w temperaturze pokojowej (emisja polowa na zimno) i w podwyższonej temperaturze (emisja polowa Schottky’ego)

W skład standardowego oprzyrządowania SEM wchodzi cały układ soczewek elektromagnetycznych (kondensor, cewek skanujących/odchylających), obiektyw, detektory, układ przetwarzający zebraną informację oraz układ pomp wytwarzających próżnię (rys. 8.).

Działo elektronowe

Rys. 9. Schemat działa elektronowego

Istnieją dwa główne typy dział elektronowych wykorzystujących zjawisko termoemisji lub emisję polową. Najprostsze działo elektronowe to wolframowe włókno (katoda). Jest ono nagrzewane w próżni do temperatury około 2800K. Elektrony uzyskują energię, która pozwala, aby opuściły katodę. Emitowane elektrony są kolimowane i ogniskowane przy pomocy cylindra Wehnelta (pole elektrostatyczne). Wiązkę pierwotna ma wtedy średnicę około 50 μm. Potencjał przyłożony do anody wynosi od 1 do 20 kV. Na rysunku XX przedstawiono standardowe działo elektronowe. Przyspieszenie elektronów następuje w wyniku dużej różnicy potencjałów pomiędzy katodą, a anodą (rys. 9.).

Głównym parametrem charakteryzującym działo elektronowe jest jasność źródła wiązki β. Definiuje się ją jako gęstość prądu odniesiona do jednostkowego kąta bryłowego:

$\beta ={4I \over {\pi ^{2}\cdot d_{p}^{2}\cdot \alpha ^{2}}}$

gdzie:

I - natężenie prądu elektrycznego [A]

d_p – średnica wiązki padającej na próbkę [m]

α - połowa kąta apertury obiektywu [⁰].

Zwiększona jasność β pozwala wykorzystać większy prąd I, dzięki czemu uzyskuje się lepszą rozdzielczość. W przypadku wykorzystania katody LaB₆ uzyskuje się lepszą jasność związaną z niższą pracą wyjścia elektronów oraz mniejszym rozmiarem źródła (ok. 10μm). Działa FEG charakteryzują się najmniejszym rozmiarem źródła (maks. 30nm). Zarówno katoda heksaborku lantanu i działa z emisją polową dodatkowo wyróżniają się dłuższym czasem eksploatacji, niż standardowe włókna wolframowe. Emitują elektrony o mniejszym odchyleniu energetycznym, co umożliwia poprawę rozdzielczości poprzez zmniejszanie wpływu aberracji chromatycznej.

Napięcie przyspieszające U_p jest to napięcie przyłożone pomiędzy katodą, a anodą. Można rozpatrzyć dwa przypadki dla przyspieszającego elektronu. Gdy jego prędkość jest mała (dużo niższa od prędkości światła) można wyznaczyć długość fali λ w zależności od zastosowanego napięcia przyspieszającego:

$\lambda ={12,25 \over {\sqrt {U_{p}}}}$

gdzie:

U_p - napięcie przyspieszające elektrony [V]

Gdy napięcie przyspieszające jest większe od 6kV elektrony osiągają tak dużą prędkość, że należy uwzględnić efekty relatywistyczne. Masa elektrony wzrasta ze zwiększaniem się prędkości. Długość fali λ można wyznaczyć z relacji:

$\lambda ={12,25 \over {\sqrt {U_{p}\cdot (1-{U_{p} \over {1,02\cdot 10^{6}}})}}}$

gdzie:

U_p - napięcie przyspieszające elektrony [V]

W skaningowej mikroskopii elektronowej stosuje się najczęściej napięcie przyspieszające z zakresu 10-20kV. Dla porównania transmisyjna mikroskopia elektronowa wykorzystuje napięcia 100-400kV. Stosowanie większych napięć przyspieszających pozwala otrzymywać informację z większych głębokości próbki. Dodatkowo można uzyskać widmo charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego cięższych pierwiastków, których energia wzbudzenia jest duża. Niskie napięcie przyspieszające ułatwia detekcję lekkich pierwiastków o niskiej zawartości w próbce. Przy wzroście wielkości napięcia przyspieszającego ponad 400-500kV nie pojawia się znaczące skrócenie długości fali, niż by to wynikało ze strat energetycznych i opłacalności danych obserwacji. Duże wartości napięcia przyspieszające powodują mocniejszą eksploatację katody, silnie skracającej jej żywotność.

Zestawienie różnych parametrów dział elektronowych przy napięciu przyspieszającym 20 kV

	Działa termoemisyjne		Działa z emisją polową
Parametry	Wolframowe	LaB6	S-FEG	C-FEG
Jasność β [A/cm2⋅sr]	105	106	108	108
Temperatura emisji [°C]	1700÷2400	1500	1500	25
Średnica wiązki [nm]	50000	10000	100÷200	20÷30
Wielkość źródła [nm]	30000÷100000	5000÷50000	15÷30	<5
Prąd emisyjny [µA]	100÷200	50	50	10
Odchylenie energetyczne ΔE [eV]	1-3	1-2	0,3-1	0,3
Żywotność [h]	40÷100	200÷1000	>1000	>1000
Minimalna wielkość próżni [Pa]	10-2	10-4	10-6	10-8
Stabilność [%/h]	<1	<1	1	4÷6

Układ optyczny

Soczewki elektromagnetyczne

Rys. 10. Schemat soczewki elektromagnetycznej

Wykorzystuje się dwie lub więcej soczewek kondensora, które pozwalają ogniskować wiązkę pierwotną. Za układem kondensora znajduje się obiektyw z cewkami odchylającymi. Cewki odchylają i ogniskują elektrony na próbce tak, że średnica padającej wiązki może wynosić od 2 do 10 nm. Apertura obiektywu ogranicza rozkład kątowy elektronów α. Pole magnetyczne wytworzone między soczewką elektromagnetyczną powoduje odchylenie trajektorii elektronu lecącego poza jej osią optyczną. Kąt odchylenia toru elektronu α jest tym większym, im jest większa odległość od osi optycznej (rys. 10.). Równanie przedstawia relację pozwalającą wyznaczyć ogniskową soczewki elektromagnetycznej f:

$f={K\cdot U_{p} \over {(n\cdot I)^{2}}}$

gdzie:

K – stała związana z geometrią soczewki

U_p – napięcie przyspieszające elektrony [V]

n – liczba zwojów

I – prąd cewki [A].

Zmiana prądu cewki I powoduje zmianę ogniskowej soczewki, czego rezultatem jest obrót obrazu. Jarzmo jest wykonywane z materiału ferromagnetycznego (np. żelaza, niklu, kobaltu lub stopów tj. permaloj). Istotne jest poprawne i dokładne wykonanie nabiegunników, gdyż nawet małe odstępstwa lub braki powodują powstanie artefaktów i utratę zogniskowania. W cewkach indukowane jest pole magnetyczne. Wykorzystuje się głównie wysokie napięcie. Z tego powodu wymagana jest odpowiednia izolacja chroniąca przed zwarciem układu. Ciepło emitowane przez cewki w trakcie pracy jest odprowadzane na różne sposoby. Wykorzystuje się odprowadzanie ciepła poprzez obieg wodny lub poprzez nakładki dobrze przewodzące ciepło.

Abberacja

Soczewki ogniskujące elektrony nie są idealne i wykazują fizyczne oraz geometryczne aberracje. Powodują one rozmazanie, utratę jakości obrazu i prowadzą do utraty rozdzielczości. Wyróżnia się trzy podstawowe wady:

• aberracja chromatyczna
• aberracja sferyczna
• astygmatyzm

Skorygowanie aberracji sferycznej wiąże się ze zmniejszeniem połowy kąta apertury obiektywu α, co powoduje pogorszenie rozdzielczości. Aberrację chromatyczną ogranicza się poprzez uzyskanie promieniowania mocniej monochromatycznego. Astygmatyzm niweluje się przy pomocy stygmatorów (zewnętrzne pole elektromagnetyczne).

Detektory

SE

Urządzeniem pozwalającym zbierać elektrony wtórne jest scyntylacyjny powielacz fotoelektronów, nazywany detektorem Everharta-Thornleya (ET). W 1960 roku został zaprojektowany przez Thomasa Everharta (1932) i Richarda Thornleya. Składa się głównie z:

• scyntylatora
• klatki Faradaya.

Scyntylator znajduje się wewnątrz klatki Faradaya w komorze pomiarowej mikroskopu. Do klatki Faradaya przyłożone jest niskie, dodatnie napięcie powodujące przyciąganie elektronów wtórnych. Napięcie jest zbyt niskie, aby możliwe było zebranie informacji od innych elektronów. Wyjątkiem są tylko elektrony, które bezpośrednio dotarły do detektora (np. elektrony wstecznie rozproszone). Do scyntylatora przyłożone jest wysokie napięcie dodatnie (ok. 10 000 kV), które powoduje przyspieszenie elektronów. Elektrony uderzają w scyntylator indukując emisję fotonów. Sygnał świetlny jest wzmacniany przez fotopowielacz. Istnieje możliwość użycia detektora ET do zbieranie elektronów wstecznie rozproszonych (wyłączenie lub przyłożenie niskiego, ujemnego napięcia do klatki Faradaya; celem eliminacji uzyskania sygnału od SE). Problem technologiczny dotyczy wielkości takiego detektora i potrzeby jego specjalnego rozmieszczenia. Z tego powodu do zbierania elektronów wstecznie rozproszonych zaprojektowano inny typ detektora.

BSE

Urządzeniem pozwalającym skutecznie zbierać elektrony wstecznie rozproszone jest półprzewodnikowy pierścień (złącze p-n). Jest to detektor stały o bardzo dużym polu powierzchni. Jego rozmiary muszą być duże celem "wyłapania" jak największej liczby elektronów BSE, których ilość i tak jest bardzo niska. Urządzenie umieszcza się tuż pod spodem obiektywu. Elektrony wstecznie rozproszone uderzając w detektor powodują powstanie par elektron-dziura. Bezpośrednią konsekwencją jest pojawienie się prądu elektrycznego, który można wzmocnić.

Mikroanaliza rentgenowska

EDS

Detektory EDS podobnie jak detektory BSE są półprzewodnikami. Odczyt intensywności charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego jest możliwy dzięki tworzeniu się par elektron-dziura. Promieniowanie każdego z pierwiastków jest zbierane równolegle, dlatego analiza EDS należy do szybkich metod. Detektor najczęściej wyposażony jest w okienko (berylowe), co uniemożliwia skuteczną detekcję pierwiastków lżejszych, niż sód. Pierwsze detektory składały się z krzemu domieszkowanego litem. Ze względu na wysoką reaktywność litu oraz silne drgania sieci krystalicznej detektor musi znajdować się cały czas w kriostacie. Nową generacją detektorów rozwiązujących wiele problemów technologicznych stały się dryftowe detektory krzemowe SDD (ang. Silicon Drift Detector). Pozwoliły one wykrywać lżejsze pierwiastki, mogły pracować przy niższych napięciach przyspieszających, charakteryzują się dużo lepszą rozdzielczością i są dużo mniejsze od poprzedników.

WDS

Działanie detektorów WDS opiera się na pomiarze długości fali przy zastosowaniu specjalnych monokrystalicznych monochromatorów. Detektor porusza się po łuku (okrąg Rowlanda), w środku którego znajduje się badana próbka. W całej metodzie badawczej wykorzystuje się zjawisko dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego. Intensywność promieniowania zgodnego z prawem Bragga jest zliczana przez licznik proporcjonalny. Analiza WDS jest metodą wolniejszą, ale o dużo lepszej rozdzielczości, niż analiza EDS. Najlżejszym pierwiastkiem możliwym do wykrycia jest beryl.

EBSD

Detektor EBSD wykorzystywany jest do analizy orientacji ziarn i tekstury. Próbka musi być nachylona pod bardzo małym kątem względem wiązki pierwotnej i detektora (stolik z próbką najczęściej jest ustawiony pod kątem 70° względem dna komory pomiarowej). Wiązka pierwotna jest chaotycznie rozpraszana na badanej próbce, jednakże część elektronów wstecznie rozproszonych jest sprężyście odbita zgodnie z prawem Bragga. Silnie wzmocniona wiązka jest obrazowana na fosforowym ekranie detektora EBSD. Otrzymany wynik analizy (linie Kikuchiego) pochodzi z obszarów pomiędzy płaszczyznami sieci krystalicznej, gdzie przecinają się stożki Kossela ze sferą Ewalda. Dyfraktogram linii Kikuchiego na ekranie składa się z par równoległych linii. Każda para linii odpowiada konkretnej płaszczyźnie krystalograficznej. Przy wykorzystaniu skanowania powierzchni wiązką elektronów można uzyskać mapę orientacji krystalograficznej w mikrostrukturze z rozdzielczością nie większą, niż 100nm.

Preparatyka

Fotografia przedstawiająca ślizga słodkowodnego
Górna fotografia - rzeczywisty wygląd
Środkowa fotografia - ryba po napyleniu złotem
Dolna fotografia - obrazowanie SE

Rys. 11. Jeden z typów uchwytu

Rys. 12. Otwarta komora pomiarowa SEMu

Gabaryty próbki możliwe do zbadania są ograniczone tylko do pojemności wykorzystywanej komory pomiarowej (dostępne są mikroskopy o bardzo różnorodnych rozmiarach komór) (rys. 12.). Próbkę umieszcza się w specjalnie zaprojektowanym i wykonanym uchwycie, tzw. holderze (rys. 11.).

W przypadku standardowego obrazowania w SEM, próbki muszą przewodzić prąd elektryczny (co najmniej na powierzchni, dodatkowo muszą być elektrycznie uziemione, aby zapobiec gromadzeniu się ładunków elektrostatycznych). Materiały metalowe i ich stopy wymagają minimalnego przygotowania w postaci czyszczenia i montażu do holderu. Nieprzewodzące materiały ładują podczas skanowania przez wiązkę elektronów. Powoduje to pojawienie się wielu artefaktów i praktycznie uniemożliwia poprawną obserwację. Istnieje kilka metod eliminacji tego problemu:

• napylenie/nałożenie jak najcieńszej powłoki z materiału przewodzącego elektrycznie (najczęściej wykorzystuje się do tego grafit, złoto; rzadziej platynę, wolfram, chrom, iryd i osm),
• wykorzystanie techniki środowiskowej skaningowej mikroskopii elektronowej ESEM,
• zatopienie próbki w przewodzącej żywicy.

Materiały nieorganiczne

W przypadku materiałów nieorganicznych przewodzących prąd teoretycznie nie jest potrzebne żadne wcześniejsze przygotowanie próbki do badania. Przyjęło się wykonywać uprzednio zgłady metalograficzne, które są polerowane i trawione (celem eliminacji wpływu makro- i mikronaprężeń przy badaniu). Poprawne oczyszczenie próbki pozwala uniknąć błędów podczas mikroanalizy rentgenowskiej (EDS i WDS). W przypadku pokrywania materiałów nieorganicznych powłokami przewodzącymi należy liczyć się z faktem, że w przypadku analiz składu chemicznego materiał powłokotwórczy będzie aktywnie uczestniczyć w uzyskanym widmie.

Materiały organiczne

Wymagane jest, aby materiały badane w SEM były suche. Z tego powodu badanie materiałów organicznych naturalnie będących naturalnie pozbawionych wody (np. suche drewno, kości, pióra) mogą być bezpośrednio obrazowane. Żywe komórki, tkanki, niektóre organizmy wymagają specjalnych zabiegów celem ich utrwalenia i przede wszystkim ochrony przed niszczącym działaniem wiązki elektronów. Utrwalenie materiału biologiczne można przeprowadzić poprzez inkubację w roztworze buforowym (np. w aldehydzie glutarowym, niekiedy z dodatkiem aldehydu mrówkowego). Materiał w ten sposób utrwalony traci wodę. Utrata wody powoduje gwałtowne i destruktywne kurczenie się. W tym celu przestrzenie pozbawione wody wypełnia się alkoholem etylowym lub acetonem. Kolejnym krokiem jest wyparcie tych roztworów przez wprowadzenie ciekłego dwutlenku węgla. Dwutlenek węgla jest usuwany z materiału będąc w stanie nadkrytycznym. Tak przygotowany materiał biologiczny jest przyklejany do uchwytu za pomocą przewodzącej żywicy epoksydowej lub jest napylany złotem i jego stopami (nie napyla się grafitem, gdyż wprowadziłoby to dużo węgla do materiału z definicji bogatego w ten pierwiastek).

• 
  Pająk napylony złotem
• 
  Mrówka Aulacopone relicta napylona złotem
• 
  Mrówka
• 
  Głowa mrówki
• 
  Głowa motyla

Obrazowanie

Rys. 13. Kryształy szczawianu wapnia. Widoczny jest kontrast cieniowania w postaci bardzo jasnej nierówności na środku fotografii oraz kontrast krawędziowy w postaci jasnych krawędzi poszczególnych kryształów

Obserwacja w elektronach wtórnych SE

W wyniku oddziaływania wiązki pierwotnej z próbką emitowane jest szerokie spektrum elektronów wtórnych, które dają obraz o dużym stosunku sygnału do szumu. Detektor jest wstanie zebrać niemalże wszystkie elektrony wtórne, dlatego uzyskane obrazy odwzorowują nierówności powierzchni. Obrazowanie SE charakteryzuje się bardzo dobrą rozdzielczością i głębią ostrości, jednakże nie pozwala na określenie składu chemicznego próbki.

Kontrast cieniowania

Kontrast cieniowania pojawia się w wyniku różnicy intensywności emisji elektronów wtórnych z obszarów próbki leżących w linii widzenia detektora. Tego typu obszary są jaśniejsze od innych (rys. 13.).

Kontrast krawędziowy

Kontrast krawędziowy pojawia się w wyniku różnicy intensywności emisji elektronów wtórnych na krawędziach próbki oraz wszelkich ostrych nierównościach powierzchni. Ogólnie intensywność emisji elektronów SE rośnie ze wzrostem kąta pomiędzy wiązką pierwotną, a normalną do powierzchni próbki. Krawędzie stają się coraz to jaśniejsze. Dzięki temu można skutecznie rozróżniać topografię powierzchni próbki operując nachyleniem próbki (rys. 13.).

Obserwacje w elektronach wstecznie rozproszonych BSE

W wyniku oddziaływania wiązki pierwotnej z próbką emitowane jest spektrum elektronów wstecznie rozproszonych, które dają obraz o niskim stosunku sygnału do szumu. Stosunek rośnie wraz ze zwiększaniem się liczby atomowej pierwiastków zawartych w próbce. W wyniku tego, obszary bogatsze w cięższe pierwiastki są jaśniejsze od obszarów z lżejszymi pierwiastkami. W takim przypadku mówi się o kontraście kompozycyjnym (ang. composition contrast). W przypadku obrazowania BSE materiałów polikrystalicznych, dobrze wypolerowanych i niezdeformowanych ujawnić się może dodatkowo kontrast kanałowania ang. channelling contrast). W takim przypadku ziarna o zupełnie innej orientacji krystalograficznej od otoczenia będzie dużo jaśniejsze lub dużo ciemniejsze (mimo, że skład chemiczny jest taki sam jak otoczenia). Obrazowanie BSE charakteryzuje się dużo gorszą rozdzielczością i głębią ostrości, niż obrazowanie SE. Jest natomiast czułe na zmianę składu chemicznego próbki.

Obserwacje dyfrakcji elektronów wstecznie rozproszonych EBSD

Rys. 14. Obraz dyfrakcyjny EBSD

Obserwację techniką EBSD prowadzi się poprzez wykorzystywanie elektronów wstecznie rozproszonych. Stacjonarna wiązka pierwotna pada na próbkę, a ulegające dyfrakcji elektrony tworzą obraz dyfrakcyjny na ekranie fluorescencyjnym, który jest pokryty luminoforem. Elektrony ulegające dyfrakcji tworzą pary mocno rozwartych stożków, które odpowiadają konkretnym płaszczyzną krystalograficznym. Na ekranie te stożki są odwzorowane w postaci linii Kikuchiego (rys. 14.). Ocena położenia linii pozwala wyznaczyć orientację kryształu. Obserwację EBSD można prowadzić w trybie skanującej wiązki pierwotnej lub wykorzystać stacjonarną wiązkę i poruszać próbką. Istnieje możliwość wykonania map orientacji krystalograficznych. Obraz dyfrakcyjny wykorzystywany jest do określenia orientacji kryształów, dezorientacji ziarn, identyfikacji faz i określenia lokalnej doskonałości kryształu.

Kontrast napięciowy

Kontrast napięciowy służy do obrazowania materiałów półprzewodnikowych. W tego typu materiałach gęstość elektronów wtórnych zależy od zmian pola elektrycznego, które pojawiają się na powierzchni próbki. Dodatni potencjał zmniejsza emisję elektronów SE, a ujemny ją wzmacnia. Na obrazie obszary dodatnio naładowane są ciemne, natomiast ujemnie naładowane są jasne.

Kontrast prądu indukowanego wiązką elektronów EBIC

Kontrast prądu indukowanego wiązką elektronów EBIC (ang. Electron beam induced current) jest wywołany w wyniku wybicia elektronów walencyjnych badanej próbki na skutek oddziaływania z wiązką pierwotną. Istnieje prawdopodobieństwo, że wytworzone w ten sposób pary elektron-dziura zrekombinują i wytworzą foton (katodoluminescencja). Kontrast wykorzystywany jest do badania własności i obserwacji półprzewodników (głównie układów scalonych). Prąd tworzący się w wyniku katodoluminescencji pozwala tworzyć obraz i dostarcza informację o przewodności, czasie życia i ruchliwości ładunku.

Kontrast magnetyczny

Kontrast magnetyczny jest efektem działania zewnętrznego pola magnetycznego działającego na powierzchni badanej próbki. Pole może odchylać emitowane elektrony wtórne i wstecznie rozproszone oraz obijać wiązkę pierwotną i zmieniać gęstość emisji. Kontrast wykorzystuje się do obrazowania struktur domen magnetycznych.

Efekt matrycy

W przypadku dokonywania szacowania koncentracji wybranych pierwiastków w badanej próbce (np. za pomocą mikroanalizy rentgenowskiej) wykorzystuje się wartości uzyskane w próbki wzorcowej. Najczęściej próbką wzorcową są czyste pierwiastki. W metodyce badawczej w przeważającej mniejszości dokonuje się analiz chemicznych na czystych pierwiastkach. Z tego powodu rozpoznawanie danych pierwiastków w dowolnych próbkach na podstawie wartości wzorcowych jest obarczone błędem. W przypadku mikroanalizy rentgenowskiej wprowadzono poprawki uwzględniające istnienie efektów, które nie pojawiają się we wzorcach, a mają miejsce w próbkach. Efektem matrycy (ang. matrix effect) nazywa się trzy poprawki reprezentowane przez litery Z, A i F. Przedstawiają one wpływ poszczególnych czynników na otrzymany wynik badania. Stężenie pierwiastka w badanej próbce z uwzględnieniem efektu matrycy wyznacza się zgodnie z wzorem:

${c \over {c_{w}}}={Z\cdot A\cdot F\cdot {I \over {I_{w}}}}$

gdzie:

c – stężenie pierwiastka w próbce

c_w – stężenie pierwiastka we wzorcu

I – intensywność linii spektralnej pierwiastka wyznaczonej dla próbki

I_w – intensywność linii spektralnej pierwiastka wyznaczonej dla wzorca

Z - poprawka na efekt różnicy liczb atomowych

A - poprawka na absorpcję

F - poprawka na fluorescencję.

Poprawka na efekt różnicy liczb atomowych

Poprawka określa mechanizm rozpraszania wstecznego elektronów pierwotnych zależną od masy pierwiastków wchodzących w skład badanej próbki. Dla próbek masywniejszych obserwuje się intensywniejsze rozpraszanie wsteczne związane z silniejszym polem elektrostatycznym jądra atomowego. Im więcej elektronów ulegnie temu zjawisku, tym mniej weźmie udział w wzbudzaniu charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego.

Poprawka na absorpcję

Charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie jest emitowane z różnych głębokości próbki. Po drodze owe promieniowanie ulega częściowej absorpcji. Absorpcja silnie zależy od składu chemicznego. W efekcie matrycy jest to najsilniejsza, dominująca poprawka.

Poprawka na fluorescencję

Zgodnie z regułą wyboru przejścia fluorescencyjne występują tylko pomiędzy stanami o różnej parzystości pomiędzy stanem podstawowym, a niżej położonym stanem wzbudzonym (ψ_n(-x) = ψ_n(x)). Foton unosi jednostkowy moment pędu ħ, który musi być dostarczony przez emitującą cząsteczkę. Fluorescencja objawia się generowaniem przez elektrony pierwotne charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego cięższych pierwiastków, które powodują wzbudzenie lżejszych pierwiastków, a w konsekwencji emisję ich charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego. Wzorzec będący czystym pierwiastkiem nie wykazuje efektu fluorescencyjnego.

Modyfikacje

ESEM

Rys. 15. Schemat ESEM

Rys. 16. Fotografia obrazu wyciętych próbek przy pomocy działa jonowego w obrazowaniu SE

W 1980 roku został opublikowany projekt środowiskowej skaningowej mikroskopii elektronowej ESEM (ang. Environmental scanning electron microscope) przez grecko-australijskiego fizyka Gerasimosa Danilatosa (1946). ESEM jest techniką obrazowania na tej samej zasadzie, co standardowa skaningowa mikroskopia elektronowa, z tą różnicą, że zostały wprowadzone specjalne rozwiązania technologiczne umożliwiające obserwacje próbek w próżni niższej niż 10^-4Pa. W standardowej mikroskopii elektronowej istnienie płynów w komorze pomiarowej powoduje zakłócenie wiązki pierwotnej i w konsekwencji utratę rozdzielczości, a w skrajnych przypadkach uniemożliwia obserwację i dokonywanie analiz. Głównymi zmianami wprowadzonymi w stosunku do SEM było:

• zastosowanie nowej generacji detektorów GDD (ang. Gaseous detection device)
• zmiany w układzie pomp próżniowych
• wprowadzenie osłon mających na celu wydłużeniu "przebywania" wiązki elektronów w wysokiej próżni (najczęściej w postaci długich lejków z małym otworem na końcu)
• dodanie układu skraplającego wodę i wprowadzającego gaz do specjalnie wydzielonej komory
• wprowadzenie specjalnych przegród PLA (ang. Pressure-limiting aperture) celem kontroli wysokości próżni pomiędzy obszarami o zróżnicowanym ciśnieniu (rys. 15.).

Ideą takiego rozwiązania było wzmocnienie sygnału i wyeliminowania powierzchniowego ładowania się próbek nieprzewodzących. Cząstki gazu (najczęściej wody) ulegają jonizacji, co umożliwia swobodny przepływ prądu. Pierwszy komercyjny ESEM wszedł do sprzedaży w 1988 roku i został wyprodukowany przez ElectroScan Corporation. Główne zastosowanie środowiskowej skaningowej mikroskopii elektronowej polega na umożliwieniu obserwacji próbek nieprzewodzących i materiałów biologicznych, bez potrzeby wykonywania skomplikowanej preparatyki (np. napylania) oraz można obserwować reakcje in situ. Wadą jest pogorszenie rozdzielczości. Komercyjnie ESEM znane jest pod różnymi nazwami handlowymi:

• Natural SEM (Hitachi)
• Wet-SEM (ISI)
• Bio-SEM (AMRAY)
• Variable-pressure SEM VP-SEM (LEO/Zeiss-SMT)
• Low-vacuum SEM LVSEM (JEOL).

FIB

Urządzenie FIB (ang. Focused ion beam) jest stosowane głównie w przemyśle półprzewodników, inżynierii materiałowa, biologii. FIB jest instrumentem naukowym, który ma kilka cech wspólnych ze skaningowym mikroskopem elektronowym. SEM wykorzystuje tylko skupioną wiązkę elektronów do obrazowania próbki w komorze. W technice FIB wykorzystuje się przede wszystkim skupioną wiązkę jonów. Obrazowanie podczas wykonywania operacji działem jonowym dokonuje się przez zbieranie elektronów wtórnych (rys. 16.).

Obrazowanie 3D

Rys. 17. Oko pszczoły obrazowane trójwymiarowo

Uzyskanie obrazu trójwymiarowego skaningową mikroskopią elektronową jest możliwe poprzez zastosowanie:

• fotogrametrii (kilka zdjęć nachylonej próbki) (rys. 17.)
• złudzenie fotometryczne (kilka zdjęć w obrazowaniu BSE)
• odwrotna rekonstrukcja przy użyciu interaktywnych modeli.

Technika pozwala na oszacowanie wielkości chropowatości, wymiarów fraktalnych i korozji.

Zastosowanie

• inżynieria materiałowa i metalurgia:
  • badania fraktograficzne
  • badania zużycia trybologicznego
  • diagnozowanie zniszczeń korozyjnych
  • badanie i analizowanie powierzchni i obszarów przypowierzchniowych materiałów
  • analiza składu chemicznego materiałów
  • analizowanie orientacji krystalograficznych
  • określanie własności magnetycznych i elektrycznych materiałów
  • kontrola jakości materiałów.

• biologia i medycyna:
  • określanie struktur i procesów wewnątrzkomórkowych
  • odnajdywanie i rozpoznawanie substancji chemicznych
  • badania zoologiczne
  • kontrola jakości procedur medycznych
  • charakterystyka defektów.

• technika śledcza

Zobacz też

• mikroskop elektronowy
• transmisyjny mikroskop elektronowy
• skaningowy transmisyjny mikroskop elektronowy
• skaningowy mikroskop tunelowy
• mikroskop konfokalny
• mikroskop sił atomowych
• mikroskop metalograficzny
• inżynieria powierzchni
• inżynieria biomateriałów
• inżynieria biomedyczna