Elektronowy mikroskop skaningowy

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania
Skaningowy mikroskop elektronowy JEOL JSM-6340F
Skaningowy mikroskop elektronowy JEOL JSM-5500

Skaningowy mikroskop elektronowy (SEM, z ang. scanning electron microscope) – rodzaj mikroskopu elektronowego umożliwiający obserwację topografii badanego materiału[1]. Służy do obserwacji i charakteryzacji materiałów organicznych i nieorganicznych w skali od nanometrycznej do mikrometrycznej. Wiązką pierwotną w tej metodzie badawczej jest wiązka elektronów[2].

Historia[edytuj | edytuj kod]

Pierwszy obraz SEM uzyskał niemiecki elektrotechnik Max Knoll (1897–1969) w roku 1935. Topografia powierzchni próbki wykonanej ze stali transformatorowej została uzyskana wprzez wykorzystanie kontrastu kanałowania[3]. W roku 1965 firma Cambridge Scientific Instrument Company uruchomiła sprzedaż mikroskopów "stereoscan" zaprojektowanych przez profesora Sir Charlesa Oatley'a (1904–1996) i jego doktoranta Gary'ego Stewarta[4].

Ogólne informacje[edytuj | edytuj kod]

Długość fali przyspieszanych elektronów jest w przypadku SEM dużo mniejsza niż długość fali światła widzialnego, co zapewnia dużo lepszą rozdzielczość niż w mikroskopii świetlnej. Dla światła długość fali wynosi 350–750 nm, natomiast długość fali wiązki elektronów dochodzi do 0,05 nm[5]. W przypadku mikroskopu świetlnego można uzyskać maksymalne powiększenie rzędu 2000×, w przypadku SEM może ono wynieść nawet 3 000 000×. Wymogiem każdej techniki mikroskopii elektronowej jest próżnia wynosząca co najmniej 10−4 Pa[6].

Podstawy fizyczne[edytuj | edytuj kod]

Rys. 1. Uproszczony schemat obrazujący oddziaływanie elektron-próbka

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. Dla każdego zakresu promieniowania występuje wiele możliwości różnych procesów rozpraszania wiązki. Ogólnie, rozproszenie fal można 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[7].

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. Zależność średniej drogi swobodnej od temperatury, ciśnienia i średnicy cząstek wyraża wzór[8]:

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


gdzie:

kBstała Boltzmanna [eV/K]
T – temperatura bezwzględna [K]
dm – średnica cząstki [m]
p - ciśnienie [N/m2]

Oddziaływanie elektron-próbka[edytuj | edytuj kod]

Information icon.svg Osobny artykuł: Emisja elektronów.
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[5].

Elektron wtórny[edytuj | edytuj kod]

Elektron wtórny (SE, z ang. secondary electron) – niskoenergetyczny elektron (umownie o energii kinetycznej mniejszej niż 50 eV), najczęściej wybity z 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[5]:

  • 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[edytuj | edytuj kod]

Rys. 3. Emisja BSE

Elektron wstecznie rozproszony (BSE, z ang. backscattered electron) – wysokoenergetyczny elektron, który uległ sprężystemu odbiciu i opuścił 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[5]. Istnieje możliwość oszacowania obszaru półkulistego, z którego są emitowane elektrony wstecznie rozproszone[9]:

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


gdzie:

A - masa atomowa [ 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[edytuj | edytuj kod]

Information icon.svg Osobny artykuł: Efekt Augera.

Elektron Augera – niskoenergetyczny elektron (umownie 100–1000 eV) emitowany 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 Augera nie są zbierane w standardowym wyposażeniu skaningowego mikroskopu elektronowego. Spektrometr Augera może być osobnym urządzeniem lub działać jako dodatkowy moduł w SEM[5].

Charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie[edytuj | edytuj kod]

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 Augera i częściej zachodzi w przypadku ciężkich materiałów[5].

Katodoluminescencja[edytuj | edytuj kod]

Katodoluminescencjarekombinacja pary elektron-dziura, która została wytworzona przez wybicie elektronu walencyjnego przez wiązkę pierwotną[10].

Rozdzielczość[edytuj | edytuj kod]

Rys. 6. Pyłki kwiatowe obserwowane za pomocą 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]
memasa spoczynkowa elektronu [kg]
e – ładunek elektryczny elementarny [C]
V – napięcie pola elektrycznego [V].

W skaningowej mikroskopii elektronowej rozdzielczość zależy głównie od rozmiaru wiązki skanującej. Im mniejszy jest rozmiar wiązki, tym większą rozdzielczość można uzyskać[11].

Głębia ostrości[edytuj | edytuj kod]

Rys. 7. Film przedstawiający zwiększenie powiększenia szklanych kulek od 12× do 12 000× (standardowy zakres powiększeń SEM)

Największy wpływ na wielkość głębi ostrości ma połowa kąta apertury obiektywu oraz długość wykorzystywanej fali. Głębia ostrości zwiększa się, gdy połowa kąta apertury obiektywu maleje a długość fali wzrasta. Jest to szczególnie ważny parametr w przypadku obrazowania trójwymiarowego. Wyraża się równaniem[11]:

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


gdzie:

λ – długość fali [m]
α – połowa kąta apertury obiektywu [0]
nr - współczynnik załamania wiązki elektronowej w danym ośrodku (dla próżni wynosi 1)

Powiększenie[edytuj | edytuj kod]

Powiększenie w skaningowej mikroskopii elektronowej może być zmieniane w szerokim rzędzie wielkości od 10× do nawet 200 000×. Wyjątkowość technik SEM polega na tym, że uzyskane powiększenie nie zależy od mocy soczewek elektromagnetycznych. SEM nie ma 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. Do tworzenia obrazu może zostać wykorzystany dowolny sygnał powstający w wyniku oddziaływania elektronów z próbką. Powiększenie można kontrolować poprzez zmianę parametrów prądu w cewkach odchylających (rys. 7)[12].

Budowa urządzenia[edytuj | edytuj kod]

Rys. 8. Schemat budowy skaningowego mikroskopu elektronowego

W skład standardowego oprzyrządowania SEM wchodzą:

Działo elektronowe[edytuj | edytuj kod]

Information icon.svg Osobny artykuł: Działo elektronowe.

Wiązka elektronów może być generowana w wyniku dwóch zjawisk:

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

W skaningowej mikroskopii elektronowej stosuje się najczęściej napięcie przyspieszające z zakresu 5–20 kV. Stosowanie większych napięć przyspieszających pozwala otrzymywać informację z większych głębokości próbki i uzyskać widma charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego cięższych pierwiastków. Niskie napięcie przyspieszające ułatwia detekcję lekkich pierwiastków o niskiej zawartości w próbce. Duże wartości napięcia przyspieszającego powodują skrócenie żywotności katody[14]. W tabeli poniżej przedstawiono parametry różnych typów katod przy wykorzystaniu stałego napięcia przyspieszającego rzędu 20 kV:

Zestawienie różnych parametrów dział elektronowych przy napięciu przyspieszającym 20 kV[15][16]
Działa termoemisyjne Działa z emisją polową
Parametry Wolframowe LaB6 S-FEG[a] C-FEG[b]
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[edytuj | edytuj kod]

Information icon.svg Osobny artykuł: Soczewka magnetyczna.

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[17].

Detektory[edytuj | edytuj kod]

W zależności od charakteru obserwowanych elektronów, w SEM stosowane są różne detektory.

SE[edytuj | edytuj kod]

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

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 zbierania elektronów wstecznie rozproszonych (wyłączenie lub przyłożenie niskiego, ujemnego napięcia do klatki Faradaya celem eliminacji sygnału SE). Problem technologiczny dotyczy wielkości takiego detektora i potrzeby jego specjalnego rozmieszczenia. Z tego powodu do zbierania elektronów wstecznie rozproszonych zaprojektowano inny typ detektora[18].

BSE[edytuj | edytuj kod]

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 poniżej obiektywu. Elektrony wstecznie rozproszone uderzając w detektor powodują powstanie par elektron-dziura. Bezpośrednią konsekwencją jest pojawienie się prądu elektrycznego, który można wzmocnić[19].

Mikroanaliza rentgenowska[edytuj | edytuj kod]

EDS[edytuj | edytuj kod]

Detektory EDS (z ang. energy dispersive spectroscopy), 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 metod szybkich. Detektor najczęściej wyposażony jest w okienko (berylowe), co uniemożliwia znaczącą detekcję pierwiastków lżejszych niż sód[20]. 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 (z ang. silicon drift detector). Pozwalają one wykrywać lżejsze pierwiastki, mogą pracować przy niższych napięciach przyspieszających, charakteryzują się dużo lepszą rozdzielczością i są dużo mniejsze od poprzedników[21].

WDS[edytuj | edytuj kod]

Działanie detektorów WDS (z ang. wavelength dispersive spectroscopy) 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[20].

EBSD[edytuj | edytuj kod]

Detektor EBSD (z ang. electron backscatter diffraction) 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[22]. Przy wykorzystaniu skanowania powierzchni wiązką elektronów można uzyskać mapę orientacji krystalograficznej w mikrostrukturze z rozdzielczością nie większą niż 100 nm[19].

Preparatyka[edytuj | edytuj kod]

Fotografia przedstawiająca ślizga słodkowodnego
Na górze – zdjęcie ze stereoskopowego mikroskopu optycznego
Pośrodku – ryba po napyleniu złotem
Na dole – obrazowanie SE
Rys. 9. Jeden z typów uchwytu
Rys. 10. 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. 10). Próbkę umieszcza się w specjalnie zaprojektowanym i wykonanym uchwycie (rys. 9).

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 w uchwycie. Nieprzewodzące materiały ładują się elektrycznie 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 lub złoto; rzadziej platynę, wolfram, chrom, iryd i osm)[23]
  • wykorzystanie techniki środowiskowej skaningowej mikroskopii elektronowej ESEM (z ang. environmental scanning electron microscopy )[24]
  • zatopienie próbki w przewodzącej żywicy

Materiały nieorganiczne[edytuj | edytuj kod]

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 przy analizach składu chemicznego, materiał powłokotwórczy będzie aktywnie uczestniczyć w uzyskanym widmie[25].

Materiały organiczne[edytuj | edytuj kod]

Wymagane jest, aby materiały badane w SEM były suche. Materiały organiczne naturalnie pozbawione wody (np. suche drewno, kości, pióra) mogą być obrazowane bezpośrednio. Żywe komórki, tkanki, niektóre organizmy wymagają specjalnych zabiegów celem ich utrwalenia i przede wszystkim ochrony przed niszczącym działaniem wiązki elektronów. Utrwalenie materiału biologicznego można przeprowadzić poprzez moczenie w odpowiednio dobranych rozpuszczalnikach organicznych, np. w aldehydzie glutarowym, niekiedy z dodatkiem aldehydu mrówkowego[26][27]. Materiał w ten sposób utrwalony traci wodę. Utrata wody powoduje gwałtowne i destruktywne kurczenie się. Przestrzenie pozbawione wody wypełnia się etanolem lub acetonem. Kolejnym krokiem jest wyparcie tych roztworów przez wprowadzenie ciekłego dwutlenku węgla. Dwutlenek węgla jest usuwany z materiału 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)[28].

Obrazowanie[edytuj | edytuj kod]

Rys. 11. 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[edytuj | edytuj kod]

W wyniku oddziaływania wiązki pierwotnej z próbką emitowane jest szerokie spektrum elektronów wtórnych, które dają obraz o dużym stosunku sygnału do szumu. Detektor jest w stanie zebrać prawie wszystkie elektrony wtórne, dlatego uzyskane obrazy odwzorowują nierówności powierzchni. Obrazowanie SE charakteryzuje się bardzo dobrą rozdzielczością i głębią ostrości, jednak nie pozwala na określenie składu chemicznego próbki[29].

Kontrast cieniowania[edytuj | edytuj kod]

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. 11)[29].

Kontrast krawędziowy[edytuj | edytuj kod]

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 jaśniejsze, dzięki czemu można skutecznie rozróżniać topografię powierzchni próbki operując nachyleniem próbki (rys. 11)[29].

Obserwacje w elektronach wstecznie rozproszonych BSE[edytuj | edytuj kod]

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 pierwiastkami lżejszymi. W takim przypadku mówi się o kontraście kompozycyjnym[30]. W przypadku obrazowania BSE materiałów polikrystalicznych, dobrze wypolerowanych i niezdeformowanych, ujawnić się może dodatkowo kontrast kanałowania. W takim przypadku ziarna o orientacji krystalograficznej zupełnie innej od otoczenia będą 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 skład chemiczny próbki[19].

Obserwacje dyfrakcji elektronów wstecznie rozproszonych EBSD[edytuj | edytuj kod]

Rys. 12. Obraz dyfrakcyjny EBSD

Obserwację techniką EBSD prowadzi się wykorzystując elektrony wstecznie rozproszone. 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 płaszczyznom krystalograficznym. Na ekranie stożki te są odwzorowane w postaci tzw. linii Kikuchiego (rys. 12). Ocena ich położenia pozwala wyznaczyć orientację kryształu. Obserwację EBSD można prowadzić w trybie skanującej wiązki pierwotnej lub wykorzystując wiązkę stacjonarną i poruszając próbką. Istnieje możliwość wykonania map orientacji krystalograficznych. Obraz dyfrakcyjny wykorzystywany jest do określenia orientacji kryształów, dezorientacji ziaren, identyfikacji faz i określenia lokalnej doskonałości kryształu[31].

Kontrast napięciowy[edytuj | edytuj kod]

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[19].

Kontrast prądu indukowanego wiązką elektronów EBIC[edytuj | edytuj kod]

Kontrast prądu indukowanego wiązką elektronów EBIC (z 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 ulegną rekombinacji 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 informacji o przewodności, czasie życia i ruchliwości ładunku[24].

Kontrast magnetyczny[edytuj | edytuj kod]

Kontrast magnetyczny jest efektem działania zewnętrznego pola magnetycznego 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[24].

Efekt matrycy[edytuj | edytuj kod]

W przypadku dokonywania szacowania zawartości określonych pierwiastków w badanej próbce (np. za pomocą mikroanalizy rentgenowskiej), wykorzystuje się wartości uzyskane z próbki wzorcowej. Najczęściej są nią czyste pierwiastki. W typowych metodach analitycznych rzadko bada się czyste pierwiastki. Z tego powodu rozpoznawanie danych pierwiastków w 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" nazywa się trzy poprawki oznaczane literami 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[32]:

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


gdzie:

c – stężenie pierwiastka w próbce
cw – stężenie pierwiastka we wzorcu
I – intensywność linii spektralnej pierwiastka wyznaczonej dla próbki
Iw – 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[edytuj | edytuj kod]

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[32].

Poprawka na absorpcję[edytuj | edytuj kod]

Charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie jest emitowane z różnych głębokości próbki. Po drodze promieniowanie to ulega częściowej absorpcji, silnie zależnej od składu chemicznego. W efekcie matrycy jest to najsilniejsza, dominująca poprawka[32].

Poprawka na fluorescencję[edytuj | edytuj kod]

Zgodnie z reguła Laporte'a, przejścia fluorescencyjne występują tylko pomiędzy stanami o różnej parzystości pomiędzy stanem podstawowym a niżej położonym stanem wzbudzonymn(-x) = ψn(x)). Foton unosi jednostkowy moment pędu ħ, który musi być dostarczony przez emitującą cząsteczkę[33]. Fluorescencja objawia się generowaniem przez elektrony pierwotne promieniowania rentgenowskiego charakterystycznego dla cięższych pierwiastków, które powodują wzbudzenie pierwiastków lżejszych, a w konsekwencji emisję ich charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego. Wzorzec będący czystym pierwiastkiem nie wykazuje efektu fluorescencyjnego[32].

Modyfikacje[edytuj | edytuj kod]

ESEM[edytuj | edytuj kod]

Rys. 13. Schemat ESEM
Rys. 14. Fotografia obrazu wyciętych próbek za pomocą działa jonowego w obrazowaniu SE

W 1980 roku został opublikowany projekt środowiskowej skaningowej mikroskopii elektronowej ESEM (z ang. environmental scanning electron microscopy) przez grecko-australijskiego fizyka Gerasimosa Danilatosa (ur. 1946)[34]. 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 10−4 Pa. 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 (z ang. gaseous detection device)
  • zmiany w układzie pomp próżniowych
  • wprowadzenie osłon, mających na celu wydłużenie "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 (z ang. pressure-limiting aperture) celem kontroli wysokości próżni pomiędzy obszarami o zróżnicowanym ciśnieniu (rys. 13).

Ideą takiego rozwiązania było wzmocnienie sygnału i wyeliminowanie powierzchniowego ładowania się próbek nieprzewodzących. Cząstki gazu (najczęściej wody) ulegają jonizacji, co umożliwia swobodny przepływ prądu[35]. Pierwszy komercyjny ESEM, wyprodukowany przez ElectroScan Corporation, wszedł do sprzedaży w 1988 roku[36]. Główne zastosowanie środowiskowej skaningowej mikroskopii elektronowej polega na umożliwieniu obserwacji próbek nieprzewodzących i materiałów biologicznych, bez potrzeby wykonywania skomplikowanej preparatyki (np. napylania). Metoda ta umożliwia też obserwacje reakcji in situ. Wadą jest pogorszenie rozdzielczości[24]. Komercyjnie ESEM znane jest pod różnymi nazwami handlowymi[37]:

FIB[edytuj | edytuj kod]

Urządzenie FIB (z ang. focused ion beam) jest stosowane głównie w przemyśle półprzewodników, inżynierii materiałowej i 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. 14)[41].

Obrazowanie 3D[edytuj | edytuj kod]

Rys. 15. Oko pszczoły obrazowane trójwymiarowo

Uzyskanie obrazu trójwymiarowego skaningową mikroskopią elektronową jest możliwe poprzez zastosowanie:

  • fotogrametrii (kilka zdjęć SE nachylonej próbki; rys. 15)
  • złudzenie fotometryczne (kilka zdjęć w obrazowaniu BSE)
  • odwrotna rekonstrukcja przy użyciu interaktywnych modeli.

Technika pozwala na oszacowanie wielkości chropowatości, wymiarów fraktalnych i korozji[42][43].

Zastosowanie[edytuj | edytuj kod]

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Wikimedia Commons
Wikimedia Commons

Uwagi

  1. Działo z emisją polową Schottky’ego.
  2. Działo z emisją polową na zimno.

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. mikroskop elektronowy skaningowy. Encyklopedia PWN. [dostęp 2012-08-17].
  2. Goldstein J, Newbury D, Joy D, Lyman C, Echlin P, Lifshin E, Sawyer L, Michael J.: Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis. Berlin: Springer-Verlag, 2003, s. 1. ISBN 0-306-47292-9.
  3. Knoll M.. Aufladepotentiel und Sekundäremission elektronenbestrahlter Körper. . 16, s. 467–475, 1935. 
  4. Kędzierski Z., Stępiński J.: Elektronowy mikroskop skaningowy (SEM). UWN AGH, s. 1.
  5. 5,0 5,1 5,2 5,3 5,4 5,5 Kelsall R. W., Hamley I. W., Geoghegan M.: Nanotechnologie. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2008, s. 72-74. ISBN 978-83-01-15537-7.
  6. Kelsall R. W., Hamley I. W., Geoghegan M.: Nanotechnologie. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2008, s. 71. ISBN 978-83-01-15537-7.
  7. Kelsall R. W., Hamley I. W., Geoghegan M.: Nanotechnologie. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2008, s. 59-60. ISBN 978-83-01-15537-7.
  8. Pfeiffer Vacuum GmbH: The Vacuum technology book. Asslar.
  9. Das M.: Backscattered Electron Detection (ang.). [dostęp 2012-08-06].
  10. Kelsall R. W., Hamley I. W., Geoghegan M.: Nanotechnologie. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2008, s. 115. ISBN 978-83-01-15537-7.
  11. 11,0 11,1 Kelsall R. W., Hamley I. W., Geoghegan M.: Nanotechnologie. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2008, s. 68. ISBN 978-83-01-15537-7.
  12. Kędzierski Z., Stępiński J.: Elektronowy mikroskop skaningowy (SEM). UWN AGH, s. 4.
  13. Kelsall R. W., Hamley I. W., Geoghegan M.: Nanotechnologie. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2008, s. 75-76. ISBN 978-83-01-15537-7.
  14. Wcisło M.: Mikroskop elektronowy. [dostęp 2012-08-08].
  15. Postek M. T.: The Scanning Electron Microscope in Handbook of Charged Particle Optics. Maryland: CRC Press, 1997. ISBN 0-8493-2513-7.
  16. Goldstein J, Newbury D, Joy D, Lyman C, Echlin P, Lifshin E, Sawyer L, Michael J.: Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis. Berlin: Springer-Verlag, 2003, s. 35. ISBN 0-306-47292-9.
  17. Bozzola J. J., Russell L. D.: Electron Microscopy: Principles and Techniques for Biologists. Sudberry: Jones and Bartlett's Publishers, 1999, s. 157-158. ISBN 978-0-7637-0192-5.
  18. Everhart T. E., Thornley R. F. M.. Wide-band detector for micro-microampere low-energy electron currents. . 37 (7), s. 246–248, 1960. doi:10.1088/0950-7671/37/7/307. 
  19. 19,0 19,1 19,2 19,3 19,4 Kelsall R. W., Hamley I. W., Geoghegan M.: Nanotechnologie. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2008, s. 77. ISBN 978-83-01-15537-7.
  20. 20,0 20,1 Kelsall R. W., Hamley I. W., Geoghegan M.: Nanotechnologie. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2008, s. 114. ISBN 978-83-01-15537-7.
  21. Oxford Instruments: EDS Detectors (ang.). [dostęp 2012-08-06].
  22. Muszka K.: Wpływ rozdrobnienia struktury na mechanizmy umocnienia stali niskowęglowych odkształcanych plastycznie. Kraków: 2008, s. 69-70.
  23. Suzuki E.. High-resolution scanning electron microscopy of immunogold-labelled cells by the use of thin plasma coating of osmium. . 208 (3), s. 153–157, 2002. doi:10.1046/j.1365-2818.2002.01082.x. 
  24. 24,0 24,1 24,2 24,3 24,4 Kelsall R. W., Hamley I. W., Geoghegan M.: Nanotechnologie. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2008, s. 78. ISBN 978-83-01-15537-7.
  25. Goldstein J, Newbury D, Joy D, Lyman C, Echlin P, Lifshin E, Sawyer L, Michael J.: Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis. Berlin: Springer-Verlag, 2003. ISBN 0-306-47292-9.
  26. Karnovsky M. J.. A formaldehyde-glutaraldehyde fixative of high osmolality for use in electron microscopy. . 27 (137A), 1965. 
  27. Kiernan J. A.. Formaldehyde, formalin, paraformaldehyde and glutaraldehyde: What they are and what they do. . 2000 (1), s. 8–12, 2000. 
  28. Russell S. D., Daghlian C. P.. Scanning electron microscopic observations on deembedded biological tissue sections: Comparison of different fixatives and embedding materials. . 2 (5), s. 489–495, 1985. doi:10.1002/jemt.1060020511. 
  29. 29,0 29,1 29,2 Kelsall R. W., Hamley I. W., Geoghegan M.: Nanotechnologie. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2008, s. 76. ISBN 978-83-01-15537-7.
  30. Goldstein J, Newbury D, Joy D, Lyman C, Echlin P, Lifshin E, Sawyer L, Michael J.: Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis. Berlin: Springer-Verlag, 2003, s. 75-87. ISBN 0-306-47292-9.
  31. Kędzierski Z., Stępiński J.: Elektronowy mikroskop skaningowy (SEM). UWN AGH, s. 17-20.
  32. 32,0 32,1 32,2 32,3 Hafner B.: Energy Dispersive Spectroscopy on the SEM:A Primer (ang.). [dostęp 2012-08-08].
  33. Kelsall R. W., Hamley I. W., Geoghegan M.: Nanotechnologie. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2008, s. 297. ISBN 978-83-01-15537-7.
  34. Danilatos G.D.. Design and construction of an atmospheric or environmental SEM (part 1). . 4, s. 9–20, 1981. Witzstrock Publishing House. 
  35. Collins S. P., Pope R. K., Scheetz R. W., Ray R. I., Wagner P. A., Little B. J.. Advantages of environmental scanning electron microscopy in studies of microorganisms. . 25 (5-6), s. 398–405, 1993. doi:10.1002/jemt.1070250508. 
  36. Danilatos G.D.. Design and construction of an atmospheric or environmental SEM (part 3). . 7, s. 26–42, 1985. Witzstrock Publishing House. 
  37. Kopar T., Ducman V.. Low-vacuum SEM analyses of ceramic tiles with emphasis on glaze defects characterisation. . 58 (11-12), s. 1133–1137, 2007. doi:10.1016/j.matchar.2007.04.022. 
  38. Yamada M., Kuboki K.: [actamicroscopica.ivic.ve/images1/2193-01.pdf Development of natural SEM and some applications] (ang.).
  39. Chance D. L., Mawhinney T. P.. Employing "Wet SEM" Imaging to Study Co-Colonizing Mucosal Pathogens. . 12, s. 308–309, 2006. doi:10.1017/S1431927606063367. 
  40. 40,0 40,1 Myers B. D., Pan Z., Dravid V. P.. Beam skirting effects on energy deposition profile in VP-SEM. Microscopy and Microanalysis. . 14, s. 1208–1209, 2008. doi:10.1017/S1431927608085589. 
  41. Giannuzzi L. A., Stevens F. A.: Introduction to Focused Ion Beams: Instrumentation, Theory, Techniques and Practice. Springer Press, 2004. ISBN 978-0-387-23116-7.
  42. Baghaei Rad L.. Computational Scanning Electron Microscopy. , 2007. 
  43. Baghaei Rad L.. Economic approximate models for backscattered electrons. , 2007. Sci. Technol.. 
  44. Pacyna J.: Metaloznawstwo. Wybrane zagadnienia. Kraków: UWND AGH, 2005, s. 102. ISBN 8389399936.
  45. Using SEM for Medical Applications (ang.). [dostęp 2012-08-06].
  46. 46,0 46,1 Uses of a Scanning Electron Microscope (ang.). [dostęp 2012-08-06].