Skanowanie mikroskopu elektronowego -Scanning electron microscope

Zdjęcie ziaren pyłku wykonane na SEM pokazuje charakterystyczną głębię ostrości mikrofotografii SEM
Pierwsze SEM M. von Ardenne
Zasada działania skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM)
SEM z otwartą komorą na próbki
Typ analogowy SEM

Skaningowy mikroskop elektronowy ( SEM ) to rodzaj mikroskopu elektronowego , który wytwarza obrazy próbki poprzez skanowanie powierzchni zogniskowaną wiązką elektronów . Elektrony oddziałują z atomami w próbce, wytwarzając różne sygnały zawierające informacje o topografii powierzchni i składzie próbki. Wiązka elektronów jest skanowana w rastrowym wzorze skanowania, a pozycja wiązki jest łączona z intensywnością wykrytego sygnału w celu wytworzenia obrazu. W najpopularniejszym trybie SEM elektrony wtórne emitowane przez atomy wzbudzone wiązką elektronów są wykrywane za pomocą detektora elektronów wtórnych (Detektor Everharta-Thornleya ). Liczba elektronów wtórnych, które można wykryć, a tym samym natężenie sygnału, zależy między innymi od topografii próbki. Niektóre SEM mogą osiągnąć rozdzielczości lepsze niż 1 nanometr.

Próbki obserwuje się w wysokiej próżni w konwencjonalnym SEM lub w niskiej próżni lub w warunkach mokrych w zmiennym ciśnieniu lub w środowisku SEM oraz w szerokim zakresie kriogenicznych lub podwyższonych temperatur za pomocą specjalistycznych przyrządów.

Historia

Relację z wczesnej historii skaningowej mikroskopii elektronowej przedstawił McMullan. Chociaż Max Knoll wykonał zdjęcie z polem pola obiektu o szerokości 50 mm, ukazujące kontrast kanałów przy użyciu skanera wiązki elektronów, to Manfred von Ardenne w 1937 r. wynalazł mikroskop o wysokiej rozdzielczości , skanując bardzo mały raster z powiększonym i precyzyjnie skupiona wiązka elektronów. Ardenne zastosował skanowanie wiązki elektronów, próbując przewyższyć rozdzielczość transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM), a także złagodzić istotne problemy z aberracją chromatyczną właściwą dla rzeczywistego obrazowania w TEM. Następnie omówił różne tryby detekcji, możliwości i teorię SEM, wraz z budową pierwszego SEM o wysokiej rozdzielczości . Dalsze prace zostały zgłoszone przez grupę Zworykina , a następnie przez grupy z Cambridge w latach pięćdziesiątych i na początku lat sześćdziesiątych kierowane przez Charlesa Oatleya , co ostatecznie doprowadziło do wprowadzenia na rynek pierwszego komercyjnego instrumentu przez Cambridge Scientific Instrument Company jako „Stereoscan” w 1965 roku. który został dostarczony do firmy DuPont .

Zasady i możliwości

Źródło elektronów z emiterem Schottky'ego
Objętość oddziaływania elektron-materia i rodzaje generowanego sygnału

Sygnały wykorzystywane przez SEM do wytworzenia obrazu wynikają z interakcji wiązki elektronów z atomami na różnych głębokościach w próbce. Wytwarzane są różne rodzaje sygnałów, w tym elektrony wtórne (SE), elektrony odbite lub wstecznie rozproszone (BSE), charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie i światło ( katodoluminescencja ) (CL), prąd pochłonięty (prąd próbki) i elektrony przepuszczane. Detektory elektronów wtórnych są standardowym wyposażeniem we wszystkich SEM, ale rzadko zdarza się, aby pojedyncza maszyna miała detektory wszystkich innych możliwych sygnałów.

Elektrony wtórne mają bardzo niskie energie, rzędu 50 eV, co ogranicza ich średnią drogę swobodną w materii stałej. W konsekwencji SE mogą wydostać się tylko z kilku górnych nanometrów powierzchni próbki. Sygnał z elektronów wtórnych ma tendencję do silnej lokalizacji w miejscu uderzenia wiązki elektronów pierwotnych, co umożliwia zbieranie obrazów powierzchni próbki z rozdzielczością poniżej 1 nm . Elektrony wstecznie rozproszone (BSE) to elektrony wiązki, które są odbijane od próbki przez rozpraszanie elastyczne . Ponieważ mają znacznie wyższą energię niż SE, wyłaniają się z głębszych lokalizacji w obrębie próbki, a w konsekwencji rozdzielczość obrazów BSE jest mniejsza niż obrazów SE. Jednak BSE są często używane w analitycznym SEM, wraz z widmami uzyskanymi z charakterystycznych promieni rentgenowskich, ponieważ intensywność sygnału BSE jest silnie związana z liczbą atomową (Z) próbki. Obrazy BSE mogą dostarczać informacji o rozmieszczeniu, ale nie tożsamości, różnych elementów w próbce. W próbkach składających się głównie z elementów świetlnych, takich jak próbki biologiczne, obrazowanie BSE może obrazować znaczniki immunologiczne ze złota koloidalnego o średnicy 5 lub 10 nm, które w innym przypadku byłyby trudne lub niemożliwe do wykrycia na obrazach elektronów wtórnych. Charakterystyczne promienie rentgenowskie są emitowane, gdy wiązka elektronów usuwa elektron wewnętrznej powłoki z próbki, powodując, że elektron o wyższej energii wypełnia powłokę i uwalnia energię. Energię lub długość fali tych charakterystycznych promieni rentgenowskich można zmierzyć za pomocą spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją energii lub spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją fali i wykorzystać do identyfikacji i pomiaru obfitości pierwiastków w próbce oraz mapowania ich rozmieszczenia.

Ze względu na bardzo wąską wiązkę elektronów, mikrofotografie SEM mają dużą głębię ostrości, dając charakterystyczny trójwymiarowy wygląd przydatny do zrozumienia struktury powierzchni próbki. Przykładem może być mikrofotografia pyłku pokazana powyżej. Możliwy jest szeroki zakres powiększeń, od około 10 razy (w przybliżeniu odpowiednik potężnego obiektywu ręcznego) do ponad 500 000 razy, czyli około 250 razy więcej niż limit powiększenia najlepszych mikroskopów świetlnych .

przygotowanie próbki

Pająk pokryty napylanym złotem, przygotowany do oglądania za pomocą SEM
Mikrograf niskonapięciowy (300 V) rozmieszczenia kropelek kleju na karteczce Post-it . Nie zastosowano żadnej powłoki przewodzącej: taka powłoka zmieniłaby tę delikatną próbkę.

Próbki SEM muszą być wystarczająco małe, aby zmieściły się na stole próbki i mogą wymagać specjalnego przygotowania w celu zwiększenia ich przewodności elektrycznej i ich stabilizacji, tak aby mogły wytrzymać warunki wysokiej próżni i wiązkę elektronów o wysokiej energii. Próbki są zazwyczaj mocowane sztywno na uchwycie próbki lub króćcu za pomocą przewodzącego kleju. SEM jest szeroko stosowany do analizy defektów płytek półprzewodnikowych, a producenci wytwarzają instrumenty, które mogą zbadać dowolną część płytki półprzewodnikowej 300 mm. Wiele instrumentów posiada komory, które mogą przechylać obiekt o tej wielkości do 45° i zapewniać ciągły obrót o 360°.

Próbki nieprzewodzące zbierają ładunek podczas skanowania wiązką elektronów, a zwłaszcza w trybie obrazowania elektronów wtórnych, co powoduje błędy skanowania i inne artefakty obrazu. W przypadku konwencjonalnego obrazowania w SEM, próbki muszą być elektrycznie przewodzące , przynajmniej na powierzchni, i elektrycznie uziemione , aby zapobiec gromadzeniu się ładunku elektrostatycznego . Przedmioty metalowe wymagają niewiele specjalnego przygotowania do SEM, z wyjątkiem czyszczenia i mocowania przewodzącego do króćca próbki. Materiały nieprzewodzące są zwykle powlekane ultracienką powłoką materiału przewodzącego prąd elektryczny, osadzanym na próbce przez niskopróżniowe powlekanie napylaniem lub przez odparowanie w wysokiej próżni. Materiały przewodzące obecnie używane do powlekania próbek obejmują złoto , stopy złota i palladu , platynę , iryd , wolfram , chrom , osm i grafit . Powlekanie metalami ciężkimi może zwiększyć stosunek sygnału do szumu dla próbek o niskiej liczbie atomowej (Z). Poprawa pojawia się, ponieważ zwiększona jest wtórna emisja elektronów dla materiałów o wysokiej zawartości Z.

Alternatywą dla powlekania niektórych próbek biologicznych jest zwiększenie przewodnictwa objętościowego materiału poprzez impregnację osmem z wykorzystaniem wariantów metody barwienia OTO ( czterotlenek osmu , T - tiokarbohydrazyd , osm ).

Próbki nieprzewodzące mogą być obrazowane bez powlekania przy użyciu środowiskowego SEM (ESEM) lub niskonapięciowego trybu pracy SEM. W instrumentach ESEM próbkę umieszcza się w komorze o stosunkowo wysokim ciśnieniu, a elektronowa kolumna optyczna jest pompowana różnicowo, aby utrzymać odpowiednio niską próżnię w dziale elektronowym. Obszar wysokiego ciśnienia wokół próbki w ESEM neutralizuje ładunek i zapewnia wzmocnienie sygnału elektronów wtórnych. SEM niskonapięciowe jest zwykle prowadzone w instrumencie z działkami do emisji polowej (FEG), które są w stanie wytworzyć wysoką jasność elektronów pierwotnych i mały rozmiar plamki, nawet przy niskich potencjałach przyspieszania. Aby zapobiec ładowaniu próbek nieprzewodzących, warunki pracy muszą być dostosowane tak, aby prąd wiązki przychodzącej był równy sumie wychodzących prądów wtórnych i wstecznie rozproszonych elektronów, co jest najczęściej spotykane przy napięciach przyspieszających 0,3–4 kV.

Osadzanie w żywicy z dalszym polerowaniem do lustrzanego wykończenia może być stosowane zarówno w przypadku próbek biologicznych, jak i materiałowych podczas obrazowania w elektronach wstecznie rozproszonych lub podczas wykonywania ilościowej mikroanalizy rentgenowskiej.

Główne techniki przygotowania nie są wymagane w środowiskowych SEM przedstawionych poniżej, ale niektóre próbki biologiczne mogą skorzystać na utrwaleniu.

Próbki biologiczne

W przypadku SEM próbka zwykle musi być całkowicie sucha, ponieważ w komorze próbki panuje wysoka próżnia. Twarde, suche materiały, takie jak drewno, kości, pióra, suszone owady lub skorupy (w tym skorupki jaj) mogą być badane przy niewielkiej dalszej obróbce, ale żywe komórki i tkanki oraz całe organizmy o miękkim ciele wymagają chemicznego utrwalenia w celu zachowania i stabilizacji ich Struktura.

Utrwalanie zwykle przeprowadza się przez inkubację w roztworze buforowanego chemicznego utrwalacza, takiego jak aldehyd glutarowy , czasami w połączeniu z formaldehydem i innymi utrwalaczami, a opcjonalnie następnie utrwalanie za pomocą tetratlenku osmu. Utrwalona tkanka jest następnie odwadniana. Ponieważ suszenie na powietrzu powoduje zapadanie się i kurczenie, zwykle osiąga się to przez zastąpienie wody w komórkach rozpuszczalnikami organicznymi, takimi jak etanol lub aceton , i zastąpienie tych rozpuszczalników z kolei płynem przejściowym, takim jak ciekły dwutlenek węgla , przez suszenie w punkcie krytycznym . Dwutlenek węgla jest ostatecznie usuwany w stanie nadkrytycznym, dzięki czemu podczas suszenia w próbce nie ma granicy faz gaz-ciecz.

Sucha próbka jest zwykle mocowana na króćcu próbki za pomocą kleju, takiego jak żywica epoksydowa lub przewodząca elektryczność dwustronna taśma klejąca, i powlekana przez rozpylanie ze złota lub stopu złota/palladu przed badaniem w mikroskopie. Próbki mogą być dzielone (za pomocą mikrotomu ), jeśli informacje o wewnętrznej ultrastrukturze organizmu mają być wyeksponowane do obrazowania.

Jeśli SEM jest wyposażony w zimny stolik do kriomikroskopii, można zastosować kriofiksację i niskotemperaturową skaningową mikroskopię elektronową na utrwalonych kriogenicznie próbkach. Próbki utrwalone kriogenicznie można poddać krio-łamaniu pod próżnią w specjalnym aparacie w celu ujawnienia struktury wewnętrznej, pokrytym napylaniem i przeniesionym na stolik kriogeniczny SEM, gdy jest jeszcze zamrożony. Skaningowa mikroskopia elektronowa w niskiej temperaturze (LT-SEM) ma również zastosowanie do obrazowania materiałów wrażliwych na temperaturę, takich jak lód i tłuszcze.

Freeze-fracting, freeze-etch lub freeze-and-break to metoda przygotowania szczególnie przydatna do badania błon lipidowych i wbudowanych w nie białek w widoku „odwróconym twarzą”. Metoda przygotowania ujawnia białka osadzone w dwuwarstwie lipidowej.

Materiały

Obrazowanie elektronów wstecznie rozproszonych, ilościowa analiza rentgenowska i mapowanie rentgenowskie próbek często wymaga szlifowania i polerowania powierzchni do bardzo gładkiej powierzchni. Próbki poddawane analizie WDS lub EDS są często pokryte węglem. Ogólnie rzecz biorąc, metale nie są powlekane przed obrazowaniem w SEM, ponieważ są przewodzące i zapewniają własną drogę do uziemienia.

Fraktografia to badanie pękniętych powierzchni, które można wykonać pod mikroskopem świetlnym lub, powszechnie, za pomocą SEM. Złamaną powierzchnię przycina się do odpowiedniego rozmiaru, oczyszcza z wszelkich pozostałości organicznych i montuje na uchwycie próbki do oglądania w SEM.

Obwody scalone mogą być cięte za pomocą skupionej wiązki jonów (FIB) lub innego przyrządu do frezowania wiązką jonów do oglądania w SEM. SEM w pierwszym przypadku może być włączony do FIB, umożliwiając obrazowanie wyniku procesu w wysokiej rozdzielczości.

Wszystkie metale, próbki geologiczne i układy scalone mogą być również chemicznie polerowane do oglądania w SEM.

Do obrazowania cienkich warstw nieorganicznych przy dużym powiększeniu wymagane są specjalne techniki powlekania o wysokiej rozdzielczości.

Proces skanowania i tworzenie obrazu

Schemat SEM

W typowym SEM wiązka elektronów jest emitowana termionicznie z działa elektronowego wyposażonego w katodę z włókna wolframowego . Wolfram jest zwykle używany w wyrzutniach elektronowych, ponieważ ma najwyższą temperaturę topnienia i najniższą prężność par spośród wszystkich metali, dzięki czemu może być podgrzewany elektrycznie w celu emisji elektronów, a także ze względu na niski koszt. Inne typy emiterów elektronów obejmują sześcioborek lantanu ( LaB
6
) katody, które mogą być stosowane w standardowym żarniku wolframowym SEM, jeśli system próżniowy jest unowocześniony, lub działa z emisją polową (FEG), które mogą być typu z zimną katodą , wykorzystujące monokrystaliczne emitery wolframowe lub wspomagane termicznie typu Schottky'ego , które wykorzystują emitery monokryształów wolframu pokrytych tlenkiem cyrkonu .

Wiązka elektronów, która zwykle ma energię w zakresie od 0,2 keV do 40 keV, jest skupiana przez jedną lub dwie soczewki kondensorowe w punkcie o średnicy około 0,4 nm do 5 nm. Wiązka przechodzi przez pary cewek skanujących lub pary płytek odchylających w kolumnie elektronowej, zazwyczaj w końcowej soczewce, które odchylają wiązkę w osiach x i y tak, że skanuje ona w sposób rastrowy na prostokątnym obszarze powierzchni próbki .

Mechanizmy emisji elektronów wtórnych, elektronów wstecznie rozproszonych i charakterystycznych promieni rentgenowskich z atomów próbki

Kiedy pierwotna wiązka elektronów oddziałuje z próbką, elektrony tracą energię przez powtarzające się losowe rozpraszanie i absorpcję w objętości próbki w kształcie łzy, znanej jako objętość oddziaływania , która rozciąga się od mniej niż 100 nm do około 5 µm w głąb powierzchni. Wielkość objętości oddziaływania zależy od energii lądowania elektronu, liczby atomowej próbki i gęstości próbki. Wymiana energii pomiędzy wiązką elektronów a próbką skutkuje odbiciem elektronów wysokoenergetycznych przez rozpraszanie sprężyste, emisją elektronów wtórnych przez rozpraszanie nieelastyczne oraz emisją promieniowania elektromagnetycznego , z których każde może być wykryte przez wyspecjalizowane detektory. Prąd wiązki pochłonięty przez próbkę można również wykryć i wykorzystać do tworzenia obrazów rozkładu prądu próbki. Wzmacniacze elektroniczne różnych typów służą do wzmacniania sygnałów, które są wyświetlane jako zmiany jasności na monitorze komputera (lub, w przypadku modeli vintage, na lampie katodowej ). Każdy piksel pamięci wideo komputera jest zsynchronizowany z położeniem wiązki na preparacie w mikroskopie, a wynikowy obraz jest zatem mapą rozkładu natężenia sygnału emitowanego z zeskanowanego obszaru preparatu. Starsze mikroskopy rejestrowały obrazy na kliszy, ale większość nowoczesnych instrumentów zbiera obrazy cyfrowe .

Seria niskotemperaturowych powiększeń SEM dla kryształu śniegu . Kryształy są wychwytywane, przechowywane i powlekane platyną w temperaturach kriogenicznych w celu obrazowania.

Powiększenie

Powiększenie w SEM można kontrolować w zakresie około 6 rzędów wielkości od około 10 do 3 000 000 razy. W przeciwieństwie do mikroskopów optycznych i transmisyjnych, powiększenie obrazu w SEM nie jest funkcją mocy soczewki obiektywu . SEM mogą mieć soczewki kondensorowe i obiektywowe, ale ich funkcją jest skupienie wiązki w punkcie, a nie obrazowanie próbki. Zakładając, że działo elektronowe może generować wiązkę o wystarczająco małej średnicy, SEM może w zasadzie działać całkowicie bez soczewek kondensora lub obiektywu, chociaż może nie być zbyt wszechstronna lub osiągać bardzo wysoką rozdzielczość. W SEM, podobnie jak w mikroskopii z sondą skanującą , powiększenie wynika ze stosunku wymiarów rastra na próbce i rastra na urządzeniu wyświetlającym. Zakładając, że ekran wyświetlacza ma stałą wielkość, większe powiększenie wynika ze zmniejszenia rozmiaru rastra na próbce i odwrotnie. Powiększenie jest zatem kontrolowane przez prąd dostarczany do cewek skanujących x, y lub napięcie dostarczane do płytek odchylających x, y, a nie przez moc soczewki obiektywu.

Wykrywanie elektronów wtórnych

Najpopularniejszy tryb obrazowania zbiera elektrony wtórne o niskiej energii (<50 eV), które są wyrzucane z pasm przewodnictwa lub walencyjnych atomów próbki w wyniku nieelastycznych oddziaływań rozpraszających z elektronami wiązki. Ze względu na swoją niską energię elektrony te pochodzą z odległości kilku nanometrów pod powierzchnią próbki. Elektrony są wykrywane przez detektor Everharta-Thornleya , który jest rodzajem układu kolektor - scyntylator - fotopowielacz . Elektrony wtórne są najpierw zbierane przez przyciąganie ich w kierunku elektrycznie spolaryzowanej siatki przy około +400 V, a następnie dalej przyspieszane w kierunku luminoforu lub scyntylatora o dodatnim spolaryzowaniu do około +2000 V. Przyspieszone elektrony wtórne są teraz wystarczająco energetyczne, aby spowodować, że scyntylator emitują błyski światła (katodoluminescencja), które są kierowane do fotopowielacza na zewnątrz kolumny SEM przez światłowód i okienko w ścianie komory próbki. Wzmocniony sygnał elektryczny wysyłany przez fotopowielacz jest wyświetlany jako dwuwymiarowy rozkład natężenia, który można oglądać i fotografować na analogowym wyświetlaczu wideo lub poddawać konwersji analogowo-cyfrowej oraz wyświetlać i zapisywać jako obraz cyfrowy . Ten proces opiera się na zeskanowanej rastrowo belce głównej. Jasność sygnału zależy od liczby elektronów wtórnych docierających do detektora . Jeśli wiązka wpada do próbki prostopadle do powierzchni, wówczas aktywowany obszar jest jednorodny wokół osi wiązki i pewna liczba elektronów „ucieka” z próbki. Wraz ze wzrostem kąta padania zwiększa się objętość oddziaływania i zmniejsza się odległość „ucieczki” jednej strony wiązki, co skutkuje wyemitowaniem większej liczby elektronów wtórnych z próbki. W ten sposób strome powierzchnie i krawędzie są zwykle jaśniejsze niż płaskie powierzchnie, co skutkuje obrazami o dobrze zdefiniowanym, trójwymiarowym wyglądzie. Przy użyciu sygnału elektronów wtórnych możliwa jest rozdzielczość obrazu mniejsza niż 0,5 nm.

Wykrywanie elektronów wstecznie rozproszonych

Porównanie technik SEM:
Góra: analiza elektronów wstecznie rozproszonych – skład
Dół: analiza elektronów wtórnych – topografia

Elektrony wstecznie rozproszone (BSE) składają się z wysokoenergetycznych elektronów pochodzących z wiązki elektronów, które są odbijane lub rozpraszane wstecznie z objętości oddziaływania próbki przez oddziaływania elastycznego rozpraszania z atomami próbki. Ponieważ pierwiastki ciężkie (wysoka liczba atomowa) rozpraszają elektrony silniej niż pierwiastki lekkie (niska liczba atomowa), a tym samym wydają się jaśniejsze na obrazie, BSE są wykorzystywane do wykrywania kontrastu między obszarami o różnym składzie chemicznym. Detektor Everharta-Thornleya, który zwykle jest umieszczony z jednej strony próbki, jest niewydajny w wykrywaniu elektronów wstecznie rozproszonych, ponieważ niewiele takich elektronów jest emitowanych w kącie bryłowym zależnym od detektora, a siatka detekcyjna spolaryzowana dodatnio ma niewielką zdolność aby przyciągnąć BSE o wyższej energii. Dedykowane detektory elektronów wstecznie rozproszonych są umieszczone nad próbką w układzie typu „pączek”, koncentrycznie z wiązką elektronów, maksymalizując kąt skupienia. Detektory BSE są zwykle typu scyntylacyjnego lub półprzewodnikowego. Kiedy wszystkie części detektora są używane do zbierania elektronów symetrycznie wokół wiązki, powstaje kontrast liczby atomowej. Jednak silny kontrast topograficzny jest wytwarzany przez zbieranie wstecznie rozproszonych elektronów z jednej strony nad próbką za pomocą asymetrycznego, kierunkowego detektora BSE; powstały kontrast pojawia się jako oświetlenie topografii z tej strony. Detektory półprzewodnikowe mogą być wykonane w segmentach promieniowych, które można włączać i wyłączać, aby kontrolować rodzaj wytwarzanego kontrastu i jego kierunkowość.

Elektrony wstecznie rozproszone można również wykorzystać do utworzenia obrazu dyfrakcji wstecznego rozpraszania elektronów (EBSD), który można wykorzystać do określenia struktury krystalograficznej próbki.

Analiza wstrzykiwania wiązek półprzewodników

Charakter sondy SEM, czyli elektrony energetyczne, sprawia, że ​​jest ona wyjątkowo przystosowana do badania właściwości optycznych i elektronicznych materiałów półprzewodnikowych. Elektrony o wysokiej energii z wiązki SEM wstrzykną nośniki ładunku do półprzewodnika. W ten sposób elektrony wiązki tracą energię, przenosząc elektrony z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa , pozostawiając dziury .

W materiale z bezpośrednim pasmem zabronionym rekombinacja tych par elektron-dziura spowoduje katodoluminescencję; jeśli próbka zawiera wewnętrzne pole elektryczne, takie jak obecne w złączu pn , wstrzykiwanie nośników wiązki SEM spowoduje przepływ prądu indukowanego wiązką elektronów (EBIC). Katodoluminescencja i EBIC są określane jako techniki „wstrzykiwania wiązki” i są bardzo silnymi sondami zachowania optoelektronicznego półprzewodników, w szczególności do badania cech i defektów w nanoskali.

Katodoluminescencja

Kolorowa nakładka katodoluminescencyjna na obraz SEM polikryształu InGaN . Kanały niebieski i zielony reprezentują rzeczywiste kolory, kanał czerwony odpowiada emisji UV.

Katodoluminescencja , emisja światła, gdy atomy wzbudzone wysokoenergetycznymi elektronami wracają do stanu podstawowego, jest analogiczna do fluorescencji indukowanej promieniowaniem UV , a niektóre materiały, takie jak siarczek cynku i niektóre barwniki fluorescencyjne, wykazują oba zjawiska. W ostatnich dziesięcioleciach katodoluminescencja była najczęściej doświadczana jako emisja światła z wewnętrznej powierzchni kineskopu w telewizorach i monitorach komputerowych CRT. W SEM detektory CL albo zbierają całe światło emitowane przez próbkę, albo mogą analizować długości fal emitowane przez próbkę i wyświetlać widmo emisyjne lub obraz rozkładu katodoluminescencji emitowanej przez próbkę w rzeczywistym kolorze.

Mikroanaliza rentgenowska

Charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie , które jest wytwarzane w wyniku oddziaływania elektronów z próbką, można również wykryć w SEM wyposażonej w spektroskopię rentgenowską z dyspersją energii lub spektroskopię rentgenowską z dyspersją długości fali . Analiza sygnałów rentgenowskich może być wykorzystana do mapowania rozkładu i oszacowania obfitości pierwiastków w próbce.

Uchwała SEM

Film ilustrujący typowy praktyczny zakres powiększenia skaningowego mikroskopu elektronowego przeznaczonego do preparatów biologicznych. Wideo zaczyna się przy 25×, około 6 mm w całym polu widzenia i powiększa do 12000×, około 12  µm w całym polu widzenia. Kuliste obiekty to szklane kulki o średnicy 10 μm, podobnej średnicy do czerwonej krwinki .

SEM nie jest kamerą , a detektor nie tworzy w sposób ciągły obrazu, jak matryca CCD lub film . W przeciwieństwie do systemu optycznego, rozdzielczość nie jest ograniczona przez granicę dyfrakcji , rozdrobnienie soczewek lub zwierciadeł lub rozdzielczość matrycy detektorów. Optyka skupiająca może być duża i gruboziarnista, a detektor SE ma rozmiar pięści i po prostu wykrywa prąd. Zamiast tego rozdzielczość przestrzenna SEM zależy od wielkości plamki elektronowej, która z kolei zależy zarówno od długości fali elektronów, jak i układu elektronowo-optycznego, który wytwarza wiązkę skanującą. Rozdzielczość jest również ograniczona wielkością objętości interakcji, objętości materiału próbki, który oddziałuje z wiązką elektronów. Zarówno rozmiar plamki, jak i objętość interakcji są duże w porównaniu z odległościami między atomami, więc rozdzielczość SEM nie jest wystarczająco wysoka, aby obrazować poszczególne atomy, jak jest to możliwe w przypadku transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM). SEM ma jednak zalety kompensujące, w tym zdolność do obrazowania stosunkowo dużego obszaru próbki; możliwość obrazowania materiałów sypkich (nie tylko cienkich folii czy folii); oraz różnorodność trybów analitycznych dostępnych do pomiaru składu i właściwości próbki. W zależności od instrumentu rozdzielczość może mieścić się w przedziale od mniej niż 1 nm do 20 nm. Od 2009 roku konwencjonalny SEM o najwyższej na świecie rozdzielczości (≤30 kV) może osiągnąć rozdzielczość punktową 0,4 nm przy użyciu detektora elektronów wtórnych.

Środowiskowy SEM

Konwencjonalny SEM wymaga obrazowania próbek w próżni , ponieważ atmosfera gazowa szybko się rozprzestrzenia i tłumi wiązki elektronów. W konsekwencji próbki, które wytwarzają znaczną ilość oparów , np. mokre próbki biologiczne lub skały roponośne, muszą zostać wysuszone lub kriogenicznie zamrożone. Procesów obejmujących przemiany fazowe , takich jak suszenie klejów lub topienie stopów , transport cieczy, reakcje chemiczne i układy ciało stałe-powietrze-gaz, generalnie nie mogą być obserwowane w konwencjonalnych wysokopróżniowych SEM. W środowisku SEM (ESEM) komora jest opróżniana z powietrza, ale para wodna jest zatrzymywana w pobliżu jej ciśnienia nasycenia, a ciśnienie resztkowe pozostaje stosunkowo wysokie. Pozwala to na analizę próbek zawierających wodę lub inne substancje lotne. Dzięki ESEM możliwe były obserwacje żywych owadów.

Pierwszy komercyjny rozwój ESEM pod koniec lat 80. umożliwił obserwację próbek w środowiskach gazowych o niskim ciśnieniu (np. 1–50 Torr lub 0,1–6,7 kPa) i przy wysokiej wilgotności względnej (do 100%). Było to możliwe dzięki opracowaniu detektora elektronów wtórnych zdolnego do pracy w obecności pary wodnej oraz dzięki zastosowaniu otworów ograniczających ciśnienie z różnicowym pompowaniem na drodze wiązki elektronów w celu oddzielenia obszaru próżni (wokół działa i soczewki) z komory próbki. Pierwsze komercyjne ESEM zostały wyprodukowane przez ElectroScan Corporation w USA w 1988 roku. ElectroScan został przejęty przez Philipsa (który później sprzedał swój dział elektronoptyki firmie FEI) w 1996 roku.

ESEM jest szczególnie przydatny w przypadku materiałów niemetalicznych i biologicznych, ponieważ powlekanie węglem lub złotem nie jest konieczne. Niepowlekane tworzywa sztuczne i elastomery mogą być rutynowo badane, podobnie jak niepowlekane próbki biologiczne. Jest to przydatne, ponieważ powłoka może być trudna do odwrócenia, może ukrywać drobne cechy na powierzchni próbki i może obniżyć wartość uzyskanych wyników. Analiza rentgenowska jest trudna w przypadku powłoki z metalu ciężkiego, więc powłoki węglowe są rutynowo stosowane w konwencjonalnych SEM, ale ESEM umożliwia wykonywanie mikroanalizy rentgenowskiej na niepowlekanych nieprzewodzących próbkach; jednak niektóre specyficzne dla ESEM artefakty są wprowadzane do analizy rentgenowskiej. ESEM może być preferowany do mikroskopii elektronowej unikalnych próbek z działań kryminalnych lub cywilnych, gdzie analiza kryminalistyczna może wymagać powtórzenia przez kilku różnych ekspertów. Możliwe jest badanie próbek w cieczy za pomocą ESEM lub innymi metodami mikroskopii elektronowej w fazie ciekłej .

Transmisja SEM

SEM można również używać w trybie transmisji, po prostu umieszczając odpowiedni detektor pod cienką sekcją próbki. Dostępne są detektory dla jasnego pola, ciemnego pola, a także detektory segmentowe dla średniego pola do pierścieniowego ciemnego pola pod dużym kątem . Pomimo różnic w oprzyrządowaniu, technika ta jest nadal powszechnie nazywana skaningową transmisyjną mikroskopią elektronową (STEM) .

Kolor w SEM

Mikroskopy elektronowe w naturalny sposób nie wytwarzają kolorowych obrazów, ponieważ SEM wytwarza pojedynczą wartość na piksel ; wartość ta odpowiada liczbie elektronów odebranych przez detektor w krótkim czasie skanowania, gdy wiązka jest skierowana na pozycję piksela (x, y).

Ta pojedyncza liczba jest zwykle reprezentowana dla każdego piksela przez poziom szarości, tworząc obraz monochromatyczny. Jednak do uzyskania kolorowych obrazów z mikroskopu elektronowego wykorzystano kilka sposobów.

Fałszywy kolor za pomocą jednego detektora

  • Na obrazach kompozycyjnych płaskich powierzchni (zazwyczaj BSE):

Najłatwiejszym sposobem na uzyskanie koloru jest przypisanie tej pojedynczej liczbie dowolnego koloru za pomocą tabeli wyszukiwania kolorów (tj. każdy poziom szarości jest zastępowany przez wybrany kolor). Ta metoda nazywana jest fałszywym kolorem . Na obrazie BSE można wykonać fałszywy kolor, aby lepiej rozróżnić różne fazy próbki.

  • Na obrazach z teksturą powierzchni:

Jako alternatywę dla prostego zastąpienia każdego poziomu szarości kolorem, próbka obserwowana przez ukośną wiązkę pozwala naukowcom stworzyć przybliżony obraz topografii (patrz dalsza sekcja „Fotometryczne renderowanie 3D z pojedynczego obrazu SEM” ). Taka topografia może być następnie przetwarzana przez algorytmy renderowania 3D w celu uzyskania bardziej naturalnego renderowania tekstury powierzchni

Kolorowanie obrazu SEM

Bardzo często publikowane obrazy SEM są sztucznie barwione. Można to zrobić w celu uzyskania efektu estetycznego, wyjaśnienia struktury lub nadania próbce realistycznego wyglądu i generalnie nie dodaje informacji o próbce.

Kolorowanie może być wykonywane ręcznie za pomocą oprogramowania do edycji zdjęć lub półautomatycznie za pomocą dedykowanego oprogramowania z wykrywaniem cech lub segmentacją zorientowaną obiektowo.

Kolor zbudowany przy użyciu detektorów wieloelektronowych

W niektórych konfiguracjach więcej informacji jest zbieranych na piksel, często przy użyciu wielu detektorów.

Typowym przykładem są detektory elektronów wtórnych i elektronów wstecznie rozproszonych, które nakładają się na siebie, a do każdego obrazu uchwyconego przez każdy detektor przypisywany jest kolor, w wyniku czego powstaje połączony kolorowy obraz, w którym kolory są powiązane z gęstością składników. Ta metoda jest znana jako SEM zależne od gęstości (DDC-SEM). Mikrofotografie wykonane przez DDC-SEM zachowują informacje topograficzne, które są lepiej wychwytywane przez detektor elektronów wtórnych i łączą je z informacją o gęstości, uzyskaną przez detektor elektronów wstecznie rozproszonych.

Sygnały analityczne na podstawie generowanych fotonów

Pomiar energii fotonów emitowanych z próbki jest powszechną metodą uzyskiwania możliwości analitycznych. Przykładami są detektory spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją energii (EDS) stosowane w systemach analizy elementarnej i mikroskopów katodoluminescencyjnych (CL), które analizują intensywność i widmo luminescencji indukowanej elektronami w (na przykład) próbkach geologicznych. W systemach SEM wykorzystujących te detektory powszechne jest kodowanie kolorami tych dodatkowych sygnałów i nakładanie ich na jeden kolorowy obraz, dzięki czemu różnice w rozmieszczeniu różnych składników próbki mogą być wyraźnie widoczne i porównane. Opcjonalnie, standardowy obraz elektronów wtórnych można połączyć z jednym lub większą liczbą kanałów składowych, dzięki czemu można porównać strukturę i skład próbki. Takie obrazy można wykonać z zachowaniem pełnej integralności oryginalnych danych sygnałowych, które nie są w żaden sposób modyfikowane.

3D w SEM

SEM w sposób naturalny nie dostarczają obrazów 3D w przeciwieństwie do SPM . Jednak dane 3D można uzyskać za pomocą SEM różnymi metodami w następujący sposób.

Rekonstrukcja 3D SEM z pary stereo

  • fotogrametria jest najdokładniejszą metrologicznie metodą wprowadzania trzeciego wymiaru do obrazów SEM. W przeciwieństwie do metod fotometrycznych (następny akapit), fotogrametria oblicza wysokości bezwzględne za pomocą metod triangulacyjnych . Wadą jest to, że działa tylko wtedy, gdy istnieje minimalna tekstura i wymaga uzyskania dwóch obrazów pod dwoma różnymi kątami, co implikuje użycie pochylenia. ( Fotogrametria to operacja oprogramowania, która oblicza przesunięcie (lub „rozbieżność”) dla każdego piksela, między lewym obrazem a prawym obrazem tej samej pary. Taka rozbieżność odzwierciedla lokalną wysokość).

Rekonstrukcja fotometryczna 3D SEM z detektora czterokwadrantowego metodą „kształt z cieniowania”

Ta metoda zwykle wykorzystuje czterokwadrantowy detektor BSE (alternatywnie dla jednego producenta detektor 3-segmentowy). Mikroskop tworzy jednocześnie cztery obrazy tej samej próbki, więc nie jest wymagane przechylanie próbki. Metoda podaje wymiary metrologiczne 3D, o ile nachylenie próbki pozostaje rozsądne. Większość producentów SEM obecnie (2018) oferuje taki wbudowany lub opcjonalny czterokwadrantowy detektor BSE wraz z własnym oprogramowaniem do obliczania obrazu 3D w czasie rzeczywistym.

Inne podejścia wykorzystują bardziej wyrafinowane (czasem intensywnie wykorzystujące GPU) metody, takie jak optymalny algorytm szacowania, i oferują znacznie lepsze wyniki kosztem wysokich wymagań dotyczących mocy obliczeniowej.

We wszystkich przypadkach to podejście działa poprzez integrację nachylenia, tak więc nachylenia pionowe i nawisy są ignorowane; na przykład, jeśli cała sfera leży na płaskim, widać nieco więcej niż górna półkula wynurzając się nad mieszkaniem, co skutkuje niewłaściwą wysokością wierzchołka kuli. Wyeksponowanie tego efektu zależy od kąta detektorów BSE względem próbki, ale detektory te są zwykle usytuowane wokół (i blisko) wiązki elektronów, więc efekt ten jest bardzo powszechny.

Fotometryczne renderowanie 3D z jednego obrazu SEM

Ta metoda wymaga obrazu SEM uzyskanego w oświetleniu skośnym pod małym kątem. Poziom szarości jest następnie interpretowany jako nachylenie, a nachylenie integrowane w celu przywrócenia topografii próbki. Ta metoda jest interesująca dla poprawy wizualnej oraz wykrywania kształtu i położenia obiektów; jednak w przeciwieństwie do innych metod, takich jak fotogrametria, zwykle nie można kalibrować wysokości pionowych.

Inne rodzaje rekonstrukcji 3D SEM

  • Rekonstrukcja odwrotna z wykorzystaniem interaktywnych modeli elektron-materiał
  • Rekonstrukcja w wielu rozdzielczościach przy użyciu pojedynczego pliku 2D: wysokiej jakości obrazowanie 3D może być najlepszym rozwiązaniem do ujawniania złożoności dowolnych porowatych nośników, ale ich pozyskanie jest kosztowne i czasochłonne. Z drugiej strony wysokiej jakości obrazy 2D SEM są szeroko dostępne. Niedawno zaprezentowano nowatorską, trzyetapową, wieloskalową metodę rekonstrukcji w wielu rozdzielczościach, która bezpośrednio wykorzystuje obrazy 2D do tworzenia modeli 3D. Ta metoda, oparta na Entropii Shannona i symulacji warunkowej, może być stosowana dla większości dostępnych materiałów stacjonarnych i umożliwia budowanie różnych stochastycznych modeli 3D przy użyciu kilku cienkich przekrojów.
  • SEM abrazji jonowej (IA-SEM) to metoda obrazowania 3D w nanoskali, która wykorzystuje skupioną wiązkę galu do wielokrotnego ścierania powierzchni próbki 20 nanometrów na raz. Każda odsłonięta powierzchnia jest następnie skanowana w celu skompilowania obrazu 3D.

Zastosowania 3D SEM

Jednym z możliwych zastosowań jest pomiar chropowatości kryształków lodu. Ta metoda może łączyć środowisko SEM o zmiennym ciśnieniu i możliwości 3D SEM w celu pomiaru chropowatości poszczególnych ścianek kryształów lodu, przekształcenia go w model komputerowy i przeprowadzenia dalszej analizy statystycznej modelu. Inne pomiary obejmują wymiar fraktalny, badanie powierzchni pęknięć metali, charakterystykę materiałów, pomiary korozji oraz pomiary wymiarów w skali nano (wysokość stopnia, objętość, kąt, płaskość, przełożenie łożyska, współpłaszczyznowość itp.).

Galeria obrazów SEM

Poniżej znajdują się przykłady obrazów wykonanych za pomocą SEM.

Zobacz też

Bibliografia

Linki zewnętrzne

Ogólny
Historia
Zdjęcia