Mengimbas Mikroskop Elektron (SEM)
Mikroskop Elektron Mengimbas
Juara pemerhatian permukaan mikro
Langkah pertama penilaian saintifik ialah memerhatikan bentuk bahan dengan teliti. Untuk tujuan ini, kami mempunyai kaca pembesar atau mikroskop optik. Tetapi, selagi cahaya digunakan, kita tidak dapat melihat apa-apa yang lebih kecil daripada panjang gelombang cahaya dan oleh itu memerhati struktur nano adalah amat sukar.
Mikroskop Elektron Pengimbasan (SEM) yang diperkenalkan di sini menggunakan pancaran elektron yang panjang gelombangnya lebih pendek daripada cahaya dan oleh itu pemerhatian struktur hingga beberapa nm dalam skala menjadi mungkin.
1nm = bilion = 10-9m
Mengimbas Mikroskop Elektron → SEM
Mikroskop Elektron Pengimbasan, yang digunakan dalam pelbagai bidang seperti perubatan, biologi, logam, semikonduktor dan seramik, meluaskan sempadan aplikasinya. Dengan lampiran dan peranti yang banyak digabungkan, keupayaannya semakin berkembang. SEM dianggap sebagai salah satu alat paling berkuasa yang digunakan di institut R&D dan tapak pemeriksaan kawalan kualiti di seluruh dunia.
Pemerhatian dunia mikro menggunakan elektron
Mikroskop Elektron Pengimbasan (selepas ini "SEM") membolehkan pemerhatian yang jelas terhadap struktur permukaan yang sangat kecil, yang tidak mungkin dilakukan dengan mikroskop optik (selepas ini "OM"). Selain itu, kerana ia boleh memberikan imej dengan kedalaman fokus yang lebih mendalam, ia membolehkan pemerhatian imej 3 dimensi, dengan deria yang sama seperti apabila kita melihat bahan dengan mata kasar, dengan membesarkan permukaan spesimen yang mempunyai struktur kasar.
SEM menggunakan elektron untuk menunjukkan imej spesimen yang diperbesarkan, dengan cara yang sama seperti mikroskop elektron penghantaran (selepas ini "TEM"). Memandangkan elektron mempunyai panjang gelombang yang lebih pendek daripada cahaya, ia membolehkan kita memerhati perkara yang lebih kecil daripada yang dapat dilihat dengan OM. Perkataan resolusi merujuk kepada saiz terkecil yang boleh diperhatikan dengan jelas (jarak terpendek antara dua titik jiran… resolusi mata manusia dikatakan 0.2mm). Resolusi TEM ialah 0.1 hingga 0.3nm manakala resolusi SEM ialah 0.5 hingga 4nm. Sebab resolusi SEM lebih rendah daripada TEM adalah disebabkan oleh fakta bahawa panjang gelombang elektron menjadi lebih panjang kerana voltan pecutan elektron yang digunakan dalam SEM adalah serendah beberapa kV hingga beberapa puluh kV, dan kepada perbezaan ciri. daripada kanta elektromagnet yang digunakan untuk menumpu pancaran elektron.
TEM menyediakan imej yang diperbesarkan ditayangkan ke skrin pendarfluor, di mana imej dibentuk oleh elektron yang dihantar (dilalui) melalui spesimen yang disediakan nipis. Sebagai perbandingan, SEM membentuk imej menggunakan elektron yang dipantulkan atau dijana daripada permukaan spesimen.
Mengapakah spesimen boleh diperhatikan dengan elektron?
Dari tempat yang diterangi oleh pancaran elektron, pelbagai isyarat, seperti elektron sekunder, elektron berselerak belakang, sinar-X ciri, dan katodoluminesen, dipancarkan bergantung pada bentuk spesimen, ketumpatan bahan, dan unsur-unsur yang terkandung di dalamnya.
Mikroskop Elektron Pengimbasan (SEM) biasanya mengesan elektron sekunder untuk membentuk imej untuk pemerhatian. Oleh kerana keamatan elektron sekunder yang dijana berbeza-beza bergantung pada sudut elektron tuju pada permukaan spesimen, variasi halus dalam kekasaran permukaan boleh dinyatakan mengikut keamatan isyarat.
Kes yang diperhatikan (contoh: papan yang dilaksanakan)
Kosongkan imej 3D dengan pengendalian yang mudah
Sekarang, mari kita lihat proses pemerhatian imej dengan mengambil spesimen biologi sebagai contoh.
Spesimen biologi memerlukan pra-rawatan yang dipanggil penyediaan spesimen. Ini penting untuk melindungi spesimen yang terdedah daripada kerosakan akibat haba yang disebabkan oleh pancuran pancaran elektron. Di samping itu, spesimen seperti tisu biologi yang mengandungi air mesti dehidrasi sebelum dipasang di dalam ruang spesimen, yang disimpan pada vakum yang tinggi. Spesimen didehidrasi selepas penetapan kimia untuk mengelakkan ubah bentuk apabila air dikeluarkan, dan dipasang pada pelekap spesimen dengan pes atau pita pelekat khas. Kemudian, keseluruhan permukaan spesimen disalut nipis dengan zarah logam seperti Au atau Pt-Pd menggunakan teknik sputtering atau pemendapan wap. Salutan logam menghalang cas daripada terbentuk pada permukaan spesimen, dan meningkatkan hasil elektron sekunder, yang seterusnya menyumbang kepada mendapatkan isyarat imej yang tajam. Selepas penyediaan spesimen selesai, peringkat spesimen ditetapkan pada peringkat pergerakan spesimen dalam ruang spesimen dan kemudian ruang itu dipindahkan. Pemindahan adalah automatik dan selesai dalam satu minit.
Sekarang anda sudah bersedia untuk mengendalikan instrumen untuk membuat pemerhatian. Ia sangat mudah sehingga tiada kelayakan khas, seperti lesen memandu, diperlukan. Tetapkan voltan pecutan 20kV, contohnya (kira-kira tenaga elektron yang sama seperti TV berwarna). Voltan pecutan yang lebih tinggi memberikan resolusi yang lebih baik, tetapi kerosakan pada spesimen juga meningkat. Jika anda ingin melihat permukaan spesimen dengan kerosakan yang sangat sedikit, voltan pecutan rendah, seperti beberapa kV, harus digunakan. Seterusnya, panaskan filamen untuk mengeluarkan elektron. Mereka difokuskan ke dalam pancaran elektron dengan melaraskan kanta medan magnet menggunakan tombol kawalan. Sesetengah instrumen dilengkapi dengan fungsi fokus auto. Seterusnya, laraskan pembesaran. Anda mengenal pasti kawasan minat anda dengan mencari pada pembesaran rendah, dan kemudian anda boleh menaikkan pembesaran secara beransur-ansur untuk memaparkan dan merakam imej yang diperbesarkan.
Seperti yang dilihat dalam foto kanan, kedalaman fokus yang lebih dalam daripada mikroskop optik membolehkan SEM mencipta imej 3 dimensi yang jelas.
Foto ini diambil oleh SEM vakum rendah dan diproses dengan warna pseudo.
Gambar:
Ihsan Prof. Takashi Tsuruhara dan En. Hidehiro Kasahara - Universiti Tokyo Gakugei, Biologi
(Salutan Au, selepas pengeringan beku dalam tiub sampel berikutan penetapan/penyahhidratan)
Prestasi hebat untuk pemerhatian dan analisis permukaan
Terdapat banyak jenis mikroskop elektron pengimbasan, daripada jenis biasa yang menggunakan filamen tungsten sebagai sumber elektron, kepada jenis yang lebih khusus yang, dengan senjata elektron pelepasan medan dipasang, mencapai resolusi dan pembesaran yang lebih tinggi.
Dengan menambahkan lampiran seperti pengesan sinar-X untuk analisis unsur, pengesan elektron berselerak belakang untuk memerhatikan komposisi, dan EBSD (belauan serakan belakang elektron) untuk analisis kristal, adalah mungkin untuk mengembangkan lagi kepelbagaian pengukuran.
Pelbagai Fungsi SEM
| Pemerhatian Imej Elektron Sekunder | Elektron sekunder digunakan untuk memerhatikan topografi permukaan spesimen. |
|---|---|
| Pemerhatian Imej Elektron Terserak Belakang |
Elektron berselerak belakang digunakan terutamanya untuk memerhatikan perbezaan komposisi spesimen. Dalam kes spesimen polihabluran, perbezaan dalam orientasi kristal diperhatikan sebagai kontras dalam imej. (menyalurkan kontras) |
| Pemerhatian Imej Elektron Penyerapan | Elektron yang diserap digunakan terutamanya untuk memerhatikan perbezaan komposisi spesimen. Sebaliknya adalah sebaliknya bagi imej elektron berselerak belakang. |
| Pemerhatian Imej Elektron Penghantaran | Elektron yang dihantar melalui lapisan filem nipis digunakan untuk memerhatikan perbezaan dalam komposisi dan ketumpatan. |
| Pemerhatian Imej Cathodoluminescence(CL) dan Analisis Spektrum | Cahaya yang dipancarkan daripada spesimen yang dirangsang oleh penyinaran pancaran elektron membentuk imej, dan spektrum pancaran dicipta melalui spektrometri panjang gelombang. Ini digunakan untuk aplikasi seperti penilaian kekotoran dan kecacatan dalam semikonduktor, penilaian pengagihan tegasan, penilaian pengagihan struktur kecacatan dalam filem oksida, penilaian unsur pemancar cahaya, dll. |
| Analisis EDS(Elemental). | Ini adalah fungsi untuk mendapatkan spektrum keamatan tenaga sinar-X menggunakan gabungan pengesan semikonduktor Si Lidoped dan Penganalisis Berbilang Saluran (penganalisis spektrum). Semua elemen dari B hingga U boleh dikesan dan diukur secara serentak. Walaupun dengan arus probe yang sederhana, yang mengurangkan risiko kerosakan spesimen, ia berfungsi dengan cemerlang dalam analisis kawasan mikro. |
| Analisis EBSD | Elektron bertaburan belakang yang telah dibiaskan pada permukaan spesimen digunakan untuk mengenal pasti orientasi kristal dalam kawasan mikro dan untuk mengukur peta orientasi. |
| Analisis WDS(Elemental). | Ini adalah fungsi untuk mendapatkan spektrum panjang gelombang dengan menggunakan fenomena pembelauan sinar-X oleh hablur. Ciri-cirinya ialah resolusi tenaga tinggi dan kepekaan pengesanan tinggi. |
| Pengukuran EBIC, Pemerhatian | Daya gerak elektrik (EMF) yang dihasilkan di dalam spesimen akibat penyinaran oleh rasuk elektron digunakan untuk analisis kecacatan peranti semikonduktor. |
| Fungsi Vakum Rendah |
Fungsi untuk menetapkan tekanan dalam ruang spesimen kepada beberapa puluh hingga beberapa ratus Pa. Mengurangkan vakum dalam kebuk spesimen mengurangkan berlakunya pengecasan. Ini memungkinkan untuk memerhatikan spesimen bukan konduktif tanpa memerlukan pra-rawatan yang sukar (salutan). Ia digunakan untuk spesimen dengan banyak gas keluar, spesimen dengan tekanan wap rendah, dan spesimen yang mengandungi air juga. |
| Fungsi Pendedahan Rasuk Elektron | Menentang litografi oleh pancaran elektron adalah mungkin. |
| Cryo SEM Pemerhatian | Pemerhatian spesimen yang mengandungi air boleh dilakukan dengan membekukan air. Ini boleh menghalang ubah bentuk spesimen daripada berlaku semasa proses penetapan dan dehidrasi. |
| Pemerhatian Pemanasan |
Pemerhatian semasa memanaskan spesimen adalah mungkin. Perubahan yang berlaku pada spesimen yang disebabkan oleh haba seperti bengkak dan pengasingan kekotoran boleh diperhatikan. |
| Pemerhatian Tegangan | Pemerhatian semasa meregangkan spesimen adalah mungkin. Ini digunakan untuk memerhatikan titik permulaan patah mulur dan analisis kekuatan bahan. |