اصول پایه SEM

میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) چیست؟

میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) جهت تهیه  تصاویر با بزرگنمایی بالا از باریکه متمرکز الکترون ها  استفاده می کند. پرتو الکترونی فرودی به طور منظم روی سطح نمونه اسکن شده و با آشکارسازی  الکترون های خارج شده از سطح نمونه تصویر مربوطه شکل می گیرد.

شکل SEM

برای درک بهتر عملکرد میکروسکوپ الکترونی روبشی،  می توان این دستگاه را با فردی در یک اتاق تاریک که  با استفاده از چراغ قوه اطراف خود  را اسکن می کند مقایسه کرد. به عنوان مثال این فرد با اسکن چراغ به طور منظم از بالای دیوار و به شکل افقی و حرکت تدریجی به سمت پایین دیوار ، تصویری از اجسام را در حافظه ثبت می کند. دستگاه SEM از باریکه الکترونی به جای چراغ قوه ،  از آشکارساز الکترون به جای چشم و همچنین از صفحه نمایش و دوربین به عنوان حافظه استفاده می کند.

تفاوت میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی چیست؟

در میکروسکوپ های نوری ، از باریکه  نورمرئی استفاده می شود و توسط لنزهای شیشه ای متمرکز می شوند و با استفاده از آشکارسازی پرتوهای بازتاب شده تصویر برداری انجام می گیرد. اما در میکروسکوپ الکترونی روبشی از باریکه الکترونی استفاده شده و برای متمرکز کردن آن نیز از سیم پیچ ها یا کویل های الکترومغناطیسی استفاده می شود، از برهمکنش باریکه الکترونی فرودی با سطح نمونه تصاویربدست می آیند.

sem

بزرگنمایی در میکروسکوپ الکترونی روبشی SEM چقدر است؟

با کمک دستگاه SEM می توان از  ریز ساختارها ، دنیای غیر قابل رویت با چشم  (1 میکرومتر = (6-)^10 متر) و نانو ساختارها (1 نانومتر = (9-)^10 متر) تصویر برداری کرد. SEM ها می توانند یک جسم را از حدود 10 تا 1000000 برابر بزرگتر کنند. برای براورد و محاسبه اندازه ساختارها در تصاویر SEM، مشابه با تصاویر سایر میکروسکوپها یک نوار مقیاس معمولاً روی تصویر ارائه می شود.

تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی SEM چه رنگی هستند؟

تصاویر SEM خاکستری و یا سیاه و سفید هستند و با توجه به عمق میدان، سه بعدی به نظر می رسند و سطح نمونه را نشان می دهند (به دلیل حداقل نفوذ پرتو الکترون درون نمونه)

کاربردهای SEM

کاربردهای میکروسکوپ الکترونی روبشی

 

میکروسکوپ الکترونی روبشی یا SEM به عنوان یک تکنیک در علوم  پایه و مهندسی بسیار مورد استفاده قرار می گیرد. برخی از رایج ترین کاربردهای آن در علم مواد ، علوم زیستی ، زمین شناسی ، علوم پزشکی و پزشکی قانونی است. این تکنیک همچنین ممکن است برای خلق آثار هنری دیجیتالی استفاده شود. با استفاده از میکروسکوپ های الکترونی روبشی می توان کارهای مختلفی  را انجام داد، برخی از  این موارد عبارتند از:

1.بررسی مورفولوژی نمونه ها (به عنوان مثال مشاهده مواد به شکل توده ، پوشش ها و یا برش خورده).

 

2.آنالیز فازی و بررسی تفاوت های پیوندی از طریق کنتراست و با استفاده از آشکارساز backscatter.

 

3. تصویربرداری مولکولی با استفاده از پروب های فلزی و فلورسنت در نمونه های بیولوژیکی

 

4.انجام لیتوگرافی در ابعاد میکرو و نانو  (برداشت مواد از نمونه ها؛ برش قطعات  یا حذف برش های پیشرونده از نمونه ها (به عنوان مثال با استفاده از پرتو یون متمرکز)).

 

5. تصویر برداری در دمای خاص ( نوع خاصی از stage ).

 

6.تصویر برداری از نمونه های مرطوب  (فقط در SEM محیطی)

 

7.مشاهده مواد یخ زده با استفاده از cryostage

 

8.آنالیز اشعه ایکس از نمونه ها جهت میکروآنالیز ( آشکارساز EDS یا WDS )

 

9.مطالعه رفتار اپتوالکترونیک نیمه هادی ها ( آشکارساز کاتدولومینسانس CL)

 

10.مشاهده نقشه توزیع عناصر (elemental mapping) ، جهت گیری دانه/ کریستالوگرافی و مطالعه اطلاعات مرتبط مانند ناهمگونی و microstrain در نمونه های مسطح (آشکارساز EBSD).

 

نقش میکروسکوپ الکترونی روبشی در علم مواد:

برای تحقیقات پایه، کنترل کیفیت و آنالیز شکست SEM یک ابزار کلیدی است. همچنین SEM در بررسی فلزات ، آلیاژها ، سرامیک ها ، پلیمرها و مواد بیولوژیکی مورد استفاده قرار می گیرد. SEM در بسیاری از موضوعات مورد علاقه فعلی از جمله نانولوله ها و نانوالیاف ، ابررساناهای دمای بالا ، معماری مواد متخلخل ، استحکام آلیاژ نقش اساسی ایفا می کند. بسیاری از جنبه های توسعه فناوری مانند  هوافضا ، الکترونیک ، انرژی ، کاتالیز ، محیط ، فوتونیک و شیمی  بدون داده های ارائه شده توسط SEM غیرممکن است. تصویر زیر مربوط به ویفر سیلیکونی است که روی سطح آن ذرات مسی وجود دارد.

sem

 

 

نقش میکروسکوپ الکترونی روبشی در علم بیولوژیک:

در علم بیولوژیک ، از جانورانی مانند حشرات و بافت های جانوری تا مواردی مانند باکتریها توسط SEM مورد مطالعه قرار می گیرند. SEM می تواند در حشره شناسی ، باستان شناسی ، علوم گیاهی ، تحقیقات سلولی و طبقه بندی در میان موضوعات دیگر مورد استفاده قرار گیرد.
اولین تصویر مربوط به یک کنه است. تصویر دوم گرده بیلبرجیا است.

sem

نقش میکروسکوپ الکترونی روبشی در زمين شناسي:

استفاده از SEM در بررسی خاک و نمونه های زمین شناسی امری رایج است. تجزیه و تحلیل مورفولوژی می تواند در مورد فرایندهای هوازدگی اطلاعاتی را ارائه دهد. تفاوت های ترکیبی را می توان با تصویربرداری backscatter  مشاهده کرد. میکروآنالیز می تواند جزئیات مربوط به ترکیب عنصری خاص در یک نمونه را ارائه دهد. به همین دلیل SEM یک ابزار بسیار مفید در صنعت معدن است.
تصویر زیر نمونه ای از مواد معدنی است. مناطق روشن نشان دهنده وجود عناصر عدد اتمی زیاد است. مناطق تاریک نشان دهنده وجود عناصر کم عدد اتمی است.

sem

نقش میکروسکوپ الکترونی روبشی در علوم پزشکی:

SEM می تواند توسط محققان پزشکی برای مقایسه سلول های خونی و نمونه های بافتی برای تعیین علت بیماری استفاده شود. برخی دیگر از کاربردهای SEM شامل مطالعه پزشکی و تأثیر آن بر بیماران و همچنین برای تحقیق و توسعه درمان های جدید است. SEM همچنین به طور گسترده ای در تحقیق و توسعه ایمپلنت ها و ابزارهای پزشکی استفاده می شود.

 

sem

نقش میکروسکوپ الکترونی روبشی در پزشکی قانونی :

در علوم پزشکی قانونی آزمایشگاه های پلیس از SEM برای بررسی و مقایسه شواهد مانند قطعات فلزی ، رنگ ، جوهر ، مو و الیاف برای ارائه شواهدی مبنی بر گناه یا بی گناهی متهم استفاده می کنند. با بررسی دقیق کارآگاهان می توانند تعیین کنند که آیا نمونه های جمع آوری شده از صحنه جنایت دارای ویژگی هایی هستند که با سناریوی توسعه یافته توسط کارآگاهان مطابقت دارد.
تصویر زیر موهای انسان و الیاف نایلونی را نشان می دهد.

 

sem

نقش میکروسکوپ الکترونی روبشی در هنر دیجیتال :

تصاویر گرفته شده از SEM اغلب به نوبه خود بسیار زیبا هستند ، اما ممکن است به عنوان هنر دیجیتال و تصاویر بازاریابی جذاب نیز اصلاح شوند.

 

sem
مقایسه SEM با میکروسکوپ های نوری

میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) در سه مورد کلیدی نسبت به میکروسکوپ نوری (OM) مزیت دارند:

 

1.تفکیک پذیری با بزرگنمایی بالا:

وضوح را می توان به عنوان حداقل فاصله بین دو نقطه متفاوت نزدیک تعریف کرد ، که در آن ممکن است به عنوان دو نهاد جداگانه شناخته شوند. بهترین وضوح ممکن در OM حدود 200 نانومتر است در حالی که یک SEM معمولی دارای وضوح بهتر از 10 نانومتر (به طور معمول 5 نانومتر) است.

 

2.عمق میدان:

فاصله یا ارتفاعی که اگر نمونه را در این محدوده جابجا کنیم از وضوح تصویر خیلی کاسته نشود، این ویژگی باعث می شود که مقداری بالاتر و مقداری پایین تر از ارتفاع فوکوس شده را به صورت سه بعدی بتوانیم ببینیم.  SEM بیش از 300 برابر عمق میدان نسبت به OM دارد. این بدان معناست که می توان جزئیات توپوگرافی زیادی بدست آورد. برای بسیاری از کاربران ، ظاهر سه بعدی (سه بعدی) تصویر نمونه ، ارزشمندترین ویژگی SEM است. این به این دلیل است که چنین تصاویری ، حتی در بزرگنمایی کم ، می توانند اطلاعات بسیار بیشتری از یک نمونه نسبت به تصویربرداری با OM، ارائه می دهد.

 

3.میکروآنالیز:

آنالیز ترکیب نمونه شامل اطلاعات مربوط به ترکیب شیمیایی و همچنین مشخصه های بلورشناسی ، مغناطیسی و الکتریکی.

تصویر زیر مربوط به سر زنبور است که چشم و شاخک را نشان می دهد. توجه داشته باشید که تمام شاخک ها در تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی sem (سمت راست) در حالت فوکوس هستند.

 

sem
محدودیت های SEM چیست؟

تصویرنمونه های مرطوب

پرتو الکترونی نیاز به خلاء دارد. نمونه هایی که خشک نیستند ممکن است در اثر بیرون کشیدن مایع از نمونه در اثر خلأ آسیب ببینند. این نیز می تواند باعث آسیب به میکروسکوپ الکترونی روبشی شود. در بیشتر موارد ، نمونه هایی که به طور طبیعی مرطوب هستند باید قبل از اسکن SEM، خشک شوند. به طور کلی ، SEM ها برای آزمایشهای مربوط به مایعات، واکنشهای شیمیایی و سیستمهای گاز-هوا استفاده نمی شوند. با این حال ، برخی از ماشین های تخصصی و اتاق های نمونه اجازه این آزمایش ها را می دهند.

تصویرنمونه های غیر رسانا

اگر نمونه رسانای الکتریکی نباشد ، به دلیل برهم کنش بار منفی پرتو الکترونی با نمونه ، پدیده شارژجینگ(charging) (با رسیدن الکترون های برخوردی به نمونه ، بار نمونه منفی می شود و سپس پرتو توسط نمونه دفع می شود). اکثر نمونه هایی که ذاتاً غیر رسانا هستند باید قبل از تصویربرداری در SEM با یک لایه نازک فلزمانند طلا یا پلاتین و یا کربن پوشش دهی شوند تا رسانا شوند.

تصاویر رنگی

تصاویر SEM تک رنگ (مقیاس خاکستری) هستند ، نه رنگی ، زیرا طول موج الکترون بسیار کوچک تر از نور مرئی است. هرگونه تصویر رنگی که از SEM مشاهده می کنید با استفاده از تکنیک های پس از پردازش رنگ آمیزی شده است. تصاویر الکترونی ثانویه SEM که با استفاده از آشکارساز SE (Secondary electrons) گرفته می شوند، به طور موثر نقشه (map) شدت الکترون هایی هستند که توسط  آشکارساز جمع آوری شده اند. شدت روشنایی روی صفحه متناسب با تعداد الکترونهای تولید شده در ابتدا است. تصاویر SEM به صورت تصاویر دیجیتالی تک رنگ مقیاس خاکستری نمایش داده می شوند که در آنها هر پیکسل تنها اطلاعات شدت را در سایه خاکستری از سیاه در ضعیف ترین تا سفید در قوی ترین آنها منتقل می کند.

اندازه گیری دقیق ارتفاع

SEM برای اندازه گیری زبری سطح در مقیاس کوچک مناسب نیست درحالی که میکروسکوپ نیروی اتمی (میکروسکوپ های با پروب اسکن) (AFM) برای این کار مفیدتر است. اندازه گیری ارتفاع (محور z) را نمی توان مستقیماً در SEM انجام داد. برای این کار به دو تصویر که نسبت به یکدیگر کج شده اند برای ایجاد تصویر سه بعدی و نرم افزار تخصصی پردازش نیاز است. روش دیگری که برای اندازه گیری ارتفاع با استفاده از SEM مرسوم است، تصویر برداری از نمونه به صورت سطح مقطع(cross section) است.

تصویربرداری از زیر سطح (sub-surface)

SEM به دلیل حجم برهمکنش کوچک بین پرتو الکترون و نمونه نمی تواند در زیر سطح نمونه تصویر بگیرد. برای بررسی ساختارهای زیر سطحی ، مقطع نمونه باید بریده شود. روشهای مختلفی برای انجام این کار وجود دارد که می توان به  پرتو یون متمرکز(FIB) اشاره کرد.

تصویربرداری از طریق مایع

SEM نمی تواند از میان آب یا مایعات دیگر تصویربرداری کند. حتما توجه شود که یک ESEM با استفاده از آشکارساز میکروسکوپ الکترونی عبوری اسکن مرطوب (STEM) می توان برای تصویربرداری از فیلم های نازک آب استفاده کرد. به طور کلی ، SEM ها برای آزمایش های مربوط به مایعات ، واکنش های شیمیایی و سیستم های هوا و گاز استفاده نمی شوند ، اگرچه برخی از ماشین آلات تخصصی و محفظه های نمونه اجازه این آزمایش ها را می دهند.

تصویربرداری اتمی

وضوح SEM برای تصویربرداری از اتم های جداگانه به اندازه کافی بالا نیست بنابراین از میکروسکوپ الکترونی عبوری(TEM و HRTEM) برای این مورداستفاده می کنند

آنالیز عناصر زیر مقیاس میکرومتر

آنالیز عناصر مناطق کمتر از 1 میکرومتر می تواند در SEM بسیار مشکل باشد. این به دلیل حجم برهمکنش بین پرتو الکترون و نمونه است که اغلب در محدوده میکرومتر است. حجم تعامل را می توان با کاهش ولتاژ شتاب دهنده پرتو الکترون کاهش داد. با این حال ، کاهش سیگنال مربوطه می تواند دستیابی به اطلاعات دقیق را دشوار کند.

تصویر مولکول های باردار

SEM نمی تواند به طور موثر از مولکول های باردار که در یک ماتریس متحرک هستند تصویر کند. به عنوان مثال ، برخی از اجزا (به عنوان مثال Na+) در زیر پرتو الکترون فرار هستند زیرا پرتو الکترون منفی بر مواد باردار نیرو وارد می کند.