Skanneelektronmikroskop -Scanning electron microscope

Bilde av pollenkorn tatt på en SEM viser den karakteristiske dybdeskarpheten til SEM - mikrografer
M. von Ardennes første SEM
Driftsprinsipp for et skanningselektronmikroskop (SEM)
SEM med åpnet prøvekammer
Analog type SEM

Et skanningselektronmikroskop ( SEM ) er en type elektronmikroskop som produserer bilder av en prøve ved å skanne overflaten med en fokusert elektronstråle . Elektronene samhandler med atomer i prøven, og produserer ulike signaler som inneholder informasjon om overflatetopografien og prøvens sammensetning. Elektronstrålen skannes i et rasterskanningsmønster , og posisjonen til strålen kombineres med intensiteten til det detekterte signalet for å produsere et bilde. I den vanligste SEM-modusen detekteres sekundære elektroner som sendes ut av atomer eksitert av elektronstrålen ved hjelp av en sekundær elektrondetektor (Everhart-Thornley-detektor ). Antall sekundære elektroner som kan detekteres, og dermed signalintensiteten, avhenger blant annet av prøvetopografi. Noen SEM-er kan oppnå oppløsninger bedre enn 1 nanometer.

Prøver observeres i høyt vakuum i en konvensjonell SEM, eller under lavvakuum eller våte forhold i et variabelt trykk eller miljømessig SEM, og ved et bredt spekter av kryogene eller forhøyede temperaturer med spesialiserte instrumenter.

Historie

En beretning om den tidlige historien til skanningselektronmikroskopi er presentert av McMullan. Selv om Max Knoll produserte et bilde med en 50 mm objektfeltbredde som viser kanaliseringskontrast ved bruk av en elektronstråleskanner, var det Manfred von Ardenne som i 1937 oppfant et mikroskop med høy oppløsning ved å skanne et veldig lite raster med en forstørret og finfokusert elektronstråle. Ardenne brukte skanning av elektronstrålen i et forsøk på å overgå oppløsningen til transmisjonselektronmikroskopet (TEM), i tillegg til å dempe betydelige problemer med kromatisk aberrasjon som er iboende for ekte avbildning i TEM. Han diskuterte videre de forskjellige deteksjonsmodusene, mulighetene og teorien til SEM, sammen med konstruksjonen av den første høyoppløselige SEM . Ytterligere arbeid ble rapportert av Zworykins gruppe, etterfulgt av Cambridge-gruppene på 1950- og begynnelsen av 1960-tallet ledet av Charles Oatley , som alle til slutt førte til markedsføringen av det første kommersielle instrumentet av Cambridge Scientific Instrument Company som "Stereoscan" i 1965, som ble levert til DuPont .

Prinsipper og kapasiteter

Schottky-emitter elektronkilde
Elektron-materie interaksjonsvolum og typer signal generert

Signalene som brukes av en SEM for å produsere et bilde, er resultatet av interaksjoner av elektronstrålen med atomer på forskjellige dybder i prøven. Ulike typer signaler produseres, inkludert sekundære elektroner (SE), reflekterte eller tilbakespredte elektroner (BSE), karakteristiske røntgenstråler og lys ( katodoluminescens ) (CL), absorbert strøm (prøvestrøm) og transmitterte elektroner. Sekundære elektrondetektorer er standardutstyr i alle SEM-er, men det er sjelden at en enkelt maskin har detektorer for alle andre mulige signaler.

Sekundære elektroner har svært lave energier i størrelsesorden 50 eV, noe som begrenser deres gjennomsnittlige frie bane i fast stoff. Følgelig kan SE-er bare rømme fra de øverste få nanometerne på overflaten av en prøve. Signalet fra sekundære elektroner har en tendens til å være svært lokalisert ved treffpunktet til den primære elektronstrålen, noe som gjør det mulig å samle bilder av prøveoverflaten med en oppløsning på under 1 nm . Tilbakespredte elektroner (BSE) er stråleelektroner som reflekteres fra prøven ved elastisk spredning . Siden de har mye høyere energi enn SE-er, kommer de fra dypere steder i prøven, og følgelig er oppløsningen til BSE-bilder mindre enn SE-bilder. Imidlertid brukes BSE ofte i analytisk SEM, sammen med spektrene laget av de karakteristiske røntgenstrålene, fordi intensiteten til BSE-signalet er sterkt relatert til atomnummeret (Z) til prøven. BSE-bilder kan gi informasjon om distribusjonen, men ikke identiteten, til ulike elementer i utvalget. I prøver som hovedsakelig består av lette elementer, for eksempel biologiske prøver, kan BSE-avbildning avbilde kolloidale gullimmunomerker med 5 eller 10 nm diameter, som ellers ville være vanskelig eller umulig å oppdage i sekundære elektronbilder. Karakteristiske røntgenstråler sendes ut når elektronstrålen fjerner et indre skallelektron fra prøven, noe som får et elektron med høyere energi til å fylle skallet og frigjøre energi. Energien eller bølgelengden til disse karakteristiske røntgenstrålene kan måles ved energidispersiv røntgenspektroskopi eller bølgelengdedispersiv røntgenspektroskopi og brukes til å identifisere og måle mengden av elementer i prøven og kartlegge deres fordeling.

På grunn av den svært smale elektronstrålen har SEM-mikrografer en stor dybdeskarphet som gir et karakteristisk tredimensjonalt utseende som er nyttig for å forstå overflatestrukturen til en prøve. Dette eksemplifiseres ved mikrofotografiet av pollen vist ovenfor. Et bredt spekter av forstørrelser er mulig, fra omtrent 10 ganger (omtrent tilsvarende det for en kraftig håndlinse) til mer enn 500 000 ganger, omtrent 250 ganger forstørrelsesgrensen for de beste lysmikroskopene .

Prøveforberedelse

En edderkopp sputterbelagt i gull, etter å ha blitt klargjort for visning med en SEM
Lavspenningsmikrofotografi (300 V) av distribusjon av limdråper på en Post-it-lapp . Det ble ikke påført ledende belegg: et slikt belegg ville endre denne skjøre prøven.

SEM-prøver må være små nok til å passe på prøvetrinnet, og kan trenge spesiell forberedelse for å øke deres elektriske ledningsevne og stabilisere dem, slik at de kan tåle høyvakuumforholdene og høyenergistrålen til elektroner. Prøver monteres vanligvis stivt på en prøveholder eller stump ved hjelp av et ledende lim. SEM brukes mye for defektanalyse av halvlederskiver, og produsenter lager instrumenter som kan undersøke hvilken som helst del av en 300 mm halvlederplate. Mange instrumenter har kammer som kan vippe en gjenstand av den størrelsen til 45° og gir kontinuerlig 360° rotasjon.

Ikke-ledende prøver samler ladning når de skannes av elektronstrålen, og spesielt i sekundær elektronavbildningsmodus forårsaker dette skanningsfeil og andre bildeartefakter. For konvensjonell avbildning i SEM må prøvene være elektrisk ledende , i det minste ved overflaten, og elektrisk jordet for å forhindre akkumulering av elektrostatisk ladning . Metallgjenstander krever lite spesiell forberedelse for SEM bortsett fra rengjøring og ledende montering på en prøvestump. Ikke-ledende materialer er vanligvis belagt med et ultratynt belegg av elektrisk ledende materiale, avsatt på prøven enten ved lavvakuumsputterbelegg eller ved høyvakuumfordampning. Ledende materialer i bruk for prøvebelegg inkluderer gull , gull/ palladiumlegering , platina , iridium , wolfram , krom , osmium og grafitt . Belegg med tungmetaller kan øke signal/støyforholdet for prøver med lavt atomnummer (Z). Forbedringen oppstår fordi sekundær elektronemisjon for høy-Z-materialer er forbedret.

Et alternativ til belegg for noen biologiske prøver er å øke bulkledningsevnen til materialet ved impregnering med osmium ved bruk av varianter av OTO- fargemetoden (O- osmiumtetroksid , T -tiokarbohydrazid , O -osmium ).

Ikke-ledende prøver kan avbildes uten belegg ved bruk av en miljømessig SEM (ESEM) eller lavspenningsmodus for SEM-drift. I ESEM-instrumenter plasseres prøven i et relativt høytrykkskammer, og den optiske elektronkolonnen pumpes differensielt for å holde vakuumet tilstrekkelig lavt ved elektronkanonen. Høytrykksområdet rundt prøven i ESEM nøytraliserer ladning og gir en forsterkning av det sekundære elektronsignalet. Lavspennings-SEM utføres vanligvis i et instrument med feltemisjonspistoler (FEG) som er i stand til å produsere høy primær elektronlysstyrke og liten punktstørrelse selv ved lave akselerasjonspotensialer. For å forhindre lading av ikke-ledende prøver, må driftsforholdene justeres slik at den innkommende strålestrømmen er lik summen av utgående sekundære og tilbakespredte elektronstrømmer, en tilstand som oftest oppfylles ved akselererende spenninger på 0,3–4 kV.

Innstøping i en harpiks med ytterligere polering til en speillignende finish kan brukes for både biologiske og materialprøver ved avbildning i tilbakespredte elektroner eller ved kvantitativ røntgenmikroanalyse.

De viktigste forberedelsesteknikkene er ikke påkrevd i miljø-SEM skissert nedenfor, men noen biologiske prøver kan dra nytte av fiksering.

Biologiske prøver

For SEM kreves det normalt at en prøve er helt tørr, siden prøvekammeret har høyvakuum. Harde, tørre materialer som tre, bein, fjær, tørkede insekter eller skjell (inkludert eggeskall) kan undersøkes med lite videre behandling, men levende celler og vev og hele, myke organismer krever kjemisk fiksering for å bevare og stabilisere deres struktur.

Fiksering utføres vanligvis ved inkubering i en løsning av et bufret kjemisk fiksativ, slik som glutaraldehyd , noen ganger i kombinasjon med formaldehyd og andre fikseringsmidler, og eventuelt etterfulgt av postfiksering med osmiumtetroksid. Det fikserte vevet blir deretter dehydrert. Fordi lufttørking forårsaker kollaps og krymping, oppnås dette vanligvis ved å erstatte vann i cellene med organiske løsningsmidler som etanol eller aceton , og erstatte disse løsningsmidlene i sin tur med en overgangsvæske som flytende karbondioksid ved kritisk punkttørking . Karbondioksidet fjernes til slutt mens det er i en superkritisk tilstand, slik at ingen gass-væske-grensesnitt er tilstede i prøven under tørking .

Den tørre prøven monteres vanligvis på en prøvestump ved hjelp av et lim som epoksyharpiks eller elektrisk ledende dobbeltsidig klebende tape, og sputterbelagt med gull eller gull/palladium-legering før undersøkelse i mikroskop. Prøver kan seksjoneres (med mikrotom ) hvis informasjon om organismens indre ultrastruktur skal eksponeres for avbildning.

Hvis SEM er utstyrt med et kaldt trinn for kryomikroskopi, kan kryofiksering brukes og lavtemperatur-skanningelektronmikroskopi utføres på de kryogenisk fikserte prøvene. Kryofikserte prøver kan kryofraktureres under vakuum i et spesielt apparat for å avsløre indre struktur, sputterbelagte og overføres til SEM-kryo-stadiet mens de fortsatt er frosne. Lavtemperatur skanningselektronmikroskopi (LT-SEM) er også anvendelig for avbildning av temperaturfølsomme materialer som is og fett.

Frys-frakturering, fryse-ets eller fryse-og-bryt er en forberedelsesmetode spesielt nyttig for å undersøke lipidmembraner og deres inkorporerte proteiner i "ansikt på"-visning. Forberedelsesmetoden avslører proteinene som er innebygd i lipid-dobbeltlaget.

Materialer

Tilbakespredt elektronavbildning, kvantitativ røntgenanalyse og røntgenkartlegging av prøver krever ofte sliping og polering av overflatene til en ultra-jevn overflate. Prøver som gjennomgår WDS- eller EDS -analyse er ofte karbonbelagte. Generelt er metaller ikke belagt før avbildning i SEM fordi de er ledende og gir sin egen vei til jord.

Fraktografi er studiet av frakturerte overflater som kan gjøres på et lysmikroskop eller, vanligvis, på en SEM. Den brutte overflaten kuttes til en passende størrelse, renses for eventuelle organiske rester og monteres på en prøveholder for visning i SEM.

Integrerte kretser kan kuttes med en fokusert ionestråle (FIB) eller et annet ionestrålefreseinstrument for visning i SEM. SEM i det første tilfellet kan innlemmes i FIB, noe som muliggjør høyoppløselig avbildning av resultatet av prosessen.

Metaller, geologiske prøver og integrerte kretser kan alle også være kjemisk polert for visning i SEM.

Spesielle høyoppløselige belegningsteknikker er nødvendig for høyforstørrelsesavbildning av uorganiske tynne filmer.

Skanneprosess og bildedannelse

Skjematisk av en SEM

I en typisk SEM sendes en elektronstråle ut termionisk fra en elektronkanon utstyrt med en wolframfilamentkatode . Wolfram brukes vanligvis i termioniske elektronkanoner fordi det har det høyeste smeltepunktet og laveste damptrykket av alle metaller, og dermed lar det varmes opp elektrisk for elektronemisjon, og på grunn av dets lave pris. Andre typer elektronemittere inkluderer lantanheksaborid ( LaB
6
) katoder, som kan brukes i en standard wolframfilament-SEM hvis vakuumsystemet er oppgradert eller feltemisjonspistoler (FEG), som kan være av kaldkatodetypen som bruker wolfram enkrystall-emittere eller den termisk assisterte Schottky - typen, som bruker emittere av wolfram enkrystaller belagt med zirkoniumoksid .

Elektronstrålen, som typisk har en energi som strekker seg fra 0,2 keV til 40 keV, fokuseres av en eller to kondensatorlinser til et punkt på omtrent 0,4 nm til 5 nm i diameter. Strålen passerer gjennom par av skannespoler eller par av deflektorplater i elektronsøylen, typisk i den endelige linsen, som avleder strålen i x- og y - aksene slik at den skanner på en rastermåte over et rektangulært område av prøveoverflaten. .

Mekanismer for emisjon av sekundære elektroner, tilbakespredte elektroner og karakteristiske røntgenstråler fra atomer i prøven

Når den primære elektronstrålen samhandler med prøven, mister elektronene energi ved gjentatt tilfeldig spredning og absorpsjon innenfor et dråpeformet volum av prøven kjent som interaksjonsvolumet , som strekker seg fra mindre enn 100 nm til omtrent 5 µm inn i overflaten. Størrelsen på interaksjonsvolumet avhenger av elektronets landingsenergi, atomnummeret til prøven og prøvens tetthet. Energiutvekslingen mellom elektronstrålen og prøven resulterer i refleksjon av høyenergielektroner ved elastisk spredning, emisjon av sekundære elektroner ved uelastisk spredning og emisjon av elektromagnetisk stråling , som hver kan detekteres av spesialiserte detektorer. Strålestrømmen absorbert av prøven kan også oppdages og brukes til å lage bilder av fordelingen av prøvestrømmen. Elektroniske forsterkere av forskjellige typer brukes til å forsterke signalene, som vises som variasjoner i lysstyrke på en dataskjerm (eller, for vintage-modeller, på et katodestrålerør ). Hver piksel av datamaskinens videominne er synkronisert med posisjonen til strålen på prøven i mikroskopet, og det resulterende bildet er derfor et distribusjonskart over intensiteten til signalet som sendes ut fra det skannede området av prøven. Eldre mikroskoper fanget bilder på film, men de fleste moderne instrumenter samler digitale bilder .

Lavtemperatur SEM-forstørrelsesserie for en snøkrystall . Krystallene fanges opp, lagres og sputter-belagt med platina ved kryogene temperaturer for avbildning.

Forstørrelse

Forstørrelse i en SEM kan kontrolleres over et område på omtrent 6 størrelsesordener fra omtrent 10 til 3 000 000 ganger. I motsetning til optiske og transmisjonselektronmikroskoper, er ikke bildeforstørrelse i en SEM en funksjon av kraften til objektivlinsen . SEM-er kan ha kondensator- og objektivlinser, men deres funksjon er å fokusere strålen til et punkt, og ikke å avbilde prøven. Forutsatt at elektronkanonen kan generere en stråle med tilstrekkelig liten diameter, kan en SEM i prinsippet fungere helt uten kondensator eller objektivlinser, selv om den kanskje ikke er veldig allsidig eller oppnår veldig høy oppløsning. I en SEM, som i skanningsprobemikroskopi , er forstørrelsen resultatet av forholdet mellom dimensjonene til rasteret på prøven og rasteret på skjermenheten. Forutsatt at skjermen har en fast størrelse, resulterer høyere forstørrelse ved å redusere størrelsen på rasteret på prøven, og omvendt. Forstørrelsen styres derfor av strømmen som tilføres x, y-skannespolene, eller spenningen som tilføres x, y-deflektorplatene, og ikke av objektivets effekt.

Deteksjon av sekundære elektroner

Den vanligste avbildningsmodusen samler sekundærelektroner med lav energi (<50 eV) som støtes ut fra lednings- eller valensbånd til prøveatomene ved uelastiske spredningsinteraksjoner med stråleelektroner. På grunn av deres lave energi stammer disse elektronene fra noen få nanometer under prøveoverflaten. Elektronene detekteres av en Everhart-Thornley-detektor , som er en type kollektor - scintillator - fotomultiplikatorsystem . Sekundærelektronene samles først ved å tiltrekke dem mot et elektrisk forspent rutenett ved ca. +400 V, og deretter akselereres videre mot en fosfor eller scintillator som er positivt forspent til ca. +2000 V. De akselererte sekundære elektronene er nå tilstrekkelig energiske til å få scintillatoren til å avgir lysglimt (katodoluminescens), som ledes til en fotomultiplikator utenfor SEM-kolonnen via et lysrør og et vindu i veggen til prøvekammeret. Det forsterkede elektriske signalet fra fotomultiplikatoren vises som en todimensjonal intensitetsfordeling som kan sees og fotograferes på en analog videoskjerm , eller utsettes for analog-til-digital konvertering og vises og lagres som et digitalt bilde . Denne prosessen er avhengig av en rasterskannet primærstråle. Lysstyrken til signalet avhenger av antall sekundære elektroner som når detektoren . Hvis strålen kommer inn i prøven vinkelrett på overflaten, er det aktiverte området jevnt rundt strålens akse og et visst antall elektroner "unnslipper" fra prøven. Når innfallsvinkelen øker, øker interaksjonsvolumet og "flukt"-avstanden til den ene siden av strålen reduseres, noe som resulterer i at flere sekundære elektroner sendes ut fra prøven. Dermed har bratte overflater og kanter en tendens til å være lysere enn flate overflater, noe som resulterer i bilder med et veldefinert, tredimensjonalt utseende. Bruk av signalet til sekundære elektroner bildeoppløsning mindre enn 0,5 nm er mulig.

Deteksjon av tilbakespredte elektroner

Sammenligning av SEM-teknikker:
Øverst: tilbakespredt elektronanalyse – sammensetning
Nederst: sekundær elektronanalyse – topografi

Tilbakespredte elektroner (BSE) består av høyenergielektroner med opprinnelse i elektronstrålen, som reflekteres eller tilbakespres ut av prøveinteraksjonsvolumet ved elastisk spredningsinteraksjon med prøveatomer. Siden tunge grunnstoffer (høyt atomnummer) sprer elektroner sterkere tilbake enn lette grunnstoffer (lavt atomnummer), og dermed fremstår lysere i bildet, brukes BSE til å oppdage kontrast mellom områder med ulik kjemisk sammensetning. Everhart-Thornley-detektoren, som normalt er plassert på den ene siden av prøven, er ineffektiv for deteksjon av tilbakespredte elektroner fordi få slike elektroner sendes ut i den solide vinkelen som dekkes av detektoren, og fordi det positivt forspente deteksjonsnettet har liten evne. å tiltrekke seg høyere energi BSE. Dedikerte tilbakespredte elektrondetektorer er plassert over prøven i et "smørring"-arrangement, konsentrisk med elektronstrålen, og maksimerer den solide oppsamlingsvinkelen. BSE-detektorer er vanligvis enten av scintillator- eller halvledertyper. Når alle deler av detektoren brukes til å samle elektroner symmetrisk rundt strålen, produseres atomnummerkontrast. Imidlertid produseres sterk topografisk kontrast ved å samle tilbake-spredte elektroner fra den ene siden over prøven ved å bruke en asymmetrisk, retningsbestemt BSE-detektor; den resulterende kontrasten vises som belysning av topografien fra den siden. Halvlederdetektorer kan lages i radielle segmenter som kan slås inn eller ut for å kontrollere typen kontrast som produseres og dens retning.

Tilbakespredte elektroner kan også brukes til å danne et elektron-tilbakespredningsdiffraksjonsbilde (EBSD) som kan brukes til å bestemme den krystallografiske strukturen til prøven.

Stråle-injeksjonsanalyse av halvledere

Naturen til SEM-sonden, energiske elektroner, gjør den unikt egnet til å undersøke de optiske og elektroniske egenskapene til halvledermaterialer. Høyenergielektronene fra SEM-strålen vil injisere ladningsbærere inn i halvlederen. Dermed mister stråleelektroner energi ved å fremme elektroner fra valensbåndet inn i ledningsbåndet , og etterlater hull .

I et direkte båndgap -materiale vil rekombinasjon av disse elektron-hull-parene resultere i katodoluminescens; hvis prøven inneholder et indre elektrisk felt, slik som er tilstede ved et pn-kryss , vil SEM-stråleinjeksjonen av bærere føre til at elektronstråleindusert strøm (EBIC) flyter. Katodoluminescens og EBIC blir referert til som "stråleinjeksjonsteknikker", og er veldig kraftige sonder for den optoelektroniske oppførselen til halvledere, spesielt for å studere funksjoner og defekter i nanoskala.

Katodoluminescens

Fargekatodoluminescensoverlegg på SEM-bilde av en InGaN polykrystall. De blå og grønne kanalene representerer ekte farger, den røde kanalen tilsvarer UV-utslipp.

Katodoluminescens , emisjonen av lys når atomer eksitert av høyenergielektroner går tilbake til grunntilstanden, er analog med UV - indusert fluorescens , og noen materialer som sinksulfid og noen fluorescerende fargestoffer, viser begge fenomenene. I løpet av de siste tiårene ble katodoluminescens oftest opplevd som lysutslipp fra den indre overflaten av katodestrålerøret i TV-apparater og CRT-dataskjermer. I SEM samler CL-detektorer enten alt lys som sendes ut av prøven eller kan analysere bølgelengdene som sendes ut av prøven og vise et emisjonsspektrum eller et bilde av fordelingen av katodoluminescens som sendes ut av prøven i ekte farger.

Røntgenmikroanalyse

Karakteristiske røntgenstråler som produseres ved interaksjon av elektroner med prøven kan også detekteres i en SEM utstyrt for energidispersiv røntgenspektroskopi eller bølgelengdedispergerende røntgenspektroskopi . Analyse av røntgensignalene kan brukes til å kartlegge distribusjonen og estimere mengden av elementer i prøven.

Oppløsning av SEM

En video som illustrerer et typisk praktisk forstørrelsesområde for et skanningselektronmikroskop designet for biologiske prøver. Videoen starter på 25×, omtrent 6 mm over hele synsfeltet, og zoomer inn til 12000×, omtrent 12  μm over hele synsfeltet. De sfæriske gjenstandene er glassperler med en diameter på 10 μm, tilsvarende i diameter som en rød blodcelle .

SEM er ikke et kamera og detektoren er ikke kontinuerlig bildedannende som en CCD - matrise eller film . I motsetning til i et optisk system, er ikke oppløsningen begrenset av diffraksjonsgrensen , finheten til linser eller speil eller detektoroppløsning. Fokuseringsoptikken kan være stor og grov, og SE-detektoren er knyttnevestor og registrerer enkelt strøm. I stedet avhenger den romlige oppløsningen til SEM av størrelsen på elektronflekken, som igjen avhenger av både bølgelengden til elektronene og det elektron-optiske systemet som produserer skannestrålen. Oppløsningen er også begrenset av størrelsen på interaksjonsvolumet, volumet av prøvemateriale som samhandler med elektronstrålen. Flekkstørrelsen og interaksjonsvolumet er begge store sammenlignet med avstandene mellom atomer, så oppløsningen til SEM er ikke høy nok til å avbilde individuelle atomer, slik det er mulig med et transmisjonselektronmikroskop (TEM). SEM har imidlertid kompenserende fordeler, inkludert muligheten til å avbilde et relativt stort område av prøven; evnen til å avbilde bulkmaterialer (ikke bare tynne filmer eller folier); og mangfoldet av analytiske moduser tilgjengelig for å måle sammensetningen og egenskapene til prøven. Avhengig av instrumentet kan oppløsningen falle et sted mellom mindre enn 1 nm og 20 nm. Fra 2009 kan verdens høyeste oppløsning konvensjonelle (≤30 kV) SEM nå en punktoppløsning på 0,4 nm ved bruk av en sekundær elektrondetektor.

Miljømessig SEM

Konvensjonell SEM krever at prøver avbildes under vakuum , fordi en gassatmosfære raskt sprer seg og demper elektronstråler. Som en konsekvens må prøver som produserer en betydelig mengde damp , f.eks. våte biologiske prøver eller oljeholdig stein, enten tørkes eller fryses ned. Prosesser som involverer faseoverganger , som tørking av lim eller smelting av legeringer , væsketransport, kjemiske reaksjoner og fast-luft-gass-systemer, kan generelt ikke observeres med konvensjonell høyvakuum-SEM. I miljø-SEM (ESEM) blir kammeret evakuert for luft, men vanndamp holdes tilbake nær dets metningstrykk, og resttrykket forblir relativt høyt. Dette gjør det mulig å analysere prøver som inneholder vann eller andre flyktige stoffer. Med ESEM har observasjoner av levende insekter vært mulig.

Den første kommersielle utviklingen av ESEM på slutten av 1980-tallet gjorde det mulig å observere prøver i lavtrykksgassholdige miljøer (f.eks. 1–50 Torr eller 0,1–6,7 kPa) og høy relativ fuktighet (opptil 100 %). Dette ble gjort mulig ved utviklingen av en sekundær-elektrondetektor som er i stand til å operere i nærvær av vanndamp og ved bruk av trykkbegrensende åpninger med differensialpumping i banen til elektronstrålen for å skille vakuumområdet (rundt pistolen) og linser) fra prøvekammeret. De første kommersielle ESEM-ene ble produsert av ElectroScan Corporation i USA i 1988. ElectroScan ble overtatt av Philips (som senere solgte sin elektronoptikkavdeling til FEI Company) i 1996.

ESEM er spesielt nyttig for ikke-metalliske og biologiske materialer fordi belegg med karbon eller gull er unødvendig. Ubelagt plast og elastomerer kan rutinemessig undersøkes, det samme kan ubelagte biologiske prøver. Dette er nyttig fordi belegg kan være vanskelig å reversere, kan skjule små trekk på overflaten av prøven og kan redusere verdien av de oppnådde resultatene. Røntgenanalyse er vanskelig med et belegg av et tungmetall, så karbonbelegg brukes rutinemessig i konvensjonelle SEM-er, men ESEM gjør det mulig å utføre røntgenmikroanalyse på ubelagte ikke-ledende prøver; Imidlertid er noen spesifikke for ESEM-artefakter introdusert i røntgenanalyse. ESEM kan være den foretrukne for elektronmikroskopi av unike prøver fra kriminelle eller sivile handlinger, der rettsmedisinske analyser kan trenge å gjentas av flere forskjellige eksperter. Det er mulig å studere prøver i væske med ESEM eller med andre væskefase elektronmikroskopimetoder .

Overføring SEM

SEM kan også brukes i overføringsmodus ved ganske enkelt å inkorporere en passende detektor under en tynn prøveseksjon. Detektorer er tilgjengelige for lyst felt, mørkt felt, samt segmenterte detektorer for midtfelt til høyvinkel ringformet mørkfelt . Til tross for forskjellen i instrumentering, blir denne teknikken fortsatt ofte referert til som skanningstransmisjonselektronmikroskopi (STEM) .

Farge i SEM

Elektronmikroskoper produserer ikke naturlig fargebilder, ettersom en SEM produserer en enkelt verdi per piksel ; denne verdien tilsvarer antallet elektroner som mottas av detektoren i løpet av en liten tidsperiode av skanningen når strålen er målrettet mot (x, y) pikselposisjonen.

Dette enkelttallet er vanligvis representert, for hver piksel, med et grått nivå, og danner et monokromt bilde. Imidlertid har flere måter blitt brukt for å få fargeelektronmikroskopibilder.

Falsk farge ved bruk av en enkelt detektor

  • På komposisjonsbilder av flate overflater (typisk BSE):

Den enkleste måten å få farge på er å knytte til dette enkeltnummeret en vilkårlig farge ved å bruke en fargeoppslagstabell (dvs. hvert grått nivå erstattes av en valgt farge). Denne metoden er kjent som falsk farge . På et BSE-bilde kan falsk farge utføres for bedre å skille de ulike fasene av prøven.

  • På bilder med teksturert overflate:

Som et alternativ til ganske enkelt å erstatte hvert grått nivå med en farge, lar en prøve observert av en skrå stråle forskere lage et tilnærmet topografibilde (se videre avsnitt "Fotometrisk 3D-gjengivelse fra et enkelt SEM-bilde" ). Slik topografi kan deretter behandles av 3D-gjengivelsesalgoritmer for en mer naturlig gjengivelse av overflateteksturen

SEM bildefarging

Svært ofte er publiserte SEM-bilder kunstig farget. Dette kan gjøres for estetisk effekt, for å tydeliggjøre struktur eller for å gi prøven et realistisk utseende og gir generelt ikke informasjon om prøven.

Farging kan utføres manuelt med fotoredigeringsprogramvare, eller semi-automatisk med dedikert programvare ved bruk av funksjonsdeteksjon eller objektorientert segmentering.

Fargebygget ved hjelp av flere elektrondetektorer

I noen konfigurasjoner samles mer informasjon per piksel, ofte ved bruk av flere detektorer.

Som et vanlig eksempel legges sekundære elektron- og tilbakespredte elektrondetektorer over hverandre, og en farge tildeles hvert av bildene tatt av hver detektor, med et sluttresultat av et kombinert fargebilde der farger er relatert til tettheten til komponentene. Denne metoden er kjent som tetthetsavhengig farge-SEM (DDC-SEM). Mikrografer produsert av DDC-SEM beholder topografisk informasjon, som bedre fanges opp av sekundærelektrondetektoren og kombinerer den med informasjonen om tetthet, oppnådd av den tilbakespredte elektrondetektoren.

Analytiske signaler basert på genererte fotoner

Måling av energien til fotoner som sendes ut fra prøven er en vanlig metode for å få analytiske evner. Eksempler er energidispersive røntgenspektroskopi (EDS) detektorer som brukes i elementæranalyse og katodoluminescensmikroskop (CL) systemer som analyserer intensiteten og spekteret av elektronindusert luminescens i (for eksempel) geologiske prøver. I SEM-systemer som bruker disse detektorene er det vanlig å fargekode disse ekstra signalene og legge dem over i et enkelt fargebilde, slik at forskjeller i fordelingen av de ulike komponentene i prøven kan sees tydelig og sammenlignes. Eventuelt kan det standard sekundære elektronbildet slås sammen med en eller flere komposisjonskanaler, slik at prøvens struktur og komposisjon kan sammenlignes. Slike bilder kan lages mens den fulle integriteten til de originale signaldataene opprettholdes, som ikke er modifisert på noen måte.

3D i SEM

SEM-er gir ikke naturlig 3D-bilder i motsetning til SPM- er . Imidlertid kan 3D-data oppnås ved å bruke en SEM med forskjellige metoder som følger.

3D SEM-rekonstruksjon fra et stereopar

  • fotogrammetri er den mest metrologisk nøyaktige metoden for å bringe den tredje dimensjonen til SEM-bilder. I motsetning til fotometriske metoder (neste avsnitt), beregner fotogrammetri absolutte høyder ved hjelp av trianguleringsmetoder . Ulempene er at det bare fungerer hvis det er en minimumstekstur, og det krever at to bilder tas fra to forskjellige vinkler, noe som innebærer bruk av et vippetrinn. ( Fotogrammetri er en programvareoperasjon som beregner skiftet (eller "forskjellen") for hver piksel, mellom det venstre bildet og det høyre bildet av det samme paret. Slik forskjell gjenspeiler den lokale høyden).

Fotometrisk 3D SEM-rekonstruksjon fra en fire-kvadrantdetektor ved "form fra skyggelegging"

Denne metoden bruker vanligvis en fire-kvadrant BSE-detektor (alternativt for en produsent, en 3-segments detektor). Mikroskopet produserer fire bilder av samme prøve på samme tid, så det er ikke nødvendig å vippe prøven. Metoden gir metrologiske 3D-dimensjoner så langt helningen til prøven forblir rimelig. De fleste SEM-produsenter tilbyr nå (2018) en slik innebygd eller valgfri fire-kvadrant BSE-detektor, sammen med proprietær programvare for å beregne et 3D-bilde i sanntid.

Andre tilnærminger bruker mer sofistikerte (og noen ganger GPU-intensive) metoder som den optimale estimeringsalgoritmen og tilbyr mye bedre resultater på bekostning av høye krav til datakraft.

I alle tilfeller fungerer denne tilnærmingen ved integrering av skråningen, så vertikale skråninger og overheng ignoreres; for eksempel, hvis en hel kule ligger på en flat, er lite mer enn den øvre halvkule sett som dukker opp over den flate, noe som resulterer i feil høyde på kuletoppen. Prominensen til denne effekten avhenger av vinkelen til BSE-detektorene i forhold til prøven, men disse detektorene er vanligvis plassert rundt (og nær) elektronstrålen, så denne effekten er veldig vanlig.

Fotometrisk 3D-gjengivelse fra et enkelt SEM-bilde

Denne metoden krever et SEM-bilde oppnådd i skrå belysning med lav vinkel. Grånivået blir deretter tolket som skråningen, og skråningen integrert for å gjenopprette prøvens topografi. Denne metoden er interessant for visuell forbedring og deteksjon av form og posisjon til objekter; de vertikale høydene kan imidlertid vanligvis ikke kalibreres, i motsetning til andre metoder som fotogrammetri.

Andre typer 3D SEM-rekonstruksjon

  • Invers rekonstruksjon ved bruk av interaktive modeller av elektronmateriale
  • Rekonstruksjon med flere oppløsninger ved bruk av én 2D-fil: Høykvalitets 3D-bildebehandling kan være en ultimat løsning for å avsløre kompleksiteten til alle porøse medier, men å anskaffe dem er kostbart og tidkrevende. 2D SEM-bilder av høy kvalitet er derimot allment tilgjengelige. Nylig ble en ny tre-trinns, multiskala, multioppløsningsrekonstruksjonsmetode presentert som direkte bruker 2D-bilder for å utvikle 3D-modeller. Denne metoden, basert på en Shannon-entropi og betinget simulering, kan brukes for de fleste tilgjengelige stasjonære materialer og kan bygge ulike stokastiske 3D-modeller bare ved å bruke noen få tynne seksjoner.
  • Ion-abrasion SEM (IA-SEM) er en metode for 3D-avbildning i nanoskala som bruker en fokusert stråle av gallium for gjentatte ganger å slipe prøveoverflaten 20 nanometer om gangen. Hver eksponert overflate skannes deretter for å kompilere et 3D-bilde.

Anvendelser av 3D SEM

En mulig anvendelse er å måle ruheten til iskrystaller. Denne metoden kan kombinere miljø-SEM med variabelt trykk og 3D-evnene til SEM for å måle ruhet på individuelle iskrystallfasetter, konvertere den til en datamodell og kjøre ytterligere statistisk analyse på modellen. Andre målinger inkluderer fraktal dimensjon, undersøkelse av bruddoverflate av metaller, karakterisering av materialer, korrosjonsmåling og dimensjonsmålinger på nanoskala (trinnhøyde, volum, vinkel, flathet, bæreforhold, koplanaritet, etc.).

Galleri med SEM-bilder

Følgende er eksempler på bilder tatt med en SEM.

Se også

Referanser

Eksterne linker

Generell
Historie
Bilder