Устройство сканирующего микроскопа кратко

Обновлено: 28.06.2024

Электронные микроскопы — это научные приборы, которые исследуют объекты в очень большом масштабе с применением энергетического электронного пучка.

Эти приборы были разработаны еще в начале 1930-х годов, в связи с возникшим научным желанием исследовать мельчайшие детали строения органических клеток, которые требуют более чем 10000-х увеличения.

Ограничения оптических микроскопов стимулируют изобретение электронных микроскопов.

Электронный микроскоп отличается от оптического тем, что использует электростатические и электромагнитные линзы для направления электронного луча и фокусировки его для освещения образца с целью формирования изображения.
Хотя принцип действия электронно-оптических линз кажется схожим со стеклянными линзами с изобретением светового оптического микроскопа, но концепция и форма изображения с электронным совершенно различны.

Прежде всего, возникает два вопроса: Что такое электронный микроскоп? Чем электронный микроскоп отличается от оптического?

Типы электронных микроскопов

Существует два типа электронных микроскопов:

сканирующий электронный микроскоп;
просвечивающий электронный микроскоп.

Они имеют общие черты, но есть и различия между ними.

Все виды микроскопов широко используются для диагностики в медицине и ветеринарии, медицинских исследованиях, исследованиях и разработках материалов и новых материалов для промышленности, а также в других науках, таких как археология, металлургия, ботаника, зоология.

Принцип работы

Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) — это тип электронного микроскопа, который изображает образец, сканируя его сфокусированным пучком заряженных электронов в растровом сканирующем узоре (прямоугольном узоре захвата и реконструкции изображения). Различные сигналы, которые могут быть обнаружены, когда электроны взаимодействуют с атомами в образце, где сигналы могут быть интерпретированы в информацию о свойствах поверхности образца. Затем положение луча комбинируется с обнаруженным сигналом для получения изображения. СЭМ может достигать разрешения лучше, чем 1 нанометр. Образцы можно наблюдать в высоком вакууме, в низком вакууме, во влажных условиях, в окружающей среде, а также в широком диапазоне криогенных или повышенных температур.

Наиболее распространенным режимом СЭМ является обнаружение вторичных электронов, испускаемых атомами, возбужденными электронным пучком. Количество вторичных электронов зависит от угла, под которым пучок встречается с поверхностью образца. При сканировании образца и сборе вторичных электронов с помощью специального детектора создается изображение, отображающее топографию поверхности.

Как следует из названия, СЭМ использует электронную пушку, которая испускает сфокусированный пучок электронов высокой энергии, заменяющий источник света, используемый в оптическом микроскопе.

Достоинства

Сила увеличения составляет около 300 000 х по сравнению с несколькими сотнями раз, которые производит оптический.
Обеспечивает большую глубину резкости по сравнению с оптическими, что позволяет сложным 3D-объектам оставаться четкими и в фокусе.
Можно делать высококачественные цифровые фотографии всего, что видно в это устройство.

Недостатки

Недостатки обычного СЭМ заключаются в том, что образец должен быть твердым и небольшим, чтобы он мог поместиться внутри камеры.
Очень легкие элементы, такие как H, He, Li и элементы, которые находятся ниже атомного номера 14, не могут быть обнаружены с помощью этого типа.
Самые дешевые стоят около десятков тысяч долларов и являются достаточно громоздкими и сложными инструментами, требующими высокой технической экспертизы и подготовки при обращении.

Таким образом, эти факты ограничивают использование при исследованиях и промышленном применении.

Основные компоненты и устройство

Работа сканирующего электронного микроскопа во многом похожа на работу видеокамеры.

Внутренняя часть прибора представляет собой вакуум, чтобы электронные лучи не врезались в молекулы воздуха.

Основные компоненты включают:

Электронная пушка

В верхней части расположена электронная пушка, испускающая электроны. Как правило, нагретые вольфрамовые нити используются для испускания электронов.

Анод притягивает эти электроны и позволяет им проскользнуть через отверстие в нем. Этот луч отклоняется отклоняющими катушками и сканируется над образцом по оси x и y, что очень похоже на то, что мы используем в электронно-лучевой трубке, используемой в старых больших телевизорах.

Линзы: электроны имеют форму пучка, который должен быть сфокусирован на маленьком пятне размером около одной миллиардной метра, прежде чем они достигнут образца. Эта фокусировка осуществляется с помощью электромагнитных линз, которые используют свойство изгиба электрона из-за магнитного поля.

Камера

Исследуемый образец находится в нижней части камеры, которую можно перемещать вдоль направлений x, y и z, а также поворачивать под определенными углами. Она также изолирует СЭМ от вибраций. СЭМ обладает высокой чувствительностью к вибрации, так как она вызывает искажение снимаемого им изображения. Прежде чем образец попадет в камеру, необходимо убедиться, что он свободен от пыли. Чаще всего для шлифования образца используется тонкое покрытие из металла.

Детекторы сигналов

Когда электронный пучок попадает на поверхность образца, генерируется целый ряд сигналов.

Каждый сигнал обнаруживается отдельными детекторами. Вторичные электроны, генерируемые этим электронным пучком, обнаруживаются с помощью сцинтиллятора/фотоумножителя, который является интересным устройством, используемым для обнаружения слабых уровней света. С помощью этого детектора вторичных электронов выявляется поверхностная структура и топологический контраст. Обратное рассеяние электронов регистрируется с помощью твердотельных диодов, и это дает информацию о топологии, атомном номере и кристаллографии образца. Образец также испускает рентгеновские лучи, видимый свет, УФ-и ИК-излучение, которые обнаруживаются другими специфическими детекторами.

Вакуумная камера

Вакуум является важным критерием правильного функционирования.

Как и без вакуума, электроны, генерируемые электронной пушкой, могут подвергаться постоянным помехам, вызванным частицами воздуха, присутствующими внутри камеры. Воздушная частица не только блокирует электроны, испускаемые электронной пушкой, но и может выбивать электроны из образца, тем самым повреждая исследуемый образец. Большая часть сканирующих электронных микроскопов работает при давлении 0,0001 торр, что составляет около 1,315/10000000 атмосферного давления по сравнению с атмосферным давлением уровня моря.

Пульт управления

Пульт управления отвечает за регулировку излучений от электронной пушки, фокусировку электромагнитных линз, потенциал ускорения пучка, размер и скорость сканирования. Электроны, улавливаемые этими детекторами, поступают в монитор, который создает изображение. Увеличение регулируется за счет уменьшения размера сканирования. Высококачественные фотографии можно сделать снизив скорость сканирования.

Сканирующий электронный микроскоп — это очень мощный прибор, который показывает нам картину нового мира в таких огромных деталях, которые невидимы для оптического микроскопа. Он позволяет нам видеть объекты в деталях меньших, чем длина волны самого света.

Сканирующий микроскоп – это прибор, который используют в разных отраслях с целью изучения объектов под большим увеличением, где применяют энергетический электронный пучок. Сканирующий микроскоп стал известным уже с начала 1930 годов, когда началось изучение органических клеток и тканей. Основное отличие светового микроскопа от электронного заключается в оптической системе последнего, в ней применяются электромагнитные линзы и электростатические, которые направляют пучок электронного луча и фокусируют его на исследуемом объекте с целью получения увеличенного изображения и изучения его.

Устройство сканирующего микроскопа, принцип действия

Сканирующий электронный микроскоп: принцип работы основан на том, что из него исходит электронный пучок разной энергии. На исследуемом образце он фокусируется в виде пятна, размер которого не превышает 5нм. Благодаря этому пятну и происходит сканирование всей поверхности объекта. При столкновении электронного пучка с поверхностью объекта, он немного проникает в нее, при этом происходит процесс эмиссии не только электронов, но и фотонов из самого предмета, который подлежит обследованию, которые и попадают в электронно-лучевую трубку, в которой они преобразуются в изображение.

Все полученные изображения при исследовании сканирующим электронным микроскопом делятся на те, которые образуются из вторичных электронов; те, которые формируются из рассеянных электронов, а также те, которые получены за счет рентгеновского излучения.

Применение электронной микроскопии в разных отраслях не только науки, но и техники характеризуется использование разной микроскопии. Вкратце остановимся на каждой из них.

Сканирующая зондовая микроскопия применяется при идентификации морфологического строения образца и для идентификации его поверхности с использованием зонда (оптический зонд или игла), который соприкасается с поверхностью изучаемого предмета.
Сканирующая туннельная микроскопия – одна из разновидностей зондовой микроскопии, отличие которое заключается в том, что на иглу, сканирующую поверхность предмета, поступает потенциал и происходит создание туннельного тока, при этом между иглой и поверхностью расстояние не превышает 0.1 нм.
Конфокальная лазерная сканирующая микроскопия проводится не только на поверхности исследуемого образца, но и заданной глубине исследуемого предмета. Благодаря этому удается получить четкую информацию о послойном строении препарата. При работе с современным оборудованием можно получить трехмерное изображение объекта, в результате чего специалисты в дальнейшем могут провести множество исследований.

Виды, отличия

На сегодня в медицине используют два вида сканирующих микроскопов:

электронный сканирующий микроскоп
просвечивающий электронный.

Преимущества и недостатки

Сканирующий электронный микроскоп имеет целый ряд преимуществ и достоинств. Среди них основное место принадлежит следующим:

в отличие от оптического микроскопа сила увеличения достигает 300000, что в десятки раз превышают разрешающую способность оптического прибора
возможность создать максимально большую глубину резкости, при этом большие объекты удается получить в фокусе четкими и ровными
есть возможность создавать качественные фотографии.

Но помимо достоинств, сканирующая микроскопия имеет и определенные недостатки. Среди них на первый план выступают:

обычный сканирующий микроскоп способен изучить только тот объект, который помещается внутри камеры и будет твердым
все элементы, которые имеют низкую атомную массу и находятся ниже 14 номера в таблице, не изучаются, так как не могут быть обнаружены
цена на самый дешевый микроскоп достигает несколько десятков тысяч долларов.

Учитывая все это, смело можно сказать, что сканирующий электронный микроскоп является прибором, который способен показать то, что при оптической микроскопии не удается увидеть.

"> Читать СМИ

Сканирующие электронная микроскопия ( СЭМ ) или сканирующая электронная микроскопия ( СЭМ ) на английском языке представляет собой метод электронной микроскопии , способной производить изображения с высоким разрешением на поверхности образца , используя принцип взаимодействие электрона-материал .

Основанный на работе Макса Кнолля и Манфреда фон Арденна в 1930-х годах, СЭМ состоит из электронного луча, охватывающего поверхность анализируемого образца, который, в ответ, повторно излучает определенные частицы. Эти частицы анализируются различными детекторами, позволяющими восстановить трехмерное изображение поверхности.

Работа, выполненная в 1960-х годах в лаборатории Чарльза Оатли в Кембриджском университете, внесла большой вклад в развитие SEM, а в 1965 году привела к коммерциализации компанией Cambridge Instrument Co. первых сканирующих микроскопов. На сегодняшний день, сканирующей электронной микроскопии используется в областях , начиная от биологии к науке материалов , а также большое количество производителей предлагает устройства серии , оснащенные вторичных детекторов электронов и разрешение которого составляет в диапазоне от 0, 4 нм и 20 нм.

Резюме

Основной принцип

На рисунке напротив показана основная схема SEM: тонкий электронный зонд (электронный луч) проецируется на образец для анализа. Взаимодействие между электронным зондом и образцом генерирует вторичные , с низким потреблением энергии электроны , которые ускоряются до вторичного детектора электронов , который усиливает сигнал. В каждой точке удара присутствует электрический сигнал. Интенсивность этого электрического сигнала зависит как от природы образца в точке удара, которая определяет выход вторичных электронов, так и от топографии образца в рассматриваемой точке. Таким образом, путем сканирования луча на образце можно получить карту сканируемой области.

Схема сканирующего электронного микроскопа, оснащенного детектором рентгеновского излучения "EDS" (энергодисперсионный)

В современных СЭМ отображение вторичных электронов записывается в цифровой форме, но СЭМ можно было разработать с начала 1960-х годов , задолго до распространения компьютерных запоминающих устройств, благодаря аналоговому процессу, который состоял, как показано на схеме: на рисунке, чтобы синхронизировать сканирование луча электронно-лучевой трубки с сканированием луча SEM, модулируя интенсивность трубки вторичным сигналом. Затем изображение образца появлялось на фосфоресцирующем экране электронно-лучевой трубки и могло быть записано на фотопленку .

Сканирующий электронный микроскоп состоит из электронной пушки и электронной колонки, функция которой состоит в создании тонкого электронного зонда на образце, предметного столика, позволяющего перемещать образец в трех направлениях, и детекторов, позволяющих захватывать и проанализировать излучение, испускаемое образцом. Кроме того, устройство обязательно должно быть оснащено системой вакуумного насоса .

История

Подготовительные работы

История сканирующей микроскопии частично связана с теоретической работой немецкого физика Ганса Буша о траектории заряженных частиц в электромагнитных полях. В 1926 году он продемонстрировал, что такие поля можно использовать в качестве электромагнитных линз, тем самым установив основополагающие принципы геометрической электронной оптики. В результате этого открытия оформилась идея электронного микроскопа, и две группы, Макса Кнолля и Эрнста Руска из Технического университета Берлина, и Эрнста Брюче из лабораторий EAG рассмотрели возможность проверки этой возможности. Эта гонка привела к созданию в 1932 году Кноллем и Руской первого просвечивающего электронного микроскопа .

Первый сканирующий микроскоп

Присоединившись к Telefunken для проведения исследований электронно-лучевых трубок для телевизоров , Макс Кнолл разработал анализатор электронного пучка для изучения мишени электронных анализаторов трубок, который сочетал в себе все характеристики сканирующего электронного микроскопа.: Образец находился на конце запечатанного стекла. трубка и электронная пушка были на другом конце. Эти электроны , ускоренные под напряжением порядка от 500 до 4000 вольт , были сосредоточены на поверхность и система катушек отклона их. Луч перемещался по поверхности образца со скоростью 50 изображений в секунду. Ток передается образец выздоровел, усиливается и модулируется и сделал возможным восстановить изображение. Первое устройство, использующее этот принцип, было построено в 1935 году.

Впоследствии именно немецкий ученый Манфред фон Арденне в 1938 году построил первый растровый электронный микроскоп. Но это устройство еще не походило на современные SEM, потому что оно было создано для изучения очень тонких образцов в передаче. Поэтому он больше похож на сканирующий просвечивающий электронный микроскоп (METB или (en) STEM для сканирующего просвечивающего электронного микроскопа ). Кроме того, несмотря на наличие экрана электронно-лучевой трубки , изображения записывались на фотопленки, размещенные на вращающемся барабане. Фон Арденн добавил сканирующие катушки к просвечивающему электронному микроскопу . Электронный луч диаметром 0,01 мкм проходил по поверхности образца, и прошедшие электроны собирались на фотопленке, которая перемещалась с той же скоростью, что и луч. Первая микрофотография, полученная с помощью SEMT, была изображением кристалла ZnO, увеличенным в 8000 раз с поперечным разрешением от 50 до 100 нанометров . Изображение состояло из 400 на 400 строк, и на его создание ушло 20 минут. Микроскоп имел две электростатические линзы, окружающие сканирующие катушки.

В 1942 году , физик и русский инженер Владимир Зворыкин , работавший в лабораториях Радио корпорейшн оф Америка в Принстоне в США , выпустила детали первого сканирующего электронного микроскопа , который может анализировать непрозрачную поверхность и не только анализировать образец конца в трансмиссии. Нить накала электронной пушки из вольфрама испускала электроны, ускоряемые напряжением 10 000 вольт. Электронная оптика устройства состояла из трех электростатических катушек, причем сканирующие катушки располагались между первой и второй линзами. Эта система давала очень маленькое изображение источника порядка 0,01 мкм . Довольно часто в первые дни истории SEM, электронная пушка была расположена в нижней части микроскопа, так что аналитическая камера могла быть на правильной высоте для манипулятора. Но это имело неприятные последствия, потому что образец рисковал упасть в колонну микроскопа. Этот первый SEM достиг разрешения порядка 50 нм . Но в то время просвечивающий электронный микроскоп развивался довольно быстро, и по сравнению с производительностью последнего, СЭМ вызывал гораздо меньше энтузиазма, и поэтому его развитие замедлилось.

Разработка сканирующего электронного микроскопа

В конце 1940 - х годов , Чарльз Oatley , затем преподаватель инженерного факультета Кембриджского университета в Соединенном Королевстве, стал интересоваться в области электронной оптики и решили запустить программу исследований на микроскопе. Сканируя электрон, в дополнение к работе сделано на просвечивающем электронном микроскопе Эллисом Косслеттом, также в Кембридже, на физическом факультете. Один из студентов Чарльза Оатли, Кен Сандер, начал работать над колонкой SEM с использованием электростатических линз, но из-за болезни ему пришлось взять годовой перерыв. Деннис Макмаллан взял на себя эту работу в 1948 году . Чарльз Оатли и он сам построили свой первый SEM (названный SEM1 для сканирующего электронного микроскопа 1 ), и к 1952 году этот инструмент достиг разрешающей способности 50 нм, но что было наиболее важным, так это то, что он наконец-то воспроизвел удивительный эффект рельефа, характерный для современных SEM.

В 1960 году изобретение Томасом Юджином Эверхартом и RFM Thornley нового детектора ускорит развитие сканирующего электронного микроскопа: детектора Эверхарта-Торнли . Чрезвычайно эффективный для сбора вторичных электронов, а также электронов , рассеянных назад , этот детектор станет очень популярным и будет использоваться почти на каждом сканирующем электронном микроскопе.

Электрон-материя взаимодействие

В обычной оптической микроскопии , видимый свет взаимодействует с образцом и отраженные фотоны анализируют с помощью детекторов или с помощью человеческого глаза . В электронной микроскопии световой луч заменяется пучком первичных электронов, который ударяет по поверхности образца, а повторно испускаемые фотоны заменяются целым спектром частиц или излучения: вторичными электронами, обратно рассеянными электронами, оже-электронами или лучами. X . Эти разные частицы или излучения предоставляют разную информацию о материале, из которого изготовлен образец.

Вторичные электроны

Во время столкновения между первичными электронами пучка и атомами образца первичный электрон может отдать часть своей энергии слабосвязанному электрону зоны проводимости атома, тем самым вызывая ионизацию за счет выброса последнего. Этот выброшенный электрон называется вторичным электроном. Эти электроны обычно имеют низкую энергию (около 50 эВ ). Каждый первичный электрон может создавать один или несколько вторичных электронов.

Из-за этой низкой энергии вторичные электроны испускаются в поверхностных слоях, близких к поверхности. Электроны, которые могут быть собраны детекторами, часто испускаются на глубину менее 10 нанометров . Благодаря такой низкой кинетической энергии их довольно легко отклонить с помощью небольшой разности потенциалов . Таким образом, можно легко собрать большое количество этих электронов и получить изображения хорошего качества с хорошим соотношением сигнал / шум и разрешением порядка 40 Å ( Ангстрем ) для луча диаметром 30 Å .

Поскольку вторичные электроны происходят из поверхностных слоев, они очень чувствительны к изменениям поверхности образца. Малейшее изменение изменит количество собранных электронов. Таким образом, эти электроны позволяют получить информацию о топографии образца. С другой стороны, они дают мало информации о фазовом контрасте (ср. С обратно рассеянными электронами).

Обратно рассеянные электроны

Обратно рассеянные электроны ( (in) обратно рассеянные электроны ) являются электронами, возникающими в результате взаимодействия первичного пучка электронов с атомными ядрами образца и прореагировавших таким образом квазиупругим образом с атомами образца. Электроны повторно испускаются в направлении, близком к их первоначальному направлению, с небольшими потерями энергии.

Таким образом, эти восстановленные электроны имеют относительно высокую энергию, достигающую 30 кэВ , - энергию, намного превышающую энергию вторичных электронов . Они могут выходить на большую глубину образца. Следовательно, разрешение, достигаемое с помощью обратно рассеянных электронов, будет относительно низким, порядка микрометра или десятой доли микрометра.

Кроме того, эти электроны чувствительны к атомному номеру из атомов , составляющих образец. Более тяжелые атомы (с большим количеством протонов) будут повторно излучать больше электронов, чем более легкие атомы. Эта функция будет использоваться для анализа обратно рассеянных электронов. Области, образованные из атомов с высоким атомным номером, будут казаться ярче других, это фазовый контраст. Этот метод позволит измерить химическую однородность образца и позволит провести качественный анализ.

Оже-электроны

Когда атом бомбардируется первичным электроном , электрон из глубокой оболочки может быть выброшен, и атом переходит в возбужденное состояние. Девозбуждение может происходить двумя разными способами: испусканием X-фотона (излучательный переход или X-флуоресценция) или испусканием оже-электрона (эффект Оже). Во время снятия возбуждения электрон с верхней оболочки заполняет промежуток, образованный первоначально выброшенным электроном. Во время этого перехода периферийный электрон теряет определенное количество энергии, которая может быть испущена в виде X-фотона или затем может быть передана электрону с более внешней орбитой и, следовательно, менее энергичным. Этот периферийный электрон, в свою очередь, выбрасывается и может быть восстановлен детектором.

Рентгеновский

Удар первичного электрона высокой энергии может ионизировать атом на внутренней оболочке. Девозбуждение, заполнение энергетического порядка электронной структуры, происходит с испусканием рентгеновских лучей, анализ которых позволяет получить информацию о химической природе атома.

Рисунок 1. Внешний вид типичного сканирующего электронного микроскопа.

Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) — это многофункциональное оборудование, которое далеко выходит за рамки устройства для получения увеличенных изображений. На рис. 1 фото типичного сканирующего электронного микроскопа, который состоит из электронно-оптической колонны, блока электроники и управляющего компьютера (иногда колонна и блок электроники объединены). У всех современных СЭМ изображения формируются сразу в цифровом формате, окуляров нет.

Рисунок 2. Типичные изображения: а - оптического микроскопа; б - сканирующего электронного микроскопа; в - просвечивающего электронного микроскопа.

Сравнение СЭМ с другими распространёнными микроскопическими техниками условно можно представить себе следующим образом, рис. 2: а) оптическая микроскопия — цветные снимки при малых и средних увеличениях; б) сканирующая электронная микроскопия — чёрно-белые снимки при малых, средних и больших увеличениях, объекты на снимках выглядят объёмными; в) просвечивающая электронная микроскопия — чёрно-белые снимки при больших и очень больших увеличениях, объекты на снимках выглядят плоскими.

Приставки SE, BSE и EDS — это далеко не полный перечень детекторов, которые могут быть установлены на колонну сканирующего электронного микроскопа. См. здесь подробное описание остальных СЭМ-детекторов производства компании TESCAN (того же производителя, что и изготовитель электронно-оптической колонны). Здесь описание детекторов и аксессуаров для сканирующего электронного микроскопа, которые выпускаются сторонними производителями, но которые при этом совместимы с микроскопами марки TESCAN. Часть детекторов можно купить при приобретении СЭМ, а другую часть докупить позже, постепенно превращая сканирующий электронный микроскоп в многофункциональное устройство для исследований свойств материалов.

В камере СЭМ исследование образцов происходит в вакууме, так как иначе пучок электронов рассеивался бы на молекулах атмосферы и не долетал бы до образца. Для замены образцов в камере микроскопа временно создаётся атмосферное давление, но после камера снова откачивается. У микроскопов TESCAN длительность откачки камеры образцов от атмосферы до рабочего вакуума составляет менее 3 минут, поэтому менять образцы много раз в течение дня — это обычная практика. Исходя из конструктивных особенностей СЭМ, подытожим основные требования к образцам, предназначенным для исследований в сканирующем электронном микроскопе:

СЭМ работает только с такими образцами, которые терпят вакуумирование, т.е. с твёрдыми телами (не жидкими и не газообразными). Впрочем, для жидких образцов существует опция крио-заморозки. Если образец влагосодержащий (биологические образцы зачастую таковы), то в процессе вакуумирования влага испаряется и образец усыхает, в результате после того, как вакуумирование завершено, СЭМ наблюдает не изображение образца, а изображение результата высыхания образца в камере микроскопа. Для преодоления этого неприятного явления существует упомянутая выше крио-заморозка, а также более бюджетное устройство – так называемая сушка в критической точке;
образцы в камере СЭМ должны быть закреплены, их нельзя просто положить на столик образцов, так как тогда они могут упасть при перемещениях столика либо, если это мелкий порошок, улететь в процессе вакуумирования. Крупные образцы зажимают в струбцины различных конфигураций, а мелкие образцы, вплоть до очень мелкого порошка, закрепляют на столиках на двустороннем проводящем скотче (чаще всего углеродном скотче), который является стандартным расходным материалом для СЭМ;
форма и габариты образца для СЭМ ограничены только размерами камеры образцов (а точнее, размерами дверцы камеры образцов). Это утверждение удобно пояснить на примере сравнения с просвечивающим электронным микроскопом, рис. 7. В сканирующем электронном микроскопе собирается ответный сигнал, отражённый в верхнюю полусферу камеры, а в просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) регистрируется электронный сигнал, прошедший сквозь образец. Соответственно, в СЭМ образец может быть толстым и бесформенным, а образец для ПЭМ нужно готовить в виде очень тонкой фольги (например,

Сравним сканирующую электронную микроскопию с повсеместно распространённой оптической микроскопией. Основные отличия СЭМ от оптического микроскопа:

Рисунок 8. Диапазон достижимых увеличений СЭМ очень широк. Увеличение на снимке с длиной масштабной линейки 10 мм составляет около 5 крат, а увеличение на изображении с масштабной линейкой "70 нм" (70 нанометров, 1 нм = 1 -9 м) приближается к 1 миллиону крат. Диапазон увеличений непрерывный

Рисунок 9. Сравнение глубины резкости сканирующего электронного микроскопа и оптического стереомикроскопа

Рисунок 10. Челюсть крота, снимок получен за один проход сканирования, без использования панорамной сшивки кадров. Данное СЭМ-изображение демонстрирует и широкое поле обзора СЭМ, и большую глубину резкости СЭМ

Рисунок 11. Облагороженный сапфир. Светлые полосы в камне - это стекло, которым были заполнены трещины. В сканирующем электронном микроскопе легко отличить стекло от сапфира, так как эти вещества имеют разный состав, а значит выглядят по-разному на BSE-изображениях. В оптическом микроскопе в данном случае трудно отличить одну фазу от другой, так как их специально подбирают с одинаковыми оптическими свойствами

Рисунок 12. Пример корреляционной микроскопии: а) локализация бактерий helicobacter pylori на образце биологической ткани. Зелёные маркеры, указывающие на местоположение колоний helicobacter pylori, хорошо видны во флуоресцентном микроскопе, но не в СЭМ; б) после того, как благодаря корреляционной микроскопии колония helicobacter pylori найдена, можно фотографировать в СЭМ индивидуальные бактерии при гораздо большем увеличении, чем это было бы доступно с оптическим микроскопом

Зачастую использование СЭМ ограничивается лишь получением SE- и BSE-изображений и точечным анализом составов с помощью детектора ЭДС. Следующий уровень освоения сканирующего электронного микроскопа — это применение специальных методик, расширяющих функционал СЭМ:

Рисунок 13. ЭДС-картирование. Распределение элементов по внутренней полости капсюля гильзы и по наковальне. Цветовое кодирование элементов: барий - синий, свинец - красный, цинк - зеленый, железо - малиновый, алюминий - сине-зеленый

Рисунок 15. Пример фазоидентификации с помощью тандема двух детекторов ЭДС + EBSD, дуплексная сталь, синее - феррит, красное - аустенит

Рисунок 16. Пример реконструкции трёхмерной поверхности, выполненной с помощью программы Alicona Mex на основе стереопары изображений одного и того же участка: а) один из двух СЭМ-снимков стереопары; б) результат реконструкции; в) профиль перепеда высот, откуда следует, что глубина наблюдаемого кратера 200 мкм

Рисунок 17. Полированный образец песчаника. Один и тот же участок наблюдается с помощью трёх СЭМ-детекторов: а) детектор обратно отражённых электронов BSE, б) панхроматический катодолюминесцентный детектор, в) цветной катодолюминесцентный детектор. В то время как на BSE-изображении зёрна песчаника выглядят одинаковыми, CL-детекторы показывают вариации оттенков

Многие из перечисленных выше методик требуют приобретения дополнительных детекторов или дополнительного программного обеспечения, что может быть сделано как на этапе покупки микроскопа, так и позже в виде upgrade. На других страницах нашего сайта более подробно освещаются некоторые из приложений, затронутых выше.

Сканирующий электронный микроскоп позволяет наблюдать поверхность образцов. А что скрыто под поверхностью? Обычно для ответа на этот вопрос из образца готовится поперечное сечение или скол. И то, и другое означает разрушение образца. С помощью ионной колонны можно обойтись микроразрушениями, не ломая образец целиком.

Рисунок 18. а) схема совместной работы ионной и электронной колонн двулучевого сканирующего электронно-ионного микроскопа FIB-SEM. Создание локального микрошлифа (кросс-секции); б) типичная кросс-секция, поверхность кросс-секции и поверхность образца составляют угол 90 градусов

Если к СЭМ добавляется ионная колонна, то такой микроскоп называется двулучевым сканирующим электронно-ионным микроскопом FIB-SEM. Схема работы FIB-SEM представлена на рисунке 18а: ионная колонна создаёт сфокусированный пучок высокоэнергетических ионов (чаще всего ионов галлия), который сканирует поверхность образца схожим образом, как это делает и электронный пучок. Но у ионного пучка по сравнению с электронным гораздо более разрушительное воздействие на образец. Ионный пучок, ударяясь в образец, вытравливает материал образца. Программное обеспечение микроскопа FIB-SEM направляет ионный пучок так, чтобы из образца сформировалась задуманная фигура, чаще всего это локальный микрошлиф, который называют кросс-секцией (рисунок 18б). Микрошлиф ориентирован таким образом, чтобы он сразу после приготовления был доступен для наблюдений с помощью электронной колонны, без необходимости как-либо вращать или наклонять столик образцов. Преимущества FIB-микрошлифов по сравнению с традиционными механическими методами пробоподготовки:

На рынке предлагаются сканирующие электронные микроскопы, стоимости которых отличаются в разы и десятки раз. По каким признакам различаются СЭМ, что так влияет на их стоимость и, соответственно, функционал?

основополагающая характеристика сканирующего электронного микроскопа — это тип электронной пушки. Два основных типа электронных пушек — это вольфрамовый термо-катод (микроскоп VEGA в линейке TESCAN) и катод с полевой эмиссией типа Шоттки (все остальные микроскопы в линейке TESCAN). Катод Шоттки часто обозначают аббревиатурой FEG, field emission gun. Наличие катода Шоттки переводит СЭМ в более прогрессивный класс микроскопов по сравнению с вольфрамовым катодом. У СЭМ с катодом Шоттки лучше пространственное разрешение, но также выше плотность тока электронного пучка и выигрышнее скорость накопления электронных снимков. Для сравнения, при небольших увеличениях (до 5 тысяч крат) скорости накопления изображений на микроскопах с вольфрамовым катодом и катодом Шоттки почти не отличаются, но при больших увеличениях (от 50 до 100 тысяч крат) время на кадр может отличаться в 10 – 15 раз в пользу FEG, что очень много в пересчёте на рабочее время специалиста. На микроскопе с вольфрамовым катодом приходится тратить много времени на накопление электронных изображений при больших увеличениях, чтобы скомпенсировать малую плотность тока пучка электронов;
сканирующие электронные микроскопы отличаются друг от друга наличием/отсутствием различных опций, детекторов и аксессуаров, а также модулей программного обеспечения для их использования. Большинство опций, детекторов и модулей ПО можно докупить позже к уже имеющемуся микроскопу, но есть несколько опций и детекторов, которые могут быть смонтированы только на территории фабрики производителя;
микроскопы отличаются размерами камеры образцов, например, TESCAN выпускает два типоразмера камер с маркировками LM и GM. Большая камера образцов означает возможность изучать крупные образцы, но также, что важнее, это означает возможность установить больше детекторов и аксессуаров на одну камеру (в случае камер TESCAN речь идёт о 12 либо 20 интерфейсных портах на камерах, соответственно, LM и GM);
СЭМ бывают однолучевыми (SEM) или двулучевыми (FIB-SEM). Двулучевыми называют микроскопы, у которых помимо электронной колонны для наблюдения образцов имеется ещё ионная колонна для модификации образцов (см. выше). В свою очередь, двулучевые микроскопы делятся на два класса в зависимости от типа ионной колонны: с галлиевым ионным пучком либо с ксеноновым ионным пучком. Ионная колонна с пучком Xe + дороже, зато стравливает материал образца быстрее, чем FIB Ga + . Пучку Xe + доступны более крупные объёмы материала, чем пучку Ga + . Например, с пучком Xe + максимальная ширина кросс-секции, которую можно приготовить за разумное время, составляет 1 мм, а с пучком Ga + это 100 мкм;
помимо конструкции пушки сканирующие электронные микроскопы отличаются также конструкцией электронно-оптической колонны. Более прогрессивные колонны создаются, чтобы улучить пространственное разрешение при малых энергиях пучка электронов (или, что то же самое, при малых ускоряющих напряжениях). Дело в том, что традиционные СЭМ с катодом Шоттки демонстрируют хорошее пространственное разрешение при высоких ускоряющих напряжениях (HV), но разрешение деградирует при малых HV. В то время как современные тенденции заключаются в том, чтобы работать именно при малых HV, потому что только в этом диапазоне HV можно увидеть тонкие вариации контраста, которые иначе скрыты. Также при малых HV зачастую можно изучать непроводящие образцы без какого-либо токопроводящего напыления, и это деликатный режим сканирования, когда пучок электронов не видоизменяет чувствительные образцы. В линейке TESCAN среди микроскопов с катодом Шоттки есть три варианта исполнения электронно-оптической колонны: 1) традиционный вариант, микроскоп MIRA, 2) колонна Triglav TM с иммерсионной оптикой, это означает, что образец в камере образцов находится в окружении магнитного поля, при этом удаётся добиться наилучшего прогресса в сохранении разрешения при малых HV, но на образцы накладывается такое ограничение, что они должны быть немагнитными; 3) колонна BrightBeam TM с потенциальной трубкой внутри колонны, улучшение разрешения при малых HV происходит, но не в такой степени, как с колонной Triglav TM . Зато на образцы не накладывается никаких ограничений, они могут как обладать, так и не обладать магнитными свойствами.

Читайте также: