Scanning elektronmikroskop -Scanning electron microscope

Ikke at forveksle med Scanning tunneling mikroskop .

Billede af pollenkorn taget på en SEM viser den karakteristiske dybdeskarphed for SEM - mikrografier
M. von Ardennes første SEM
Funktionsprincip for et scanningselektronmikroskop (SEM)
SEM med åbent prøvekammer
Analog type SEM

Et scanningselektronmikroskop ( SEM ) er en type elektronmikroskop, der producerer billeder af en prøve ved at scanne overfladen med en fokuseret elektronstråle . Elektronerne interagerer med atomer i prøven og producerer forskellige signaler, der indeholder information om overfladetopografien og prøvens sammensætning. Elektronstrålen scannes i et rasterscanningsmønster , og strålens position kombineres med intensiteten af ​​det detekterede signal for at frembringe et billede. I den mest almindelige SEM-tilstand detekteres sekundære elektroner udsendt af atomer exciteret af elektronstrålen ved hjælp af en sekundær elektrondetektor (Everhart-Thornley detektor ). Antallet af sekundære elektroner, der kan detekteres, og dermed signalintensiteten, afhænger blandt andet af prøvens topografi. Nogle SEM'er kan opnå opløsninger bedre end 1 nanometer.

Prøver observeres i højvakuum i en konventionel SEM eller under lavvakuum eller våde forhold i et variabelt tryk eller miljømæssig SEM og ved en lang række kryogene eller forhøjede temperaturer med specialiserede instrumenter.

Historie

En redegørelse for den tidlige historie med scanningselektronmikroskopi er blevet præsenteret af McMullan. Selvom Max Knoll producerede et foto med en 50 mm objektfeltbredde, der viser kanalkontrast ved brug af en elektronstrålescanner, var det Manfred von Ardenne , der i 1937 opfandt et mikroskop med høj opløsning ved at scanne et meget lille raster med en forstørret og fint fokuseret elektronstråle. Ardenne anvendte scanning af elektronstrålen i et forsøg på at overgå opløsningen af ​​transmissionselektronmikroskopet (TEM), såvel som for at afbøde væsentlige problemer med kromatisk aberration , der er forbundet med reel billeddannelse i TEM. Han diskuterede yderligere de forskellige detektionsmåder, muligheder og teori for SEM sammen med konstruktionen af ​​den første højopløselige SEM . Yderligere arbejde blev rapporteret af Zworykins gruppe, efterfulgt af Cambridge-grupperne i 1950'erne og begyndelsen af ​​1960'erne med Charles Oatley i spidsen , hvilket alt sammen til sidst førte til markedsføringen af ​​det første kommercielle instrument af Cambridge Scientific Instrument Company som "Stereoscan" i 1965, som blev leveret til DuPont .

Principper og kapaciteter

Schottky-emitterende elektronkilde
Elektron-stof interaktionsvolumen og typer af signal genereret

De signaler, der bruges af en SEM til at producere et billede, er resultatet af interaktioner af elektronstrålen med atomer i forskellige dybder i prøven. Der produceres forskellige typer signaler, herunder sekundære elektroner (SE), reflekterede eller tilbagespredte elektroner (BSE), karakteristiske røntgenstråler og lys ( katodoluminescens ) (CL), absorberet strøm (prøvestrøm) og transmitterede elektroner. Sekundære elektrondetektorer er standardudstyr i alle SEM'er, men det er sjældent, at en enkelt maskine har detektorer til alle andre mulige signaler.

Sekundære elektroner har meget lave energier i størrelsesordenen 50 eV, hvilket begrænser deres gennemsnitlige frie vej i fast stof. Følgelig kan SE'er kun undslippe fra de øverste få nanometer af overfladen af ​​en prøve. Signalet fra sekundære elektroner har en tendens til at være stærkt lokaliseret ved anslagspunktet for den primære elektronstråle, hvilket gør det muligt at indsamle billeder af prøveoverfladen med en opløsning på under 1 nm . Tilbagespredte elektroner (BSE) er stråleelektroner, der reflekteres fra prøven ved elastisk spredning . Da de har meget højere energi end SE'er, kommer de frem fra dybere steder i prøven, og som følge heraf er opløsningen af ​​BSE-billeder mindre end SE-billeder. Imidlertid bruges BSE ofte i analytisk SEM sammen med spektrene lavet af de karakteristiske røntgenstråler, fordi intensiteten af ​​BSE-signalet er stærkt relateret til prøvens atomnummer (Z). BSE-billeder kan give information om fordelingen, men ikke identiteten, af forskellige elementer i prøven. I prøver, der overvejende består af lette elementer, såsom biologiske prøver, kan BSE-billeddannelse afbilde kolloide guldimmunomærker med en diameter på 5 eller 10 nm, som ellers ville være vanskelige eller umulige at påvise i sekundære elektronbilleder. Karakteristiske røntgenstråler udsendes, når elektronstrålen fjerner en indre skalelektron fra prøven, hvilket får en elektron med højere energi til at fylde skallen og frigive energi. Energien eller bølgelængden af ​​disse karakteristiske røntgenstråler kan måles ved energidispersiv røntgenspektroskopi eller bølgelængdedispersiv røntgenspektroskopi og bruges til at identificere og måle mængden af ​​elementer i prøven og kortlægge deres fordeling.

På grund af den meget smalle elektronstråle har SEM-mikrografer en stor dybdeskarphed, hvilket giver et karakteristisk tredimensionelt udseende, der er nyttigt til at forstå overfladestrukturen af ​​en prøve. Dette er eksemplificeret ved mikrofotografiet af pollen vist ovenfor. En bred vifte af forstørrelser er mulige, fra omkring 10 gange (ca. svarende til en kraftig håndlinse) til mere end 500.000 gange, omkring 250 gange forstørrelsesgrænsen for de bedste lysmikroskoper .

Prøveforberedelse

En edderkop sputter-coated i guld, der er blevet forberedt til visning med en SEM
Lavspændingsmikrofotografi (300 V) af fordelingen af ​​klæbende dråber på en Post-it-seddel . Ingen ledende belægning blev påført: sådan en belægning ville ændre denne skrøbelige prøve.

SEM-prøver skal være små nok til at passe på prøvestadiet og kan have behov for særlig forberedelse for at øge deres elektriske ledningsevne og stabilisere dem, så de kan modstå de høje vakuumforhold og den høje energistråle af elektroner. Prøver er generelt monteret stift på en prøveholder eller stub ved hjælp af et ledende klæbemiddel. SEM bruges flittigt til defektanalyse af halvlederwafere, og producenter fremstiller instrumenter, der kan undersøge enhver del af en 300 mm halvlederwafer. Mange instrumenter har kamre, der kan vippe en genstand af den størrelse til 45° og give kontinuerlig 360° rotation.

Ikke-ledende prøver opsamler ladning, når de scannes af elektronstrålen, og især i sekundær elektronbilleddannelsestilstand forårsager dette scanningsfejl og andre billedartefakter. Til konventionel billeddannelse i SEM skal prøverne være elektrisk ledende , i det mindste ved overfladen, og elektrisk jordede for at forhindre akkumulering af elektrostatisk ladning . Metalgenstande kræver lidt speciel forberedelse til SEM bortset fra rengøring og ledende montering på en prøvestump. Ikke-ledende materialer er sædvanligvis belagt med en ultratynd belægning af elektrisk ledende materiale, aflejret på prøven enten ved lavvakuumsputterbelægning eller ved højvakuumfordampning. Ledende materialer i nuværende brug til prøvebelægning omfatter guld , guld/ palladiumlegering , platin , iridium , wolfram , krom , osmium og grafit . Belægning med tungmetaller kan øge signal/støjforholdet for prøver med lavt atomnummer (Z). Forbedringen opstår, fordi sekundær elektronemission for high-Z materialer er forbedret.

Et alternativ til coating for nogle biologiske prøver er at øge materialets ledningsevne ved imprægnering med osmium ved brug af varianter af OTO- farvningsmetoden (O -osmiumtetroxid , T -thiocarbohydrazid , O -osmium ).

Ikke-ledende prøver kan afbildes uden belægning ved hjælp af en miljømæssig SEM (ESEM) eller lavspændingstilstand for SEM-drift. I ESEM-instrumenter placeres prøven i et relativt højtrykskammer, og den optiske elektronsøjle pumpes differentielt for at holde vakuumet tilstrækkeligt lavt ved elektronkanonen. Højtryksområdet omkring prøven i ESEM neutraliserer ladning og giver en forstærkning af det sekundære elektronsignal. Lavspændings-SEM udføres typisk i et instrument med feltemissionspistoler (FEG), som er i stand til at producere høj primær elektronlysstyrke og lille pletstørrelse selv ved lave accelerationspotentialer. For at forhindre opladning af ikke-ledende prøver skal driftsbetingelserne justeres således, at den indgående strålestrøm er lig med summen af ​​udgående sekundære og tilbagespredte elektronstrømme, en betingelse, der oftest opfyldes ved accelererende spændinger på 0,3-4 kV.

Indlejring i en harpiks med yderligere polering til en spejllignende finish kan bruges til både biologiske og materialeprøver ved billeddannelse i tilbagespredte elektroner eller ved kvantitativ røntgenmikroanalyse.

De vigtigste forberedelsesteknikker er ikke påkrævet i den miljømæssige SEM skitseret nedenfor, men nogle biologiske prøver kan drage fordel af fiksering.

Biologiske prøver

For SEM kræves det normalt, at en prøve er helt tør, da prøvekammeret er ved højvakuum. Hårde, tørre materialer såsom træ, knogler, fjer, tørrede insekter eller skaller (inklusive æggeskaller) kan undersøges med lidt yderligere behandling, men levende celler og væv og hele, bløde organismer kræver kemisk fiksering for at bevare og stabilisere deres struktur.

Fiksering udføres sædvanligvis ved inkubation i en opløsning af et bufret kemisk fikseringsmiddel, såsom glutaraldehyd , nogle gange i kombination med formaldehyd og andre fikseringsmidler, og eventuelt efterfulgt af postfiksering med osmiumtetroxid. Det fikserede væv dehydreres derefter. Fordi lufttørring forårsager kollaps og krympning, opnås dette almindeligvis ved at erstatte vand i cellerne med organiske opløsningsmidler såsom ethanol eller acetone , og udskiftning af disse opløsningsmidler igen med en overgangsvæske såsom flydende kuldioxid ved kritisk punkttørring . Kuldioxiden fjernes til sidst, mens den er i en superkritisk tilstand, så der ikke er nogen gas-væske-grænseflade til stede i prøven under tørring .

Den tørre prøve monteres sædvanligvis på en prøvestump ved hjælp af et klæbemiddel såsom epoxyharpiks eller elektrisk ledende dobbeltklæbende tape og sputtercoated med guld eller guld/palladium-legering før undersøgelse i mikroskop. Prøver kan sektioneres (med en mikrotom ), hvis information om organismens indre ultrastruktur skal eksponeres til billeddannelse.

Hvis SEM'en er udstyret med et koldt trin til kryomikroskopi, kan kryofiksering anvendes og lavtemperatur scanningselektronmikroskopi udføres på de kryogenisk fikserede prøver. Kryofikserede prøver kan kryo-fraktureres under vakuum i et specielt apparat for at afsløre indre struktur, sputter-coatede og overføres til SEM-kryo-stadiet, mens de stadig er frosne. Lavtemperatur scanning elektronmikroskopi (LT-SEM) er også anvendelig til billeddannelse af temperaturfølsomme materialer såsom is og fedt.

Frys-frakturering, fryse-ætsning eller fryse-og-bræk er en fremstillingsmetode, der er særlig nyttig til at undersøge lipidmembraner og deres inkorporerede proteiner i "ansigt på"-visning. Fremstillingsmetoden afslører proteinerne indlejret i lipid-dobbeltlaget.

Materialer

Afbildning af tilbagespredte elektroner, kvantitativ røntgenanalyse og røntgenkortlægning af prøver kræver ofte slibning og polering af overfladerne til en ultraglat overflade. Prøver, der gennemgår WDS- eller EDS -analyse, er ofte kulstofbelagte. Generelt er metaller ikke belagt før billeddannelse i SEM, fordi de er ledende og giver deres egen vej til jord.

Fraktografi er studiet af brækkede overflader, der kan udføres på et lysmikroskop eller almindeligvis på en SEM. Den brækkede overflade skæres til en passende størrelse, renses for eventuelle organiske rester og monteres på en prøveholder til visning i SEM.

Integrerede kredsløb kan skæres med en fokuseret ionstråle (FIB) eller et andet ionstrålefræseinstrument til visning i SEM. SEM'en i det første tilfælde kan være inkorporeret i FIB'en, hvilket muliggør billeddannelse i høj opløsning af resultatet af processen.

Metaller, geologiske prøver og integrerede kredsløb kan alle også være kemisk poleret til visning i SEM.

Særlige højopløselige belægningsteknikker er påkrævet til højforstørrelsesbilleddannelse af uorganiske tynde film.

Scanningsproces og billeddannelse

Skematisk af en SEM

I en typisk SEM udsendes en elektronstråle termionisk fra en elektronkanon udstyret med en wolframfilamentkatode . Wolfram bruges normalt i termionelektronkanoner, fordi det har det højeste smeltepunkt og laveste damptryk af alle metaller, hvilket gør det muligt at opvarme det elektrisk til elektronemission og på grund af dets lave omkostninger. Andre typer elektronemittere omfatter lanthanhexaborid ( LaB
6) katoder, som kan bruges i en standard wolframfilament-SEM, hvis vakuumsystemet er opgraderet, eller feltemissionspistoler (FEG), som kan være af koldkatode- typen, der anvender wolfram-enkeltkrystal-emittere eller den termisk assisterede Schottky -type, der bruger emittere af wolfram-enkeltkrystaller belagt med zirconiumoxid .

Elektronstrålen, som typisk har en energi i området fra 0,2 keV til 40 keV, fokuseres af en eller to kondensatorlinser til et sted på omkring 0,4 nm til 5 nm i diameter. Strålen passerer gennem par af scanningsspoler eller par af deflektorplader i elektronsøjlen, typisk i den endelige linse, som afbøjer strålen i x- og y - akserne, så den scanner på en rastermåde over et rektangulært område af prøveoverfladen .

Mekanismer for emission af sekundære elektroner, tilbagespredte elektroner og karakteristiske røntgenstråler fra prøvens atomer

Når den primære elektronstråle interagerer med prøven, mister elektronerne energi ved gentagen tilfældig spredning og absorption inden for et dråbeformet volumen af ​​prøven kendt som interaktionsvolumenet , som strækker sig fra mindre end 100 nm til cirka 5 µm ind i overfladen. Størrelsen af ​​interaktionsvolumenet afhænger af elektronens landingsenergi, prøvens atomnummer og prøvens tæthed. Energiudvekslingen mellem elektronstrålen og prøven resulterer i refleksion af højenergielektroner ved elastisk spredning, emission af sekundære elektroner ved uelastisk spredning og emission af elektromagnetisk stråling , som hver især kan detekteres af specialiserede detektorer. Den strålestrøm, der absorberes af prøven, kan også detekteres og bruges til at skabe billeder af fordelingen af ​​prøvestrømmen. Elektroniske forstærkere af forskellige typer bruges til at forstærke signalerne, som vises som variationer i lysstyrken på en computerskærm (eller, for vintage modeller, på et katodestrålerør ). Hver pixel af computerens videohukommelse er synkroniseret med positionen af ​​strålen på prøven i mikroskopet, og det resulterende billede er derfor et distributionskort over intensiteten af ​​signalet, der udsendes fra det scannede område af prøven. Ældre mikroskoper fangede billeder på film, men de fleste moderne instrumenter indsamler digitale billeder .

Lavtemperatur SEM-forstørrelsesserie til en snekrystal . Krystallerne fanges, opbevares og sputtercoated med platin ved kryogene temperaturer til billeddannelse.

Forstørrelse

Forstørrelse i en SEM kan styres over et område på omkring 6 størrelsesordener fra omkring 10 til 3.000.000 gange. I modsætning til optiske og transmissionselektronmikroskoper er billedforstørrelse i en SEM ikke en funktion af objektivlinsens kraft . SEM'er kan have kondensator- og objektivlinser, men deres funktion er at fokusere strålen til et sted og ikke at afbilde prøven. Forudsat at elektronkanonen kan generere en stråle med tilstrækkelig lille diameter, kan en SEM i princippet fungere helt uden kondensator eller objektivlinser, selvom den måske ikke er særlig alsidig eller opnår meget høj opløsning. I en SEM, som i scanningprobemikroskopi , er forstørrelsen resultatet af forholdet mellem dimensionerne af rasteret på prøven og rasteret på displayenheden. Hvis det antages, at skærmen har en fast størrelse, resulterer højere forstørrelse ved at reducere størrelsen af ​​rasteret på prøven og omvendt. Forstørrelsen styres derfor af strømmen, der leveres til x, y-scanningsspolerne, eller spændingen, der leveres til x, y-deflektorpladerne, og ikke af objektivlinsestyrke.

Detektion af sekundære elektroner

Den mest almindelige billeddannelsestilstand opsamler sekundære elektroner med lav energi (<50 eV), der udstødes fra lednings- eller valensbånd af prøveatomerne ved uelastisk spredningsinteraktion med stråleelektroner. På grund af deres lave energi stammer disse elektroner fra nogle få nanometer under prøveoverfladen. Elektronerne detekteres af en Everhart-Thornley detektor , som er en type kollektor - scintillator - fotomultiplikatorsystem . De sekundære elektroner opsamles først ved at tiltrække dem mod et elektrisk forspændt net ved ca. +400 V, og derefter accelereres yderligere mod en fosfor eller scintillator, der er positivt forspændt til ca. +2.000 V. De accelererede sekundære elektroner er nu tilstrækkeligt energiske til at få scintillatoren til at udsender lysglimt (katodoluminescens), som ledes til en fotomultiplikator uden for SEM-søjlen via et lysrør og et vindue i prøvekammerets væg. Det forstærkede elektriske signal, der udsendes af fotomultiplikatoren, vises som en todimensionel intensitetsfordeling, der kan ses og fotograferes på en analog videoskærm eller udsættes for analog-til-digital konvertering og vises og gemmes som et digitalt billede . Denne proces er afhængig af en rasterscannet primærstråle. Signalets lysstyrke afhænger af antallet af sekundære elektroner, der når detektoren . Hvis strålen kommer ind i prøven vinkelret på overfladen, så er det aktiverede område ensartet omkring strålens akse, og et vist antal elektroner "undslipper" fra prøven. Efterhånden som indfaldsvinklen øges, øges interaktionsvolumenet, og "udslip"-afstanden for den ene side af strålen falder, hvilket resulterer i, at flere sekundære elektroner udsendes fra prøven. Stejle overflader og kanter har således en tendens til at være lysere end flade overflader, hvilket resulterer i billeder med et veldefineret, tredimensionelt udseende. Brug af signalet af sekundære elektroner billedopløsning mindre end 0,5 nm er muligt.

Detektion af tilbagespredte elektroner

Sammenligning af SEM-teknikker:
Øverst: tilbagespredt elektronanalyse – sammensætning
Nederst: sekundær elektronanalyse – topografi

Tilbagespredte elektroner (BSE) består af højenergielektroner med oprindelse i elektronstrålen, som reflekteres eller tilbagespredtes ud af prøvens interaktionsvolumen ved elastisk spredningsinteraktion med prøvens atomer. Da tunge grundstoffer (højt atomnummer) spreder elektroner kraftigere end lette grundstoffer (lavt atomnummer), og dermed fremstår lysere på billedet, bruges BSE'er til at detektere kontrast mellem områder med forskellige kemiske sammensætninger. Everhart-Thornley-detektoren, som normalt er placeret på den ene side af prøven, er ineffektiv til detektion af tilbagespredte elektroner, fordi få sådanne elektroner udsendes i den rumvinkel, som detektoren dækker, og fordi det positivt forspændte detektionsgitter har ringe evne. at tiltrække den højere energi BSE. Dedikerede tilbagespredte elektrondetektorer er placeret over prøven i et arrangement af "doughnut"-typen, koncentrisk med elektronstrålen, hvilket maksimerer den solide vinkel for opsamling. BSE-detektorer er normalt enten af ​​scintillator- eller halvledertyper. Når alle dele af detektoren bruges til at opsamle elektroner symmetrisk omkring strålen, frembringes atomnummerkontrast. Imidlertid frembringes stærk topografisk kontrast ved at indsamle tilbagespredte elektroner fra den ene side over prøven ved hjælp af en asymmetrisk, retningsbestemt BSE-detektor; den resulterende kontrast fremstår som belysning af topografien fra den side. Halvlederdetektorer kan fremstilles i radiale segmenter, der kan kobles ind eller ud for at styre typen af ​​produceret kontrast og dens retningsbestemmelse.

Tilbagespredte elektroner kan også bruges til at danne et elektron backscatter diffraction (EBSD) billede, der kan bruges til at bestemme den krystallografiske struktur af prøven.

Beam-injection analyse af halvledere

Naturen af ​​SEM's sonde, energiske elektroner, gør den unikt egnet til at undersøge de optiske og elektroniske egenskaber af halvledermaterialer. Højenergielektronerne fra SEM-strålen vil injicere ladningsbærere i halvlederen. Således mister stråleelektroner energi ved at fremme elektroner fra valensbåndet ind i ledningsbåndet og efterlade huller .

I et direkte båndgab -materiale vil rekombination af disse elektron-hul-par resultere i katodoluminescens; hvis prøven indeholder et internt elektrisk felt, som f.eks. er til stede ved en pn-forbindelse , vil SEM-stråleinjektionen af ​​bærere få elektronstråleinduceret strøm (EBIC) til at flyde. Katodoluminescens og EBIC omtales som "beam-injection"-teknikker og er meget kraftfulde prober af halvlederes optoelektroniske adfærd, især til at studere funktioner og defekter i nanoskala.

Katodoluminescens

Farvekatodoluminescensoverlejring på SEM-billede af en InGaN polykrystal. De blå og grønne kanaler repræsenterer rigtige farver, den røde kanal svarer til UV-emission.

Katodoluminescens , emissionen af ​​lys, når atomer exciteret af højenergielektroner vender tilbage til deres grundtilstand, er analog med UV - induceret fluorescens , og nogle materialer, såsom zinksulfid og nogle fluorescerende farvestoffer, udviser begge fænomener. I løbet af de sidste årtier blev katodoluminescens mest almindeligt oplevet som lysemissionen fra den indre overflade af katodestrålerøret i tv-apparater og computer CRT-skærme. I SEM'en samler CL-detektorer enten alt lys udsendt af prøven eller kan analysere bølgelængderne udsendt af prøven og vise et emissionsspektrum eller et billede af fordelingen af ​​katodoluminescens udsendt af prøven i ægte farve.

Røntgenmikroanalyse

Karakteristiske røntgenstråler , der produceres ved interaktion af elektroner med prøven, kan også detekteres i en SEM udstyret til energidispersiv røntgenspektroskopi eller bølgelængdedispergerende røntgenspektroskopi . Analyse af røntgensignalerne kan bruges til at kortlægge fordelingen og estimere mængden af ​​elementer i prøven.

Opløsning af SEM

En video, der illustrerer et typisk praktisk forstørrelsesområde for et scanningselektronmikroskop designet til biologiske prøver. Videoen starter ved 25×, cirka 6 mm over hele synsfeltet, og zoomer ind til 12000×, cirka 12  μm over hele synsfeltet. De sfæriske objekter er glasperler med en diameter på 10 μm, der i diameter svarer til en rød blodcelle .

SEM er ikke et kamera , og detektoren er ikke konstant billeddannende som en CCD - array eller film . I modsætning til i et optisk system er opløsningen ikke begrænset af diffraktionsgrænsen , finheden af ​​linser eller spejle eller detektorarrayopløsning. Fokusoptikken kan være stor og grov, og SE-detektoren er på størrelse med en knytnæve og registrerer blot strøm. I stedet afhænger den rumlige opløsning af SEM'en af ​​størrelsen af ​​elektronpletten, som igen afhænger af både elektronernes bølgelængde og det elektron-optiske system, der producerer scanningsstrålen. Opløsningen er også begrænset af størrelsen af ​​interaktionsvolumenet, volumenet af prøvemateriale, der interagerer med elektronstrålen. Pletstørrelsen og interaktionsvolumenet er begge store sammenlignet med afstandene mellem atomer, så opløsningen af ​​SEM'en er ikke høj nok til at afbilde individuelle atomer, som det er muligt med et transmissionselektronmikroskop (TEM). SEM har dog kompenserende fordele, herunder evnen til at afbilde et forholdsvis stort område af prøven; evnen til at afbilde bulkmaterialer (ikke kun tynde film eller folier); og de mange forskellige analytiske metoder, der er tilgængelige til at måle sammensætningen og egenskaberne af prøven. Afhængigt af instrumentet kan opløsningen falde et sted mellem mindre end 1 nm og 20 nm. Fra 2009 kan verdens højeste opløsning konventionelle (≤30 kV) SEM nå en punktopløsning på 0,4 nm ved hjælp af en sekundær elektrondetektor.

Miljømæssig SEM

Hovedartikel: Miljøscanningselektronmikroskop

Konventionel SEM kræver, at prøver afbildes under vakuum , fordi en gasatmosfære hurtigt spredes og dæmper elektronstråler. Som en konsekvens heraf skal prøver, der producerer en betydelig mængde damp , f.eks. våde biologiske prøver eller olieholdige sten, enten tørres eller fryses ned. Processer, der involverer faseovergange , såsom tørring af klæbemidler eller smeltning af legeringer , væsketransport, kemiske reaktioner og fast-luft-gas-systemer, kan generelt ikke observeres med konventionel højvakuum-SEM. I miljømæssig SEM (ESEM) evakueres kammeret for luft, men vanddamp tilbageholdes tæt på dets mætningstryk, og det resterende tryk forbliver relativt højt. Dette muliggør analyse af prøver, der indeholder vand eller andre flygtige stoffer. Med ESEM har observationer af levende insekter været mulige.

Den første kommercielle udvikling af ESEM i slutningen af ​​1980'erne gjorde det muligt at observere prøver i gasformige miljøer med lavt tryk (f.eks. 1-50 Torr eller 0,1-6,7 kPa) og høj relativ luftfugtighed (op til 100%). Dette blev gjort muligt ved udviklingen af ​​en sekundær elektrondetektor, der er i stand til at fungere i nærvær af vanddamp, og ved brug af trykbegrænsende åbninger med differentiel pumpning i elektronstrålens bane for at adskille vakuumområdet (omkring pistolen) og linser) fra prøvekammeret. De første kommercielle ESEM'er blev produceret af ElectroScan Corporation i USA i 1988. ElectroScan blev overtaget af Philips (som senere solgte deres elektronoptikafdeling til FEI Company) i 1996.

ESEM er især nyttig til ikke-metalliske og biologiske materialer, fordi belægning med kulstof eller guld er unødvendig. Ubelagt plast og elastomerer kan rutinemæssigt undersøges, ligesom ubelagte biologiske prøver. Dette er nyttigt, fordi coating kan være vanskelig at vende, kan skjule små træk på overfladen af ​​prøven og kan reducere værdien af ​​de opnåede resultater. Røntgenanalyse er vanskelig med en belægning af et tungmetal, så kulstofbelægninger bruges rutinemæssigt i konventionelle SEM'er, men ESEM gør det muligt at udføre røntgenmikroanalyse på ubelagte ikke-ledende prøver; dog introduceres nogle specifikke for ESEM-artefakter i røntgenanalyse. ESEM kan være den foretrukne til elektronmikroskopi af unikke prøver fra kriminelle eller civile sager, hvor retsmedicinske analyser muligvis skal gentages af flere forskellige eksperter. Det er muligt at studere prøver i væske med ESEM eller med andre væskefase elektronmikroskopimetoder .

Transmission SEM

SEM kan også bruges i transmissionstilstand ved blot at inkorporere en passende detektor under en tynd prøvesektion. Detektorer er tilgængelige for lyst felt, mørkt felt, såvel som segmenterede detektorer til midtfelt til højvinklet ringformet mørkefelt . På trods af forskellen i instrumentering, er denne teknik stadig almindeligvis omtalt som scanning transmission elektronmikroskopi (STEM) .

Farve i SEM

Elektronmikroskoper producerer ikke naturligt farvebilleder, da en SEM producerer en enkelt værdi pr. pixel ; denne værdi svarer til antallet af elektroner modtaget af detektoren i løbet af et lille tidsrum af scanningen, når strålen er målrettet mod (x, y) pixelpositionen.

Dette enkelte tal er normalt repræsenteret for hver pixel af et gråt niveau, der danner et monokromt billede. Der er dog blevet brugt flere måder til at få farveelektronmikroskopibilleder.

Falsk farve ved hjælp af en enkelt detektor

  • På kompositionsbilleder af flade overflader (typisk BSE):

Den nemmeste måde at få farve på er at knytte en vilkårlig farve til dette enkelte tal ved at bruge en farveopslagstabel (dvs. hvert gråt niveau erstattes af en valgt farve). Denne metode er kendt som falsk farve . På et BSE-billede kan der udføres falsk farve for bedre at skelne mellem de forskellige faser af prøven.

  • På billeder med tekstureret overflade:

Som et alternativ til blot at erstatte hvert gråt niveau med en farve, giver en prøve observeret af en skrå stråle forskere mulighed for at skabe et tilnærmet topografibillede (se yderligere afsnit "Fotometrisk 3D-gengivelse fra et enkelt SEM-billede" ). Sådan topografi kan derefter behandles af 3D-gengivelsesalgoritmer for en mere naturlig gengivelse af overfladeteksturen

  • Overflade af en nyresten

  • Det samme efter genbehandling af farven fra den estimerede topografi

  • SEM-billede af en diagenetisk ændret katastrofe

  • Det samme billede efter lignende farvelægning

SEM billedfarvning

Meget ofte er offentliggjorte SEM-billeder kunstigt farvet. Dette kan gøres for en æstetisk effekt, for at tydeliggøre struktur eller for at tilføje et realistisk udseende til prøven og tilføjer generelt ikke information om prøven.

Farvning kan udføres manuelt med fotoredigeringssoftware eller semi-automatisk med dedikeret software ved hjælp af funktionsdetektion eller objektorienteret segmentering.

  • SEM-billede af Cobaea scandens pollen

  • Det samme efter semi-automatisk farvning. Vilkårlige farver hjælper med at identificere de forskellige elementer i strukturen

  • Farvet SEM billede af Tradescantia pollen og støvdragere

  • Farvet SEM-billede af indfødt guld og arsenopyrit krystal sammenvækst

Farvebygget ved hjælp af flere elektrondetektorer

I nogle konfigurationer indsamles mere information pr. pixel, ofte ved brug af flere detektorer.

Som et almindeligt eksempel er sekundære elektron- og tilbagespredte elektrondetektorer overlejret, og der tildeles en farve til hvert af billederne, der tages af hver detektor, med et slutresultat af et kombineret farvebillede, hvor farver er relateret til komponenternes tæthed. Denne metode er kendt som densitetsafhængig farve SEM (DDC-SEM). Mikrografier produceret af DDC-SEM bevarer topografisk information, som bedre fanges af den sekundære elektrondetektor og kombinerer den med informationen om tæthed, opnået af den tilbagespredte elektrondetektor.

  • DDC-SEM af forkalket partikel i hjertevæv - Signal 1: SE

  • Signal 2: BSE

  • Farvelagt billede opnået fra de to foregående. Tæthedsafhængig farvescanningselektronmikrofotografi SEM (DDC-SEM) af kardiovaskulær forkalkning, der med orange viser en sfærisk calciumphosphatpartikel (tættere materiale) og i grønt den ekstracellulære matrix (mindre tæt materiale)

  • Samme arbejde med en større visning, en del af en undersøgelse om menneskelig kardiovaskulær vævsforkalkning

Analytiske signaler baseret på genererede fotoner

Måling af energien af ​​fotoner udsendt fra prøven er en almindelig metode til at opnå analytiske evner. Eksempler er de energidispersive røntgenspektroskopi (EDS) detektorer, der anvendes i elementæranalyse og katodoluminescensmikroskopsystemer (CL), der analyserer intensiteten og spektret af elektroninduceret luminescens i (for eksempel) geologiske prøver. I SEM-systemer, der anvender disse detektorer, er det almindeligt at farvekode disse ekstra signaler og overlejre dem i et enkelt farvebillede, så forskelle i fordelingen af ​​de forskellige komponenter i prøven kan ses tydeligt og sammenlignes. Eventuelt kan standard sekundære elektronbilledet flettes sammen med den ene eller flere kompositoriske kanaler, således at prøvens struktur og sammensætning kan sammenlignes. Sådanne billeder kan laves, mens den fulde integritet af de originale signaldata bevares, som ikke er ændret på nogen måde.

3D i SEM

SEM'er giver ikke naturligt 3D-billeder i modsætning til SPM'er . 3D-data kan dog opnås ved hjælp af en SEM med forskellige metoder som følger.

3D SEM-rekonstruktion fra et stereopar

  • fotogrammetri er den mest metrologisk nøjagtige metode til at bringe den tredje dimension til SEM-billeder. I modsætning til fotometriske metoder (næste afsnit) beregner fotogrammetri absolutte højder ved hjælp af trianguleringsmetoder . Ulemperne er, at det kun virker, hvis der er et minimum af tekstur, og det kræver, at to billeder skal erhverves fra to forskellige vinkler, hvilket indebærer brugen af ​​et vippetrin. ( Fotogrammetri er en softwareoperation, der beregner skiftet (eller "forskel") for hver pixel mellem det venstre billede og det højre billede af det samme par. En sådan forskel afspejler den lokale højde).

  • Et SEM stereopar af mikrofossiler på mindre end 1 mm i størrelse ( Ostracoda ) fremstillet ved at vippe langs længdeaksen.

  • Fra dette par af SEM-billeder er den tredje dimension blevet rekonstrueret ved fotogrammetri (ved hjælp af MountainsSEM -software, se næste billede); derefter er en række 3D-repræsentationer med forskellige vinkler blevet lavet og samlet til en GIF-fil for at producere denne animation.

  • 3D overfladerekonstruktion af en (Ra = 3 µm) ruhedskalibreringsprøve (som brugt til at kalibrere profilometre) fra 2 scanningselektronmikroskopbilleder vippet 15° (øverst til venstre). Beregningen af ​​3D-modellen (nederst til højre) tager ca. 1,5 sekund, og fejlen på den beregnede Ra-ruhedsværdi er mindre end 0,5%.

Fotometrisk 3D SEM-rekonstruktion fra en fire-kvadrant detektor ved "form fra skygge"

Denne metode bruger typisk en fire-kvadrant BSE-detektor (alternativt for én producent, en 3-segment detektor). Mikroskopet producerer fire billeder af den samme prøve på samme tid, så der kræves ingen hældning af prøven. Metoden giver metrologiske 3D-dimensioner, så vidt prøvens hældning forbliver rimelig. De fleste SEM-producenter tilbyder nu (2018) sådan en indbygget eller valgfri fire-kvadrant BSE-detektor sammen med proprietær software til at beregne et 3D-billede i realtid.

Andre tilgange bruger mere sofistikerede (og nogle gange GPU-intensive) metoder som den optimale estimeringsalgoritme og tilbyder meget bedre resultater på bekostning af høje krav til computerkraft.

I alle tilfælde fungerer denne tilgang ved integration af hældningen, så lodrette hældninger og udhæng ignoreres; for eksempel, hvis en hel kugle ligger på en flad, ses lidt mere end den øvre halvkugle komme frem over den flade, hvilket resulterer i forkert højde af kuglens spids. Denne effekts fremtrædende karakter afhænger af vinklen af ​​BSE-detektorerne i forhold til prøven, men disse detektorer er normalt placeret omkring (og tæt på) elektronstrålen, så denne effekt er meget almindelig.

Fotometrisk 3D-gengivelse fra et enkelt SEM-billede

Denne metode kræver et SEM-billede opnået i skrå lavvinkelbelysning. Gråniveauet fortolkes derefter som hældningen, og hældningen integreres for at genoprette prøvens topografi. Denne metode er interessant til visuel forbedring og detektering af genstandes form og position; de lodrette højder kan dog normalt ikke kalibreres, i modsætning til andre metoder såsom fotogrammetri.

  • SEM-billede af en husfluesammensatte øjenoverflade ved 450× forstørrelse.

  • Detalje af det forrige billede.

  • SEM 3D-rekonstruktion fra den forrige ved hjælp af form fra skyggealgoritmer .

  • Samme som den foregående, men med belysning homogeniseret før påføring af formen fra skyggealgoritmer

Andre typer 3D SEM-rekonstruktion

  • Omvendt rekonstruktion ved hjælp af elektron-materiale interaktive modeller
  • Rekonstruktion med flere opløsninger ved hjælp af en enkelt 2D-fil: 3D-billeddannelse af høj kvalitet kan være en ultimativ løsning til at afsløre kompleksiteten af ​​ethvert porøst medie, men det er dyrt og tidskrævende at anskaffe dem. 2D SEM-billeder i høj kvalitet er på den anden side bredt tilgængelige. For nylig er en ny tre-trins, multiskala, multiopløsningsrekonstruktionsmetode præsenteret, der direkte bruger 2D-billeder til at udvikle 3D-modeller. Denne metode, baseret på en Shannon-entropi og betinget simulering, kan bruges til de fleste af de tilgængelige stationære materialer og kan bygge forskellige stokastiske 3D-modeller ved blot at bruge nogle få tynde sektioner.
  • Ion-abrasion SEM (IA-SEM) er en metode til 3D-billeddannelse i nanoskala, der bruger en fokuseret stråle af gallium til gentagne gange at slibe prøveoverfladen 20 nanometer ad gangen. Hver eksponeret overflade scannes derefter for at kompilere et 3D-billede.

Anvendelser af 3D SEM

En mulig anvendelse er måling af ruheden af ​​iskrystaller. Denne metode kan kombinere SEM med variabelt tryk og SEM'ens 3D-kapaciteter til at måle ruhed på individuelle iskrystalfacetter, konvertere den til en computermodel og køre yderligere statistisk analyse på modellen. Andre målinger omfatter fraktal dimension, undersøgelse af brudflade af metaller, karakterisering af materialer, korrosionsmåling og dimensionelle målinger på nanoskalaen (trinhøjde, volumen, vinkel, fladhed, lejeforhold, coplanaritet osv.).

Galleri med SEM-billeder

Følgende er eksempler på billeder taget ved hjælp af en SEM.

  • Farvet SEM-billede af sojabønnecystenematode og æg. Den kunstige farvning gør billedet lettere for ikke-specialister at se og forstå de strukturer og overflader, der afsløres i mikrofotografier.

  • Sammensat øje af antarktisk krill Euphausia superba . Leddyrøjne er et almindeligt emne i SEM-mikrofotografier på grund af den dybde af fokus, som et SEM-billede kan fange. Farvet billede.

  • Ommatidia af antarktisk krilløje , en højere forstørrelse af krillens øje. SEM'er dækker et område fra lysmikroskopi op til de tilgængelige forstørrelser med en TEM . Farvet billede.

  • SEM-billede af normalt cirkulerende menneskeblod . Dette er et ældre og støjende mikrofotografi af et almindeligt emne for SEM-mikrofotografier: røde blodlegemer.

  • SEM-billede af en hederelloid fra Devon i Michigan (største rørdiameter er 0,75 mm). SEM bruges flittigt til at tage detaljerede billeder af mikro- og makrofossiler.

  • Backscattered elektron (BSE) billede af en antimon -rig region i et fragment af gammelt glas. Museer bruger SEM'er til at studere værdifulde artefakter på en ikke-destruktiv måde.

  • SEM-billede af korrosionslaget på overfladen af ​​et gammelt glasfragment; Bemærk den laminære struktur af korrosionslaget.

  • SEM-billede af et fotoresistlag brugt i halvlederfremstilling taget på en feltemissions- SEM. Disse SEM'er er vigtige i halvlederindustrien på grund af deres højopløsningsevner.

  • SEM-billede af overfladen af ​​en nyresten, der viser tetragonale krystaller af Weddellite (calciumoxalatdihydrat), der dukker op fra den amorfe centrale del af stenen. Den vandrette længde af billedet repræsenterer 0,5 mm af den figurerede original.

  • To billeder af den samme dybde hoar snekrystal , set gennem et lysmikroskop (venstre) og som et SEM-billede (højre). Bemærk, hvordan SEM-billedet giver mulighed for en klar opfattelse af de fine strukturdetaljer, som er svære at se fuldt ud i lysmikroskopbilledet.

  • Epidermale celler fra den indre overflade af en løgflage . Under de shagreen-lignende cellevægge kan man se kerner og små organeller flyde i cytoplasmaet. Dette BSE-billede af en lanthanoid-farvet prøve blev taget uden forudgående fiksering, hverken dehydrering eller sputtering.

  • SEM-billede af stomata på den nederste overflade af et blad.

Se også

Referencer

eksterne links

Biblioteksressourcer om
skanningselektronmikroskopi
Generel
Historie
Billeder