ویژه های مهامکس

میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) چیست؟

تاریح انتشار:۱۲ مهر ۱۳۹۹
تعداد بازدید:
دسته بندی: SEMدسته‌بندی نشده

میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) یکی از روش های تصویر برداری بر مبنای پرتوهای الکترونی می باشد. در میکروسکوپ SEM از پرتوهای الکترونی به جای نور در تشکیل تصویر استفاده می شود. پرتوهای الکترونی نسبت به نور، طول موج بسیار کوچکتری دارند ضمن اینکه این طول موج با افزایش سرعت الکترون ها کاهش هم پیدا می کند. در نتیجه طول موج کوتاه الکترون ها، قدرت تفکیک در خانواده میکروسکوپ های الکترونی تا مقیاس چند نانومتر کاهش پیدا می کند و در نتیجه جزییات بسیار بیشتری در تصویر نمایان می شود. برای بدست آوردن اطلاعات بیشتر در مورد قدرت تفکیک و قدرت بزرگنمایی، می توانید مقاله ” مفهوم قدرت تفکیک و قدرت بزرگنمایی در میکروسکوپ SEM” را مطالعه فرمایید. در آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشی، به دلیل قدرت تفکیک پایین امکان بررسی جزییات نانومتری از سطوح مواد فراهم می شود. برای مثال پستی بلندی های بسیار کوچک و همین طور سطح شکست و … را به خوبی می توان تشخیص داد.

آنالیز SEM

در آنالیز SEM یک پرتو الکترونی سطح نمونه را جاروب می کند. این الکترون ها توسط یک منبع الکترونی که به آن تفنگ الکترونی گفته می شود تولید می شوند و سپس در یک شتابدهنده الکترون که ولتاژ آن بین ۱ تا ۳۰ کیلو الکترون ولت است، شتاب می گیرد.

همانطور که در بالا هم اشاره شد هر چه شتاب الکترون بیشتر باشد، سرعت الکترون ها بیشتر و طول موج الکترون ها کمتر و در نتیجه جزییات بیشتری در تصویر نمایان می شود. الکترون های شتاب گرفته شده قبل از برخورد با سطح نمونه، از عدس های الکترومغناطیسی مختلف عبور می کنند.

وظیفه این عدسی ها متمرکز کردن باریکه الکترونی روی سطح نمونه می باشد. پس از برخورد الکترون با هر نقطه از نمونه، سیگنالی از آن نقطه گسیل می شود. برخی از سیگنال هایی که در اثر برخورد الکترون با نمونه منتشر می شوند  عبارتند از الکترون های ثانویه، الکترون های برگشتی، پرتوهای ایکس مشخصه و پرتوهای کاتودولومینسانس. این سیگنال ها به آشکارسازها می روند و در آنجا پس از پردازش کامپیوتری تبدیل به تصویر می شوند. برای مطالعه این سیگنال ها و نحوه تشکیل تصویر توسط آنها، می توانید مقاله ” تصویر برداری در آنالیز SEM با استفاده از الکترون برگشتی و الکترون های ثانویه” را مطالعه کنید.

در ادامه اجزا دستگاه و دیگر مشخصات آن آمده است.

اجزای میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)

میکروسکوپ الکترونی روبشی از اجزای مختلفی تشکیل شده است که در ادامه اجزای اصلی آن تشریح خواهد شد. در ابتدا یک تفنگ الکترونی حضور دارد که وظیفه آن تولید الکترون هاست. تفنگ الکترونی در بالاترین قسمت ستون میکروسکوپ الکترونی روبشی قرار دارد. پس از تفنگ الکترونی، سیستم شتابدهنده قرار دارد که در آنجا، الکترون ها شتاب می گیرند. این قسمت توسط اپراتور قابل کنترل است. هر چقدر شتاب الکترون ها بیشتر شود، طول موج آنها کمتر خواهد شد. پس از شتابدهنده، عدسی های مختلف قرار دارند. معمولا  دو دسته کلی عدسی های شیئی و متمرکز کننده وجود دارد. وظیفه عدسی ها باریک کردن و تنظیم باریکه الکترونی روی سطح نمونه است. پس از عبور از عدسی ها، محفظه نگهدارنده نمونه قرار دارد و باریکه الکترونی به سطح نمونه برخورد می کند. پس از برخورد، آشکارساز ها قرار دارند. آشکارسازهای مختلف، بسته به انتخاب اپراتور، سیگنال های دریافتی شامل الکترونها و امواج الکترومغناطیس را تشخیص و در نهایت پردازش می کنند. اجزای دیگری مانند پمپ خلا قوی، مخزن نیتروژن مایع و … نیز وجود دارد. در شکل زیر تصویری از یک میکروسکوپ الکترونی روبشی نشان داده شده است.

 

اجزای میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)

کاربردهای میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)

امروزه با پیشرفت مطالعات، میکروسکوپ الکترونی روبشی کاربرد زیادی پیدا کرده است. مهمترین کاربرد SEM بررسی ویژگی های سطحی مواد در مقیاس های نانومتری است. با توجه به طول موج بسیار کوچکتر الکترون ها نسبت به نور، امکان بررسی جزییات زیادی روی سطح مواد فراهم شده است. معمولا در صورتی که اندازه ذرات و یا مواردی که میخواهیم در تصویر بررسی کنیم، بیشتر از حدود ۳۰ نانو متر باشد، از انواع میکروسکوپ های الکترونی روبشی می توان استفاده کرد. در ادامه به برخی از کاربردهای میکروسکوپ الکترونی روبشی به صورت جزیی تر اشاره می شود.

  • تصویر گرفتن از سطوح در بزرگنمایی ۱۰ تا ۱۰۰۰۰۰۰ برابر با قدرت تفکیک در حدود ۳ تا ۱۰۰ نانومتر (بسته به نمونه).
  • بررسی نمونه هایی که برای متالوگرافی آماده شده اند، در بزرگنمایی بسیار بیشتر از میکروسکوپ نوری.
  • بررسی مقاطع شکست و سطوح با اچ عمیق.
  • ارزیابی جهت کریستالوگرافی اجزایی نظیر دانه ها، فازهای رسوبی و دندریت ها روی سطوح.
  • آنالیز عنصری با استفاده از آشکار ساز EDAX.
  • شناسایی مشخصات شیمیایی اجزایی به کوچکی چند میکرون روی سطح نمونه ها، برای مثال، آخال ها.
  • فازهای رسوبی و پلیسه های سایش.
  • بررسی قطعات نیمه هادی برای آنالیز شکست، کنترل عملکرد و تایید طراحی نمونه­ها

ویژگی­ های میکروسکوپ الکترونی روبشی

ویژگی های منحصر به فرد میکروسکوپ الکترونی روبشی به دلیل استفاده از الکترون ها به جای نور است. در نتیجه و به دلیل طول موج کوتاه الکترون ها، جزییات بیشتری روی تصویر نمایش داده می شود. همچنین نکته مهم دیگر این است که طول موج همراه الکترون ها توسط شتاب دهنده قابل کنترل است. با افزایش سرعت طبق قانون دوبروی، طول موج همراه آنها کاهش می یابد. همچنین با توجه به اینکه در آنالیز SEM سطح نمونه ها جاروب می شود، سطح بزرگتری نسبت به آنالیزهای الکترونی دیگر مانند TEM بررسی می شود. همچنین با استفاده از جمع آوری سیگنال های امواج الکترومغناطیسی، علاوه بر تصویر برداری می توان اطلاعات مفیدی درباره شناسایی عناصر موجود در نمونه به دست آورد. در ادامه برخی دیگر از ویژگی های آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشی آمده است :

  • عمق میدان زیاد
  • اندازه نمونه بزرگ تر نسبت به TEM
  • طراحی ستون ساده تر
  • آماده سازی سریع و ساده نمونه نسبت به TEM

محدودیت­های SEM

نمونه هایی که در میکروسکوپ الکترونی روبشی استفاده می شوند، می بایست رسانا باشند. در نمونه هایی که نارسانا و نیمه رسانا باشند، الکترون های فرودی روی سطح نمونه تجمع می کنند و باعث انحراف الکترون های فرودی می شوند. معمولا برای تصویر برداری از نمونه های نیمه رسانا و نارسانا، روی سطح آنها لایه ای از طلا یا فلز رسانای دیگر با استفاده از دستگاه کند و پاش یونی پوشش دهی می شود. یکی دیگر از محدودیت های میکروسکوپ الکترونی روبشی، روش آماده سازی زمان بر آن می باشد. در ادامه برخی دیگر محدودیت های این میکروسکوپ بیان می شود.

  • نیازمند خلا بالا.
  • تنها سطح نمونه قابل مشاهده است.
  • قدرت تفکیک پایین تر (در مقایسه با TEM).

محدودیت­های SEM

بزرگنمایی در SEM

در SEM های جدیدتر امکان رسیدن به بزرگنمایی های بالا تا X 120000 در کمتر از ۲ دقیقه وجود دارد.

بزرگنمایی در SEM

قدرت تفکیک SEM

قدرت تفکیک به عنوان کوچکترین فاصله دو نقطه که میکروسکوپ می تواند به صورت مجزا تشخیص دهد است. بنابراین قدرت تفکیک کاری دستگاه نمی تواند بهتر از اندازه نقطه تصویری باشد.

بهترین قدرت تفکیک کاری SEM ،اندازه نقطه تصویر است که به بزرگنمایی دستگاه هم بستگی دارد. برای داشتن قدرت تفکیک بالاتر بهتر است که اندازه پروب کاهش یابد. با کاهش قطر پروب جریان پرتو هم کاهش می یابد. بنابراین ممکن است سیگنال مورد نیاز تولید نشود. بنابراین قدرت تفکیک نهایی در SEM کوچک ترین اندازه پروبی است که بتواند سیگنال کافی از نمونه را فراهم کند.

نمونه­ هایی از تصاویر SEM

نمونه­ هایی از تصاویر SEM