آنالیز SEM ، یکی از روش های مشخصه یابی بسیار پر کاربرد برای بررسی سطح مواد می باشد. آنالیز SEM یکی از اعضای خانواده میکروسکوپ های الکترونی می باشد که در آنها از الکترون ها برای تشکیل تصویر استفاده می شود. الکترون های اولیه پس از برخورد با نمونه، به شکل های مختلف متفرق می شوند. یکی از این شکل ها، الکترون های برگشتی و شکل دیگر الکترون های ثانویه هستند. بطور کلی هنگامیکه الکترون های پرتو فرودی به نمونه برخورد می کنند، در نمونه پراکنده شده و به تدریج انرژی خود را در اثر برخورد با اجزای نمونه از دست می دهند و در نمونه جذب می شوند. میزان پراکنده شدن الکترون ها در نمونه بسته به انرژی الکترون، عدد اتمی عناصر نمونه و دانسیته اتم های سازنده دارد.با استفاده از شبیه سازی مونت کارلو، می توان به خوبی این موضوع را نشان داد. بر اساس این شبیه سازی، حجم اندرکنش به شکل یک گلابی است که در منطقه ورود پرتو به داخل ماده قابل تصور است. هرچه انرژی پرتوی الکترونی بالاتر باشد، محدوده پراکندگی بزرگتر است. برعکس، اگر عدد اتمی و دانسیته بزرگ تر باشند، محدوده پراکندگی کوچکتر و یا به عبارتی ابعاد گلابی کوچکتر است. در شکل زیر محدوده پراکندگی به شکل گلابی نشان داده شده است.
شکل 1: شکل های مختلف متفرق شدن پرتو ورودی
معمولا برای تصویربرداری در آنالیز SEM از الکترون های برگشتی و ثانویه استفاده می شود. الکترون های برگشتی (BSEs) الکترون های پر انرژی هستند که در نتیجه بر هم کنش الاستیک بین پرتو الکترون اولیه و نمونه تولید می شوند. همانطور که در شمل بالا هم مشخص است این الکترون ها می توانند از حجم زیادی از منطقه گلابی شکل تولید شوند. در اثر برخورد الکترون های فرودی با سطح نمونه، جهت حرکت الکترون ها تغییر می کند و به سمت خارج از نمونه پرتاب می شوند. محدوده انرژی آن ها از ۱۰ تا ۵۰ الکترون ولت است. به زبان ساده منظور از الکترون های برگشتی الکترون هایی است که پس از برخورد به نمونه از روی سطح بازتاب می شوند (مانند توپی که به سطح دیوار برخورد می کند و برمی گردد). ضریب η الکترون برگشتی (نسبت بین الکترون برگشتی تولید شده و تعداد الکترون های پرتو تابشی در نمونه) به شدت به میانگین عدد اتمی نمونه بستگی دارد به این صورت که مناطقی با میانگین عدد اتمی بزرگتر روشن تر از مناطقی است که میانگین عدد اتمی کمتری دارند. دلیل این امر این است که از مناطق با عدد اتمی بیشتر الکترون های بیشتری به آشکارساز می رسند و در نتیجه این مناطق روشن تر دیده می شوند. به همین دلیل، سیگنال الکترون های برگشتی در آنالیز SEM برای تصویر برداری و تشخیص فازهای مختلف روی سطح (کنتراست فازی) استفاده می شود. در شکل زیر به سادگی این مفهوم توضیح داده شده است.
شکل 2: استفاده از آنالیز SEM برای تصویر برداری و تشخیص فازهای مختلف روی سطح (کنتراست فازی)
در صورتی که برخورد الکترون های فرودی با سطح نمونه به صورت غیر الاستیک باشد به این مفهوم که در اثر برخورد الکترون با نمونه انرژی از دست برود، سیگنال های دیگری ایجاد می شود که یکی از آنها الکترون های ثانویه هستند. از دیگر این سیگنال ها می توان به الکترون های اوژه، پرتوی X مشخصه، جفت الکترون – حفره ها در نیم رساناها و نارساناها، کاتدولومینسنس، الکترون های اوژه و … اشاره کرد. در مقایسه با الکترون های برگشتی، الکترون های ثانویه از مناطق سطحی و یا نزدیک به سطح نمونه ساطع می شوند. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، الکترون های ثانویه برای تشخیص توپوگرافی و پستی بلندی های سطحی بسیار مناسب هستند. یکی دیگر از تفاوت های الکترون های ثانویه با برگشتی، جنس الکترون ها است به این مفهوم که الکترونهای ثانویه از جنس الکترون های اتم های ماده هستند. در اثر برخورد الکترونهای فرودی با سطح نمونه مقداری انرژی به سطح نمونه منتقل می شود که در اثر این انرژی، انرژی لازم برای کنده شدن الکترون ها از اتم های سطحی نمونه فراهم می شود. الکترون های ثانویه نسبت به الکترونهای برگشتی سطح انرژی به مراتب پایین تری دارند و معیار اصلی در شناسایی الکترون ها توسط آشکارسازها نیز همین سطح انرژی آنها می باشد.
شکل 3: در شکل بالا تصویر a و b تصاویری با استفاده از الکترون های برگشتی و تصویر c مربوط به همان نمونه ولی با استفاده از الکترون های ثانویه می باشد.
همانطور که ملاحظه می کنید تصویر c بخوبی پستی بلندی های سطح نمونه را نشان میدهد. به عبارت دیگر اتم هایی که در مناطق بلند نمونه هستند، در اثر برخورد الکترون های فرودی، الکترون های بیشتری از سطح آنها ساطع می شود و به بیرون پرتاب می شود و در نتیجه در تصویر روشن تر دیده می شوند اما اتم هایی که در نقاط پستی نمونه قرار دارند به دلیل اینکه الکترون های کمتری از آنها به آشکارساز می رسد، تیره تر دیده می شوند.
برای آشنایی بیشتر با عملکرد میکروسکوپ الکترونی روبشی SEM در تصویربرداری از مواد ویدئوی زیر را مشاهده نمایید:
