میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) چیست؟

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 1 تا 30 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. 

شکل 1: تصویری از یک میکروسکوپ الکترونی روبشی

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 30 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.

• تصوير گرفتن از سطوح در بزرگنمايي 10 تا 1000000 برابر با قدرت تفكيك در حدود 3 تا 100 نانومتر (بسته به نمونه).
• بررسي نمونه هايي كه براي متالوگرافي آماده شده اند، در بزرگنمايي بسيار بيشتر از ميكروسكوپ نوري.
• بررسي مقاطع شكست و سطوح با اچ عميق.
• ارزيابي جهت كريستالوگرافي اجزايي نظير دانه ها، فازهاي رسوبي و دندريت ها روي سطوح.
• آناليز عنصري با استفاده از آشکار ساز EDAX.
• شناسايي مشخصات شيميايي اجزايي به كوچكي چند ميكرون روي سطح نمونه ها، براي مثال، آخال ها.
• فازهاي رسوبي و پليسه هاي سايش.
• بررسي قطعات نيمه هادي براي آناليز شكست، كنترل عملكرد و تاييد طراحي 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 ميدان زياد
• اندازه نمونه بزرگ تر نسبت به TEM
• طراحي ستون ساده تر
• آماده سازي سريع 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.

• نيازمند خلا بالا.
• تنها سطح نمونه قابل مشاهده است.
• قدرت تفكيك پايين تر (در مقايسه با TEM).

شکل 2: نمونه تصویر SEM

بزرگنمایی در SEM

در SEM هاي جديدتر امكان رسيدن به بزرگنمايي هاي بالا تا X 120000 در كمتر از 2 دقيقه وجود دارد.

شکل 3: تاثیر بزرگنمایی در تصویر SEM

قدرت تفکیک SEM

قدرت تفكيك به عنوان كوچكترين فاصله دو نقطه كه ميكروسكوپ مي تواند به صورت مجزا تشخيص دهد است. بنابراين قدرت تفكيك كاري دستگاه نمي تواند بهتر از اندازه نقطه تصويري باشد.

بهترين قدرت تفكيك كاري SEM ،اندازه نقطه تصوير است كه به بزرگنمايي دستگاه هم بستگي دارد. براي داشتن قدرت تفكيك بالاتر بهتر است كه اندازه پروب كاهش يابد. با كاهش قطر پروب جريان پرتو هم كاهش مي يابد. بنابراين ممكن است سيگنال مورد نياز توليد نشود. بنابراين قدرت تفكيك نهايي در SEM كوچك ترين اندازه پروبي است كه بتواند سيگنال كافي از نمونه را فراهم كند.

شکل 4: نمونه هایی از تصویر SEM

برای آشنایی بیشتر با روش تصویر برداری SEM و تفاوت آن با میکروسکوپ نوری، توانمندی های این روش، ویدئوی زیر را می توانید مشاهده نماید.