آنالیز SEM یکی از روش های پرکاربرد برای مشخصه یابی مواد معدنی و آلی جامد در مقیاس های بسیار کوچک میکرومتری تا نانومتر می باشد. دلیل اصلی کاربرد زیاد آنالیز SEM گرفتن تصاویر سه بعدی همراه با قدرت تفکیک های بالا در حدود ۱ تا ۵ نانومتر (۱۰ تا ۵۰ آنگستروم) از سطوح طیف گسترده ای از مواد می باشد.
اولین بار ایده ساخت این میکروسکوپ ها در سال ۱۹۳۵ مطرح شد. در این میکروسکوپ ناحیه و یا حجم کوچکی که قرار است آنالیز شود در معرض بیم الکترونی قرار می گیرد که ممکن است برای تشکیل تصویر سطح را روبش کنند و یا برای گرفتن آنالیزهای عنصری در نقطه ای متمرکز شوند. در اثر برهمکنش الکترون با سطح نمونه سیگنال های متفاوتی شامل الکترون های برگشتی، الکترون های ثانویه، پرتو ایکس مشخصه و فوتون های دیگر با انرژی های مختلف تولید می شوند. هر کدام از این سیگنال ها از حجم تبادلاتی مشخصی ساطع می شوند و از آن ها می توان مشخصات مختلف نمونه مانند تصاویر توپوگرافی، آنالیز عنصری، کریستالوگرافی و … را بدست آورد.
مهمترین دلیل ایجاد تصاویر سه بعدی عمق میدان بزرگ SEM می باشد.
شکل 1: مثالی از یک تصویر سه بعدی از یک نمونه بیولوژیک
مهمترین سیگنال تصویر برداری آنالیز SEM
مهمترین سیگنال ها برای تصویر برداری الکترون های برگشتی و ثانویه هستند که در نتیجه تفاوت در توپوگرافی سطح نمونه ایجاد می شوند. در شکل زیر نحوه تشکیل این الکترون ها نشان داده شده است. ساطع شدن الکترون های ثانویه از حجم بسیار کوچکی در محل برهمکنش الکترون های فرودی با سطح نمونه اتفاق می افتند. قدرت تفکیک تصاویر ایجاد شده با استفاده از الکترون های ثانویه در حد ابعاد بیم الکترونی متمرکز شده روی سطح نمونه می باشد. نکته مهم در مورد الکترون های ثانویه این است که در انرژی های مشخصی از بیم الکترونی فرودی ایجاد می شوند. بنابراین با کنترل کردن ابعاد بیم الکترونی فرودی روی سطح نمونه می توان قدرت تفکیک و در نتیجه کیفیت تصاویر را تصویر برداری با الکترون های ثانویه کنترل نمود.
این کار توسط اپراتورها و کسانی که با دستگاه کار می کنند قابل انجام است. یکی از بزرگترین پیشرفت ها در زمینه توسعه SEM قابلیت تشخیص ساختارهای بلوری و همچنین تشخیص جهت گیری دانه ها روی سطح مواد مورد مطالعه بود. این قابلیت با استفاده از الکترون های برگشتی متفرق شده از سطح نمونه امکان پذیر شد و تحت عنوان EBSD شهرت پیدا کرده است. در حال حاضر آشکارسازهای EBSD برای تشخیص موارد بالا در میکروسکوپ های SEM به عنوان یک گزینه قابل تهیه هستند.
شکل 2: الکترون های برگشتی متفرق شده از سطح نمونه و الکترون هایی ثانویه
یکی دیگر از سیگنال های ناشی از برهمکنش الکترون ها با سطح نمونه، پرتو ایکس مشخصه می باشد. با مطالعه پرتو ایکس مشخصه ساطع شده از نمونه می توان هم اطلاعات کیفی از عناصر موجود در نمونه و هم اطلاعات کمی از آنها در ابعاد ۱ میکرومتر روی سطح و ۱ میکرومتر در عمق نمونه بدست آورد.
از مهمترین اجرای میکروسوپ الکترونی روبشی می توان به سیستم لنزهای آن، آشکارسازهای الکترون و تفنگ الکترونی اشاره کرد. سیستم عدسی ها در میکروسکوپ های الکترونی از سیم پیچ های الکتریکی تشکیل شده است که وظیفه اصلی آن ها متمرکز کردن باریکه الکترونی روی سطح نمونه و جاروب کردن آن می باشد. این کار با استفاده از نیروهای مغناطیسی ناشی از جریان های الکتریکی که به بیم الکترونی وارد می شوند، انجام می شود. انواع مختلفی از آشکارسازها با قابلیت ها و نحوه عملکرد متفاوت در SEM وجود دارند که تهیه برخی از آن ها مانند EBSD به عنوان امکانات جانبی محسوب می شود.
برای آشنایی بیشتر با عملکرد میکروسکوپ الکترونی روبشی SEM در تصویربرداری از مواد ویدئوی زیر را مشاهده نمایید:
