میکروسکوپ الکترونی SEM

یکی از ابزارهای مورد استفاده در فناوری نانو است که به کمک بمباران الکترونی تصاویر اجسامی به کوچکی 10nm  را برای مطالعه تهیه می کند ساخت SEM سبب می شود تا محققان بتوانند نمونه های بزرگتر را به سادگی و با وضوح بیشتر مطالعه کنند بمباران نمونه سبب می شود تا از نمونه الکترونهایی به سمت صفحه دارای بار مثبت رها شوند که این الکترونها در آنجا تبدیل به سیگنال می شوند حرکت پرتو بر روی نمونه مجموعه ای از سیگنال ها را فراهم می کند که بر این اساس میکروسکوپ می تواند تصویری از سطح نمونه را بر صفحه کامپیوتر نمایش دهد . SEM اطلاعات زیر در خصوص نمونه در اختیار می گذارد :

1-توپوگرافی نمونه : تصویر گرفتن از سطوح در بزرگنمایی 10 تا 100000 برابر با قدرت تفکیک در حدود 3 تا 100 نانومتر (خصوصیات سطح )

2- مورفولوژی :

شکل : هر جامر یا مایعی که فشار بخار کمی دارد .

اندازه: محدودیت اندازه توسط طراحی میکروسکوپ الکترونی روبی موجود تعیین می شود . معمولا نمونه هایی به بزرگی 15 تا 20 سانتیمتر را می توان در میکروسکوپ قرار داد ولی نمونه های cm 8-4 را می توان بدون جابجا کردن نمونه بررسی نمود .

نحوه قرار گیری ذرات در سطح جسم .

3- ترکیب : شناسایی مشخصات شیمیایی اجزائی به کوچکی چند میکرون روی سطح نمونه (اجزائی که نمونه را می سازند ) .

 

اجزای SEM :

تفنگ الکترونی : پرتو تک رنگی از الکترون با جریان Ie تولید می کند .

عدسی متمرکز کننده : اغلب الکترون ها را جمع آوری می کند و تصویر کوچک شده ای از فیلامان در فاصله v از عدسی متمرکز کننده ایجاد می کند .

عدسی شیئی : برای کوچکتر کردن تصویر فیلامان استفاده می شود .

کویل روبشی : انحراف پرتو توسط فعال کردن کویل ها صورت می گیرد ، که SEM معمولا دو دسته از این کویل ها دارد که برای اسکن کردن یک خط دو جفت کویل عمود بر هم لازم است که پرتو را در جهات متقابل حرکت می دهند . آماده سازی نمونه جهت بررسی در SEM

از آنجا که در اغلب موارد SEM برای مطالعه موفولوژی سطح بکار می رود معمولا از نمونه های بزرگ استفاده می شود و بنابراین آماده سازی نمونه برای SEM بسیار آسان تر از آماده سازی نمونه برای TEM است . از آنجا که هیچ عدسی در زیر نمونه وجود ندارد فضای زیادی برای قرار دادن نمونه وجود دارد تمام فلزات رسانا هستند لذا نیازی به آماده سازی آنها برای تهیه تصویر با SEM نیست اما نمونه هایی غیر هادی مانند سرامیک ها ، پلیمرها و مواد بیولوژیکی مشکل خواهند داشت . در این موارد معمولا نمونه را با یک لایه نازک هادی طلا یا کربن می پوشانند . امروزه اینکار به راحتی توسط دستگاه پوشش دهنده (Sputter coating) انجام می شود که برای اینکار از میدان الکتریکی و گاز آرگون استفاده می شود برای اینکار نمونه در یک محفظه خلا قرار داده می شود و گاز آرگون ومیدان مغناطیسی سبب می شود که الکترون از آرگون جدا شده وسبب می شوند تا اتم ها بار مثبت داشته باشند . یون های آرگون توسط فویل طلای دارای بار منفی جذب می شوند ، یون های آرگون به اتم های طلای سطح فویل طلا برخورد می کنند این اتمهای طلا روی سطح نمونه قرار می گیرند و سبب ایجاد یک پوشش رسانا از طلا بر سطح نمونه می شوند .

نحوه کار دستگاه :

منبع الکترونی (تفنگ الکترونی ) معمولا از نوع انتشار ترمیونیکی فیلامان یا رشته تنگستنی است پرتویی از الکترون ها به کمک تفنگ الکترونی میکروسکوپ تولید می شود و معمولا الکتروها بین Kev 30-1 شتاب داده می شوند که بسیار کمتر از انرژی معمول TEM (kev 300-100 ) است . پرتوی الکترونی در خلأ به صورت عمودی از میکروسکوپ عبور می کند و سپس دو یا سه عدسی متمرکز کننده پرتو الکترونی را کوچک می کنند تا حدی که در موقع برخورد با نمونه قطر آن در حدود nm 10-2 است و به محض برخورد پرتو با نمونه الکترونها و اشعه x از نمونه خارج می شوند در دستگاههای قدیمی تر یک پرتو الکترونی ظریف به کمک کویهای اسکن روی سطح نمونه اسکن یا جاروب می شود و یک آشکا ساز تعداد الکترونهای ثانویه کم انرژی یا تششعات دیگری که از سطح منتشر می شود را می شمارد و همزمان یک لامپ پرتو کاتدی (CRT)  سطح صفحه نمایش را اسکن می کند . پرتو الکترونی و CRT هر دو مشابه به یک تلویزیون یعنی به صورت خطوط موازی در یک فریم سطح را اسکن می کنند ، در میکروسکوپ های جدید این کار با کنترل جای پرتو بر روی نمونه و نمایش تصویر بر روی مانیتور کامپیوتر انجام می شود .

انواع آشکار سازها در SEM

1-    آشکار سازی الکترون ثانویه : تا به حال متداول ترین سیگنالی که در SEM استفاده می شود الکترون های ثانویه توسط یک سیستم افزاینده نوری – جرقه زن (Scintillator-photomultiplier) که بنام آشکار ساز Evenrhart-Thornley نامیده می شود آشکار می شود .

الکترون های ثانویه به یک جرقه زن (مثلا فسفر ) برخورد کرده و نور منتشر می کند سپس نور توسط یک لوله نوری به یک افزاینده نوری منتقل می شود که نور را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند سپس این سیگنال تقویت شده و شدت CRT تعیین می کند .

2-  آشکار ساز الکترون برگشتی : (BE)

اغلب میکروسکوپها مجهز به یکی از سه نوع آشکار ساز مخصوص الکترونهای برگشتی هستند .

الف ) آشکار سازهای جرقه زن : (Scintillator detector)

این آشکار سازها از نوع جرقه زن (لوله نوری ) افزاینده نوری هستند و به گونه ای طراحی شده اند که بیشینه زاویه جمع آوری را داشته باشند .

مزیت : زمان پاسخ سریع آنهاست یعنی همانند آشکار ساز Evenrhart Thornley می توانند برای سرعت های اسکن استفاده شوند .

عیب : حجیم اند و ممکن است فاصله کاری میکروسکوپ را محدود کنند مثلا برای جمع آوری پرتو x احتیاج به دور کردن این آشکار سازها از ستون میکروسکوپ باشد .

ب) آشکار سازهای جامد : (Solid detectors)

در اثر برخورد یک الکترون پرانرژی به یک نیمه هادی جفت های الکترون بسیاری ایجاد می شود ، در حالت عادی به سرعت با هم ترکیب می شوند یعنی الکترون ها به سرعت به سرجای خود بر می گردند اما اگر ولتاژی به دو سر نمونه نیمه هادی اعمال شود الکترونها و جاهای خالی قبل از تلفیق دوباره ، از هم جدا می شوند و جریانی بین الکترونها برقرار می شود که در نهایت بوسیله هر کدام از این سیگنال ها می توان تصویری نمایش داد که نماینده تغییرات خواص نیمه هادی است .

عیب : زمان پاسخ نسبتا آهسته آن است که آن را برای اسکن سریع نا مناسب می سازد .

 

پ ) آشکار سازهای درون عدسی : (Through-the detectors)  

در این دستگاه از عدسی شیئی مخصوص با میدان مغناطیسی بسیار بزرگ استفاده می کنند و نمونه می تواند درون میدان مغناطیسی قوی عدسی قرار بگیرد یک آشکار ساز جرقه زن درون عدسی قرار می گیرد و الکترون های برگشتی و ثانویه از طریق عدسی به سمت این آشکار ساز حرکت می کنند .

مزیت : این سیستم راندمان جمع آوری خوبی دارد و به میکروسکوپ امکان کار در فواصل کاری بسیار کوتاه را می دهد .

عیب : باعث ایجاد محدودیت شدید در اندازه و حرکت نمونه می شود .

محدودیت های SEM :

1-    در نمونه هایی که دارای پوشش هدایت الکتریکی بالا هستند بر روی سطوح شکست یا در مواد متخلخل تجمع بار دیده می شود .

2-    انواع چسب ، روغنها ، مواد روانساز و دیگر مواد افزودنی ممکن است در خلاء بالا تبخیرشده و تصویر سازی نمونه با مشکل مواجه نماید .

شباهت SEM و TEM :

در SEM همانند TEM یک پرتو الکترونی به نمونه می تابد ، در نتیجه بعضی قسمت ها نظیر تفنگ الکترونی ، عدسی های متمرکز کننده و سیستم خلاء در هر دو دستگاه مشابه است .

منابع :

گیاهپزشکی ۱۱۰