Skaningowy mikroskop elektronowy (SEM)

Skaningowy mikroskop elektronowy to mikroskop, który wykorzystuje wiązkę elektronów do skanowania obiektu (próbki) w określonym wzorze. Próbka i wiązka elektronów wzajemnie oddziałują na siebie, dzięki czemu powstają m.in. elektrony wtórne (SE), które są wykrywane przez odpowiedni detektor, a następnie przetwarzane na obraz. Wygenerowany obraz zawiera informacje o powierzchni próbki.

Podstawowa budowa i zasada działania mikroskopu SEM

Wiązka elektronów w skaningowym mikroskopie elektronowym jest generowana przez źródło elektronów. W prostych mikroskopach SEM działo stanowi wolframowa katoda lub LaB6 lub w droższych instrumentach, działo z termiczną emisją polową (TFE). Katoda z termiczną emisją polową (emiter Schottky'ego) jest aktywnie nagrzewana, dzięki czemu ma większą intensywność wiązki. Funkcja pracy elektronów na końcówce działa jest redukowana przez powłokę z tlenku cyrkonu. Źródło elektronów działa zawsze w ultrawysokiej próżni (UHV).

Poprzez przyłożenie napięcia przyspieszającego elektrony generowane u źródła są przyspieszane w kierunku próbki. Typowe napięcia przyspieszenia dla skaningowych mikroskopów elektronowych wynoszą od 100 V do 30 kV. W drodze do próbki elektrony są odchylane lub ogniskowane głównie przez soczewki elektromagnetyczne. Apertury służą do kształtowania głównej wiązki elektronów i odfiltrowywania efektów zakłócających.

Wiązka elektronów przechodząca przez kolumnę i uderzająca w próbkę (elektrony pierwotne) powoduje interakcję w materiale. Wynikiem tych oddziaływań mogą być elektrony wtórne, elektrony wstecznie rozproszone, elektrony Augera lub charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie.

Elektrony wtórne w skaningowym mikroskopie elektronowym

Elektrony wtórne (SE) są najczęściej używane w skaningowych mikroskopach elektronowych. Są one wykrywane do obrazowania przez detektory Everhart-Thornley lub tzw. detektory inlens. Niska energia tych elektronów jest wykorzystywana w mikroskopie SEM do obrazowania topografii próbki. Detektor wychwytuje tylko elektrony wtórne, które pochodzą z obszaru powierzchni do głębokości kilku nanometrów. Niżej leżące elektrony nie opuszczają już próbki.

Kontrast obrazu zależy od wielu zmiennych, powierzchnie nachylone w kierunku detektora mogą wydawać się jaśniejsze niż powierzchnie odwrócone lub zacienione. Ponadto liczba powstających elektronów wtórnych zależy od materiału, a ewentualny naładowanie próbki ma również duży wpływ na kontrast obrazu.

Elektrony wstecznie rozproszone w skaningowym mikroskopie elektronowym

Elektrony wstecznie rozproszone (BSE) są często używane w skaningowych mikroskopach elektronowych. Wykrywane są pierwotne elektrony, które są rozproszone z powrotem z próbki i mają wyższą energię niż elektrony wtórne. Kontrasty materiałowe można szczególnie dobrze zobrazować za pomocą detektora BSE, ponieważ rozproszenie wsteczne na powierzchni próbki w dużej mierze zależy od liczby atomowej materiału. Widać to na obrazie BSE dzięki różnym kontrastom jasności, które wskazują na cięższe lub lżejsze elementy.