میکروسکوپ الکترونی روبشی یا SEM + معرفی کتاب

تاریخچه:

در سال ۱۹۲۶، بوش مسیر حرکت ذرات باردار را در محور میدان مغناطیسی و الکتریکی متقارنی مورد مطالعه قرار داد. او دریافت که چنین میادینی می توانند مانند عدسی ها باعث انحراف الکترون ها (یا ذرات باردار دیگر) شود و حرکت آن ها را متاثر سازد. در همان سال ها فیزیکدانی فرانسوی به نام بروگلی حرکت موجی ذرات باردار را معرفی کرد و نشان داد که ذرات باردار دارای بسامد و در نتیجه طول موجی ویژه هستند. بهدنبال این دو کشف بزرگ، دیدگاه ساخت میکروسکوپ های الکترونی و کنکاش در ماده به کمک پرتو الکترونی شکل گرفت. در سال ۱۹۳۱ راسکا به همراه گروهش در آلمان رهیافت بروگلی را ادامه دادند و به تحقیق درباره ی میکروسکوپ های الکترونی پرداختند. آن ها دریافتند که الکترون ها نسبت به نور می توانند قدرت تفکیک بسیار بالاتری را فراهم کنند.

نخستین تلاش های جدی در طراحی میکروسکوپ الکترونی روبشی به سال ۱۹۳۵ باز می گردد که نول و همکارانش در آلمان پژوهش هایی در این زمینه انجام دادند. در آن سال، نول و راسکا اولین میکروسکوپ الکترونی روبشی را ساختند. در سال ۱۹۴۲، اولین میکروسکوپ الکترونی روبشی حقیقی که به کمک آن نمونه های ضخیم نیز مورد مطالعه قرار می گرفت، توسط زورکین طراحی شد. قدرت تفکیک میکروسکوپ های اولیه در حدود ۵۰ نانومتر بود. امروزه میکروسکوپ های الکترونی روبشی قابلیت عکس برداری از سطوح با بزرگنمایی ۱۰ تا ۵۰۰۰۰۰ برابر، با قدرت تفکیکی در حدود ۳ تا ۱۰۰ نانومتر را دارا می باشند.

نمایی از میکروسکوپ الکترونی روبشی(SEM)

معرفی:

میکروسکوپ الکترونی روبشی را می توان دستگاهی دانست که کاربردهای محدود میکروسکوپ نوری را برای مطالعه ریزساختار نمونه ها در بزرگنمایی های بسیار بیشتر، قدرت تفکیک بالاتر و عمق میدان بزرگ تر و مطلوب تر گسترش داده است. به وسیله این میکروسکوپ ها از نمونه هایی که دارای سطحی ناصاف با پستی بلندی های زیاد می باشند (مانند سطوح شکست) میتوان تصاویر مطلوبی تهیه کرد. در SEM، یک پویشگر(probe) پرتو الکترونی با انرژی مشخص روی نمونه متمرکز شده و روی مسیر مستقیم، نمونه را روبش میکند. اطلاعات گوناگونی در نتیجه برخورد این پرتو الکترونی با سطح نمونه به دست می آید که به وسیله تجهیزاتی به نام آشکارساز جمع آوری می شود تا برای تشکیل تصویر و یا آنالیز سطح نمونه به کار رود. از مهم ترین سیگنال های تولیدی می توان الکترون های ثانویه نمونه، الکترون های برگشتی پرتو اولیه و همچنین پرتو X مشخصه را نام برد.

میکروسکوپ های الکترونی روبشی مزایای زیادی دارند که برخی از آنان عبارتند از:

نیازی به آماده سازی نمونه به طریقه خاصی ندارند (آماده سازی راحت).
نمونه های کوچک و بزرگ با این میکروسکوپ قابل مطالعه است.
دارای قدرت تفکیک بالایی هستند.
به دلیل داشتن عمق میدان بالا، تصاویر SEM سه بعدی هستند و تفسیر آن ها نیز راحت و آسان است.
قابلیت داشتن محدوده وسیعی از بزرگنمایی تقریباً از ۱۰ تا ۵۰۰۰۰۰ برابر
قابلیت تجهیز به سیستم های آنالیز شیمیایی EDS و WDS
قابلیت انجام مطالعات کریستالوگرافی

واکنش های پرتو الکترونی با سطح:

هنگامی که پرتو الکترونی به سطح نمونه ای برخورد می کند، واکنش های گوناگونی به وجود می آید که به طور عمده عبارتند از: پراکندگی الاستیک و پراکندگی غیر الاستیک

پراکندگی الاستیک

در این حالت مسیر حرکت الکترون ها تغییر می کند ولی انرژی آن ها به میزان بسیار اندکی تغییر می کند که قابل چشم پوشی است. پراکندگی الاستیک در اثر اندرکنش های کولمبی بین پرتو الکترونی و هسته اتم های نمونه و هم چنین الکترون های پیرامون هسته به وجود می آید. این پراکندگی ها می توانند مسیر حرکت الکترون ها را تا ۱۸۰° و یا زوایای کمتر از ۵° تغییر دهند. اگر تغییر مسیر الکترون ها بیشتر از ۹۰° باشد، این الکترون ها دارای انرژی در حد پرتو ورودی بوده و اصطلاحاً گفته می شود که به صورت الاستیکی برگشت کرده اند. به این الکترون ها “الکترون های برگشتی” می گویند.

پراکندگی غیر الاستیک

در این نوع پراکندگی، پرتو الکترونی تابشی، بخشی از انرژی جنبشی خود را در برخورد با نمونه از دست می دهد و انرژی آن کاهش پیدا کرده و تحت زوایای کوچک منحرف می شود. کاهش انرژی پرتو الکترونی در پراکندگی غیر الاستیک به چند طریق خود را نشان می دهد، که عباتند از:

تولید فونون
تهییج پلاسمون
تولید پرتو X برمسترالونگ (Bremsstrahlung)
خروج الکترون های باند هدایت
تولید پرتو ایکس مشخصه و الکترون اوژه
نور مرئی (کاتدولومینسانس- Cathodoluminescence)

در تصویر زیر تمامی این برهمکنش ها نشان داده شده است.

حجم برهمکنش الکترون و ماده

تقابل بین پرتو الکترونی با سطح نمونه، باعث ایجاد بازتاب های گوناگونی مانند الکترون های برگشتی پر انرژی، الکترون های ثانویه کم انرژی، الکترون اوژه، پرتو ایکس مشخصه و پیوسته می شود. تمامی این بازتاب ها در حجمی زیر سطح نمونه، دارای محدوده ای مشخص می باشد. تمامی واکنش های الاستیک و غیر الاستیکی پرتو الکترونی با نمونه، در داخل حجمی گلابی شکل، درون نمونه رخ می دهد، که اصطلاحاً حجم واکنش یا حجم برهمکنش نامیده می شود. شکل زیر به صورت طرح واره حجم برهمکنش و نواحی مرتبط با سینگال های مختلف را نشان می دهد.

انواع بازتاب های مورد استفاده در SEM:

الکترون های برگشتی

از واکنش الاستیک بین پرتو الکترونی و سطح نمونه، الکترون های پرانرژی که الکترون های برگشتی نامیده می شوند، از نمونه ساطع می گردند. این الکترون ها به دلیل داشتن انرژی بالا از عمق بیشتری از نمونه خارج می شوند. لازم به ذکر است که هرچه از سطح به عمق حرکت کنیم، قدرت تفکیک کاهش می یابد. به عبارتی سیگنال های خروجی از نزدیکی سطح نمونه، دارای قدرت تفکیک بالاتری در تصویرسازی می باشند. الکترون های برگشتی دارای طیف وسیعی از انرژی می باشند. این الکترون ها که فقط چند بار تفرق کرده و از حجمی نزدیک به سطح نمونه خارج شده اند، نسبت به آن هایی که با تعداد تفرق های بسیار بیشتر به عمق نمونه حرکت کرده اند، قدرت تفکیک بیشتری دارند. ضریب الکترون های برگشتی با افزایش عدد اتمی نمونه، افزایش می یابد. بنابراین، میزان برگشت الکترون ها از فازهای مختلف می تواند نشان دهنده اختلاف عدد اتمی در نواحی و فازهای مختلف نمونه باشد.

الکترون های ثانویه

الکترون های ثانویه که همان الکترون های نمونه می باشد، حاصل برخوردهای غیر الاستیک بوده و به خاطر خارج شدن از محدوده بسیار کوچکی از ماده که درست در زیر پرتو الکترونی قرار دارد، دارای قدرت تفکیک بسیار بهتری نسبت به الکترون های برگشتی هستند. لذا کیفیت تصویر حاصل از این الکترون ها نسبت به الکترون های برگشتی بسیار بالاتر می باشد. ضریب الکترون های ثانویه تقریباً مستقل از عدد اتمی بوده و در نتیجه این نوع الکترون ها کنتراست ناشی از عدد اتمی را ایجاد نمی کنند، ولی همانند الکترون های برگشتی، دارای کنتراست توپوگرافی می باشند.

در شکل زیر الکترون های برگشتی (مسیر آبی) و الکترون های ثانویه (جهات قرمز) نشان داده شده است:

امروزه با پیشرفت های چشم گیری که در زمینه میکروسکوپ های الکترونی حاصل شده است، این دستگاه ها به ابزاری جداناپذیر از تحقیقات متالورژیکی تبدیل شده اند. به شما همراهان گرامی سایت عصر مواد، به منظور بهره مندی از نکات و توضیحات تکمیلی در خصوص میکروسکوپ های الکترونی روبشی، مطالعه فصل اول از هندبوک Scanning Microscopy for Nanotechnology تالیف Weilie Zhou (دانشگاه نیواورلئان) و همکاران ایشان از انتشارات Springer پیشنهاد می شود. این فصل با عنوان Fundamentals of Scanning Electron Microscopy در ۴۰ صفحه به شرح کاملی از مشخصات پرتوالکترونی، انواع بازتاب های مورد استفاده در SEM، ساختار و اجزاء SEM و نحوه تشکیل تصویر در SEM می پردازد.

علاقمندان می توانند این فصل از کتاب را از لینک زیر در عصر مواد دریافت کنند:

Fundamentals of scanning electron microscopy

فرمت: PDF

تعداد صفحه: ۴۲

زبان: انگلیسی

حجم: ۶٫۹ مگابایت

لینک دانلود: