mikroskop elektronowy skaningowy
 
Encyklopedia
mikroskop elektronowy skaningowy, ang. Scanning Elektron Microscope (SEM),
rodzaj mikroskopu elektronowego, w którym wiązka elektronów, skupiona na powierzchni badanej próbki w plamkę o bardzo małej średnicy (do 0,1 nm), omiata wybrany prostokątny obszar powierzchni ruchem skanującym, linia po linii.
Wiązka elektronów, wytworzona w dziale elektronowym, jest przyspieszana w polu elektr. o potencjale 0,1–30 kV i skupiana przez soczewki elektromagnetyczne; cewki odchylające nadają jej ruch skanujący. W kolumnie m.e.s., przez którą przechodzi wiązka elektronowa, jest utrzymywana próżnia. Elektrony wiązki wnikają w próbkę na niewielką głębokość (zależną od materiału próbki i energii elektronów, np. dla miedzi od 50 nm przy 2 keV do 1 µm przy 29 keV), ulegając wielokrotnym rozproszeniom. Niewielka część elektronów z powrotem wychodzi z próbki (tzw. elektrony wstecznie rozproszone o energii zbliżonej do elektronów padających), a te, które w niej zostają, tracą energię w różnego rodzaju oddziaływaniach, czemu towarzyszy emisja elektronów wtórnych, elektronów Augera, promieni rentgenowskich, promieniowania świetlnego. Część energii elektronów zostaje zużyta m.in. na wzbudzenie fononów (próbka ogrzewa się), plazmonów, w półprzewodnikach na utworzenie par elektron–dziura. Promieniowanie towarzyszące tym oddziaływaniom można wykorzystać (po zastosowaniu odpowiedniego detektora) do tworzenia obrazu próbki oglądanego na ekranie monitora (najczęściej wykorzystuje się emisję elektronów wtórnych, których powstaje najwięcej).
Emitowane przez próbkę elektrony wtórne lub wstecznie rozproszone zostają wychwycone przez detektor, a sygnał wychodzący z detektora, po wzmocnieniu, steruje jasnością wiązki elektronów poruszającej się po ekranie monitora obrazowego, synchronicznie z ruchem wiązki skanującej próbkę; obraz jest zatem tworzony czysto elektronicznie, bez udziału soczewek, i jest pewnego rodzaju mapą intensywności emisji elektronów wtórnych lub rozproszonych; różnice w ilości emitowanych elektronów, związane z lokalnymi różnicami kąta padania wiązki na nierówności powierzchni albo ze zróżnicowanym składem chem., powodują powstanie kontrastów w obrazie. Zwykle używa się różnych detektorów dla elektronów wtórnych (o małej energii) i dla elektronów wstecznie rozproszonych. Zastosowanie do tworzenia obrazu detektora promieniowania rentgenowskiego, sprzężonego z analizatorem energii tego promieniowania (spektrometrem rentgenowskim), umożliwia dokonywanie analiz chem. wybranych obszarów, a nawet uzyskanie mapy składu chem. fragmentów próbki; w przypadku niektórych rozwiązań konstrukcyjnych (np. w transmisyjnym m.e.s.) można przeprowadzać analizę składu fragmentów próbek o objętości rzędu 1 nm3. W zależności od analizowanego promieniowania uzyskuje się różne obrazy tego samego obiektu, np. powierzchni próbki, które zwykle są łącznie interpretowane, co zwiększa dokładność informacji.
Powiększenie m.e.s. jest mierzone prostym stosunkiem wielkości ekranu monitora obrazowego do wielkości skanowanego obszaru i można go zmieniać w szerokich granicach, dochodzących do kilkuset tys. razy. Rozdzielczość najlepszych m.e.s. sięga obecnie (2003) 1 nm. Buduje się m.e.s. mogące efektywnie pracować również przy niskich napięciach przyspieszających (100–1000 V), w których elektrony bombardujące próbkę mają mniejszą energię i wnikają w nią na mniejszą głębokość, wskutek czego obszar rozproszeń decydujący o rozdzielczości jest mniejszy. Stosuje się również transmisyjne m.e.s. (STEM) o konstrukcji stanowiącej połączenie konstrukcji m.e.s. i mikroskopu elektronowego transmisyjnego (TEM). Skupiona w bardzo małą plamkę wiązka elektronów skanuje cienki preparat, a detektory elektronów przechodzących i rozproszonych znajdują się pod próbką. Zdolność rozdzielcza i powiększenia STEM są takie same jak TEM. M.e.s. odznaczają się bardzo dużą głębią ostrości, dzięki czemu stosuje się je do badania preparatów o nierównej powierzchni (przełomów materiałów konstrukcyjnych, całych mikroorganizmów, powierzchni materiałów, np. papieru, tkanin).
Obrazy otrzymane w m.e.s. na ekranie monitora rejestruje się metodą fot.; coraz częściej stosuje się też rejestrację cyfrową, a mapę natężeń sygnałów z detektora zapisuje się w pamięci komputera; sposób ten umożliwia poddawanie obrazu różnego rodzaju analizom ilościowym oraz bezpośrednie określanie wielkości szczegółów badanych obiektów. Metody badania substancji za pomocą m.e.s. najczęściej nie wymagają specjalnego przygotowania próbek. Trudności sprawiają jedynie próbki mokre (takimi są żywe organizmy) lub silnie porowate. Dla próbek mikroorganizmów oprac. specjalne metody suszenia nie powodujące deformacji (tzw. suszenie w punkcie kryt.). Konstruuje się również m.e.s. mogące pracować przy wyższym ciśnieniu (sięgającym ciśnienia pary nasyconej wody w temperaturze 20°C), w obecności gazu w komorze obserwacyjnej. Umożliwiają one m.in. badania mokrych próbek bez suszenia, a także dynamiczne badania przebiegu procesów suszenia lub zwilżania oraz procesu topnienia niektórych materiałów.
M.e.s. został zaprojektowany 1938 przez niem. fizyka M. von Ardenne’a, przyrząd powstał jednak dopiero w połowie lat 60., ponieważ jego konstrukcja wymagała użycia zaawansowanych elementów elektronicznych. M.e.s. znalazł zastosowanie we wszystkich prawie dziedzinach nauki i techniki, wszędzie tam, gdzie są potrzebne informacje o morfologii powierzchni i składzie chem. mikroobiektów, a więc w badaniach nauk. (fizyka, chemia, biologia, archeologia), laboratoriach przem., kryminalistyce, a także w przemyśle elektronicznym do kontroli produkcji układów scalonych.
Jan Kozubowski
Bibliografia
A. Oleś Metody doświadczalne fizyki ciała stałego, Warszawa 1998.
Ilustracje
Mikroskop elektronowy skaningowy, schemat budowywyk. Studio BAMA/Archiwum Ilustracji WN PWN SA © Wydawnictwo Naukowe PWN
Przeglądaj encyklopedię
Przeglądaj tabele i zestawienia
Przeglądaj ilustracje i multimedia