Fuente: Laboratorio del Dr. Andrew Steckl de J., Universidad de Cincinnati
Un microscopio electrónico de barrido o SEM, es un potente microscopio que utiliza electrones para formar una imagen. Permite obtener imágenes de muestras conductoras con aumentos que no se puede lograr usando los microscopios tradicionales. Microscopios ópticos modernos pueden alcanzar un aumento de ~ 1, 000 X, mientras que SEM típico puede alcanzar aumentos de más de 30, 000 X. Porque el SEM no usa luz para crear imágenes, las fotografías resultantes forma son en blanco y negro.
Muestras conductoras se cargan en la etapa de muestra de la SEM. Una vez que la cámara de la muestra alcanza el vacío, el usuario procederá a alinear el cañón de electrones en el sistema para la localización apropiada. El cañón de electrones dispara un haz de electrones de alta energía, que viajan a través de una combinación de lentes y aberturas y finalmente golpeó a la muestra. Mientras el cañón de electrones dispara electrones en una posición precisa en la muestra, los electrones secundarios rebotará de la muestra. Estos electrones secundarios se identifican por el detector. La señal de los electrones secundarios se amplifica y se envía al monitor, creando una imagen 3D. Este video demuestra capacidades imagen, operación y preparación de muestras SEM.
Los electrones se generan por el calentamiento por el cañón de electrones, que actúa como un cátodo. Estos electrones son impulsados hacia el ánodo, en la misma dirección que la muestra, debido a un fuerte campo eléctrico. Después se condensa el haz de electrones, entra en la lente del objetivo, que es calibrada por el usuario para una posición fija en la muestra. (Figura 1)
Una vez que los electrones golpean la muestra conductora, pueden suceder dos cosas. En primer lugar, los electrones primarios que la muestra se túnel a través de él a una profundidad que depende del nivel de energía de los electrones. Entonces, los electrones secundarios y retrodispersados golpeó la muestra y reflejar hacia el exterior de él. Estos reflejan electrones son entonces medidos por los electrones secundarios (SE) o (BS) detector de retrodispersión. Después señal de procesamiento toma lugar, se forma una imagen de la muestra en la pantalla. 1
De SE modo, se sienten atraídos por sesgo positivo en el frente del detector de electrones secundarios debido a su bajo consumo de energía. La intensidad de la señal es variada según el ángulo de la muestra. Por lo tanto, SE modo proporciona imágenes muy topográficas. Por otra parte, en el modo de BS, la dirección de los electrones es casi directamente enfrente de la dirección e la viga y la intensidad de la detección es proporcional al número atómico de la muestra. Por lo tanto, es menos topográfica, pero útil para imágenes composicionales. Modo de BS es también que menos afectados por el efecto de carga sobre la muestra, que es beneficioso para las muestras no conductoras. 1
Figura 1. Esquema de la SEM.
1. preparación de la muestra
2. inserción y SEM puesta en marcha de la muestra
3. captura de la imagen de SEM
4. realizar mediciones utilizando el Software de SEM
Análisis de microscopia electrónica, o SEM, es una técnica poderosa usada en química y material de análisis que utiliza un haz de electrones escaneadas para analizar la estructura de la superficie y composición química de una muestra.
Microscopios ópticos modernos están limitados por la interacción de las ondas de luz visibles con un objeto, llamado difracción. La más pequeña distancia puede resolver entre dos objetos, o la resolución lateral, varía dependiendo del tamaño del patrón de difracción en comparación con el tamaño del objeto. Como resultado, microscopios ópticos tienen un aumento máximo de hasta 1.000 X y una resolución lateral de hasta 200 nm en situaciones ideales.
SEM no está limitado por la difracción, ya que utiliza un haz de electrones en lugar de luz. Por lo tanto, un SEM puede alcanzar aumentos de hasta 1 millón X con resolución lateral sub-nanométrica. Además, SEM no se limita a imágenes características sólo en el plano focal, como con microscopía de luz. Así, los objetos fuera del plano focal se resuelven, en comparación con microscopia ligera donde aparecen borrosas. Esto proporciona hasta 300 veces mayor profundidad de campo SEM.
Químicos utilizan ampliamente SEM para analizar composición superficial, la estructura y la forma de entidades a nanoescala, como las partículas de catalizador.
Este video se describen los principios del instrumento SEM y demostrar los fundamentos de la operación en el laboratorio y preparación de muestras SEM.
En SEM, las muestras deben ser conductoras para la proyección de imagen convencional. Muestras no conductoras están recubiertas con una capa delgada de metal, tales como el oro. Imágenes luego se generan mediante la exploración de un haz concentrado de electrones de alta energía a través de la muestra.
El haz de electrones en el SEM se genera por un cañón de electrones, dotado de un cátodo de filamento de tungsteno. Los electrones son impulsados hacia el ánodo, en la dirección de la muestra, por un campo eléctrico.
El haz de electrones se enfoca entonces en lentes de condensador y entra en la lente del objetivo. El objetivo debe ser calibrado por el usuario para enfocar el haz de electrones en una posición fija en la muestra. La viga enfocada es raster escaneados a través de la muestra.
Cuando los electrones primarios interactúan con la muestra, del túnel a una profundidad que depende de la energía del haz de electrones. Esta interacción con la superficie da lugar a la emisión de electrones secundarios y retrodispersados, que luego se miden por sus detectores respectivos.
La intensidad de los electrones secundarios emitidos varía dependiendo del ángulo de la muestra. Las superficies perpendiculares a la viga suelte menos electrones secundarios y por lo tanto aparecen más oscuras. En el borde de las superficies, más electrones se liberan y el área aparece más brillante. Este fenómeno produce imágenes con un aspecto 3D bien definido, como se muestra en este análisis de SEM de amianto.
Por el contrario, los electrones de backscattered se reflejan en la dirección opuesta del haz de electrones. Detección de intensidad aumenta con el aumento del número atómico de la muestra, lo que permite la adquisición de información de composición de la superficie, como se muestra en esta imagen de retrodispersión de inclusiones en el vidrio.
Ahora que los principios del instrumento SEM han sido esbozados, el funcionamiento básico de un SEM se demostrará en el laboratorio.
Para empezar, sputter coat la muestra colocando sobre un trozo de muestra. Asegúrese de que la muestra esté completamente seca y desgasificada. Si es necesario, se puede usar cinta conductiva de carbón de doble cara para adherir la muestra para el talón. Coloque la muestra en un sistema de pulverización catódica. Farfullar unos pocos nanómetros de oro sobre la muestra. El espesor de la capa de oro variará dependiendo de si la capa interfiere con la morfología de la muestra.
Retire la muestra del sistema de pulverización catódica. Asegúrese de que hay un puente conductor de la superficie de la muestra para el trozo de metal.
Una vez que la muestra ha sido cubierta, está lista para ser fotografiada. Para ello, primero ventilar la cámara de muestras SEM y deje que la cámara a presión nominal.
Abra el compartimento de muestra de SEM y eliminar la etapa de la muestra. Coloque el trozo en el escenario de la muestra y apriete el trozo en el lugar.
Si la distancia entre la lente y la muestra, llamada la distancia de trabajo, no puede ser controlada por el software, asegúrese de que la etapa y el trozo tiene la altura apropiada para obtener una imagen.
Ponga el escenario de la muestra en la cámara de muestra y cerrar el compartimiento.
Encender las bombas de vacío y permitir que el sistema la bomba abajo.
Para comenzar la proyección de imagen, abra el software de SEM. Seleccione la deseada operación voltaje que van desde 1 a 30 kV. Con materiales de alta densidad, se deben utilizar voltajes de aceleración mayores. Seleccione el voltaje de aceleración baja para materiales de baja densidad.
La mayoría del software SEM incluye una función de enfoque automático. Esto adquirirá un enfoque de la muestra a utilizar como punto de partida.
Establezca el aumento en el nivel mínimo de zoom de 50 X.
SEM tiene modos de escaneo diferentes como escaneo rápido y escaneo lento. Modo más rápido de exploración proporciona más rápida tasa de refresco de la pantalla con una calidad más baja. Seleccione el modo de análisis rápido para comenzar, con el fin de encontrar la muestra y comenzar el enfoque grueso.
Ajuste el enfoque del curso hasta que la imagen se vuelve más aguda. A continuación, ajuste la posición de la etapa para que la región de interés se puede ver en la pantalla.
Primero, se centra en el aumento más bajo usando el foco grueso. Luego, aumentar el nivel de ampliación hasta que se observe la característica deseada. Ajuste el enfoque del curso para más o menos enfocar la imagen en este aumento. Si es necesario, ajustar un foco grueso cuando la magnificación aumenta.
A continuación, ajuste el enfoque fino para mejorar aún más la imagen. Repita estas enfocando a pasos cada vez que se aumenta la magnificación.
Distorsiones de viga asimétrica pueden provocar desenfoque de la imagen, llamada astigmatismo, incluso cuando la muestra está bien enfocada. Para disminuir este efecto, aumentar la ampliación hasta el nivel máximo y enfocar la imagen mediante el enfoque fino. Luego, ajustar la stigmation en dirección x e y para cambiar la forma de la viga.
Mantener los ajustes de enfoque y stigmation de ajuste hasta que la imagen es como posible en el nivel de ampliación mayor.
Volver al nivel de ampliación deseado.
La imagen de SEM puede ser adquirida en modo de “Foto rápida” o “foto lento”. El modo “Foto rápida” crea una imagen de calidad inferior, pero se adquiere más rápido. El modo “lento foto” crea una imagen de calidad superior, pero puede saturar la superficie con los electrones.
Para medir características dentro de la imagen capturada, utilizar herramientas de medición de software.
Mayoría de los instrumentos incluye opciones tales como longitud, área y ángulo de medición.
Para determinar longitud, seleccione la distancia a medir sobre la imagen de SEM. Haga clic en la imagen para crear los puntos de referencia que será analizada por el software.
Cuando haya terminado, apague el SEM según las directrices del fabricante.
Microscopía electrónica de barrido se utiliza para una amplia gama de muestras de la imagen.
SEM puede utilizarse para obtener imágenes de materiales altamente estructurados y complejos, como una membrana de fibra de carbono.
La muestra mostró un alto grado de porosidad y estructura dimensional tres; una propiedad que es muy conveniente para los usos tales como catálisis.
SEM puede utilizarse también para obtener imágenes de muestras biológicas, como las bacterias. En este ejemplo, el cabello como apéndices, o pili, del intestino bacterias eran reflejadas con el SEM.
Helicobacter pylori se cultivaron en placas de agar sangre y las bacterias sembradas en cubreobjetos de vidrio.
Las muestras completamente secas fueron montadas y cubiertas con 5 nm de paladio y oro para hacer la muestra conductora.
Finalmente, la muestra fue fotografiada usando SEM. H. pylori eran fácilmente visibles, con pili de nanoescala medibles.
Este ejemplo describe cómo el tejido cerebral puede ser embebido en una resina estable y luego reflejada en tres dimensiones mediante una viga de ion enfocada y SEM.
En primer lugar, tejido cerebral era fijo e incrustado en resina. Luego la región de interés identificado y cortado con un micrótomo.
La muestra entonces fue insertada en el ion enfocada viga microscopio electrónico para la proyección de imagen tridimensional. La viga de ion enfocada entonces fue utilizada para quitar secuencialmente capas finas de la muestra. Cada capa fue fotografiada antes de retirar con rayos SEM.
Sólo ha visto la introducción de Zeus para microscopía electrónica de barrido. Ahora debe entender los principios básicos de funcionamiento del SEM y cómo preparar y analizar una muestra de SEM.
¡Gracias por ver!
El SEM, visto en la Figura 2a, se ha utilizado para hacer mediciones y adquisición de fotos de muestra. La muestra consistió de sal cloruro de sodio (NaCl). Fue colocado en el talón como se ve en la figura 2b, luego de unos pocos nanómetros de oro se escupió sobre él para que sea conductora. La conductora muestra entonces fue colocada en el área de muestras SEM como se ve en la figura 2C.
Se obtuvieron imágenes de SEM a 50 X, 200 X, 500 X, 1, 000 X y 5.000 niveles de aumento de X como se ve en la figura 3. Figura 3a muestra una vista de pájaro de la muestra de sal con 50 aumentos. Figura 3b entonces aumenta a una partícula individual de sal en un aumento de 200 X. C de la figura 3 muestra este mismo nivel de aumento pero incluye área y diámetro de las mediciones realizadas dentro del software de SEM. Figura 3d zoom luego a 500 X, que muestra el área de interés en la partícula de sal. Figura 3e muestra un aumento de 1, 000 X, que le permitirán observar la esquina de la partícula de sal que ha sido dañada. Figura 3f muestra un aumento de 5, 000 X, lo que permite al usuario ver la estructura de la partícula de sal.
Figura 2. (a) imagen de SEM. b NaCl sal se coloca sobre el trozo de muestra con cinta de carbón. (c) trozo muestra colocado en etapa de muestra SEM después fue tratado con recubrimiento de oro.
Figura 3. Imágenes de SEM de la muestra en varios niveles de magnificación: (a) 50 X, (b) 200 X, (c) de 200 X con las mediciones, (d) 500 X, (e) 1, 000 X y (f) 5, 000 X.
El SEM es una herramienta muy poderosa que es común en la mayoría de las instituciones de investigación debido a su capacidad a la imagen de cualquier objeto que es conductor, o ha sido tratada con una capa conductora. El SEM se ha utilizado para obtener imágenes de objetos tales como dispositivos de semiconductor, las membranas biológicas2 ,3 y4 entre otros insectos. También hemos usado el SEM para analizar nanofibras y materiales en papel, biomateriales, estructuras micropatterned. Por supuesto, hay materiales como líquidos, que no se puede colocar en un SEM estándar para la proyección de imagen, pero continua desarrollo de microscopios electrónicos de barrido ambiental (ESEM) permite dicha funcionalidad. ESEM es similar a SEM que utiliza un arma de electrón y analiza la interacción de electrones con la muestra. La principal diferencia es que el ESEM se divide en dos cámaras separadas. La cámara superior consiste en el arma de electrón y entra en un estado de vacío alto, mientras que la cámara inferior contiene la muestra y entra en un estado de alta presión. Porque el área de la muestra no necesita entrar en un vacío, las muestras húmedas o biológicas pueden utilizarse durante el proceso de proyección de imagen. Otro beneficio ESEM es que la muestra no necesita ser recubierto con un material conductor. Sin embargo, ESEM presenta algunas desventajas del contraste de la imagen baja y pequeña distancia de trabajo debido al ambiente de gas en la cámara de muestras. . La regla general es que si eres capaz de cubrir una muestra con una capa conductora, entonces puede ser reflejada en un SEM, lo que para que casi todos los objetos sólidos a analizar.
Scanning electron microscopy, or SEM, is a powerful technique used in chemistry and material analysis that uses a scanned electron beam to analyze the surface structure and chemical composition of a sample.
Modern light microscopes are limited by the interaction of visible light waves with an object, called diffraction. The smallest resolvable distance between two objects, or the lateral resolution, varies depending on the size of the diffraction pattern as compared to the object size. As a result, light microscopes have a maximum magnification of up to 1,000X and a lateral resolution of up to 200 nm in ideal situations.
SEM is not limited by diffraction, as it uses a beam of electrons rather than light. Therefore, an SEM can reach magnifications of up to one million X with sub-nanometer lateral resolution. In addition, SEM is not limited to imaging features only in the focal plane, as with light microscopy. Thus, objects outside of the focal plane are resolved, as opposed to light microscopy where they appear blurry. This provides up to 300 times increased depth of field with SEM.
Chemists widely use SEM to analyze surface composition, structure, and shape of nanoscale entities, such as catalyst particles.
This video will outline the principles of the SEM instrument, and demonstrate the basics of SEM sample preparation and operation in the laboratory.
In SEM, samples must be conductive for conventional imaging. Non-conductive samples are coated with a thin layer of metal, such as gold. Images are then generated by scanning a focused beam of high-energy electrons across the sample.
The electron beam used in SEM is generated by an electron gun, fitted with a tungsten filament cathode. The electrons are propelled toward the anode, in the direction of the sample, by an electric field.
The electron beam is then focused at condenser lenses, and enters the objective lens. The objective lens must be calibrated by the user to focus the electron beam on a fixed position on the sample. The focused beam is then raster scanned across the sample.
When the primary electrons interact with the sample, they tunnel to a depth that is dependent on the electron beam energy. This interaction with the surface results in the emission of secondary and backscattered electrons, which are then measured by their respective detectors.
The signal intensity of the emitted secondary electrons varies depending on the angle of the sample. Surfaces perpendicular to the beam release fewer secondary electrons, and therefore appear darker. At the edge of surfaces, more electrons are released and the area appears brighter. This phenomenon produces images with a well-defined 3D appearance, as shown in this SEM scan of asbestos.
In contrast, backscattered electrons are reflected in the opposite direction of the electron beam. Detection intensity increases with increasing atomic number of the sample, enabling the acquisition of compositional information of a surface, as shown in this backscatter image of inclusions in glass.
Now that the principles of the SEM instrument have been outlined, the basic operation of an SEM will be demonstrated in the laboratory.
To begin, sputter coat the sample by placing it onto a sample stub. Make sure that the sample is completely dry and degassed. If necessary, double-sided conductive carbon tape may be used to adhere the sample to the stub. Place the sample into a sputtering system. Sputter a few nanometers of gold onto the sample. The thickness of the gold layer will vary depending on if the coating interferes with the morphology of the sample.
Remove the sample from the sputtering system. Ensure that there is a conductive bridge from the sample surface to the metal stub.
Once the sample has been coated, it is ready to be imaged. To do so, first vent the SEM sample chamber and allow the chamber to reach nominal pressure.
Open the SEM sample compartment, and remove the sample stage. Place the stub onto the sample stage, and tighten the stub in place.
If the distance between the lens and sample, called the working distance, cannot be controlled by the software, ensure that the stage and stub have the proper height to obtain an image.
Put the sample stage into the sample chamber, and close the compartment.
Turn on the vacuum pumps and allow the system to pump down.
To begin imaging, open the SEM software. Select the desired operating voltage ranging from 1–30 kV. With high-density materials, higher acceleration voltages should be used. Select low accelerating voltage for low-density materials.
Most SEM software includes an auto focus feature. This will acquire a focus of the sample to use as a starting point.
Set the magnification to the minimum zoom level of 50X.
SEM has different scan modes such as fast scan, and slow scan. Faster scan mode provides faster refresh rate of the screen with lower quality. Select the fast scan mode to begin, in order to find the sample and begin coarse focusing.
Adjust the course focus until the image becomes sharper. Next, adjust the stage positioning so the region of interest can be seen on the display.
First, focus at the lowest magnification using the coarse focus. Then, increase the magnification level until the desired feature is observed. Adjust the course focus to roughly focus the image at this magnification. If necessary, adjust a coarse focus when the magnification increased.
Then, adjust the fine focus to further improve the image. Repeat these focusing steps every time the magnification is increased.
Asymmetrical beam distortions can cause blurring of the image, called astigmatism, even when the sample is well focused. To diminish this effect, increase the magnification to the maximum level, and focus the image using the fine focus. Then adjust the stigmation in both the x and y direction to reshape the beam.
Keep adjusting the focus and stigmation settings until the image is as focused as possible at the increased magnification level.
Then return to the desired magnification level.
The SEM image can be acquired in either “slow photo” or “fast photo” mode. The “fast photo” mode creates a lower quality image, but is acquired faster. The “slow photo” mode creates a higher quality image, but may saturate the surface with electrons.
To measure features within the captured image, utilize the software’s measurement tools.
Most instruments include measurement options such as length, area, and angle.
To determine length, select the distance to be measured on the SEM image. Click on the image to create the points of reference that will be analyzed by the software.
When finished, shut down the SEM according to the manufacturers guidelines.
Scanning electron microscopy is used to image a wide range of samples.
SEM can be used to image complex and highly structured materials, such as a carbon fiber membrane.
The sample showed a high degree of porosity and three dimensional structure; a property that is highly desirable for applications such as catalysis.
SEM can also be used to image biological samples, such as bacteria. In this example, the hair like appendages, or pili, of gut bacteria were imaged with SEM.
Helicobacter pylori were grown on blood agar plates, and the bacteria seeded onto glass cover slips.
Fully dried samples were mounted, and coated with 5 nm of palladium-gold to make the sample conductive.
Finally, the sample was imaged using SEM. H. pylori were easily visible, with measurable nanoscale pili.
This example describes how brain tissue can be embedded into a stable resin, and then imaged in three dimensions using a focused ion beam and SEM.
First, brain tissue was fixed and embedded in resin. Then the region of interest identified and sliced with a microtome.
The sample was then inserted into the focused ion beam scanning electron microscope for three-dimensional imaging. The focused ion beam was then used to sequentially remove thin layers of the sample. Each layer was imaged prior to removal using backscatter SEM.
You’ve just watched JoVE’s introduction to scanning electron microscopy. You should now understand the basic operating principles of SEM and how to prepare and analyze an SEM sample.
Thanks for watching!
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