סריקת מיקרוסקופיית אלקטרונים (SEM)

מיקרוסקופ אלקטרונים סורק, או SEM, היא טכניקה רבת עוצמה המשמשת בכימיה וניתוח חומרים המשתמשת בקרן אלקטרונים סרוקה כדי לנתח את מבנה פני השטח וההרכב הכימי של דגימה.

מיקרוסקופי אור מודרניים מוגבלים על ידי אינטראקציה של גלי אור נראים עם אובייקט, הנקראת עקיפה. המרחק הקטן ביותר הניתן לפתרון בין שני עצמים, או הרזולוציה הרוחבית, משתנה בהתאם לגודל תבנית העקיפה בהשוואה לגודל העצם. כתוצאה מכך, למיקרוסקופי אור יש הגדלה מקסימלית של עד פי 1,000 ורזולוציה רוחבית של עד 200 ננומטר במצבים אידיאליים.

SEM אינו מוגבל על ידי עקיפה, מכיוון שהוא משתמש בקרן אלקטרונים ולא באור. לכן, SEM יכול להגיע להגדלות של עד מיליון X ברזולוציה רוחבית תת-ננומטרית. בנוסף, SEM אינו מוגבל לתכונות הדמיה רק במישור המוקד, כמו במיקרוסקופ אור. לפיכך, עצמים מחוץ למישור המוקד נפתרים, בניגוד למיקרוסקופ אור שבו הם נראים מטושטשים. זה מספק עומק שדה מוגדל עד פי 300 עם SEM.

כימאים משתמשים באופן נרחב ב-SEM כדי לנתח את הרכב פני השטח, המבנה והצורה של ישויות בקנה מידה ננומטרי, כגון חלקיקי זרז.

? סרטון זה יתאר את העקרונות של מכשיר ה-SEM, וידגים את היסודות של הכנת דגימות SEM ותפעולן במעבדה.

ב- SEM, דגימות חייבות להיות מוליכות להדמיה קונבנציונלית. דגימות לא מוליכות מצופות בשכבה דקה של מתכת, כגון זהב. לאחר מכן נוצרות תמונות על ידי סריקת אלומה ממוקדת של אלקטרונים בעלי אנרגיה גבוהה על פני הדגימה.

אלומת האלקטרונים המשמשת ב-SEM נוצרת על ידי אקדח אלקטרונים, המצויד בקתודה נימה טונגסטן. האלקטרונים נדחפים לעבר האנודה, לכיוון הדגימה, על ידי שדה חשמלי.

לאחר מכן אלומת האלקטרונים ממוקדת בעדשות מעבה, ונכנסת לעדשת האובייקט. עדשת המטרה חייבת להיות מכוילת על ידי המשתמש כדי למקד את קרן האלקטרונים במיקום קבוע על הדגימה. לאחר מכן הקרן הממוקדת נסרקת על פני הדגימה.

כאשר האלקטרונים הראשוניים מקיימים אינטראקציה עם הדגימה, הם מנהרה לעומק התלוי באנרגיית אלומת האלקטרונים. אינטראקציה זו עם פני השטח מביאה לפליטה של אלקטרונים משניים ומפוזרים לאחור, אשר נמדדים לאחר מכן על ידי הגלאים שלהם.

עוצמת האות של האלקטרונים המשניים הנפלטים משתנה בהתאם לזווית הדגימה. משטחים בניצב לאלומה משחררים פחות אלקטרונים משניים, ולכן נראים כהים יותר. בקצה המשטחים משתחררים יותר אלקטרונים והאזור נראה בהיר יותר. תופעה זו מייצרת תמונות בעלות מראה תלת מימדי מוגדר היטב, כפי שמוצג בסריקת SEM זו של אסבסט.

לעומת זאת, אלקטרונים מפוזרים לאחור משתקפים בכיוון ההפוך של אלומת האלקטרונים. עוצמת הזיהוי עולה עם הגדלת המספר האטומי של הדגימה, מה שמאפשר רכישת מידע קומפוזיציוני של משטח, כפי שמוצג בתמונה זו של תכלילים בזכוכית.

כעת, לאחר שהותוו עקרונות מכשיר ה- SEM, תודגם הפעולה הבסיסית של SEM במעבדה.

כדי להתחיל, מקרטע ציפוי הדגימה על ידי הנחתו על בדל דגימה. ודא שהדגימה יבשה לחלוטין ונטולת גז. במידת הצורך, ניתן להשתמש בסרט פחמן מוליך דו צדדי כדי להדביק את הדגימה לבדל. הנח את הדגימה במערכת מקרטעת. התיזו כמה ננומטרים של זהב על הדגימה. עובי שכבת הזהב ישתנה בהתאם אם הציפוי מפריע למורפולוגיה של הדגימה.

הסר את הדגימה ממערכת המקרטעת. ודא שיש גשר מוליך ממשטח הדגימה אל בדל המתכת.

לאחר ציפוי הדגימה, היא מוכנה לצילום. לשם כך, אוורור תחילה את תא הדגימה של SEM ואפשר לתא להגיע ללחץ נומינלי.

פתח את תא הדגימה של SEM והסר את הדגימהtagה. הנח את הבדל על שלב הדגימה, והדק את הבדל למקומו.

אם לא ניתן לשלוט על המרחק בין העדשה לדגימה, הנקרא מרחק העבודה, על ידי התוכנה, ודא של-stage ולבדל יש את הגובה המתאים לקבלת תמונה.

הכניסו את שלב הדגימה לתא הדגימה, וסגרו את התא.

הפעל את משאבות הוואקום ואפשר למערכת לשאוב למטה.

כדי להתחיל בהדמיה, פתח את תוכנת SEM. בחר את מתח ההפעלה הרצוי בטווח שבין 1×30 קילו וולט. עם חומרים בצפיפות גבוהה, יש להשתמש במתחי תאוצה גבוהים יותר. בחר מתח מאיץ נמוך עבור חומרים בצפיפות נמוכה.

רוב תוכנות ה- SEM כוללות תכונת פוקוס אוטומטי. זה ירכוש מיקוד של המדגם לשימוש כנקודת התחלה.

הגדר את ההגדלה לרמת הזום המינימלית של 50X.

SEM כולל מצבי סריקה שונים כגון סריקה מהירה וסריקה איטית. מצב סריקה מהירה יותר מספק קצב רענון מהיר יותר של המסך באיכות נמוכה יותר. בחר את מצב הסריקה המהירה כדי להתחיל, על מנת למצוא את הדגימה ולהתחיל במיקוד גס.

כוונן את מיקוד המסלול עד שהתמונה תהיה חדה יותר. לאחר מכן, התאם את מיקום הבמה כך שניתן יהיה לראות את אזור העניין בתצוגה.

ראשית, התמקד בהגדלה הנמוכה ביותר באמצעות המיקוד הגס. לאחר מכן, הגדל את רמת ההגדלה עד לצפייה בתכונה הרצויה. כוונן את מיקוד המסלול כדי למקד את התמונה בערך בהגדלה זו. במידת הצורך, התאימו את המיקוד הגס כשההגדלה גדלה.

לאחר מכן, כוונן את המיקוד העדין כדי לשפר עוד יותר את התמונה. חזור על שלבי מיקוד אלה בכל פעם שההגדלה מוגברת.

עיוותי אלומה אסימטריים עלולים לגרום לטשטוש התמונה, הנקרא אסטיגמציה, גם כאשר הדגימה ממוקדת היטב. כדי להפחית אפקט זה, הגדל את ההגדלה לרמה המקסימלית וממקד את התמונה באמצעות המיקוד העדין. לאחר מכן התאם את הסטיגמה הן בכיוון x והן בכיוון y כדי לעצב מחדש את האלומה.

המשך להתאים את הגדרות המיקוד והסטיגמה עד שהתמונה תהיה ממוקדת ככל האפשר ברמת ההגדלה המוגברת.

לאחר מכן חזור לרמת ההגדלה הרצויה.

ניתן לרכוש את תמונת ה-SEM במצב "צילום איטי" או "צילום מהיר". מצב "צילום מהיר" יוצר תמונה באיכות נמוכה יותר, אך נרכש מהר יותר. מצב "צילום איטי" יוצר תמונה באיכות גבוהה יותר, אך עשוי להרוות את פני השטח באלקטרונים.

כדי למדוד תכונות בתוך התמונה שצולמה, השתמש בכלי המדידה של התוכנה.

רוב המכשירים כוללים אפשרויות מדידה כגון אורך, שטח וזווית.

לקביעת האורך, בחרו במרחק שיש למדוד בתמונת SEM. לחץ על התמונה כדי ליצור את נקודות ההתייחסות שינותחו על ידי התוכנה.

בסיום, כבה את ה- SEM בהתאם להנחיות היצרן.

מיקרוסקופ אלקטרונים סורק משמש להדמיית מגוון רחב של דגימות.

ניתן להשתמש ב-SEM להדמיית חומרים מורכבים ומובנים מאוד, כגון קרום סיבי פחמן.

הדגימה הראתה רמה גבוהה של נקבוביות ומבנה תלת מימדי; מאפיין רצוי מאוד ליישומים כגון קטליזה.

SEM יכול לשמש גם להדמיית דגימות ביולוגיות, כגון חיידקים. בדוגמה זו, השיער דמוי נספחים, או פילי, של חיידקי המעיים צולמו עם SEM.

הליקובקטר פילורי גודלו על צלחות אגר דם, והחיידקים נזרעו על החלקות כיסוי זכוכית.

דגימות מיובשות לחלוטין הורכבו, וציפו ב-5 ננומטר של פלדיום-זהב כדי להפוך את הדגימה למוליכה.

לבסוף, הדגימה צולמה באמצעות SEM. הליקובקטר פילורי נראו בקלות, עם פילי ננומטרי מדיד.

דוגמה זו מתארת כיצד רקמת מוח יכולה להיות מוטמעת בשרף יציב, ולאחר מכן לדמות בתלת מימד באמצעות קרן יונים ממוקדת ו-SEM.

ראשית, רקמת המוח הייתה מקובעת ומוטמעת בשרף. ואז האזור המעניין זוהה ונחתך במיקרוטום.

לאחר מכן הוכנסה הדגימה למיקרוסקופ אלקטרונים סורק קרן יונים ממוקדת להדמיה תלת מימדית. לאחר מכן נעשה שימוש בקרן היונים הממוקדת להסרה רציפה של שכבות דקות של הדגימה. כל שכבה צולמה לפני ההסרה באמצעות פיזור אחורי SEM.

זה עתה צפיתם במבוא של JoVE לסריקת מיקרוסקופ אלקטרונים. כעת עליך להבין את עקרונות הפעולה הבסיסיים של SEM וכיצד להכין ולנתח דגימת SEM.

תודה שצפית!