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走査型電子顕微鏡 (SEM)

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Scanning Electron Microscopy (SEM)

3.10: Ion-Exchange Chromatography

3.15: Cyclic Voltammetry (CV)

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11:41 min

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April 30, 2023

Overview

ソース: 博士アンドリュー j. Steckl の研究室-シンシナティ大学

走査型電子顕微鏡や SEM は電子を使用してイメージを形成する強力な顕微鏡です。従来の顕微鏡では得られない倍率で導電性試料のイメージングが可能です。~ 1 の倍率を達成できるモダンな光顕微鏡 000 X、典型的な SEM は 30 以上の倍率に達することができる、000 X。SEM は、イメージを作成する光を使用しない、ために形成結果の写真は、黒と白です。

導電性のサンプルは、SEM の試料ステージ上に読み込まれます。試料室真空に達すると、ユーザーは適切な場所にシステムの電子銃に合わせて進めます。電子銃は、レンズと絞りの組み合わせを通過し、最終的にサンプルを打つ高エネルギー電子のビームを撃ちます。電子銃は、サンプルの正確な位置に電子を撮影し続けており、二次電子はサンプルの跳ねを。これらの二次電子の探知器によって識別されます。二次電子から発見された信号は増幅、3 D イメージの作成、モニターに送られます。このビデオは、SEM サンプル準備、操作、および画像処理機能を説明します。

Principles

電子は陰極のように機能する電子銃で加熱によって生成されます。これらの電子は強い電界により、サンプルと同じ方向で、陽極の方に推進されます。電子ビームが凝縮された後サンプル上の固定位置をユーザで校正されている対物レンズに入ります。(図 1)

一度電子ストライク導電性のサンプルでは、2 つのことが起こることができます。まず、それらの電子のエネルギーレベルに依存している深さにそれを介してサンプルを打つ最初の電子のトンネルが。二次と後方散乱電子がサンプルをヒットし、それから外側に反映します。これらは電子、二次電子 (SE) のいずれかを測定または (BS) 検出器が散乱し、反映されます。配置処理は信号の後、画面にサンプルのイメージが形成されます。¹

SE モードで二次電子は、低エネルギーのため検出器の前面に正バイアスによって引き付けられます。信号強度はサンプルの角度に応じて様々です。したがって、SE モードは、非常に地形の画像を提供します。一方、BS モード電子の方向は、電子ビームの方向と検出強度の反対はサンプルの原子番号に比例して直接ほぼ。したがって、それは少ない地形合成画像に有用。BS モードは、非導べ電性のサンプルのために有益であるサンプルの充電効果による影響もです。¹

図 1。SEM の模式図

Procedure

1. サンプルの準備

サンプルスタブに場所のサンプルです。必要に応じて、接着ボンドのスタブをサンプルにカーボンテープが使えます。
スパッタ装置金にサンプルを配置します。Mini-gold スパッタを用いたスパッタ 30 のための金で s 〜 70 mTorr 圧力。別金層の厚さのサンプルのジオメトリに応じて必要があります。ラフや多孔質の表面には、もはやスパッタ時間が必要です。
スパッタ装置金からスタブを削除します。

2. サンプル挿入と SEM スタートアップ

ベント、SEM の商工会議所、わずかな圧力に到達する商工会議所を許可します。
SEM 試料室を開き、試料ステージを取る。
ステージ上にサンプルを含むサンプルスタブを挿入します。所定の位置にスタブを締めます。
Z 距離は、ソフトウェアによって制御することはできない場合、は、サンプルスタブを用いた試料ステージにはより良い画像を得るための適切な高さを確認します。
サンプルステージを試料室に入れます。試料室を閉じます。
ポンプおよび真空に到達するためのシステムを許可します。これが完了すると、システムはユーザーに通知されます。
SEM のソフトウェアを開きます。1-30 kV まで電圧を選択します。高い動作電圧より良い画像のコントラストを与えるが、サンプルに電荷が蓄積される場合は、低い解像度をもたらすことができます。

3. SEM イメージをキャプチャ

鍵のアイコンをクリックして、SEM のソフトウェアで「オートフォーカス」を開始します。これは、開始点として使用するサンプルの焦点画像を取得します。
倍率は 50 倍の最小ズームレベルに設定されていることを確認します。
「高速スキャン」モードをを選択します。
大まかなフォーカスを取得するまでは、粗いモードでピントを調整します。
関心領域のディスプレイ上に表示されるように、外側のノブを使用して手動で段階を調整します。
目的の機能を観察するまで拡大率を増やします。この倍率で画像を約集中する粗フォーカスノブを調整します。その後、必要な倍率で焦点画像を取得する罰金の焦点のノブを使用してフォーカスを向上させます。倍率が増加するたびに、この手順が繰り返されます。
目的の倍率に達したら、明快さを改善するために罰金の焦点ノブを調整します。
画像の鮮明さを最適化するには、最大レベルに近い倍率を大きくし、ファインフォーカスのノブを使用してイメージに焦点を当てること。鮮明な画像を取得できない場合は、x と y の両方の方向に stigmation を調整します。誇張された倍率で明確な画像が得られるまでフォーカスと stigmations の調整を維持します。
サンプルの画質を達した後希望の倍率に戻る。画像は、’遅い写真’ または ‘高速’ フォトモードで写真ボタンを押して撮影することができます。’遅い写真’ モードより良い品質と高解像度の画像を提供します。

4. SEM のソフトウェアを使用して計測を行う

‘パネル’ ドロップダウンリストで「m. ツール」を選択します。
長さ、面積、角度など様々な測定は、SEM のソフトウェアで直接測定できます。これらの測定値のいずれかを実行、M. ツール] ウィンドウで目的のアイコンをクリックします。
SEM 像の測定サイトにスクロールします。測定は、ソフトウェアによって分析される参照のポイントを作成する画像をクリックして行われています。ユーザーが必要な場合、画像の上に直接計測したデータ点を挿入できます。
画像はコンピューターに保存されます。

走査型電子顕微鏡や SEM、表面構造とサンプルの化学組成を分析するスキャンした電子ビームを使用して物質の分析に用いられる強力な手法です。

モダンな光顕微鏡は可視光の波の回折と呼ばれる、オブジェクトとの相互作用によって制限されます。2 つのオブジェクト、または横方向の解像度の最小の解決可能な距離は、オブジェクトのサイズと比較すると回折パターンのサイズによって異なります。最大 1,000 倍の最大撮影倍率と最大 200 の横方向分解能の光顕微鏡のある結果として、理想的な状況で nm。

SEM は、光ではなく、電子のビームを使用するので、回折による制限はありません。したがって、SEM は、サブナノ空間分解能と最大 100 万 X の倍率を達することができます。さらに、SEM には光学顕微鏡と同様、焦点面でのみイメージング機能に限定ではないです。したがって、彼らがぼやけて光顕的観察ではなく、焦点の平面の外のオブジェクトに解決されます。これにより、フィールドの 300 倍増加の深さまで SEM を使用

化学者は、SEM を使って広く表面の組成、構造、および触媒粒子などのナノスケールエンティティの形状を分析します。

このビデオは SEM 計測器の原理を概説し、SEM 試料調製及び実験室での操作の基本を示します。

SEM、サンプルは、従来のイメージング用導電性必要があります。非導べ電性のサンプルは、金などの金属の薄い層でコーティングされています。画像がサンプルで高エネルギー電子の集束ビームをスキャンすることによって生成されます。

SEM で使用される電子ビームは、電子銃、タングステンフィラメントの陰極が装備によって生成されます。電子は電界によってサンプルの方向に、陽極に向かって推進されます。

電子ビーム集光レンズで、焦点を当て、対物レンズに入る。対物レンズは、サンプル上の固定位置に電子ビームを集中する、ユーザーによる校正する必要があります。集束ビームはラスタースキャンのサンプル。

一次電子はサンプルと対話するとき、彼らは電子ビームのエネルギーに依存している深さにトンネルします。表面との交流、それぞれの検出器で測定されますセカンダリと後方散乱電子の放出で起因します。

放出される二次電子の信号強度はサンプルの角度によって異なります。ビームに垂直なサーフェスは少数の二次電子を解放し、したがって暗きます。サーフェスのエッジでより多くの電子が解放され、地域がより明るく表示されます。この現象は、アスベストの SEM スキャンで示すように、明確に定義された 3 D の外観を持つ画像を生成します。

これに対し、後方散乱電子は、電子ビームの反対方向に反映されます。検出強度はガラス包有物のこの後方散乱の画像に示すように、表面の組成情報の取得を有効にするサンプルの原子番号の増加とともに増加します。

SEM 計測器の原理に概説されている、今、SEM の基本操作は、実験室で実証されます。

まず、サンプルスタブにそれを置くことによってサンプルのコートをスパッタします。サンプルは、完全に乾燥させ脱がされていることを確認します。必要に応じて、スタブにサンプルを遵守する導電性カーボンの両面テープが使えます。スパッタリング装置にサンプルを配置します。サンプル上に金の数ナノメートルをスパッタします。サンプルの形態と塗膜に干渉する場合、金の層の厚さによって異なります。

スパッタリング装置からサンプルを削除します。試料表面から金属のスタブへの導電性ブリッジがあることを確認します。

サンプルがコーティングされて、一度イメージを作成する準備が整いました。これを行うには、まず SEM 試料室をぶちまけるし、公称圧力に到達する商工会議所を許可します。

SEM 試料室を開き、試料ステージを削除します。サンプルステージにスタブを配置、場所でスタブを締めます。

レンズとサンプルについては、作動距離と呼ばれる距離は、ソフトウェアによって制御できない場合、は、ステージとスタブがあるイメージを取得する適切な高さを確認します。

試料室に試料ステージを入れて扉を閉めます。

真空ポンプおよびポンプシステムをダウンできるように。

イメージングを開始するには、SEM のソフトウェアを開きます。1-30 kV から目的動作電圧範囲を選択します。高密度材料のより高い加速電圧を使用してください。低密度物質の低加速電圧を選択します。

SEM のソフトウェアほとんどにはには、オートフォーカス機能が含まれています。これは、開始点として使用するサンプルのフォーカスを取得します。

倍率を 50 倍の最小ズームレベルに設定します。

SEM には、高速スキャン、スキャン速度が遅いなどさまざまなスキャンモードがあります。高速スキャンモードでは、低い品質で画面の更新速度を提供します。まず、サンプルを見つけるし、粗を中心に開始するために高速スキャンモードを選択します。

イメージが鮮明になるまでは、コースの焦点を調整します。次に、ディスプレイに関心領域を見ることができるので位置決めステージを調整します。

粗フォーカスを使用して最も低い倍率で最初にフォーカス。目的の機能が観察されるまでは、倍率を増やしてください。この倍率で画像を約集中するコースの焦点を調整します。倍率が増加したとき、必要に応じて粗フォーカスを調整します。

さらにイメージを改善する良い焦点を調整します。これらの倍率が増加するたびに、手順をフォーカシングを繰り返します。

非対称ビーム歪みサンプルもフォーカスがあるときにも、乱視と呼ばれる画像がぼやける可能性があります。この効果を減少させる、最大レベルを拡大、良いフォーカスを使用してイメージに焦点を当てます。梁の形状を変更する x と y の両方の方向に stigmation を調整します。

画像はそのまま焦点をできるだけ増加倍率レベルまでフォーカスと stigmation の設定を調整してください。

目的の倍率に戻ります。

SEM のイメージは、「遅い写真」または「高速写真」モードのいずれかで取得できます。「高速写真」モードは、低品質のイメージが作成されますより速くを取得します。「遅い写真」モードでは、高品質のイメージが作成されますが、電子で表面を飽和させることがあります。

キャプチャされたイメージ内の機能を測定するには、ソフトウェアの測定ツールを活用します。

ほとんどの計測器には、長さ、面積、角度など測定オプションが含まれます。

長さを決定するには、SEM 画像を測定する距離を選択します。ソフトウェアによって分析される参照のポイントを作成するイメージをクリックします。

終了すると、製造元のガイドラインに従って SEM をシャットダウンします。

走査電子顕微鏡を使用して、サンプルの広い範囲をイメージします。

SEM を使用して、複雑で高度な構造材料、炭素繊維膜などをイメージできます。

高い気孔率と 3 次元構造を示したサンプル触媒などのアプリケーションに望ましいプロパティです。

SEM は、細菌などの生体試料を画像にも使用できます。この例は、肢、または pili のような髪、腸内の細菌をイメージしました SEM を使用

ピロリ菌は、血液寒天培地プレート上に成長した、細菌がガラスカバースリップの上にシードします。

十分に乾燥されたサンプルがマウントされていると 5 でコーティングするサンプルを導電性パラジウム金の nm。

最後に、サンプルは、SEM. の使用をイメージしましたh. ピロリ菌が測定可能なナノスケールの線毛と、簡単に目に見える。

この例で脳組織は安定した樹脂に埋め込むことができる方法について説明し、集束イオンビームおよび SEM を使用して 3 次元イメージを作成

まず、脳組織は修正され樹脂に埋め込まれています。関心領域識別、ミクロトームでスライスします。

サンプルは、三次元イメージングを目指した集束イオンビームビーム走査型電子顕微鏡に挿入されました。集束イオンビームは、順番にサンプルの薄い層を除去する使用されました。バックスキャター SEM. を使用して削除する前に各レイヤーをイメージしました

ゼウスの走査電子顕微鏡観察入門を見てきただけ。今、SEM と準備し、SEM サンプルを分析する方法の基本的な動作原理を理解してください。

見てくれてありがとう!

Results

図 2 aで見られる SEM は、測定を行うとサンプル写真を取得使用されています。このサンプルは、塩化ナトリウム (NaCl) 塩から成っていた。数ナノメートルの金は上に導電性を蒸着し、図 2 bに見られるように、スタブに置かれました。導電性のサンプルは、図 2 cに示すよう、SEM サンプル領域に配置だった。

50 X、200 X、500 X 1、000 X 5,000 X 倍率図 3に見られるように SEM 画像を得た。図 3 aは、50 倍の倍率で高塩濃度サンプルの鳥の目のビューを示しています。図 3 bは、200 X の倍率で個々の海塩粒子にズームインします。図 3 cはこの同じ倍率を示していますが、SEM のソフトウェア内で行われたエリア、直径の測定値を含めます。図 3 dは、塩の粒子に関心のある領域を示す X 500 にズームします。図 3e表示倍率 1、000 X, 破損している塩の粒子の角を観察すること。図 3 f 5 の倍率を示しています 000 X、海塩粒子の構造を表示するユーザーを許可します。

図 2。(a) SEM. (b) 塩のイメージは、カーボンテープのサンプルスタブに配置。(c) サンプルスタブは、それはゴールドコーティングを施した後 SEM 試料ステージに配置されます。

図 3。様々な倍率で試料の SEM 画像: (a) 50 X, (b) 200 X、(c) 200 X の測定値と、500 (d) ×、(e) 1、000 X、および (f) 5, 000 X。

Applications and Summary

SEM は、導電性、導電性コーティングで処理されているものをイメージする能力のためほとんどの研究機関に共通する非常に強力なツールです。SEM は、半導体デバイス、昆虫、他の間で⁴ 、³ ²生体膜などのオブジェクトを画像に使用されています。SEM をナノファイバーと紙ベースの材料、生体材料、マイクロパターニングゲル構造分析にも使いました。もちろん、液体イメージングのための標準的な SEM に置くことができないなどの材料がありますが、継続的な開発環境のスキャンの電子顕微鏡 (フラッディングガス) は、このような機能。フラッディングガスは、電子銃を使用して、サンプルと電子の相互作用を分析、SEM に似ています。主な違いは、フラッディングガスが 2 つの独立した部屋に分割されます。トップの商工会議所は電子銃から成り、下部室サンプルが含まれています高圧状態になり、高真空状態に入る。サンプル領域は、真空を入力する必要はありません, ので、イメージングプロセス中にウェットまたは生物学的サンプルを使用できます。別のフラッディングガスの利点は、サンプルが導電性の材料で被覆する必要がないことです。しかし伴う試料室の低い画像のコントラストと気体環境のための小さな作動距離のいくつかの欠点があります。.親指の一般的なルールは、分析するほぼすべての固体のオブジェクトを可能にする、SEM のイメージを作成することができますし、導電性層とサンプルをコートすることができる場合。

References

Goldstein, J., Newbury, D., Joy, D., Lyman, C., Echlin, P., Lifshin, E., Sawyer, L., Michael, J. Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis. 3^rd Ed. Springer, New York, NY. (2003).
Purandare, S., Gomez, E.F., Steckl, A.J. High brightness phosphorescent organic light emitting diodes on transparent and flexible cellulose films. Nanotechnology. 25, 094012 (2014).
Masuda, Y., Yamanaka, N., Ishikawa, A., Kataoka, M., Aral, T., Wakamatsu, K., Kuwahara, N., Nagahama, K., Ichikawa, K., Shimizu, A. Glomerular basement membrane injuries in IgA nephropathy evaluated by double immunostaining for a5(IV) and a2(IV) chains of type IV collagen and low-vacuum scanning electron microscopy. Clinical and Experimental Nephrology. 1-9. (2014).
Kang, J.H., Lee, Y.J., Oh, B.K., Lee, S.K. Hyun, B.R. Lee, B.W, Choi, Y.G., Nam, K.S., Lim, J.D. Microstructure of the water spider (Argyroneta aquatic) using the scanning electron microscope Journal of Asia-Pacific Biodiversity. 7 484-488 (2014).

Transcript

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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