走査型電子顕微鏡 (SEM)
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…
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(SEM)は、走査型電子ビームを使用してサンプルの表面構造と化学組成を分析する化学および材料分析で使用される強力な技術です。
現代の光学顕微鏡は、可視光波と物体との相互作用(回折と呼ばれる)によって制限されます。2つのオブジェクト間の最小の解決可能な距離、または横方向の解像度は、オブジェクトのサイズと比較した回折パターンのサイズによって異なります。その結果、光学顕微鏡の最大倍率は最大1,000倍、理想的な状況では最大200nmの横方向の分解能を備えています。
SEMは、光ではなく電子ビームを使用するため、回折に制限されません。したがって、SEMはサブナノメートルの横方向の分解能で最大100万Xの倍率に達することができます。さらに、SEMは、光学顕微鏡のように焦点面のみのイメージング機能に限定されません。したがって、焦点面の外側の物体は、ぼやけて見える光学顕微鏡とは対照的に、分解されます。
化学者は、触媒粒子などのナノスケールエンティティの表面組成、構造、形状を分析するためにSEMを広く使用しています。
?このビデオでは、SEM装置の原理を概説し、研究室でのSEMサンプル調製と操作の基本を示します。
SEMでは、サンプルは従来のイメージングに対して導電性でなければなりません。非導電性のサンプルは、金などの金属の薄い層でコーティングされています。次に、サンプルを横切って高エネルギー電子の集束ビームを走査することにより、画像が生成されます。
SEMで使用される電子ビームは、タングステンフィラメントカソードを取り付けた電子銃によって生成されます。電子は、電場によって試料の方向にアノードに向かって推進されます。
その後、電子ビームはコンデンサーレンズに集束され、対物レンズに入ります。対物レンズは、電子ビームをサンプル上の固定位置に集束させるために、ユーザーが校正する必要があります。次に、集束されたビームは、サンプル全体でラスタースキャンされます。
一次電子がサンプルと相互作用すると、電子ビームエネルギーに依存する深さまでトンネルします。この表面との相互作用により、二次電子と反射電子が放出され、それぞれの検出器で測定されます。
放出される二次電子の信号強度は、試料の角度によって異なります。ビームに垂直な表面は、放出される二次電子が少ないため、暗く見えます。表面の端では、より多くの電子が放出され、領域が明るく見えます。この現象は、このアスベストのSEMスキャンで示されているように、明確に定義された3D外観の画像を生成します。
対照的に、反射電子は電子ビームの反対方向に反射されます。検出強度は、サンプルの原子番号が増加すると増加し、このガラス中の介在物の後方散乱画像に示すように、表面の組成情報の取得が可能になります。
SEM機器の原理が概説されたので、SEMの基本的な操作を実験室でデモンストレーションします。
まず、サンプルをサンプルスタブに載せてスパッタコーティングします。サンプルが完全に乾燥し、脱気されていることを確認してください。必要に応じて、両面導電性カーボンテープを使用してサンプルをスタブに接着できます。サンプルをスパッタリングシステムに入れます。サンプルに数ナノメートルの金をスパッタします。金層の厚さは、コーティングがサンプルの形態に干渉するかどうかによって異なります。
スパッタリングシステムからサンプルを取り出します。サンプル表面から金属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たら、イメージングの準備が整います。これを行うには、まずSEMサンプルチャンバーをベントし、チャンバーが公称圧力に達するまで待ちます。
SEMサンプルコンパートメントを開き、サンプルステージを取り外します。スタブをサンプルステージに置き、所定の位置にスタブを締めます。
レンズとサンプルの間の距離(作動距離と呼ばれる)をソフトウェアで制御できない場合は、ステージとスタブが画像を取得するための適切な高さであることを確認してください。
サンプルステージをサンプルチャンバーに入れ、コンパートメントを閉じます。
真空ポンプをオンにし、システムをポンプダウンさせます。
イメージングを開始するには、SEMソフトウェアを開きます。1〜30kVの範囲の所望の動作電圧を選択します。高密度材料では、より高い加速電圧を使用する必要があります。低密度材料には低加速電圧を選択します。
ほとんどのSEMソフトウェアにはオートフォーカス機能が含まれています。これにより、開始点として使用するサンプルの焦点が取得されます。
倍率を最小ズームレベルの50倍に設定します。
SEMには、高速スキャンと低速スキャンなどの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は、画面のリフレッシュレートを高速化し、品質を下げます。高速スキャンモードを選択して開始し、サンプルを見つけて粗いフォーカスを開始します。
画像が鮮明になるまでコースのピントを調整します。次に、関心のある領域がディスプレイに表示されるようにステージの位置を調整します。
まず、粗い焦点を使用して最も低い倍率で焦点を合わせます。次に、目的の特徴が観察されるまで倍率を上げます。この倍率で画像の焦点を大まかに合わせられるようにコースの焦点を調整します。必要に応じて、倍率を上げたときに粗いピントを調整します。
次に、ファインフォーカスを調整して、画像をさらに改善します。倍率を上げるたびに、これらのピント合わせ手順を繰り返します。
非対称のビーム歪みは、サンプルにピントが合っている場合でも、非点収差と呼ばれる画像のぼやけを引き起こす可能性があります。この影響を抑えるには、倍率を最大まで上げ、ファインフォーカスでピントを合わせます。次に、柱頭を x 方向と y 方向の両方で調整して、ビームの形状を変更します。
拡大率を上げて画像にできるだけピントが合うまで、フォーカスとスティグメーションの設定を調整し続けます。
その後、希望の倍率に戻ります。
SEM画像は、「スローフォト」モードまたは「ファストフォト」モードのいずれかで取得できます。「高速写真」モードでは、画像の品質は低くなりますが、取得速度は速くなります。「スローフォト」モードは、より高品質の画像を作成しますが、表面が電子で飽和する可能性があります。
キャプチャした画像内の特徴を測定するには、ソフトウェアの測定ツールを利用します。
ほとんどの機器には、長さ、面積、角度などの測定オプションがあります。
長さを決定するには、SEM画像で測定する距離を選択します。画像をクリックして、ソフトウェアによって分析される参照ポイントを作成します。
終了したら、メーカーのガイドラインに従ってSEMをシャットダウンします。
走査型電子顕微鏡は、さまざまなサンプルをイメージングするために使用されます。
SEMは、炭素繊維膜などの複雑で高度に構造化された材料のイメージングに使用できます。
サンプルは、高度の多孔性と3次元構造を示しました。触媒作用などの用途に非常に望ましい特性です。
SEMは、細菌などの生体サンプルのイメージングにも使用できます。この例では、腸内細菌の付属肢のような毛髪または線毛をSEMで画像化しました。
ヘリコバクターピロリを血液寒天プレート上で増殖させ、細菌をガラスカバースリップに播種しました。
完全に乾燥したサンプルをマウントし、5 nmのパラジウム金でコーティングしてサンプルを導電性にしました。
最後に、サンプルをSEMを使用して画像化しました.H.ピロリは簡単に見え、測定可能なナノスケールの線毛がありました。
この例では、脳組織を安定な樹脂に埋め込み、集束イオンビームとSEMを使用して3次元でイメージングする方法を説明しています。
まず、脳組織を固定して樹脂に埋め込みます。次に、関心領域を特定し、ミクロトームでスライスします。
その後、試料を集束イオンビーム走査型電子顕微鏡に挿入し、3次元イメージングを行いました。次に、集束イオンビームを使用して、サンプルの薄い層を順次除去しました。各層は、後方散乱SEMを使用して除去する前に画像化されました。
JoVEの走査型電子顕微鏡の紹介をご覧になりました。これで、SEMの基本的な動作原理と、SEMサンプルの準備と分析の方法を理解する必要があります。
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Q1: Why does SEM provide better resolution than light microscopy?
SEM uses electrons instead of light, avoiding diffraction limitations that restrict light microscopes to 200 nm lateral resolution and 1,000X magnification. Electrons enable SEM to achieve sub-nanometer resolution and magnifications exceeding one million times, making it ideal for analyzing nanoscale structures like catalyst particles.
Q2: What is the purpose of coating non-conductive samples with metal in SEM?
SEM requires samples to be conductive for conventional imaging. Non-conductive samples are coated with a thin metal layer, typically gold, to enable electron conductivity. This conductive coating allows the electron beam to interact properly with the sample surface and generate detectable secondary and backscattered electrons.
Q3: How do secondary and backscattered electrons differ in SEM imaging?
Secondary electrons are emitted from the sample surface and vary in intensity based on surface angle, creating a 3D appearance with darker perpendicular surfaces and brighter edges. Backscattered electrons reflect opposite to the beam direction and increase in intensity with atomic number, enabling compositional analysis of the sample surface.
Q4: What is astigmatism in SEM and how is it corrected?
Astigmatism is asymmetrical beam distortion that causes image blurring even when the sample is well-focused. To correct it, increase magnification to maximum, focus using fine focus, then adjust stigmation controls in both x and y directions to reshape the electron beam until the image is optimally focused.
Q5: How does depth of field in SEM compare to light microscopy?
SEM provides up to 300 times greater depth of field than light microscopy because it is not limited to imaging features only in the focal plane. Objects outside the focal plane are resolved in SEM rather than appearing blurry, enabling clear three-dimensional visualization of complex sample structures.
Q6: What operating parameters should be adjusted when imaging different material densities?
Select accelerating voltage based on material density: higher voltages up to 30 kV for high-density materials and lower voltages starting at 1 kV for low-density materials. The electron beam energy determines penetration depth, so voltage selection directly affects image quality and compositional information obtained from the sample.
Q7: How is SEM used for sample preparation for analytical characterization?
SEM enables detailed imaging of samples prepared for analytical analysis, allowing visualization of surface morphology, porosity, and three-dimensional structure before further characterization. This imaging capability helps verify sample quality and identify regions of interest for subsequent analytical measurements or compositional studies.