스캐닝 전자 현미경 검사법 (SEM)
출처: 앤드류 J. 스텍클 박사 연구소 — 신시내티 대학교
스캐닝 전자 현미경 또는 SEM은 전자를 사용하여 이미지를 형성하는 강력한 현미경입니다. 그것은 전통적인 현미경을 사용하여 달성될 수 없는 배율에 전도성 견본의 화상 진찰을 허용합니다. 현대 광 현미경은 ~ 1…
1. 샘플 준비
- 샘플을 샘플 스텁에 놓습니다. 필요한 경우, 탄소 테이프는 샘플을 스텁에 접착제로 결합하는 데 사용될 수 있다.
- 샘플을 골드 스퍼터링 시스템에 넣습니다. 미니 골드 스퍼터를 사용하여 스퍼터 골드를 ~ 70 mTorr 압력에서 30 초 동안. 샘플의 형상에 따라 다른 금층 두께가 필요할 수 있다. 더 거친 또는 다공성 표면은 더 긴 스퍼터링 시간이 필요합니다.
- 골드 스퍼터링 시스템에서 스텁을 제거합니다.
2. 샘플 삽입 및 SEM 시작
- 챔버가 명목 압력에 도달 할 수 있도록 SEM 챔버를 배출합니다.
- SEM 샘플 구획을 열고 샘플 스테이지를 꺼냅니다.
- 샘플을 포함하는 샘플 스텁을 스테이지에 삽입합니다. 스텁을 제자리에 조이십시오.
- z-거리를 소프트웨어에 의해 제어할 수 없는 경우 샘플 스텁이 있는 샘플 스테이지에 더 나은 이미지를 얻기 위해 적절한 높이가 있는지 확인합니다.
- 샘플 스테이지를 샘플 챔버에 넣습니다. 샘플 구획을 닫습니다.
- 펌프를 켜고 시스템이 진공 상태에 도달할 수 있도록 합니다. 시스템이 완료되면 사용자에게 알립니다.
- SEM 소프트웨어를 엽니다. 1-30 kV에 이르는 원하는 작동 전압을 선택합니다. 작동 전압이 높을수록 이미지 대비가 향상되지만 샘플에 충전이 누적되면 해상도가 낮아질 수 있습니다.
3. SEM 이미지 캡처
- 키 아이콘을 클릭하여 SEM 소프트웨어에서 '자동 초점'을 시작합니다. 이렇게 하면 시작점으로 사용할 샘플의 집중된 이미지를 얻을 수 있습니다.
- 배율이 최소 줌 레벨인 50X로 설정되어 있는지 확인합니다.
- '빠른 스캔' 모드를 선택합니다.
- 거친 초점이 얻을 때까지 거친 모드에서 초점을 조정합니다.
- 관심 영역이 디스플레이에 표시되도록 외부 노브를 사용하여 수동으로 스테이지를 조정합니다.
- 원하는 피쳐가 관찰될 때까지 배율 수준을 늘립니다. 거친 초점 손잡이를 조정하여 이 배율에 이미지를 대략 집중시합니다. 그런 다음, 미세 초점 노브를 사용하여 초점을 개선하여 원하는 배율 수준에서 집중된 이미지를 얻습니다. 배율 수준이 증가할 때마다 이 단계가 반복됩니다.
- 원하는 배율에 도달하면 미세 초점 손잡이를 조정하여 선명도를 향상시킵니다.
- 이미지 선명도를 최적화하려면 배율을 최대 수준에 가깝게 늘린 다음 미세 초점 노브를 사용하여 이미지에 초점을 맞춥니다. 선명한 이미지를 얻을 수 없는 경우 x 및 y 방향으로 낙인을 조정합니다. 가장 선명한 이미지가 과장된 배율 수준에서 얻을 때까지 초점과 낙인을 계속 조정하십시오.
- 샘플의 품질 이미지에 도달한 후 원하는 배율 수준으로 돌아갑니다. 이미지는 '느린 사진' 또는 '빠른 사진' 모드에서 사진 버튼을 눌러 촬영할 수 있습니다. '느린 사진' 모드는 이미지의 품질과 고해상도를 제공합니다.
4. SEM 소프트웨어를 사용하여 측정하기
- '패널' 드롭다운 목록에서 'M. 도구'를 선택합니다.
- 길이, 면적 및 각도와 같은 다양한 측정은 SEM 소프트웨어에서 직접 측정할 수 있습니다. 이러한 측정 중 하나를 수행하려면 M. Tools 창에서 원하는 아이콘을 클릭합니다.
- SEM 이미지의 측정 사이트로 스크롤합니다. 측정은 이미지를 클릭하여 소프트웨어에서 분석할 참조 지점을 만들어 측정합니다. 측정된 데이터 포인트는 사용자가 원하는 경우 이미지에 직접 삽입할 수 있습니다.
- 그런 다음 이미지가 컴퓨터에 저장됩니다.
주사 전자 현미경(SEM)은 스캔 전자빔을 사용하여 샘플의 표면 구조와 화학적 조성을 분석하는 화학 및 재료 분석에 사용되는 강력한 기술입니다.
현대의 광학 현미경은 회절이라고 하는 물체와 가시광선파의 상호 작용에 의해 제한됩니다. 두 물체 사이의 최소 분해능 거리 또는 측면 해상도는 물체 크기와 비교하여 회절 패턴의 크기에 따라 달라집니다. 그 결과, 광학 현미경은 이상적인 상황에서 최대 1,000X의 배율과 최대 200nm의 측면 해상도를 갖습니다.
SEM은 빛이 아닌 전자 빔을 사용하기 때문에 회절의 제한을 받지 않습니다. 따라서 SEM은 나노미터 미만의 측면 해상도로 최대 100만 X의 배율에 도달할 수 있습니다. 또한 SEM은 광학 현미경과 같이 초점면에서만 이미징 기능에만 국한되지 않습니다. 따라서 초점면 밖에 있는 물체는 흐릿하게 보이는 광학 현미경과 대조적으로 분해됩니다. 이것은 SEM으로 최대 300배 증가된 피사계 심도를 제공합니다.
화학자들은 SEM을 널리 사용하여 촉매 입자와 같은 나노 단위 개체의 표면 구성, 구조 및 모양을 분석합니다.
? 이 동영상은 SEM 기기의 원리를 간략하게 설명하고 실험실에서 SEM 시료 준비 및 작동의 기본 사항을 보여줍니다.
SEM에서 샘플은 기존 이미징을 위해 전도성이어야 합니다. 비전도성 샘플은 금과 같은 얇은 금속 층으로 코팅되어 있습니다. 그런 다음 샘플을 가로질러 고에너지 전자의 집중된 빔을 스캔하여 이미지를 생성합니다.
SEM에 사용되는 전자빔은 텅스텐 필라멘트 음극이 장착된 전자총에 의해 생성됩니다. 전자는 전기장에 의해 샘플의 방향으로 양극을 향해 추진됩니다.
그런 다음 전자빔은 콘덴서 렌즈에 초점을 맞추고 대물 렌즈로 들어갑니다. 대물 렌즈는 전자빔을 샘플의 고정된 위치에 집중시키기 위해 사용자가 보정해야 합니다. 그런 다음 초점이 맞춰진 빔이 샘플 전체에 걸쳐 래스터 스캔됩니다.
1차 전자가 샘플과 상호 작용할 때 전자빔 에너지에 의존하는 깊이로 터널링됩니다. 표면과의 이러한 상호 작용으로 인해 2차 및 후방 산란 전자가 방출되며, 이는 해당 검출기에 의해 측정됩니다.
방출된 2차 전자의 신호 강도는 샘플의 각도에 따라 달라집니다. 빔에 수직인 표면은 더 적은 2차 전자를 방출하므로 더 어둡게 보입니다. 표면의 가장자리에서 더 많은 전자가 방출되고 영역이 더 밝게 나타납니다. 이 현상은 이 석면의 SEM 스캔에서 볼 수 있듯이 잘 정의된 3D 모양의 이미지를 생성합니다.
대조적으로, 후방 산란된 전자는 전자빔의 반대 방향으로 반사됩니다. 검출 강도는 샘플의 원자 수가 증가함에 따라 증가하여 유리 내 개재물의 후방 산란 이미지에서 볼 수 있듯이 표면의 조성 정보를 획득할 수 있습니다.
이제 SEM 기기의 원리가 설명되었으므로 실험실에서 SEM의 기본 작동을 시연할 것입니다.
시작하려면 샘플을 샘플 스터브에 놓아 스퍼터 코팅합니다. 샘플이 완전히 건조되고 가스가 제거되었는지 확인하십시오. 필요한 경우 양면 전도성 탄소 테이프를 사용하여 샘플을 스텁에 부착할 수 있습니다. 샘플을 스퍼터링 시스템에 넣습니다. 샘플에 몇 나노미터의 금을 뿌립니다. 금 층의 두께는 코팅이 샘플의 형태를 방해하는지 여부에 따라 달라집니다.
스퍼터링 시스템에서 샘플을 제거합니다. s에서 전도성 브리지가 있는지 확인하십시오.ample 표면에서 금속 스텁까지.
샘플이 코팅되면 이미징할 준비가 된 것입니다. 이렇게 하려면 먼저 SEM 시료 챔버를 환기시키고 챔버가 공칭 압력에 도달하도록 합니다.
SEM 시료 격실을 열고 시료 스테이지를 제거합니다. 스텁을 s에 놓습니다.ample, 스텁을 제자리에 조입니다.
working distance라고 하는 렌즈와 샘플 사이의 거리를 소프트웨어로 제어할 수 없는 경우, stage와 stub이 이미지를 얻을 수 있는 적절한 높이를 갖도록 하십시오.
샘플 스테이지를 샘플 챔버에 넣고 구획을 닫습니다.
진공 펌프를 켜고 시스템이 펌프를 다운시키도록 합니다.
이미징을 시작하려면 SEM 소프트웨어를 엽니다. 원하는 작동 전압을 1?30kV 범위에서 선택합니다. 고밀도 재료의 경우 더 높은 가속 전압을 사용해야 합니다. 저밀도 재료의 경우 낮은 가속 전압을 선택합니다.
대부분의 SEM 소프트웨어에는 자동 초점 기능이 포함되어 있습니다. 이렇게 하면 시작점으로 사용할 샘플의 초점을 얻을 수 있습니다.
배율을 최소 확대/축소 수준인 50X로 설정합니다.
SEM에는 빠른 스캔 및 느린 스캔과 같은 다양한 스캔 모드가 있습니다. 더 빠른 스캔 모드는 더 낮은 품질로 화면의 더 빠른 재생 빈도를 제공합니다. 샘플을 찾고 거친 초점을 시작하기 위해 시작할 빠른 스캔 모드를 선택합니다.
이미지가 더 선명해질 때까지 코스 초점을 조정합니다. 그런 다음 관심 영역이 디스플레이에서 볼 수 있도록 스테이지 위치를 조정합니다.
먼저 거친 초점을 사용하여 가장 낮은 배율에서 초점을 맞춥니다. 그런 다음 원하는 기능이 관찰될 때까지 배율 수준을 높입니다. 이 배율에서 이미지의 초점을 대략적으로 맞추도록 코스 초점을 조정합니다. 필요한 경우 배율이 증가할 때 대략적인 초점을 조정합니다.
그런 다음 미세 초점을 조정하여 이미지를 더욱 향상시킵니다. 배율이 증가할 때마다 이러한 초점 단계를 반복합니다.
비대칭 빔 왜곡은 샘플의 초점이 잘 맞춰져 있는 경우에도 난시라고 하는 이미지 흐림을 유발할 수 있습니다. 이 효과를 줄이려면 배율을 최대 수준으로 높이고 미세 초점을 사용하여 이미지의 초점을 맞춥니다. 그런 다음 x 방향과 y 방향 모두에서 암술을 조정하여 빔의 모양을 변경합니다.
증가된 배율 수준에서 이미지가 가능한 한 초점이 맞춰질 때까지 초점 및 스티그메이션 설정을 계속 조정합니다.
그런 다음 원하는 배율 수준으로 돌아갑니다.
SEM 이미지는 "느린 사진" 또는 "빠른 사진" 모드에서 획득할 수 있습니다. "빠른 사진" 모드는 낮은 품질의 이미지를 생성하지만 더 빨리 획득됩니다. "슬로우 포토" 모드는 더 높은 품질의 이미지를 생성하지만 표면을 전자로 포화시킬 수 있습니다.
캡처된 이미지 내의 특징을 측정하려면 소프트웨어의 측정 도구를 활용하십시오.
대부분의 기기에는 길이, 면적 및 각도와 같은 측정 옵션이 포함되어 있습니다.
길이를 결정하려면 SEM 이미지에서 측정할 거리를 선택합니다. 이미지를 클릭하여 소프트웨어에서 분석할 참조 지점을 만듭니다.
위치완료되면 제조업체 지침에 따라 SEM을 종료합니다.
주사 전자 현미경은 다양한 샘플을 이미지화하는 데 사용됩니다.
SEM은 탄소 섬유 멤브레인과 같은 복잡하고 고도로 구조화된 재료를 이미지화하는 데 사용할 수 있습니다.
샘플은 높은 수준의 다공성과 3차원 구조를 보여주었습니다. 촉매 작용과 같은 응용 분야에 매우 바람직한 특성입니다.
SEM은 박테리아와 같은 생물학적 샘플을 이미지화하는 데에도 사용할 수 있습니다. 이 예시에서는 장내 세균의 부속지 또는 필리와 같은 털을 SEM으로 이미지화했습니다.
헬리코박터 파일로리균은 혈액 한천 플레이트에서 성장시켰고, 유리 덮개에 뿌려진 박테리아는 미끄러졌습니다.
완전히 건조된 샘플을 장착하고 샘플을 전도성으로 만들기 위해 5nm의 팔라듐-금으로 코팅했습니다.
마지막으로, 샘플은 SEM을 사용하여 이미지화되었습니다. H. pylori는 측정 가능한 나노 크기의 pili로 쉽게 볼 수 있었습니다.
이 예시는 뇌 조직을 안정적인 수지에 삽입한 다음 집속 이온 빔과 SEM을 사용하여 3차원으로 이미지화하는 방법을 설명합니다.
먼저 뇌 조직을 수지에 고정하고 내장했습니다. 그런 다음 관심 영역을 식별하고 마이크로톰으로 절단합니다.
그런 다음 샘플을 3차원 이미징을 위해 집속 이온 빔 주사 전자 현미경에 삽입했습니다. 그런 다음 집속된 이온 빔을 사용하여 샘플의 얇은 층을 순차적으로 제거했습니다. 각 층은 후방 산란 SEM을 사용하여 제거하기 전에 이미지화되었습니다.
당신은 방금 JoVE의 주사 전자 현미경에 대한 소개를 보았습니다. 이제 SEM의 기본 작동 원리와 SEM 샘플을 준비하고 분석하는 방법을 이해해야 합니다.
시청해 주셔서 감사합니다!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
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.