Skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM)

Skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM) to potężna technika stosowana w chemii i analizie materiałów, która wykorzystuje zeskanowaną wiązkę elektronów do analizy struktury powierzchni i składu chemicznego próbki.

Nowoczesne mikroskopy świetlne są ograniczone przez interakcję fal światła widzialnego z obiektem, zwaną dyfrakcją. Najmniejsza możliwa do rozdzielczości odległość między dwoma obiektami lub rozdzielczość poprzeczna różni się w zależności od wielkości wzoru dyfrakcyjnego w porównaniu z rozmiarem obiektu. W rezultacie mikroskopy świetlne mają maksymalne powiększenie do 1000x i rozdzielczość boczną do 200 nm w idealnych sytuacjach.

SEM nie jest ograniczony dyfrakcją, ponieważ wykorzystuje wiązkę elektronów, a nie światło. Dlatego SEM może osiągać powiększenia do miliona X przy subnanometrowej rozdzielczości bocznej. Ponadto SEM nie ogranicza się do cech obrazowania tylko w płaszczyźnie ogniskowej, jak w przypadku mikroskopii świetlnej. W ten sposób obiekty znajdujące się poza płaszczyzną ogniskową są rozdzielone, w przeciwieństwie do mikroskopii świetlnej, gdzie wydają się rozmyte. Zapewnia to do 300-krotnie większą głębię ostrości dzięki SEM.

Chemicy powszechnie używają SEM do analizy składu powierzchni, struktury i kształtu jednostek w nanoskali, takich jak cząstki katalizatora.

? Ten film przedstawi zasady działania przyrządu SEM oraz zademonstruje podstawy przygotowania i obsługi próbek SEM w laboratorium.

W SEM próbki muszą przewodzić prąd dla konwencjonalnego obrazowania. Próbki nieprzewodzące są pokryte cienką warstwą metalu, takiego jak złoto. Obrazy są następnie generowane przez skanowanie skupionej wiązki wysokoenergetycznych elektronów w poprzek próbki.

Wiązka elektronów stosowana w SEM jest generowana przez działo elektronowe, wyposażone w katodę z żarnika wolframowego. Elektrony są popychane w kierunku anody, w kierunku próbki, przez pole elektryczne.

Wiązka elektronów jest następnie skupiana na soczewkach kondensatora i wchodzi do soczewki obiektywu. Soczewka obiektywu musi być skalibrowana przez użytkownika w celu skupienia wiązki elektronów w ustalonym miejscu na próbce. Skupiona wiązka jest następnie skanowana rastrowo w poprzek próbki.

Kiedy elektrony pierwotne oddziałują z próbką, tunelują na głębokość zależną od energii wiązki elektronów. Ta interakcja z powierzchnią powoduje emisję elektronów wtórnych i wstecznie rozproszonych, które są następnie mierzone przez odpowiednie detektory.

Intensywność sygnału emitowanych elektronów wtórnych zmienia się w zależności od kąta nachylenia próbki. Powierzchnie prostopadłe do wiązki uwalniają mniej elektronów wtórnych, a zatem wydają się ciemniejsze. Na krawędzi powierzchni uwalnianych jest więcej elektronów, a obszar wydaje się jaśniejszy. Zjawisko to tworzy obrazy o dobrze zdefiniowanym wyglądzie 3D, jak pokazano na tym skanowaniu azbestu SEM.

Natomiast elektrony rozproszone wstecznie odbijają się w kierunku przeciwnym do wiązki elektronów. Intensywność detekcji wzrasta wraz ze wzrostem liczby atomowej próbki, co umożliwia uzyskanie informacji o składzie powierzchni, jak pokazano na tym obrazie wtrąceń w szkle z rozproszeniem wstecznym.

Teraz, gdy zasady działania instrumentu SEM zostały nakreślone, podstawowe działanie SEM zostanie zademonstrowane w laboratorium.

Na początek napyl próbkę, umieszczając ją na króćcu próbki. Upewnij się, że próbka jest całkowicie sucha i odgazowana. W razie potrzeby można użyć dwustronnej przewodzącej taśmy węglowej do przyklejenia próbki do króćca. Umieścić próbkę w systemie rozpylania. Rozpyl kilka nanometrów złota na próbkę. Grubość warstwy złota będzie się różnić w zależności od tego, czy powłoka ingeruje w morfologię próbki.

Usunąć próbkę z systemu rozpylania. Upewnij się, że istnieje mostek przewodzący od powierzchni próbki do metalowego króćca.

Po pokryciu próbki jest ona gotowa do obrazowania. W tym celu należy najpierw odpowietrzyć komorę na próbkę SEM i pozwolić, aby komora osiągnęła ciśnienie nominalne.

Otwórz komorę na próbki SEM i wyjmij stolik na próbki. Umieść króciec na stoliku próbki i dokręć go na miejscu.

Jeśli odległość między obiektywem a próbką, zwana odległością roboczą, nie może być kontrolowana przez oprogramowanie, upewnij się, że stolik i króciec mają odpowiednią wysokość, aby uzyskać obraz.

Umieścić stolik na próbkę w komorze na próbkę i zamknąć komorę.

Włącz pompy próżniowe i pozwól, aby system się zmniejszył.

Aby rozpocząć obrazowanie, otwórz oprogramowanie SEM. Wybierz żądane napięcie robocze w zakresie od 1×30 kV. W przypadku materiałów o dużej gęstości należy stosować wyższe napięcia przyspieszenia. Wybierz niskie napięcie przyspieszające dla materiałów o małej gęstości.

Większość oprogramowania SEM zawiera funkcję automatycznego ustawiania ostrości. Spowoduje to skupienie próbki na niej, która będzie służyć jako punkt wyjścia.

Ustaw powiększenie na minimalny poziom powiększenia 50X.

SEM ma różne tryby skanowania, takie jak szybkie skanowanie i wolne skanowanie. Szybszy tryb skanowania zapewnia szybszą częstotliwość odświeżania ekranu przy niższej jakości. Wybierz tryb szybkiego skanowania, aby rozpocząć, aby znaleźć próbkę i rozpocząć zgrubne ustawianie ostrości.

Dostosuj ostrość kursu, aż obraz stanie się ostrzejszy. Następnie dostosuj położenie stolika tak, aby obszar zainteresowania był widoczny na wyświetlaczu.

Najpierw ustaw ostrość na najmniejszym powiększeniu, używając zgrubnej ostrości. Następnie zwiększaj poziom powiększenia, aż zostanie zaobserwowana żądana cecha. Dostosuj ostrość kursu, aby z grubsza ustawić ostrość obrazu przy tym powiększeniu. W razie potrzeby wyreguluj zgrubną ostrość, gdy powiększenie wzrośnie.

Następnie dostosuj precyzyjną ostrość, aby jeszcze bardziej poprawić obraz. Powtarzaj te kroki ustawiania ostrości za każdym razem, gdy powiększenie zostanie zwiększone.

Asymetryczne zniekształcenia wiązki mogą powodować rozmycie obrazu, zwane astygmatyzmem, nawet jeśli próbka jest dobrze zogniskowana. Aby zmniejszyć ten efekt, zwiększ powiększenie do maksymalnego poziomu i ustaw ostrość obrazu za pomocą precyzyjnej ostrości. Następnie dostosuj stygmatyzację zarówno w kierunku x, jak i y, aby zmienić kształt wiązki.

Kontynuuj dostosowywanie ustawień ostrości i stygmatyzacji, aż obraz będzie tak ostry, jak to możliwe przy zwiększonym poziomie powiększenia.

Następnie wróć do żądanego poziomu powiększenia.

Obraz SEM można uzyskać w trybie "wolnego zdjęcia" lub "szybkiego zdjęcia". Tryb "szybkiego zdjęcia" tworzy obraz o niższej jakości, ale jest uzyskiwany szybciej. Tryb "slow photo" tworzy obraz o wyższej jakości, ale może nasycić powierzchnię elektronami.

Aby zmierzyć cechy na przechwyconym obrazie, użyj narzędzi pomiarowych oprogramowania.

Większość przyrządów zawiera opcje pomiaru, takie jak długość, powierzchnia i kąt.

Aby określić długość, wybierz odległość, która ma być mierzona na obrazie SEM. Kliknij na obrazek, aby utworzyć punkty odniesienia, które będą analizowane przez oprogramowanie.

Po zakończeniu wyłącz SEM zgodnie z wytycznymi producenta.

Skaningowa mikroskopia elektronowa służy do obrazowania szerokiej gamy próbek.

SEM może być używany do obrazowania złożonych i wysoce ustrukturyzowanych materiałów, takich jak membrana z włókna węglowego.

Próbka wykazała wysoki stopień porowatości i trójwymiarową strukturę; Właściwość, która jest bardzo pożądana w zastosowaniach takich jak kataliza.

SEM może być również używany do obrazowania próbek biologicznych, takich jak bakterie. W tym przykładzie przypominające włosy przydatki lub pilusy bakterii jelitowych zostały zobrazowane za pomocą SEM.

Helicobacter pylori wyhodowano na płytkach z agarem z krwią, a bakterie wysiano na szklanych szkiełkach nakrywkowych.

W pełni wysuszone próbki zostały zamontowane i pokryte 5 nm palladu i złota, aby próbka była przewodząca.

Na koniec próbka została zobrazowana za pomocą SEM. H. pylori były łatwo widoczne, z mierzalnymi pilusami w nanoskali.

Ten przykład opisuje, w jaki sposób tkanka mózgowa może zostać osadzona w stabilnej żywicy, a następnie zobrazowana w trzech wymiarach za pomocą skupionej wiązki jonów i SEM.

Po pierwsze, tkanka mózgowa została utrwalona i osadzona w żywicy. Następnie obszar zainteresowania został zidentyfikowany i pokrojony za pomocą mikrotomu.

Próbka została następnie włożona do skaningowego mikroskopu elektronowego ze skupioną wiązką jonów w celu obrazowania trójwymiarowego. Skupiona wiązka jonów została następnie wykorzystana do sekwencyjnego usuwania cienkich warstw próbki. Każda warstwa została zobrazowana przed usunięciem za pomocą SEM.

Właśnie obejrzałeś wprowadzenie JoVE do skaningowej mikroskopii elektronowej. Powinieneś teraz zrozumieć podstawowe zasady działania SEM oraz sposób przygotowania i analizy próbki SEM.

Dzięki za oglądanie!