Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ)

Сканирующая электронная микроскопия, или СЭМ, является мощным методом, используемым в химии и анализе материалов, который использует отсканированный электронный пучок для анализа структуры поверхности и химического состава образца.

Современные световые микроскопы ограничены взаимодействием видимых световых волн с объектом, называемым дифракцией. Наименьшее разрешимое расстояние между двумя объектами, или латеральное разрешение, изменяется в зависимости от размера дифракционной картины по сравнению с размером объекта. В результате световые микроскопы имеют максимальное увеличение до 1000 раз и боковое разрешение до 200 нм в идеальных условиях.

СЭМ не ограничен дифракцией, так как в нем используется пучок электронов, а не света. Таким образом, SEM может достигать увеличения до одного миллиона X с субнанометровым боковым разрешением. Кроме того, СЭМ не ограничивается особенностями визуализации только в фокальной плоскости, как при световой микроскопии. Таким образом, объекты за пределами фокальной плоскости разрешаются, в отличие от световой микроскопии, где они кажутся размытыми. Это обеспечивает увеличение глубины резкости до 300 раз с помощью SEM.

Химики широко используют СЭМ для анализа поверхностного состава, структуры и формы наноразмерных объектов, таких как частицы катализатора.

? В этом видео будут изложены принципы работы прибора СЭМ, а также продемонстрированы основы подготовки образцов СЭМ и работы в лаборатории.

При СЭМ образцы должны быть проводящими для обычной визуализации. Непроводящие образцы покрываются тонким слоем металла, например, золота. Затем изображения генерируются путем сканирования сфокусированного пучка высокоэнергетических электронов по образцу.

Электронный пучок, используемый в РЭМ, генерируется электронной пушкой, оснащенной катодом из вольфрамовой нити. Электроны толкаются к аноду, в направлении образца, с помощью электрического поля.

Затем электронный луч фокусируется на линзах конденсора и попадает в линзу объектива. Объектив должен быть откалиброван пользователем для фокусировки электронного пучка в фиксированном положении на образце. Затем сфокусированный луч сканируется растром по всему образцу.

Когда первичные электроны взаимодействуют с образцом, они туннелируют на глубину, которая зависит от энергии электронного пучка. Это взаимодействие с поверхностью приводит к излучению вторичных и обратно рассеянных электронов, которые затем измеряются соответствующими детекторами.

Интенсивность сигнала испускаемых вторичных электронов изменяется в зависимости от угла наклона образца. Поверхности, перпендикулярные лучу, высвобождают меньше вторичных электронов и поэтому кажутся темнее. На краю поверхностей высвобождается больше электронов, и область кажется более яркой. Это явление позволяет получать изображения с четко определенным 3D-видом, как показано на этом СЭМ-сканировании асбеста.

Напротив, обратно рассеянные электроны отражаются в направлении, противоположном электронному пучку. Интенсивность детектирования увеличивается с увеличением атомного номера образца, что позволяет получить информацию о составе поверхности, как показано на этом изображении включений в стекле с обратным рассеянием.

Теперь, когда принципы работы прибора СЭМ изложены, основные принципы работы СЭМ будут продемонстрированы в лаборатории.

Для начала нанесите на образец слой с помощью распыления, поместив его на огрызок образца. Убедитесь, что образец полностью сухой и дегазирован. При необходимости для приклеивания образца к заглушке может быть использована двусторонняя проводящая угольная лента. Поместите образец в систему распыления. Нанесите на образец несколько нанометров золота. Толщина слоя золота будет варьироваться в зависимости от того, влияет ли покрытие на морфологию пробы.

Извлеките образец из системы распыления. Убедитесь, что от поверхности образца к металлическому заглушке имеется проводящий мост.

После того, как образец будет покрыт, он готов к нанесению изображений. Для этого сначала продуйте вентиляцию в камере для образцов SEM и дайте камере достичь номинального давления.

Откройте отсек для образцов SEM и извлеките предметный столик для образца. Поместите заглушку на предметный столик и затяните заглушку на месте.

Если расстояние между объективом и образцом, называемое рабочим расстоянием, не может контролироваться программным обеспечением, убедитесь, что столик и заглушка имеют надлежащую высоту для получения изображения.

Поместите предметный столик в камеру для образцов и закройте отсек.

Включите вакуумные насосы и дайте системе откачаться.

Чтобы начать визуализацию, откройте программное обеспечение SEM. Выберите желаемое рабочее напряжение в диапазоне от 1?30 кВ. При работе с материалами высокой плотности следует использовать более высокие напряжения ускорения. Выберите низкое ускоряющее напряжение для материалов с низкой плотностью.

Большинство программ SEM включают функцию автофокусировки. Это позволит получить фокус образца для использования в качестве отправной точки.

Установите увеличение на минимальный уровень зума 50X.

SEM имеет различные режимы сканирования, такие как быстрое сканирование и медленное сканирование. Режим более быстрого сканирования обеспечивает более высокую частоту обновления экрана при более низком качестве. Для начала выберите режим быстрого сканирования, чтобы найти образец и начать грубую фокусировку.

Регулируйте фокусировку курса до тех пор, пока изображение не станет более четким. Затем отрегулируйте положение рабочей области так, чтобы интересующая область была видна на дисплее.

Во-первых, сфокусируйтесь на самом низком увеличении с помощью грубого фокуса. Затем увеличивайте уровень увеличения до тех пор, пока не будет замечен желаемый элемент. Отрегулируйте фокус курса, чтобы примерно сфокусировать изображение при этом увеличении. При необходимости отрегулируйте грубый фокус при увеличении увеличения.

Затем отрегулируйте тонкую фокусировку, чтобы еще больше улучшить изображение. Повторяйте эти действия фокусировки каждый раз при увеличении увеличения.

Асимметричные искажения луча могут привести к размытию изображения, называемому астигматизмом, даже если образец хорошо сфокусирован. Чтобы уменьшить этот эффект, увеличьте увеличение до максимального уровня и сфокусируйте изображение с помощью тонкого фокуса. Затем отрегулируйте рыльце в обоих направлениях по оси X и Y, чтобы изменить форму луча.

Продолжайте регулировать параметры фокусировки и стигмации до тех пор, пока изображение не станет максимально сфокусированным при увеличенном уровне увеличения.

Затем вернитесь к нужному уровню увеличения.

Изображение SEM может быть получено в режиме «медленная фотография» или «быстрая фотография». Режим «быстрая фотосъемка» создает изображение более низкого качества, но получается быстрее. Режим «медленная фото» создает изображение более высокого качества, но может насытить поверхность электронами.

Чтобы измерить особенности полученного изображения, используйте измерительные инструменты программного обеспечения.

Большинство приборов включают в себя такие параметры измерения, как длина, площадь и угол.

Чтобы определить длину, выберите расстояние, которое будет измеряться на изображении SEM. Нажмите на изображение, чтобы создать точки отсчета, которые будут проанализированы программным обеспечением.

Когда закончите, выключите SEM в соответствии с рекомендациями производителя.

Сканирующая электронная микроскопия используется для получения изображений широкого спектра образцов.

SEM может использоваться для визуализации сложных и высокоструктурированных материалов, таких как мембрана из углеродного волокна.

Образец показал высокую степень пористости и трехмерную структуру, что является очень желательным для таких применений, как катализ.

SEM также можно использовать для визуализации биологических образцов, таких как бактерии. В этом примере волосяные придатки, или пили, кишечных бактерий были визуализированы с помощью SEM.

Helicobacter pylori выращивали на кровяных агаровых пластинах, а бактерии высевали на стеклянные покровные стекла.

Полностью высушенные образцы были смонтированы и покрыты 5 нм палладия-золота, чтобы сделать образец проводящим.

Наконец, образец был визуализирован с помощью SEM. H. pylori были легко видны с помощью измеряемых наноразмерных пили.

В этом примере описывается, как мозговая ткань может быть встроена в стабильную смолу, а затем визуализирована в трех измерениях с помощью сфокусированного ионного пучка и SEM.

Сначала ткань мозга была зафиксирована и встроена в смолу. Затем область интереса определяется и нарезается микротомом.

Затем образец был помещен в сканирующий электронный микроскоп с сфокусированным ионным пучком для трехмерной визуализации. Затем сфокусированный ионный пучок использовался для последовательного удаления тонких слоев образца. Каждый слой был изображен перед удалением с помощью SEM с обратным рассеянием.

Вы только что посмотрели введение JoVE в сканирующую электронную микроскопию. Теперь вы должны понять основные принципы работы SEM и то, как подготовить и проанализировать образец SEM.

Спасибо за просмотр!