扫描电子显微镜 (SEM)

Analytical Chemistry

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Overview

资料来源: 实验室的博士安德鲁 J.Steckl — — 辛辛那提大学

扫描电子显微镜、 或扫描电镜,是强大的显微镜用电子来形成图像。它允许在不能使用传统的显微镜的放大倍数的导电样品的成像。现代光学显微镜可以实现一个放大的 ~ 1,000 X,而典型的扫描电镜可以达到放大超过 30,000 X。扫描电镜不用于创建图像的光,因为它形成造成的照片是在黑色和白色。

导电样品放在扫描电镜的样品阶段。一旦样品室达到真空,用户将着手将电子枪对齐到正确的位置系统中。电子枪射出一束高能电子,传播通过透镜和光圈的组合,最终达到样品。由于电子枪继续拍摄电子在样品上的精确位置,二次电子将弹跳的样品。这些二次电子探测器由标识。发现从二次电子信号被放大,并发送到监视器,创建 3D 图像。这个视频会显示扫描电镜样品制备、 操作和成像能力。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 分析化学精要. 扫描电子显微镜 (SEM). JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Principles

通过加热电子枪,哪像阴极产生电子。这些电子被推进向阳极,样品,强电场的方向相同。束电子浓缩后,它进入物镜,校准到由用户在样品上的固定位置。(图 1)

一旦电子罢工导电样品,两件事情可以发生。第一,打样品的主要电子将隧道通过它的深度是依赖这些电子的能量水平。然后,中学和背散射电子将打样品和从它向外反映。这些反映电子是然后测量通过二次电子 (SE) 或背散射探测器 (BS)。在信号处理过程后,样本的图像在屏幕上形成。1

在 SE 模式下,二次电子受到积极偏见的探测器上由于其低能量。信号强度不同样品的角度。因此,SE 模式提供高度地形图像。另一方面,在 BS 模式中,电子转移的方向是几乎直接对面的电子光束方向和检测强度是样品的原子数成正比。因此,它是那么地形,但有用的成分图像。BS 模式也是受样品,有利于非导电样品收费影响较小。1

Figure 1
图 1。SEM 的示意图

Procedure

1.样品的制备

  1. 地方样品到样品存根 (stub)。如有必要,碳磁带可能用于粘合剂粘接样品到存根 (stub)。
  2. 将样品放入黄金溅射系统。使用淘金热的小规模溅射,溅射金子为 30 米/秒 ~ 70 mTorr 压力。不同的金层厚度可能有必要根据样品的几何。更粗糙或多孔表面需要再溅射时间。
  3. 从黄金溅射系统删除存根 (stub)。

2.样品插入和扫描电镜启动

  1. 发泄在扫描电镜室,允许会议厅,以达到额定压力。
  2. 打开扫描电镜的样品室,拿出样品阶段。
  3. 插入示例存根 (stub) 包含样本上了舞台。拧紧到位的存根 (stub)。
  4. 如果 z 距离不能控制的软件,请确保样品阶段与示例存根 (stub) 具有适当的高度,以获得更好的形象。
  5. 放入样品室样品阶段。关闭样品室。
  6. 打开泵,使系统能够达到真空。这完成时,系统将通知用户。
  7. 打开扫描电镜软件。选择所需操作电压从 1 — — 30 千伏。高工作电压给出更好的图像对比度,但可以产生较低的分辨率,如果样品中积累了收费。

3.捕获扫描电镜图像

  1. 在扫描电镜软件开始 ' 自动对焦,通过点击的钥匙图标。这将会获得样品要用作起始点的重点的的形象。
  2. 请确保缩放比例设置为 50 X 最小缩放级别。
  3. 选择快速扫描模式。
  4. 调整粗模式关注的焦点,直到获得一个粗糙的焦点。
  5. 调整阶段手动使用外部旋钮,使该地区的利益是可见在显示器上。
  6. 增加放大倍数,直到观察到所需的功能。调整的粗的聚焦旋钮,大致集中在此放大图像。然后,改善使用精细的聚焦旋钮要聚焦的图像所需的放大级别的重点。每增加放大级别,将重复此步骤。
  7. 一旦达到所需的缩放比例,调整好的聚焦旋钮来提高清晰度。
  8. 若要优化图像的清晰度,提高放大倍数接近最高的水平,然后集中使用细焦点旋钮的形象。如果不能获得清晰的图像,调整 stigmation 的 x 和 y 方向。保持调整的重点和 stigmations,直到夸张的放大级别获得的最清晰的图像。
  9. 到达后样品的质量形象,追溯到所需的缩放级别。图像可以采取按照片按钮 '慢照片' 或 '快速照片' 模式。更好的质量和高分辨率的图像,给出了 '慢照片' 模式。

4.制作用扫描电镜软件测量

  1. 在面板下拉列表中,选择 M.工具。
  2. 直接扫描电镜软件测量各种测量长度,面积,角度等。要执行这些测量之一,请单击 M.工具窗口中的所需图标。
  3. 滚动到上的扫描电镜图像的测量站点。测量是通过点击图像以创建将由软件分析的参考点。测量数据点可以直接插入图像,如果用户所需。
  4. 图像然后保存到计算机。

扫描电镜观察或扫描电镜,是强大的技术,使用扫描的电子束表面结构和化学成分的样品进行分析的化学和材料分析中使用。

现代光学显微镜与对象,称为衍射的可见光波相互作用受到限制。最小可分辨之间的距离两个对象或横向分辨率,而对象大小的衍射图样的大小而异。因此,光学显微镜有达 1000 X 的最大放大倍率和横向分辨力达 200 毫微米在理想的情况下。

它使用一束电子,而不是光的衍射,不扫描电镜的限制。因此,扫描电镜可以达到亚纳米级横向分辨率达 100 万 X 的放大率。此外,扫描电镜并不限于只在焦平面的影像学特征,用光镜观察。因此,解决焦平面以外的对象,而不是在何处出现模糊的光镜。这提供 300 倍增加景深镜

化学家广泛利用扫描电镜分析表面化学组成、 结构和纳米级的实体,如催化剂颗粒的形状。

本视频将概述的扫描电镜的仪器,原则和证明扫描电镜样品制备和在实验室操作的基础知识。

在扫描电镜,样品必须是导电的常规成像。非导电样品都涂有一层薄薄的金属,如金。通过扫描高能电子聚焦的光束穿过样品,然后生成图像。

电子束扫描电镜用生成的装有钨灯丝阴极电子枪。电子由电场向阳极中的样品,方向推进。

电子束在凝汽器透镜聚焦后,进入物镜。物镜必须校准由用户聚焦电子束在样品上的固定位置上。聚焦的光束是然后光栅扫描整个样品。

当初始电子与示例交互时,他们隧道是依赖电子束能量的深度。这与表面的相互作用导致的中学和背散射电子,然后测定了他们各自的探测器发射。

排放的二次电子信号强度取决于样品的角度。表面垂直于梁释放较少的二次电子,并因此显得更黑。在曲面的边缘,更多的电子被释放和地区出现光明。这一现象产生图像的一个定义良好的 3D 外观,石棉此扫描电镜扫描所示。

相比之下,背散射的电子被反映在电子束相反的方向。检测强度随样品,使表面的成分信息的获取,玻璃中夹杂物的后向散射图中所示的原子序数的增加而增加。

现在,概述了 SEM 文书的原则,将在实验室中证明扫描电镜的基本操作。

首先,通过将它放到示例存根上溅射外套样品。确保样品完全干燥和脱气。如有必要,双面导电碳磁带可能用于坚持到存根 (stub) 样品。将样品放入一个溅射系统。几个纳米到样品上金也难幸免。如果涂层干扰的样品的形态的金层厚度将取决于会发生变化。

从溅射系统删除示例。确保从试样表面到金属的存根 (stub) 导电的桥梁。

样品已被涂抹,一旦,准备映像。要这样做,第一次发泄的扫描电镜样品室和允许会议厅,以达到额定压力。

打开扫描电镜的样品室,并取出样品阶段。放置到样品阶段,存根 (stub) 并拧紧到位存根 (stub)。

如果透镜和样品,所谓的工作距离,之间的距离不能由软件控制,确保阶段和存根 (stub) 有适当的高度,获得图像。

放入样品室,样品阶段和接近车厢。

打开真空泵,泵系统容许下来。

若要开始成像,打开 SEM 软件。选择所需操作电压从 1 — — 30 千伏。用高密度材料,应使用较高的加速电压。选择低加速电压低密度材料。

扫描电镜的大多数软件包括自动对焦功能。这将会获得此示例将使用作为起点的一个焦点。

将缩放比例设置为 50 X 最小缩放级别。

扫描电镜具有快速扫描、 慢扫描等不同的扫描方式。更快的扫描模式提供了更快的刷新率,屏幕具有较低质量。选择要开始,为了找到样品并开始粗集中的快速扫描模式。

调整课程焦点,直到图像变得清晰。接下来,调整阶段定位,所以可以在显示器上看到感兴趣区域。

最初的重点是在使用粗焦点的最低放大倍数。然后,增加放大倍数,直到观察到所需的功能。调整课程焦点大致集中在此放大图像。如有必要,调整粗焦点时放大倍数增加。

然后,调整细焦点进一步改善形象。重复这些重点步骤,每次增加放大率。

不对称光束畸变又可以造成模糊的图像,称为散光,即使该示例的重点明确。为了减少这种影响,增加至最大音量,放大和集中使用细焦点的形象。然后调整中的 x 和 y 方向将重塑梁 stigmation。

保持调整的重点和 stigmation 的设置,直到图像聚焦尽可能增加的放大级别。

然后返回到所需的缩放级别。

在"慢光"或"快速照片"模式,可获得扫描电镜图像。"快速照片"模式创建的较低的图像质量,而更快地获得。"慢照片"模式创建的更高的图像质量,但可能用电子浸透的表面。

为了测量内捕获的图像特征,利用软件的测量工具。

大多数仪器包括长度、 面积和角度等测量选项。

要确定长度,请选择要在扫描电镜图像上测量的距离。单击图像以创建将由软件分析的参考点。

当完成后,关闭了 SEM 根据制造商的指导方针。

扫描电镜用于图像的样品种类繁多。

扫描电镜可以用于图像复杂和高度结构化的材料,例如碳纤维膜。

该示例显示高度的孔隙度和三维结构;属性,该属性是非常可取的应用,如催化。

扫描电镜也可以用于生物样品,如细菌的图像。在本示例中,头发像附属物或霹雳的肠道细菌成像镜

这种细菌附着玻璃盖玻片并幽门螺杆菌血琼脂平板上生长。

充分干燥后的样品装入,并涂有 5 毫微米的钯-金为了使该示例导电。

最后,该示例成像使用扫描提示幽门螺杆菌被轻易可见,并可测量纳米霹雳。

本示例描述如何脑组织可以被嵌入到一个稳定的树脂,然后在三个维度使用聚焦的离子束和扫描成像

第一,脑组织是固定和嵌入在树脂。感兴趣区域标识,然后用切片机切片。

样品,然后插入到聚焦的离子束扫描电镜三维成像。聚焦的离子束被用于按顺序删除的样品的薄层。每个图层之前去除使用后向散射扫描成像

你刚看了扫描电镜观察朱庇特的简介。现在,您应该了解扫描电镜和如何准备和分析扫描电镜样品的基本工作的原理。

谢谢观赏 !

Results

扫描电镜,见于图 2a,已被用于进行测量和采集样品照片。样本的氯化钠 (NaCl) 盐。然后几个纳米的黄金被溅射到它,使其导电,它被放置存根 (stub) 如图 2b所示。导电样品然后放入扫描电镜样品区,如图 2c所示。

扫描电镜图像被索取 50 X、 200 X、 500 X、 1,000 X 和 5000 X 放大层如图 3所示。图 3a在 50 X 放大显示盐样品鸟瞰视图。图 3b然后放大到一个单独的盐粒子在 200 X 放大倍率。图 3 c显示此相同的放大级别,但包括在扫描电镜软件内的面积和直径测量。图 3d然后放大到 500 X,在盐粒子上显示感兴趣的领域。图 3e显示一个放大的 1,000 X,使自己观察已损坏的盐粒子的角。图 3 楼显示一个放大的 5,000 X,这样就允许用户查看的盐粒子的结构。

Figure 2
图 2。(a) 图像扫描 (b) NaCl 盐放置样品存根 (stub) 与碳纤维的胶带。(c) 样品存根 (stub) 放入扫描电镜样品阶段,带有金涂层处理后。

Figure 3
图 3。扫描电镜图像的各级放大样品: (a) 50 X,(b) 200 X,(c) 与测量 200 X,(d) 500 X,(e) 1,000 X,和 (f) 5,000 X。

Applications and Summary

扫描电镜是一个非常强大的工具,是常见的大多数研究机构由于其能力的形象是导电的或已处理的导电涂料的任何对象。扫描电镜已用于图像对象,例如半导体器件,2生物膜、34除其他外的昆虫。我们也有使用扫描电镜分析纳米纤维和纸质材料、 生物材料、 制备结构。当然,有的材料,如液体,那不能放入标准的扫描电镜成像,但持续发展的环境扫描电子显微镜 (环境扫描电镜) 允许此类功能。环境扫描电镜是类似于扫描电镜,它使用电子枪,分析了电子相互作用与样品。主要的区别是,环境扫描电镜分裂成两个独立的分庭。顶分庭由电子枪和进入高真空状态,而低分庭包含样品和进入高压状态。因为样本区域不需要进入真空,湿或生物样品可以在成像过程中使用。环境扫描电镜的另一个好处是样品不需要涂上导电材料。然而,环境扫描电镜在样品室中有一些缺点的低对比度和小工作距离气态环境。.一般的经验法则是,如果你能够大衣一份样品和一层导电层,然后它可以成像扫描电镜,让几乎所有的固体对象进行分析。

References

  1. Goldstein, J., Newbury, D., Joy, D., Lyman, C., Echlin, P., Lifshin, E., Sawyer, L., Michael, J. Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis. 3rd Ed. Springer, New York, NY. (2003).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).

1.样品的制备

  1. 地方样品到样品存根 (stub)。如有必要,碳磁带可能用于粘合剂粘接样品到存根 (stub)。
  2. 将样品放入黄金溅射系统。使用淘金热的小规模溅射,溅射金子为 30 米/秒 ~ 70 mTorr 压力。不同的金层厚度可能有必要根据样品的几何。更粗糙或多孔表面需要再溅射时间。
  3. 从黄金溅射系统删除存根 (stub)。

2.样品插入和扫描电镜启动

  1. 发泄在扫描电镜室,允许会议厅,以达到额定压力。
  2. 打开扫描电镜的样品室,拿出样品阶段。
  3. 插入示例存根 (stub) 包含样本上了舞台。拧紧到位的存根 (stub)。
  4. 如果 z 距离不能控制的软件,请确保样品阶段与示例存根 (stub) 具有适当的高度,以获得更好的形象。
  5. 放入样品室样品阶段。关闭样品室。
  6. 打开泵,使系统能够达到真空。这完成时,系统将通知用户。
  7. 打开扫描电镜软件。选择所需操作电压从 1 — — 30 千伏。高工作电压给出更好的图像对比度,但可以产生较低的分辨率,如果样品中积累了收费。

3.捕获扫描电镜图像

  1. 在扫描电镜软件开始 ' 自动对焦,通过点击的钥匙图标。这将会获得样品要用作起始点的重点的的形象。
  2. 请确保缩放比例设置为 50 X 最小缩放级别。
  3. 选择快速扫描模式。
  4. 调整粗模式关注的焦点,直到获得一个粗糙的焦点。
  5. 调整阶段手动使用外部旋钮,使该地区的利益是可见在显示器上。
  6. 增加放大倍数,直到观察到所需的功能。调整的粗的聚焦旋钮,大致集中在此放大图像。然后,改善使用精细的聚焦旋钮要聚焦的图像所需的放大级别的重点。每增加放大级别,将重复此步骤。
  7. 一旦达到所需的缩放比例,调整好的聚焦旋钮来提高清晰度。
  8. 若要优化图像的清晰度,提高放大倍数接近最高的水平,然后集中使用细焦点旋钮的形象。如果不能获得清晰的图像,调整 stigmation 的 x 和 y 方向。保持调整的重点和 stigmations,直到夸张的放大级别获得的最清晰的图像。
  9. 到达后样品的质量形象,追溯到所需的缩放级别。图像可以采取按照片按钮 '慢照片' 或 '快速照片' 模式。更好的质量和高分辨率的图像,给出了 '慢照片' 模式。

4.制作用扫描电镜软件测量

  1. 在面板下拉列表中,选择 M.工具。
  2. 直接扫描电镜软件测量各种测量长度,面积,角度等。要执行这些测量之一,请单击 M.工具窗口中的所需图标。
  3. 滚动到上的扫描电镜图像的测量站点。测量是通过点击图像以创建将由软件分析的参考点。测量数据点可以直接插入图像,如果用户所需。
  4. 图像然后保存到计算机。

扫描电镜观察或扫描电镜,是强大的技术,使用扫描的电子束表面结构和化学成分的样品进行分析的化学和材料分析中使用。

现代光学显微镜与对象,称为衍射的可见光波相互作用受到限制。最小可分辨之间的距离两个对象或横向分辨率,而对象大小的衍射图样的大小而异。因此,光学显微镜有达 1000 X 的最大放大倍率和横向分辨力达 200 毫微米在理想的情况下。

它使用一束电子,而不是光的衍射,不扫描电镜的限制。因此,扫描电镜可以达到亚纳米级横向分辨率达 100 万 X 的放大率。此外,扫描电镜并不限于只在焦平面的影像学特征,用光镜观察。因此,解决焦平面以外的对象,而不是在何处出现模糊的光镜。这提供 300 倍增加景深镜

化学家广泛利用扫描电镜分析表面化学组成、 结构和纳米级的实体,如催化剂颗粒的形状。

本视频将概述的扫描电镜的仪器,原则和证明扫描电镜样品制备和在实验室操作的基础知识。

在扫描电镜,样品必须是导电的常规成像。非导电样品都涂有一层薄薄的金属,如金。通过扫描高能电子聚焦的光束穿过样品,然后生成图像。

电子束扫描电镜用生成的装有钨灯丝阴极电子枪。电子由电场向阳极中的样品,方向推进。

电子束在凝汽器透镜聚焦后,进入物镜。物镜必须校准由用户聚焦电子束在样品上的固定位置上。聚焦的光束是然后光栅扫描整个样品。

当初始电子与示例交互时,他们隧道是依赖电子束能量的深度。这与表面的相互作用导致的中学和背散射电子,然后测定了他们各自的探测器发射。

排放的二次电子信号强度取决于样品的角度。表面垂直于梁释放较少的二次电子,并因此显得更黑。在曲面的边缘,更多的电子被释放和地区出现光明。这一现象产生图像的一个定义良好的 3D 外观,石棉此扫描电镜扫描所示。

相比之下,背散射的电子被反映在电子束相反的方向。检测强度随样品,使表面的成分信息的获取,玻璃中夹杂物的后向散射图中所示的原子序数的增加而增加。

现在,概述了 SEM 文书的原则,将在实验室中证明扫描电镜的基本操作。

首先,通过将它放到示例存根上溅射外套样品。确保样品完全干燥和脱气。如有必要,双面导电碳磁带可能用于坚持到存根 (stub) 样品。将样品放入一个溅射系统。几个纳米到样品上金也难幸免。如果涂层干扰的样品的形态的金层厚度将取决于会发生变化。

从溅射系统删除示例。确保从试样表面到金属的存根 (stub) 导电的桥梁。

样品已被涂抹,一旦,准备映像。要这样做,第一次发泄的扫描电镜样品室和允许会议厅,以达到额定压力。

打开扫描电镜的样品室,并取出样品阶段。放置到样品阶段,存根 (stub) 并拧紧到位存根 (stub)。

如果透镜和样品,所谓的工作距离,之间的距离不能由软件控制,确保阶段和存根 (stub) 有适当的高度,获得图像。

放入样品室,样品阶段和接近车厢。

打开真空泵,泵系统容许下来。

若要开始成像,打开 SEM 软件。选择所需操作电压从 1 — — 30 千伏。用高密度材料,应使用较高的加速电压。选择低加速电压低密度材料。

扫描电镜的大多数软件包括自动对焦功能。这将会获得此示例将使用作为起点的一个焦点。

将缩放比例设置为 50 X 最小缩放级别。

扫描电镜具有快速扫描、 慢扫描等不同的扫描方式。更快的扫描模式提供了更快的刷新率,屏幕具有较低质量。选择要开始,为了找到样品并开始粗集中的快速扫描模式。

调整课程焦点,直到图像变得清晰。接下来,调整阶段定位,所以可以在显示器上看到感兴趣区域。

最初的重点是在使用粗焦点的最低放大倍数。然后,增加放大倍数,直到观察到所需的功能。调整课程焦点大致集中在此放大图像。如有必要,调整粗焦点时放大倍数增加。

然后,调整细焦点进一步改善形象。重复这些重点步骤,每次增加放大率。

不对称光束畸变又可以造成模糊的图像,称为散光,即使该示例的重点明确。为了减少这种影响,增加至最大音量,放大和集中使用细焦点的形象。然后调整中的 x 和 y 方向将重塑梁 stigmation。

保持调整的重点和 stigmation 的设置,直到图像聚焦尽可能增加的放大级别。

然后返回到所需的缩放级别。

在"慢光"或"快速照片"模式,可获得扫描电镜图像。"快速照片"模式创建的较低的图像质量,而更快地获得。"慢照片"模式创建的更高的图像质量,但可能用电子浸透的表面。

为了测量内捕获的图像特征,利用软件的测量工具。

大多数仪器包括长度、 面积和角度等测量选项。

要确定长度,请选择要在扫描电镜图像上测量的距离。单击图像以创建将由软件分析的参考点。

当完成后,关闭了 SEM 根据制造商的指导方针。

扫描电镜用于图像的样品种类繁多。

扫描电镜可以用于图像复杂和高度结构化的材料,例如碳纤维膜。

该示例显示高度的孔隙度和三维结构;属性,该属性是非常可取的应用,如催化。

扫描电镜也可以用于生物样品,如细菌的图像。在本示例中,头发像附属物或霹雳的肠道细菌成像镜

这种细菌附着玻璃盖玻片并幽门螺杆菌血琼脂平板上生长。

充分干燥后的样品装入,并涂有 5 毫微米的钯-金为了使该示例导电。

最后,该示例成像使用扫描提示幽门螺杆菌被轻易可见,并可测量纳米霹雳。

本示例描述如何脑组织可以被嵌入到一个稳定的树脂,然后在三个维度使用聚焦的离子束和扫描成像

第一,脑组织是固定和嵌入在树脂。感兴趣区域标识,然后用切片机切片。

样品,然后插入到聚焦的离子束扫描电镜三维成像。聚焦的离子束被用于按顺序删除的样品的薄层。每个图层之前去除使用后向散射扫描成像

你刚看了扫描电镜观察朱庇特的简介。现在,您应该了解扫描电镜和如何准备和分析扫描电镜样品的基本工作的原理。

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