Overview
Fuente: Laboratorio del Dr. Andrew Steckl de J., Universidad de Cincinnati
Un microscopio electrónico de barrido o SEM, es un potente microscopio que utiliza electrones para formar una imagen. Permite obtener imágenes de muestras conductoras con aumentos que no se puede lograr usando los microscopios tradicionales. Microscopios ópticos modernos pueden alcanzar un aumento de ~ 1, 000 X, mientras que SEM típico puede alcanzar aumentos de más de 30, 000 X. Porque el SEM no usa luz para crear imágenes, las fotografías resultantes forma son en blanco y negro.
Muestras conductoras se cargan en la etapa de muestra de la SEM. Una vez que la cámara de la muestra alcanza el vacío, el usuario procederá a alinear el cañón de electrones en el sistema para la localización apropiada. El cañón de electrones dispara un haz de electrones de alta energía, que viajan a través de una combinación de lentes y aberturas y finalmente golpeó a la muestra. Mientras el cañón de electrones dispara electrones en una posición precisa en la muestra, los electrones secundarios rebotará de la muestra. Estos electrones secundarios se identifican por el detector. La señal de los electrones secundarios se amplifica y se envía al monitor, creando una imagen 3D. Este video demuestra capacidades imagen, operación y preparación de muestras SEM.
Principles
Los electrones se generan por el calentamiento por el cañón de electrones, que actúa como un cátodo. Estos electrones son impulsados hacia el ánodo, en la misma dirección que la muestra, debido a un fuerte campo eléctrico. Después se condensa el haz de electrones, entra en la lente del objetivo, que es calibrada por el usuario para una posición fija en la muestra. (Figura 1)
Una vez que los electrones golpean la muestra conductora, pueden suceder dos cosas. En primer lugar, los electrones primarios que la muestra se túnel a través de él a una profundidad que depende del nivel de energía de los electrones. Entonces, los electrones secundarios y retrodispersados golpeó la muestra y reflejar hacia el exterior de él. Estos reflejan electrones son entonces medidos por los electrones secundarios (SE) o (BS) detector de retrodispersión. Después señal de procesamiento toma lugar, se forma una imagen de la muestra en la pantalla. 1
De SE modo, se sienten atraídos por sesgo positivo en el frente del detector de electrones secundarios debido a su bajo consumo de energía. La intensidad de la señal es variada según el ángulo de la muestra. Por lo tanto, SE modo proporciona imágenes muy topográficas. Por otra parte, en el modo de BS, la dirección de los electrones es casi directamente enfrente de la dirección e la viga y la intensidad de la detección es proporcional al número atómico de la muestra. Por lo tanto, es menos topográfica, pero útil para imágenes composicionales. Modo de BS es también que menos afectados por el efecto de carga sobre la muestra, que es beneficioso para las muestras no conductoras. 1
Figura 1. Esquema de la SEM.
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Procedure
1. preparación de la muestra
- Muestra lugar en trozo de muestra. Si es necesario, se puede usar cinta de carbono unida para la muestra el trozo.
- Coloque la muestra en un sistema de sputtering de oro. Usando una época sputter, Farfullar oro de 30 s a ~ 70 presión mTorr. Un espesor de capa de oro diferentes puede ser necesario dependiendo de la geometría de la muestra. Superficie más áspera o porosa requiere un tiempo largo farfulla.
- Retire el trozo de oro sistema de sputtering.
2. inserción y SEM puesta en marcha de la muestra
- Ventilación de la cámara SEM, lo que permite la cámara hasta alcanzar la presión nominal.
- Abra el compartimento de muestra del SEM y quitar el escenario de la muestra.
- Insertar el trozo de muestra que contiene la muestra en el escenario. Apriete el talón en su lugar.
- Si la distancia z no puede ser controlada por el software, asegúrese de que el escenario muestra con trozo de muestra tiene la altura correcta para obtener la mejor imagen.
- Poner la etapa de muestra en cámara de la muestra. Cierre el compartimento de muestra.
- Encienda las bombas y sistema a vacío. El sistema notificará al usuario cuando este se haya completado.
- Abra el software de SEM. Seleccione la deseada tensión que van desde 1 a 30 kV. Voltaje de funcionamiento más alto da mejor contraste de la imagen, pero puede producir una resolución más baja si los cargos se acumulan en la muestra.
3. captura de la imagen de SEM
- Comenzar 'Autofoco' en el software de SEM haciendo clic en el icono de llave. Esto adquirirá una imagen enfocada de la muestra a utilizar como punto de partida.
- Asegúrese de que el aumento se establece en el nivel mínimo de zoom de 50 X.
- Seleccione el modo 'fast scan'.
- Ajuste el enfoque en modo grueso hasta que se adquiere un enfoque áspero.
- Ajustar el escenario manualmente con los botones exteriores para que la región de interés es visible en la pantalla.
- Aumentar el nivel de ampliación hasta que se observe la característica deseada. Ajuste la perilla de enfoque gruesa para más o menos enfocar la imagen en este aumento. Entonces, mejorar el enfoque con el mando de enfoque fino para obtener una imagen enfocada en el nivel de ampliación deseado. Este paso se repetirá cada vez que se aumenta el nivel de ampliación.
- Una vez se haya alcanzado la ampliación deseada, ajuste la perilla de enfoque fineza para mejorar la claridad.
- Para optimizar la claridad de la imagen, aumentar la magnificación cerca del nivel máximo y luego enfocar la imagen mediante la perilla de enfoque fino. Si no puede obtenerse una imagen nítida, ajuste la stigmation en dirección x e y. Mantener ajustando el enfoque y stigmations hasta obtener la imagen más clara en el nivel de ampliación exagerada.
- Después de alcanzar una calidad de imagen de la muestra, volver al nivel de ampliación deseado. Puede tomar la imagen pulsando el botón de la foto 'foto lento' o ' rápido ' modo. El modo 'foto lento' da mejor calidad y alta resolución de la imagen.
4. realizar mediciones utilizando el Software de SEM
- En la lista desplegable de 'Paneles', seleccione 'Herramientas de la M.'.
- Las distintas medidas como longitud, área y ángulo pueden medirse directamente en el software de SEM. Para realizar una de estas medidas, haga clic en el icono deseado en la ventana de M. herramientas.
- Desplácese hasta el sitio de medición en la imagen SEM. Las mediciones se realizan haciendo clic en la imagen para crear puntos de referencia que será analizada por el software. Puntos de datos medidos pueden insertarse directamente en la imagen si lo desea el usuario.
- Imágenes luego se guardan en el ordenador.
Análisis de microscopia electrónica, o SEM, es una técnica poderosa usada en química y material de análisis que utiliza un haz de electrones escaneadas para analizar la estructura de la superficie y composición química de una muestra.
Microscopios ópticos modernos están limitados por la interacción de las ondas de luz visibles con un objeto, llamado difracción. La más pequeña distancia puede resolver entre dos objetos, o la resolución lateral, varía dependiendo del tamaño del patrón de difracción en comparación con el tamaño del objeto. Como resultado, microscopios ópticos tienen un aumento máximo de hasta 1.000 X y una resolución lateral de hasta 200 nm en situaciones ideales.
SEM no está limitado por la difracción, ya que utiliza un haz de electrones en lugar de luz. Por lo tanto, un SEM puede alcanzar aumentos de hasta 1 millón X con resolución lateral sub-nanométrica. Además, SEM no se limita a imágenes características sólo en el plano focal, como con microscopía de luz. Así, los objetos fuera del plano focal se resuelven, en comparación con microscopia ligera donde aparecen borrosas. Esto proporciona hasta 300 veces mayor profundidad de campo SEM.
Químicos utilizan ampliamente SEM para analizar composición superficial, la estructura y la forma de entidades a nanoescala, como las partículas de catalizador.
Este video se describen los principios del instrumento SEM y demostrar los fundamentos de la operación en el laboratorio y preparación de muestras SEM.
En SEM, las muestras deben ser conductoras para la proyección de imagen convencional. Muestras no conductoras están recubiertas con una capa delgada de metal, tales como el oro. Imágenes luego se generan mediante la exploración de un haz concentrado de electrones de alta energía a través de la muestra.
El haz de electrones en el SEM se genera por un cañón de electrones, dotado de un cátodo de filamento de tungsteno. Los electrones son impulsados hacia el ánodo, en la dirección de la muestra, por un campo eléctrico.
El haz de electrones se enfoca entonces en lentes de condensador y entra en la lente del objetivo. El objetivo debe ser calibrado por el usuario para enfocar el haz de electrones en una posición fija en la muestra. La viga enfocada es raster escaneados a través de la muestra.
Cuando los electrones primarios interactúan con la muestra, del túnel a una profundidad que depende de la energía del haz de electrones. Esta interacción con la superficie da lugar a la emisión de electrones secundarios y retrodispersados, que luego se miden por sus detectores respectivos.
La intensidad de los electrones secundarios emitidos varía dependiendo del ángulo de la muestra. Las superficies perpendiculares a la viga suelte menos electrones secundarios y por lo tanto aparecen más oscuras. En el borde de las superficies, más electrones se liberan y el área aparece más brillante. Este fenómeno produce imágenes con un aspecto 3D bien definido, como se muestra en este análisis de SEM de amianto.
Por el contrario, los electrones de backscattered se reflejan en la dirección opuesta del haz de electrones. Detección de intensidad aumenta con el aumento del número atómico de la muestra, lo que permite la adquisición de información de composición de la superficie, como se muestra en esta imagen de retrodispersión de inclusiones en el vidrio.
Ahora que los principios del instrumento SEM han sido esbozados, el funcionamiento básico de un SEM se demostrará en el laboratorio.
Para empezar, sputter coat la muestra colocando sobre un trozo de muestra. Asegúrese de que la muestra esté completamente seca y desgasificada. Si es necesario, se puede usar cinta conductiva de carbón de doble cara para adherir la muestra para el talón. Coloque la muestra en un sistema de pulverización catódica. Farfullar unos pocos nanómetros de oro sobre la muestra. El espesor de la capa de oro variará dependiendo de si la capa interfiere con la morfología de la muestra.
Retire la muestra del sistema de pulverización catódica. Asegúrese de que hay un puente conductor de la superficie de la muestra para el trozo de metal.
Una vez que la muestra ha sido cubierta, está lista para ser fotografiada. Para ello, primero ventilar la cámara de muestras SEM y deje que la cámara a presión nominal.
Abra el compartimento de muestra de SEM y eliminar la etapa de la muestra. Coloque el trozo en el escenario de la muestra y apriete el trozo en el lugar.
Si la distancia entre la lente y la muestra, llamada la distancia de trabajo, no puede ser controlada por el software, asegúrese de que la etapa y el trozo tiene la altura apropiada para obtener una imagen.
Ponga el escenario de la muestra en la cámara de muestra y cerrar el compartimiento.
Encender las bombas de vacío y permitir que el sistema la bomba abajo.
Para comenzar la proyección de imagen, abra el software de SEM. Seleccione la deseada operación voltaje que van desde 1 a 30 kV. Con materiales de alta densidad, se deben utilizar voltajes de aceleración mayores. Seleccione el voltaje de aceleración baja para materiales de baja densidad.
La mayoría del software SEM incluye una función de enfoque automático. Esto adquirirá un enfoque de la muestra a utilizar como punto de partida.
Establezca el aumento en el nivel mínimo de zoom de 50 X.
SEM tiene modos de escaneo diferentes como escaneo rápido y escaneo lento. Modo más rápido de exploración proporciona más rápida tasa de refresco de la pantalla con una calidad más baja. Seleccione el modo de análisis rápido para comenzar, con el fin de encontrar la muestra y comenzar el enfoque grueso.
Ajuste el enfoque del curso hasta que la imagen se vuelve más aguda. A continuación, ajuste la posición de la etapa para que la región de interés se puede ver en la pantalla.
Primero, se centra en el aumento más bajo usando el foco grueso. Luego, aumentar el nivel de ampliación hasta que se observe la característica deseada. Ajuste el enfoque del curso para más o menos enfocar la imagen en este aumento. Si es necesario, ajustar un foco grueso cuando la magnificación aumenta.
A continuación, ajuste el enfoque fino para mejorar aún más la imagen. Repita estas enfocando a pasos cada vez que se aumenta la magnificación.
Distorsiones de viga asimétrica pueden provocar desenfoque de la imagen, llamada astigmatismo, incluso cuando la muestra está bien enfocada. Para disminuir este efecto, aumentar la ampliación hasta el nivel máximo y enfocar la imagen mediante el enfoque fino. Luego, ajustar la stigmation en dirección x e y para cambiar la forma de la viga.
Mantener los ajustes de enfoque y stigmation de ajuste hasta que la imagen es como posible en el nivel de ampliación mayor.
Volver al nivel de ampliación deseado.
La imagen de SEM puede ser adquirida en modo de "Foto rápida" o "foto lento". El modo "Foto rápida" crea una imagen de calidad inferior, pero se adquiere más rápido. El modo "lento foto" crea una imagen de calidad superior, pero puede saturar la superficie con los electrones.
Para medir características dentro de la imagen capturada, utilizar herramientas de medición de software.
Mayoría de los instrumentos incluye opciones tales como longitud, área y ángulo de medición.
Para determinar longitud, seleccione la distancia a medir sobre la imagen de SEM. Haga clic en la imagen para crear los puntos de referencia que será analizada por el software.
Cuando haya terminado, apague el SEM según las directrices del fabricante.
Microscopía electrónica de barrido se utiliza para una amplia gama de muestras de la imagen.
SEM puede utilizarse para obtener imágenes de materiales altamente estructurados y complejos, como una membrana de fibra de carbono.
La muestra mostró un alto grado de porosidad y estructura dimensional tres; una propiedad que es muy conveniente para los usos tales como catálisis.
SEM puede utilizarse también para obtener imágenes de muestras biológicas, como las bacterias. En este ejemplo, el cabello como apéndices, o pili, del intestino bacterias eran reflejadas con el SEM.
Helicobacter pylori se cultivaron en placas de agar sangre y las bacterias sembradas en cubreobjetos de vidrio.
Las muestras completamente secas fueron montadas y cubiertas con 5 nm de paladio y oro para hacer la muestra conductora.
Finalmente, la muestra fue fotografiada usando SEM. H. pylori eran fácilmente visibles, con pili de nanoescala medibles.
Este ejemplo describe cómo el tejido cerebral puede ser embebido en una resina estable y luego reflejada en tres dimensiones mediante una viga de ion enfocada y SEM.
En primer lugar, tejido cerebral era fijo e incrustado en resina. Luego la región de interés identificado y cortado con un micrótomo.
La muestra entonces fue insertada en el ion enfocada viga microscopio electrónico para la proyección de imagen tridimensional. La viga de ion enfocada entonces fue utilizada para quitar secuencialmente capas finas de la muestra. Cada capa fue fotografiada antes de retirar con rayos SEM.
Sólo ha visto la introducción de Zeus para microscopía electrónica de barrido. Ahora debe entender los principios básicos de funcionamiento del SEM y cómo preparar y analizar una muestra de SEM.
¡Gracias por ver!
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Results
El SEM, visto en la Figura 2a, se ha utilizado para hacer mediciones y adquisición de fotos de muestra. La muestra consistió de sal cloruro de sodio (NaCl). Fue colocado en el talón como se ve en la figura 2b, luego de unos pocos nanómetros de oro se escupió sobre él para que sea conductora. La conductora muestra entonces fue colocada en el área de muestras SEM como se ve en la figura 2C.
Se obtuvieron imágenes de SEM a 50 X, 200 X, 500 X, 1, 000 X y 5.000 niveles de aumento de X como se ve en la figura 3. Figura 3a muestra una vista de pájaro de la muestra de sal con 50 aumentos. Figura 3b entonces aumenta a una partícula individual de sal en un aumento de 200 X. C de la figura 3 muestra este mismo nivel de aumento pero incluye área y diámetro de las mediciones realizadas dentro del software de SEM. Figura 3d zoom luego a 500 X, que muestra el área de interés en la partícula de sal. Figura 3e muestra un aumento de 1, 000 X, que le permitirán observar la esquina de la partícula de sal que ha sido dañada. Figura 3f muestra un aumento de 5, 000 X, lo que permite al usuario ver la estructura de la partícula de sal.
Figura 2. (a) imagen de SEM. b NaCl sal se coloca sobre el trozo de muestra con cinta de carbón. (c) trozo muestra colocado en etapa de muestra SEM después fue tratado con recubrimiento de oro.
Figura 3. Imágenes de SEM de la muestra en varios niveles de magnificación: (a) 50 X, (b) 200 X, (c) de 200 X con las mediciones, (d) 500 X, (e) 1, 000 X y (f) 5, 000 X.
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Applications and Summary
El SEM es una herramienta muy poderosa que es común en la mayoría de las instituciones de investigación debido a su capacidad a la imagen de cualquier objeto que es conductor, o ha sido tratada con una capa conductora. El SEM se ha utilizado para obtener imágenes de objetos tales como dispositivos de semiconductor, las membranas biológicas2 ,3 y4 entre otros insectos. También hemos usado el SEM para analizar nanofibras y materiales en papel, biomateriales, estructuras micropatterned. Por supuesto, hay materiales como líquidos, que no se puede colocar en un SEM estándar para la proyección de imagen, pero continua desarrollo de microscopios electrónicos de barrido ambiental (ESEM) permite dicha funcionalidad. ESEM es similar a SEM que utiliza un arma de electrón y analiza la interacción de electrones con la muestra. La principal diferencia es que el ESEM se divide en dos cámaras separadas. La cámara superior consiste en el arma de electrón y entra en un estado de vacío alto, mientras que la cámara inferior contiene la muestra y entra en un estado de alta presión. Porque el área de la muestra no necesita entrar en un vacío, las muestras húmedas o biológicas pueden utilizarse durante el proceso de proyección de imagen. Otro beneficio ESEM es que la muestra no necesita ser recubierto con un material conductor. Sin embargo, ESEM presenta algunas desventajas del contraste de la imagen baja y pequeña distancia de trabajo debido al ambiente de gas en la cámara de muestras. . La regla general es que si eres capaz de cubrir una muestra con una capa conductora, entonces puede ser reflejada en un SEM, lo que para que casi todos los objetos sólidos a analizar.
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References
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