Overview
Source : Laboratoire de Dr. Andrew J. Steckl — Université de Cincinnati
Un microscope électronique à balayage, ou SEM, est un puissant microscope qui utilise des électrons pour former une image. Il permet pour l’imagerie des échantillons conducteurs à grossissements ne peuvent être réalisées à l’aide de microscopes traditionnels. Microscopes de lumière modernes peuvent atteindre un grossissement de ~ 1, 000 X, tandis que SEM typique peut atteindre des grossissements de plus de 30, 000 X. Parce que la SEM n’utilise la lumière pour créer des images, les images qui en résultent, qu'il forme sont en noir et blanc.
Échantillons conducteurs sont chargés sur scène d’échantillon de la SEM. Une fois que la chambre de l’échantillon atteint vide, l’utilisateur procèdera à aligner le canon à électrons dans le système à l’emplacement approprié. Le canon à électrons jaillit un faisceau d’électrons de haute énergie, qui voyage à travers une combinaison de lentilles et ouvertures et finit par frapper l’échantillon. Comme le canon à électrons continue à tirer des électrons à une position précise sur l’échantillon, les électrons secondaires rebondira hors de l’échantillon. Ces électrons secondaires sont identifiés par le détecteur. Le signal trouvé d’électrons secondaires est amplifié et envoyé à l’écran, créant une image en 3D. Cette vidéo fera la démonstration de préparation d’échantillons de SEM, de fonctionnement et des capacités d’imagerie.
Principles
Électrons sont générés par un chauffage par le canon à électrons, qui agit comme une cathode. Ces électrons sont propulsés vers l’anode, dans la même direction que l’échantillon, en raison d’un fort champ électrique. Après que le faisceau d’électrons est condensé, il pénètre dans l’objectif, qui est étalonné par l’utilisateur à une position fixe sur l’échantillon. (Figure 1)
Une fois que les électrons frappent l’échantillon conducteur, deux choses peuvent arriver. Tout d’abord, les électrons primaires qui ont frappé l’échantillon seront tunnel à travers elle, à une profondeur qui dépend du niveau d’énergie des électrons. Ensuite, les électrons secondaires et rétrodiffusés seront frappé de l’échantillon et refléter vers l’extérieur de celle-ci. Elles reflètent les électrons sont alors mesuré soit par les électrons secondaires (SE) ou rétrodiffusée détecteur (BS). Après signal processing prend place, une image de l’échantillon est formée sur l’écran. 1
En mode SE, électrons secondaires sont attirés par un biais positif sur le front du détecteur en raison de leur faible consommation d’énergie. L’intensité du signal est variée selon l’angle de l’échantillon. Par conséquent, mode fournit des images très topographiques. En revanche, en mode de BS, la direction des électrons est presque directement en face de la direction du faisceau électronique et l’intensité de détection est proportionnel au nombre atomique de l’échantillon. Il est donc moins topographique, mais utile pour les images de compositions. Le mode de BS est également que moins touchés par l’effet de chargement sur l’échantillon, ce qui est bénéfique pour les échantillons non conducteurs. 1
La figure 1. Schéma de la SEM.
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Procedure
1. préparation de l’échantillon
- Échantillon de place sur le talon de l’échantillon. Si nécessaire, ruban carbone peut servir pour les coller l’échantillon vers le stub.
- Placer l’échantillon dans un système de pulvérisation d’or. À l’aide d’une pulvérisation mini-gold, bredouiller or pendant 30 s à ~ 70 mTorr pression. Une épaisseur de couche d’or différentes peut être nécessaire en fonction de la géométrie de l’échantillon. Surface plus rugueuse ou poreuse exige un temps plus de pulvérisation.
- Supprimer ébauche du système de pulvérisation d’or.
2. l’échantillon Insertion et démarrage du SEM
- Aérer la chambre de SEM, permettant à la chambre atteindre la pression nominale.
- Ouvrez le compartiment d’échantillon de SEM et sortir de la scène de l’échantillon.
- Insérez le bout de l’échantillon contenant l’échantillon sur la scène. Serrez le talon dans l’endroit.
- Si la distance z ne peut pas être contrôlée par le logiciel, assurez-vous que la scène de l’échantillon avec le talon de l’échantillon a bonne hauteur pour obtenir la meilleure image.
- Mettre la scène de l’échantillon dans la chambre de mesure. Refermer le compartiment de l’échantillon.
- Mettre en marche les pompes et autoriser le système à vide atteint. Le système notifie l’utilisateur lorsque c’est terminé.
- Ouvrez le logiciel SEM. Sélectionner le désiré tension de fonctionnement allant de 1 à 30 kV. Tension de service supérieure donne meilleur contraste de l’image, mais peut produire une résolution plus faible si les accusations s’accumulent dans l’échantillon.
3. capture de l’Image de la SEM
- Lancer « Autofocus » dans le logiciel SEM en cliquant sur l’icône de clé. Cela permettra d’acquérir une image focalisée de l’échantillon à utiliser comme point de départ.
- Assurez-vous que le grossissement est défini sur le niveau de zoom minimal de 50 X.
- Sélectionnez le mode « scan rapide ».
- Ajuster le focus en mode grossier jusqu'à ce qu’un accent rugueux est acquis.
- Ajuster la scène manuellement en utilisant les boutons de l’extérieurs afin que la région d’intérêt n’est visible sur l’écran.
- Augmentez le niveau de grossissement jusqu'à ce que la fonctionnalité désirée est observée. Réglez le bouton de mise au point grossière pour mettre à peu près l’image à ce grossissement. Ensuite, améliorer le focus à l’aide de la molette de mise au point fine pour obtenir une image focalisée sur le niveau d’agrandissement souhaité. Cette étape est répétée chaque fois que le niveau de grossissement est augmenté.
- Une fois le grossissement désiré est atteint, réglez le bouton de mise au point fin pour améliorer la clarté.
- Pour optimiser la clarté de l’image, augmenter le grossissement proche du niveau maximum et ensuite se concentrer l’image à l’aide de la molette de mise au point fine. Si une image claire ne peut être obtenue, ajuster la stigmation en direction de le x et de y. Garder ajuster la mise au point et stigmations jusqu'à obtention de l’image plus claire du niveau de grossissement exagéré.
- Après avoir atteint une qualité d’image de l’échantillon, revenir en arrière pour le niveau d’agrandissement souhaité. L’image peut être pris en appuyant sur le bouton photo en mode « photo de rapide » ou « photo de lente ». Le mode « photo de lente » donne la meilleure qualité et haute résolution de l’image.
4. effectuer des mesures à l’aide du logiciel SEM
- Dans la liste déroulante « Panneaux », sélectionnez « M. Tools ».
- Diverses mesures telles que la longueur, la surface et angle peuvent être mesurées directement dans le logiciel SEM. Pour effectuer une de ces mesures, cliquez sur l’icône souhaitée dans la fenêtre outils M..
- Faites défiler jusqu'à la station de mesure sur l’image de la SEM. Mesures sont effectuées en cliquant sur l’image pour créer des points de référence qui seront analysés par le logiciel. Les points de données mesurées peuvent être insérés directement sur l’image si souhaité par l’utilisateur.
- Des images sont alors enregistrées sur l’ordinateur.
Analyse au microscope électronique, ou SEM, est une technique puissante utilisée dans l’analyse chimie et matériaux qui utilise un faisceau d’électrons numérisée pour analyser la structure de la surface et la composition chimique d’un échantillon.
Microscopes de lumière modernes sont limitées par l’interaction des ondes lumineuses visibles avec un objet, appelé diffraction. La plus petite distance peut être résolue entre deux objets, ou la résolution latérale, varie en fonction de la taille de la structure de diffraction par rapport à la taille de l’objet. En conséquence, microscopes légères ont un grossissement maximal pouvant atteindre 1 000 X et une résolution latérale de 200 nm dans des situations idéales.
SEM n’est pas limitée par la diffraction, car il utilise un faisceau d’électrons plutôt que la lumière. Par conséquent, une SEM peut atteindre des grossissements jusqu'à 1 million X avec résolution latérale auxiliaire nanomètre. En outre, SEM n’est pas limité à des fonctions d’imagerie que dans le plan focal, comme pour la microscopie photonique. Ainsi, les objets en dehors du plan focal sont résolus, par opposition à la microscopie photonique où ils apparaissent flous. Ceci fournit jusqu'à 300 fois plus profondeur de champ avec SEM
Chimistes utilisent largement SEM pour analyser la composition de surface, la structure et la forme des entités de l’échelle nanométrique, tels que les particules de catalyseur.
Cette vidéo décrira les principes de l’instrument de SEM et démontrer les bases de préparation des échantillons SEM et opération en laboratoire.
Dans les SEM, les échantillons doivent être conductrices pour l’imagerie conventionnelle. Les échantillons non conducteurs sont recouvertes d’une fine couche de métal, tels que l’or. Les images sont alors générées par balayage d’un faisceau focalisé d’électrons de haute énergie dans l’ensemble de l’échantillon.
Le faisceau d’électrons utilisé dans SEM est généré par un canon à électrons, équipé d’une cathode de filament de tungstène. Les électrons sont propulsés vers l’anode, en direction de l’échantillon, par un champ électrique.
Le faisceau d’électrons est alors concentré à lentilles condenseur et entre dans la lentille de l’objectif. L’objectif doit être étalonné par l’utilisateur de se concentrer le faisceau d’électrons sur une position fixe sur l’échantillon. Le faisceau focalisé est alors raster analysés à travers l’échantillon.
Lorsque les électrons primaires interagissent avec l’échantillon, ils tunnel jusqu'à une profondeur qui dépend de l’énergie de faisceau d’électrons. Cette interaction avec la surface entraîne l’émission d’électrons secondaires et rétrodiffusés, qui sont alors mesurés par leurs détecteurs respectifs.
L’intensité du signal des électrons secondaires émis varie en fonction de l’angle de l’échantillon. Surfaces perpendiculaires au faisceau de libérer des électrons secondaires moins et apparaissent donc plus sombres. Au bord des surfaces, plus d’électrons sont libérés et la zone devient plus lumineuse. Ce phénomène produit des images avec une apparence 3D bien définie, comme le montre cette analyse SEM d’amiante.
En revanche, les électrons rétrodiffusés sont reflétées dans la direction opposée du faisceau d’électrons. Intensité de détection augmente avec le numéro atomique de l’échantillon, ce qui permet l’acquisition d’informations de compositions de la surface, comme le montre cette image de rétrodiffusion d’inclusions en verre.
Maintenant que les principes de l’instrument de SEM ont été décrites, le fonctionnement de base d’une SEM sera démontré en laboratoire.
Pour commencer, bredouiller manteau l’échantillon en le plaçant sur une fusée d’échantillon. S’assurer que l’échantillon soit complètement sec et dégazé. Si nécessaire, ruban adhésif double-face de carbone conductrices peut-être servir d’adhérer l’échantillon vers le stub. Placer l’échantillon dans un système de pulvérisation. Bredouiller quelques nanomètres d’or sur l’échantillon. L’épaisseur de la couche d’or peut varier selon si le revêtement interfère avec la morphologie de l’échantillon.
Retirer le système de pulvérisation de l’échantillon. Veiller à ce qu’il y a un pont conducteur entre la surface de l’échantillon et le talon métal.
Une fois que l’échantillon a été enduit, il est prêt à être photographié. Pour ce faire, d’abord ventiler le compartiment de mesure SEM et permettre à la chambre atteindre la pression nominale.
Ouvrez le compartiment d’échantillon de SEM et supprimer l’étape de l’échantillon. Placez le talon sur la scène de l’échantillon et serrez le stub en place.
Si la distance entre la lentille et l’échantillon, appelé le travail à distance, ne peut être contrôlée par le logiciel, assurez-vous que la scène et le talon de la bonne hauteur pour obtenir une image.
Mettre l’échantillon dans la chambre de l’échantillon et refermez le compartiment.
Mettre en marche les pompes à vide et permettre au système de la pompe vers le bas.
Pour commencer l’imagerie, ouvrez le logiciel SEM. Sélectionnez le désiré d’exploitation tension s’étendant de 1 à 30 kV. Avec des matériaux de haute densité, des tensions plus élevées d’accélération doivent être utilisées. Sélectionnez basse tension d’accélération pour les matériaux de faible densité.
La plupart des logiciels de SEM comprennent une fonction de mise au point automatique. Cela permettra d’acquérir un accent de l’échantillon à utiliser comme point de départ.
Le niveau de zoom minimal de 50 X la valeur du grossissement.
SEM a scan différents modes : scan rapide et balayage lent. Mode de balayage plus rapide fournit plus rapide taux de rafraîchissement de l’écran avec une qualité inférieure. Sélectionnez le mode de balayage rapide pour commencer, afin de trouver l’exemple et commencer grossier en se concentrant.
Ajuster la mise au point de cours jusqu'à ce que l’image devient plus nette. Ensuite, ajuster le positionnement de scène pour la région d’intérêt peut être vu à l’écran.
Tout d’abord, mise au point avec le grossissement le plus bas à l’aide de la mise au point grossière. Puis, augmentez le niveau d’agrandissement jusqu'à ce que la fonctionnalité désirée est observée. Ajuster la mise au point de cours afin de mettre à peu près l’image à ce grossissement. Si nécessaire, ajuster un accent grossier quand augmente le grossissement.
Ensuite, réglez la mise au point fine afin d’améliorer l’image. Répétez ces mise au point de mesures, chaque fois que le grossissement augmente.
Distorsions de faisceau asymétrique peuvent causer flou de l’image, appelée astigmatisme, même lorsque l’échantillon est bien ciblée. Pour diminuer cet effet, augmenter le grossissement au niveau maximum et mettre l’image à l’aide de la mise au point fine. Puis ajustez la stigmation en direction de le x et de y pour remodeler le faisceau.
Garder en ajustant les réglages de mise au point et la stigmation jusqu'à ce que l’image soit ciblé que possible au niveau de l’augmentation de grossissement.
Puis retour au niveau d’agrandissement souhaité.
L’image de SEM peut être acquises en mode « photo rapide » ou « photo lent ». Le mode « photo rapide » crée une image de qualité inférieure, mais s’acquiert plus rapidement. Le mode « photo lent » crée une image de qualité supérieure, mais peut saturer la surface avec des électrons.
Pour mesurer les caractéristiques au sein de l’image capturée, utiliser les outils de mesure du logiciel.
La plupart des instruments comprennent des options de mesure tels que la longueur, la surface et angle.
Pour déterminer la longueur, sélectionnez la distance à mesurer sur l’image de la SEM. Cliquez sur l’image pour créer les points de référence qui seront analysés par le logiciel.
Lorsque vous avez terminé, arrêtez le SEM selon les directives du fabricant.
Microscopie électronique à balayage est utilisé pour un éventail d’échantillons d’images.
SEM peut être utilisé à l’image des matériaux complexes et très structurés, comme une membrane de fibre de carbone.
L’échantillon a révélé un haut degré de porosité et de la structure tridimensionnelle ; une propriété qui est hautement souhaitable pour les applications telles que la catalyse.
SEM peut également servir à l’image des échantillons biologiques, tels que les bactéries. Dans cet exemple, les cheveux comme des appendices ou pili, du tube digestif des bactéries ont été imagées avec SEM
Helicobacter pylori ont été cultivés sur des géloses au sang, et les bactéries ensemencées sur lamelles de verre.
Échantillons entièrement séchés ont été montés et recouvert de 5 nm de palladium-or pour constituer l’échantillon conductrices.
Enfin, l’échantillon a été photographié à l’aide de SEM. H. pylori sont facilement visibles, avec échelle nanométrique mesurables pili.
Cet exemple décrit comment le tissu cérébral peut être incorporé dans une résine stable et puis photographié en trois dimensions à l’aide d’un faisceau ionique focalisé et SEM
Tout d’abord, le tissu cérébral était fixe et incorporé en résine. Puis la région d’intérêt identifiés et coupé en tranches avec un microtome.
L’échantillon est alors inséré dans l’ionique focalisé faisceau scanning electron microscope pour l’imagerie en trois dimensions. Le faisceau ionique focalisé servait ensuite à supprimer dans l’ordre des couches minces de l’échantillon. Chaque couche a été photographié avant son retrait à l’aide de rétrodiffusion SEM
Vous avez juste regardé introduction de Jupiter à la microscopie électronique à balayage. Vous devez maintenant comprendre les principes de fonctionnement fondamentaux de SEM et comment préparer et analyser un échantillon de SEM.
Merci de regarder !
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Results
La SEM, vu l' Figure 2 a, a été utilisé pour effectuer des mesures et l’acquisition des photos de l’échantillon. L’échantillon était composé de sel de chlorure de sodium (NaCl). Il a été placé sur la fusée comme on le voit dans la Figure 2 b, puis quelques nanomètres d’or a été pulvérisé dessus pour le rendre conducteur. L’échantillon conductrice a été ensuite placé dans la zone de prélèvement de SEM comme on le voit à la Figure 2c.
SEM images ont été obtenues à 50 X, 200 X, 500 X, 1, 000 X et 5 000 niveaux de grossissement de X comme on le voit à la Figure 3. Figure 3 a montre une vue à vol d’oiseau de l’échantillon de sel à un grossissement de X 50. Figure 3 b puis zoome à une particule individuelle de sel à un grossissement de 200 X. C de la figure 3 montre ce même niveau de grossissement mais comprend des mesures de zone et diamètre effectuées au sein du logiciel SEM. Figure 3d puis zoome à 500 X, montrant la zone d’intérêt sur les particules de sel. 3e de la figure montre un grossissement de 1, 000 X, qui permet d’observer l’angle de la particule de sel qui a été endommagée. Figure 3f indique un grossissement de 5, 000 X, permettant à l’utilisateur de visualiser la structure de la particule de sel.
La figure 2. (a) image de SEM. (b) NaCl sel placée sur fusée d’échantillon avec du ruban de carbone. (c) talon échantillon placé dans étape échantillon SEM après qu’il a été traité avec revêtement or.
Figure 3. Images de SEM d’échantillon à divers niveaux de grossissement : (a) 50 X, (b) 200 X, (c) 200 X avec les mesures, d 500 X, e 1, 000 X et (f) 5, 000 X.
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Applications and Summary
Le SEM est un outil très puissant qui est courant dans la plupart des instituts de recherche en raison de sa capacité à n’importe quel objet qui est conducteur, ou a été traitée avec une couche conductrice d’image. La SEM a été utilisé afin d’imager des objets tels que des dispositifs à semi-conducteurs, les membranes biologiques de2 ,3 et insectes,4 parmi d’autres. Nous avons également utilisé la SEM pour analyser les nanofibres et des matériaux à base de papier, des biomatériaux, des structures micromotifs. Bien sûr, il existe des matériaux, comme les liquides, qui ne peut pas être placés dans un SEM standard pour l’imagerie, mais le développement continu de Microscopes électroniques à balayage environnemental (ESEM) permet une telle fonctionnalité. ESEM est similaire à la SEM car il utilise un canon à électrons et analyse de l’interaction des électrons avec l’échantillon. La principale différence est que l’ESEM est divisé en deux chambres séparées. La chambre supérieure comprend le canon à électrons et rentre dans un état de vide élevé, tandis que la chambre inférieure contient l’échantillon et entre dans un état de haute pression. Parce que la zone de prélèvement n’a pas besoin d’entrer dans le vide, les échantillons biologiques ou humides peuvent être utilisés au cours du processus d’imagerie. Un autre avantage de l’ESEM, c’est que l’échantillon n’a pas besoin d’être recouvert d’un matériau conducteur. Toutefois, l’ESEM présente certains inconvénients du contraste de l’image faible et petite distance de travail en raison de l’environnement gazeux dans le compartiment de mesure. . La règle générale est que si vous êtes capable de revêtir un échantillon avec une couche conductrice, alors il peut être photographiée sur une SEM, permettant à presque tous les objets solides à analyser.
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References
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- 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).
- 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).
- 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).
