Overview
Quelle: Labor von Dr. Andrew J. Steckl, University of Cincinnati
Ein Rasterelektronenmikroskop oder SEM, ist einem starken Mikroskop, die Elektronen verwendet, um ein Bild zu bilden. Es kann für die Darstellung von leitfähigen Proben bei Vergrößerungen, die mit traditionellen Mikroskope nicht erreicht werden können. Moderne Lichtmikroskopen erreichen einen Abbildungsmaßstab von ~ 1, 000 X, typische SEM erreichen Vergrößerungen von mehr als 30 000 X. Da das SEM Licht nicht verwendet um Bilder zu erstellen, sind die daraus resultierenden Bilder, die sie bildet in schwarz und weiß.
Leitfähige Proben werden auf das SEM Probentisch geladen. Sobald die Probenkammer Vakuum erreicht, wird der Benutzer gehen die Elektronenkanone in das System an die richtige Stelle ausrichten. Die Elektronenkanone schießt einen Lichtstrahl von hochenergetischen Elektronen, die durch eine Kombination von Linsen und blenden und schließlich traf die Probe. Da die Elektronenkanone Elektronen auf eine genaue Position auf der Probe zu schießen weiterhin, wird von der Probe Sekundärelektronen abprallen. Diese Sekundärelektronen werden durch den Detektor identifiziert. Das Signal aus der Sekundärelektronen gefunden ist verstärkt und geschickt, um den Monitor, ein 3D Bild erstellen. Dieses Video veranschaulicht SEM Probenvorbereitung, Betrieb und imaging-Funktionen.
Principles
Elektronen werden durch Erhitzen von der Elektronenkanone erzeugt welche wirkt wie eine Kathode. Diese Elektronen werden in Richtung der Anode in die gleiche Richtung wie die Probe durch ein starkes elektrisches Feld angetrieben. Nachdem der Strahl von Elektronen kondensiert ist, gelangt es in das Objektiv, die vom Benutzer an einer festen Position auf der Probe kalibriert ist. (Abbildung 1)
Sobald die Elektronen die leitende Probe schlagen, können zwei Dinge passieren. Erstens werden die primären Elektronen, die die Probe getroffen durch sie bis zu einer Tiefe tunnel, die das Energieniveau des diese Elektronen abhängig ist. Dann werden die Sekundär- und rückgestreuten Elektronen schlagen die Probe und von ihm nach außen reflektieren. Diese reflektiert, dass Elektronen werden dann entweder durch Sekundär-Elektronen (SE) gemessen oder (BS)-Detektor zurückgestreut. Nach Signalverarbeitung nimmt, entsteht ein Bild der Probe auf dem Bildschirm. 1
Im SE-Modus werden Sekundärelektronen durch positive Vorspannung auf der Vorderseite des Detektors aufgrund ihrer geringen Energie angezogen. Die Signalstärke ist abhängig vom Winkel der Probe abwechslungsreich. Daher bietet SE-Modus sehr topographische Bilder. Auf der anderen Seite ist in BS-Modus, die Richtung der Elektronen fast direkt gegenüber der Elektronenstrahl-Richtung und die Intensität der Erkennung proportional zu der Ordnungszahl der Probe. Daher ist es weniger topographische, aber nützlich für kompositorische Bilder. BS-Modus ist ebenfalls von der Ladestation Effekt auf die Probe, vorteilhaft für nicht leitende Proben ist weniger betroffen. 1
Abbildung 1. Schematische Darstellung der SEM.
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Procedure
1. Vorbereitung der Probe
- Ort-Probe auf Probe Stub. Bei Bedarf kann Kohlenstoff Band die Probe an den Stub Adhäsiv binden verwendet werden.
- Legen Sie die Probe in ein Gold Sputter-System. Mit Hilfe einer positioniert Sputter, sputter-Gold für 30 s bei ~ 70 mTorr Druck. Eine anderes gold Schichtdicke kann abhängig von der Geometrie der Probe notwendig. Rauen oder poröse Oberfläche erfordert eine mehr Sputter Zeit.
- Entfernen Sie Stub aus Gold Sputter-System.
2. Probieren Sie einsetzen und SEM-Start
- Entlüften Sie die SEM-Kammer, so dass die Kammer, Nenndruck zu erreichen.
- SEM Beispiel Fach öffnen und Herausnehmen der Probe-Bühne.
- Legen Sie die Probe Stub mit der Probe auf die Bühne. Ziehen Sie die Stub einrastet.
- Wenn der Z-Abstand nicht durch Software gesteuert werden, sicherstellen Sie, dass die Probe-Bühne mit Probe Stub hat richtige Höhe, um das bessere Bild zu erhalten.
- Probenraum dem Probentisch umgesetzt. Schließen Sie den Probenraum.
- Die Pumpen schalten Sie und ermöglichen Sie Vakuum zu erreichen. Das System benachrichtigt den Benutzer, wenn dieser Vorgang abgeschlossen ist.
- Öffnen Sie die SEM-Software. Wählen Sie die gewünschte reichen von 1 bis 30 kV Betriebsspannung. Höhere Betriebsspannung gibt besseren Bildkontrast, aber kann niedrigeren Auflösung ergeben, wenn in der Probe Aufladungen ansammeln.
3. der SEM-Aufnahme
- Beginnen Sie "Autofokus" in der SEM-Software, indem Sie auf das Schlüsselsymbol klicken. Dies wird ein scharfes Bild der Probe als Ausgangspunkt verwenden erwerben.
- Stellen Sie sicher, dass die Vergrößerung auf die minimale Zoomstufe 50 X eingestellt ist.
- Wählen Sie "schnell-Scan"-Modus.
- Stellen Sie den Fokus im groben Modus, bis ein grobe Fokus erworben wird.
- Passen Sie die Stufe, die manuell über die äußeren Regler, so dass die Region von Interesse auf dem Display sichtbar ist.
- Erhöhen Sie die Vergrößerungsstufe, bis die gewünschte Funktion zu beobachten ist. Passen Sie die groben Fokussierknopf um etwa das Bild bei dieser Vergrößerung zu fokussieren. Verbessern Sie den Fokus mit der feinen Fokussierknopf um ein scharfes Bild auf die gewünschte Vergrößerungsstufe. Dieser Schritt wird wiederholt werden, wenn die Vergrößerungsstufe erhöht wird.
- Sobald die gewünschte Vergrößerung erreicht ist, passen Sie die feinen Fokussierknopf zur Verbesserung der Übersichtlichkeit.
- Zur Optimierung der Bildqualität erhöhen Sie die Vergrößerung in der Nähe der Maximalpegel und dann konzentrieren Sie das Bild mit der feinen Fokusknopf. Wenn ein klares Bild erhalten werden kann, passen Sie die Stigmation in die x- und y-Richtung. Anpassen Sie halten Sie Fokus und Stigmations, bis das klarste Bild mit der übertriebenen Vergrößerungsgrad erreicht ist.
- Gehen Sie nach eine Bildqualität der Probe erreichen auf die gewünschte Vergrößerungsstufe zurück. Das Bild kann mit der Taste "langsam Foto" oder "schnelle Fotomodus" Foto genommen werden. Die langsame Fotomodus bietet bessere Qualität und hoher Auflösung des Bildes.
4. durchführen von Messungen mit dem SEM-Software
- Wählen Sie in der Dropdownliste "Panels" "M. Tools".
- Diverse Messungen wie Länge, Fläche und Winkel können direkt in der SEM-Software gemessen werden. Um einen dieser Messungen auszuführen, klicken Sie auf das gewünschte Symbol im Fenster M. Tools.
- Blättern Sie zu der Messstelle auf das SEM Bild. Messungen werden durchgeführt, indem Sie auf das Bild, um Bezugspunkte zu erstellen, die von der Software analysiert werden. Datenpunkte gemessen können direkt in das Bild eingefügt werden, wenn vom Benutzer gewünscht.
- Bilder werden dann auf dem Computer gespeichert.
Scannen, Elektronenmikroskopie und SEM, ist eine leistungsstarke Technik, Chemie und Material-Analyse, die einen gescannte Elektronenstrahl verwendet, um die Oberflächenstruktur und die chemische Zusammensetzung einer Probe analysieren verwendet.
Moderne Lichtmikroskopen werden durch das Zusammenspiel von sichtbaren Lichtwellen mit einem Objekt namens Beugung begrenzt. Die kleinste auflösbare Entfernung zwischen zwei Objekten oder die laterale Auflösung hängt von der Größe des Beugungsmusters im Vergleich zu der Größe des Objekts. Infolgedessen Lichtmikroskopen haben eine maximale Vergrößerung von bis zu 1.000 X und einer lateralen Auflösung von bis zu 200 nm im idealen Situationen.
SEM wird nicht durch Beugung begrenzt, da es einen Strahl von Elektronen anstatt Licht verwendet. Daher kann ein SEM Vergrößerungen von bis zu 1 Million X mit Sub-Nanometer laterale Auflösung erreichen. Darüber hinaus ist SEM nicht wie bei Lichtmikroskopie begrenzt auf imaging-Funktionen nur in der Brennebene. So sind Objekte außerhalb der Fokalebene, im Gegensatz zur Lichtmikroskopie gelöst wo sie verschwommen erscheinen. Dies bietet bis zu 300-Mal höhere Schärfentiefe mit SEM
Chemiker verwenden allgemein SEM, um Oberflächen-Beschaffenheit, Struktur und Form von nanoskaligen Entitäten, wie Katalysatorpartikel zu analysieren.
Dieses Video wird umreißen die Grundsätze zum SEM Instrument, und zeigen die Grundlagen des SEM Probenvorbereitung und Betrieb im Labor.
In SEM müssen Proben für konventionelle Bildgebung leitfähig sein. Nicht leitende Proben werden mit einer dünnen Schicht aus Metall, wie Gold beschichtet. Bilder werden dann durch Scannen einen fokussierten Strahl von hochenergetischen Elektronen in der Probe erzeugt.
Der Elektronenstrahl verwendet in SEM wird von einer Elektronenkanone, ausgestattet mit einer Wolfram-Glühfaden-Kathode erzeugt. Die Elektronen werden durch ein elektrisches Feld in Richtung der Anode in die Richtung der Probe, angetrieben.
Der Elektronenstrahl konzentriert sich dann auf Kondensator Objektive und betritt das Objektiv. Das Objektiv muss von dem Benutzer, den Elektronenstrahl auf einer festen Position auf der Probe konzentrieren kalibriert werden. Die fokussierte Strahl wird dann Raster über gescannt die Probe.
Wenn die primären Elektronen mit der Probe interagieren, tunnel sie bis zu einer Tiefe, die die Elektronen Strahlenergie abhängig ist. Diese Wechselwirkung mit der Oberfläche ergibt sich die Emission von Sekundär- und rückgestreute Elektronen, die dann durch ihre jeweiligen Detektoren gemessen werden.
Die Signalintensität der emittierten Sekundärelektronen variiert je nach Winkel der Probe. Flächen senkrecht zum Strahl weniger Sekundärelektronen freizugeben, und erscheinen daher dunkler. Am Rand der Flächen mehr Elektronen freigesetzt werden und der Bereich erscheint heller. Dieses Phänomen erzeugt Bilder mit einer klar definierten 3D-Darstellung wie gezeigt in diesem SEM-Scan von Asbest.
Im Gegensatz dazu spiegeln rückgestreute Elektronen in die entgegengesetzte Richtung des Elektronenstrahls. Erkennung-Intensität nimmt mit zunehmender Ordnungszahl der Probe, so dass die Übernahme von kompositorischen Informationen aus einer Oberfläche, wie in dieser Abbildung Backscatter Einschlüsse im Glas.
Nun, da die Prinzipien des SEM Instruments skizziert haben, wird die grundlegende Funktionsweise des ein SEM im Labor nachgewiesen werden.
Um zu beginnen, sputter-Mantel der Probe indem man es auf eine Probe-Stub. Stellen Sie sicher, dass die Probe komplett trocken und entgast ist. Bei Bedarf kann leitfähigen Kohlenstoff doppelseitiges Klebeband verwendet werden, die Probe an den Stub einzuhalten. Legen Sie die Probe in eine Sputteranlage. Sputter-wenige Nanometer von Gold auf die Probe. Die Stärke der Goldschicht wird hängt von ab, wenn die Beschichtung die Morphologie der Probe stört.
Entfernen Sie die Probe aus dem Sputter-System. Sicherstellen Sie, dass es eine leitfähige Brücke zwischen der Probenoberfläche und der Metall-Stub.
Sobald die Probe überzogen wurde, ist es bereit, abgebildet werden. Dazu zuerst entlüften Sie die SEM Probenkammer und ermöglichen Sie die Kammer, Nenndruck zu erreichen.
Öffnen Sie die SEM Probenraum und Entfernen der Probe-Bühne. Setzen der Stubs auf die Probe-Bühne, und ziehen die Stub vorhanden.
Wenn der Abstand zwischen dem Objektiv und Probe, genannt den Arbeitsabstand von der Software gesteuert werden kann, sicherstellen Sie, dass die Bühne und Stub die richtige Höhe, um ein Bild zu erhalten.
Die Probe-Bühne in der Probenkammer, und schließen Sie das Fach.
Schalten Sie die Vakuumpumpen und kann das System die Pumpe nach unten.
Öffnen Sie zunächst Bildgebung auf die SEM-Software. Wählen Sie die gewünschte betriebliche Spannung reicht von 1-30 kV. Mit hoher Dichte Materialien sollten höhere Beschleunigung Spannungen verwendet werden. Wählen Sie niedriger Beschleunigungsspannung für Low-Density-Material.
Die meisten SEM Software beinhaltet eine Auto-Fokus-Funktion. Dies wird einen Schwerpunkt der Probe als Ausgangspunkt verwenden erwerben.
Legen Sie die Vergrößerung auf die minimale Zoomstufe 50 X.
SEM hat verschiedene Scan-Modi wie schnell, und slow-Scan. Schneller Scan-Modus bietet schnellere Aktualisierungsrate des Bildschirms mit geringerer Qualität. Wählen Sie den schnellen Scan-Modus zu beginnen, um die Probe finden und beginnen, mit Schwerpunkt grobes.
Einstellen Sie Kurs Schärfe, bis das Bild schärfer wird. Stellen Sie als nächstes die Bühne Positionierung, so dass die Region von Interesse auf dem Display gesehen werden kann.
Erste, Fokus auf die niedrigste Vergrößerung mit der groben Fokus. Erhöhen Sie die Vergrößerungsstufe, bis die gewünschte Funktion zu beobachten ist. Stellen Sie den Kurs Fokus um etwa das Bild bei dieser Vergrößerung zu fokussieren. Passen Sie ggf. eine grobe Ausrichtung, wenn die Vergrößerung erhöht.
Passen Sie dann die Feinfokussierung um das Bild weiter zu verbessern. Wiederholen Sie diese Schritte konzentrieren, jedes Mal, wenn die Vergrößerung erhöht wird.
Asymmetrischen Lichtstrahl Verzerrungen Unschärfe des Bildes, genannt Astigmatismus, auch wenn die Probe gut fokussiert ist. Um diesen Effekt zu vermindern, die Vergrößerung bis zum maximum zu erhöhen und das Bild mit der feinen Fokus zu konzentrieren. Passen Sie dann die Stigmation in die x- und y-Richtung zur Neugestaltung des Strahls.
Halten Sie die Fokus und Stigmation Einstellungen anpassen, bis das Bild ist so konzentriert wie möglich mit der erhöhten Vergrößerungsgrad.
Kehren Sie auf die gewünschte Vergrößerungsstufe.
SEM Bild kann entweder "langsam Foto" oder "schnelle Fotomodus" erworben werden. Die "schnelle" Fotomodus schafft eine niedrigere Bildqualität, sondern schneller erworben. Die "langsamen" Fotomodus schafft eine höhere Bildqualität, aber kann die Oberfläche mit Elektronen zu sättigen.
Funktionen innerhalb des aufgenommenen Bildes zu messen, nutzen Sie die Software Mess-Tools.
Die meisten Instrumente umfassen Messoptionen wie Länge, Fläche und Winkel.
Um die Länge zu bestimmen, wählen Sie den Abstand auf das SEM Bild gemessen werden. Klicken Sie auf das Bild um Bezugspunkte zu erstellen, die von der Software analysiert werden.
Wenn Sie fertig sind, beenden Sie das SEM nach den Hersteller-Richtlinien.
Rasterelektronenmikroskopie wird verwendet, um eine Vielzahl von Proben zu Bild.
SEM kann verwendet werden, zu komplexe und stark strukturierte Materialien wie Carbonfaser Membran Bild.
Die Probe zeigte eine hohe Porosität und dreidimensionale Struktur; eine Eigenschaft, die für Anwendungen wie Katalyse höchst wünschenswert ist.
SEM kann auch zur biologische Proben, wie z. B. Bakterien Bild. In diesem Beispiel, das Haar wie Anhängsel oder Pili wurden der Darm Bakterien mit SEM abgebildet
Helicobacter Pylori auf Blutagar Platten angebaut wurden, und die Bakterien ausgesät auf Glas Deckel rutscht.
Vollständig getrocknete Proben wurden montiert und beschichtet mit 5 nm von Palladium-Gold, die Probe leitfähig zu machen.
Schließlich wurde die Stichprobe abgebildet, mit SEM. H. Pylori waren leicht sichtbar, mit messbaren nanoskaligen Pili.
Dieses Beispiel beschreibt, wie Hirngewebe in eine stabile Harz eingebettet werden kann, und dann in drei Dimensionen mit einem fokussierten Ionenstrahl und SEM abgebildet
Erstens wurde Hirngewebe und in Harz eingebettet. Dann die Region von Interesse identifiziert und mit einem Mikrotom geschnitten.
Die Probe wurde dann in der fokussierten Ion Beam Rasterelektronenmikroskop für dreidimensionale Bildgebung eingefügt. Die fokussierten Ionenstrahl diente dann nacheinander dünne Schichten der Probe zu entfernen. Jede Schicht wurde vor dem Entfernen mit Backscatter SEM abgebildet.
Sie habe nur Jupiters Einführung in die Rasterelektronenmikroskopie beobachtet. Sie sollten jetzt verstehen die operative Grundprinzipien der SEM und Gewusst wie: vorbereiten und eine SEM-Probe zu analysieren.
Danke fürs Zuschauen!
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Results
SEM, gesehen in Abbildung 2a, wurde verwendet für Messungen und Beispielfotos zu erwerben. Die Stichprobe bestand aus Natriumchlorid (NaCl) Salz. Es war der Stub wie in Abb. 2 b, aufgesetzt, dann wenige Nanometer Gold war drauf zu machen, leitfähige gesputtert. Die leitende Probe wurde anschließend in Bereich SEM Beispiel platziert, wie in Abbildung 2 czu sehen.
REM-Bilder wurden bei 50 X, 200 X 500 X, 1, 000 X und 5.000 X Vergrößerung wie in Abbildung 3zu sehen. Abbildung 3a zeigt eine Vogelperspektive der Salz Stichprobe bei 50 X Vergrößerung. Abbildung 3 b wird dann eine einzelne Salz Partikel bei einer Vergrößerung von 200 X vergrößert. Abbildung 3 c zeigt diese gleichen Vergrößerungsstufe aber Bereich und Durchmesser Messungen innerhalb der SEM-Software enthält. Abbildung 3d zoomt dann auf 500 X, zeigt das Gebiet des Interesses auf das Salz Teilchen. Abbildung 3e zeigt einen Abbildungsmaßstab von 1, 000 X, so dass man um die Ecke das Salz Teilchen beobachten, die beschädigt wurde. Abbildung 3f zeigt eine Vergrößerung von 5 000 X, ermöglicht dem Benutzer, die Struktur des Salz Teilchens anzuzeigen.
Abbildung 2. (a) Bild von SEM (b) NaCl Salz auf Probe Stub mit Carbon Band gestellt. (c) Probe Stub in SEM Probentisch gelegt, nachdem es mit gold-Beschichtung behandelt wurde.
Abbildung 3. REM-Bilder der Probe in verschiedenen Vergrößerungsstufen: (a) 50 X (b) 200 X (c) 200 X mit Messungen, (d) 500 X, (e) 1, 000 X, und (f) 5, 000 X.
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Applications and Summary
Die SEM ist ein sehr mächtiges Werkzeug, das häufig in den meisten Forschungseinrichtungen ist wegen seiner Fähigkeit, jedes Objekt abzubilden, die leitende oder mit einer leitfähigen Beschichtung behandelt worden. Das SEM wurde zur Bild-Objekte wie z. B. Halbleiterbauelemente,2 biologische Membranen,3 und4 unter anderem Insekten. Wir haben auch das SEM zur Nanofasern und Papier-basierten Materialien, Biomaterialien, Micropatterned Strukturen zu analysieren. Natürlich gibt es Materialien, wie z. B. Flüssigkeiten, die in einem standard SEM für die Bildgebung platziert werden können, aber kontinuierliche Entwicklung von ökologischen Rasterelektronenmikroskope (ESEM) ermöglicht diese Funktionalität. ESEM ist SEM ähnlich, indem es verwendet eine Elektronenkanone und analysiert die Elektron-Wechselwirkung mit der Probe. Der Hauptunterschied ist, dass die ESEM in zwei getrennten Kammern aufgeteilt ist. Die obere Kammer besteht aus der Elektronenkanone und geht in einen hohen Vakuum Zustand, während die untere Kammer die Probe enthält und in einen Hochdruck-Zustand wechselt. Da Aufnahmebereichs kein Vakuum eingeben muss, können nasse oder biologischen Proben während den imaging-Prozess verwendet werden. Ein weiterer Vorteil der ESEM ist, dass die Probe nicht mit leitfähigem Material beschichtet werden muss. ESEM hat jedoch einige Nachteile der geringe Bildkontrast und kleine Arbeitsabstand aufgrund der gasförmigen Umgebung in die Probenkammer. . Die allgemeine Faustregel ist, dass wenn Sie eine Probe mit einer leitfähigen Schicht überziehen können, dann es in ein SEM, so dass für fast alle feste Gegenstände zu analysierenden abgebildet werden kann.
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References
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