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스캐닝 전자 현미경 검사법 (SEM)
 
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스캐닝 전자 현미경 검사법 (SEM)

Overview

출처: 앤드류 J. 스텍클 박사 연구소 — 신시내티 대학교

스캐닝 전자 현미경 또는 SEM은 전자를 사용하여 이미지를 형성하는 강력한 현미경입니다. 그것은 전통적인 현미경을 사용하여 달성될 수 없는 배율에 전도성 견본의 화상 진찰을 허용합니다. 현대 광 현미경은 ~ 1,000X의 배율을 달성할 수 있으며, 일반적인 SEM은 30,000배 이상의 배율에 도달할 수 있습니다. SEM은 이미지를 만들기 위해 빛을 사용하지 않으므로 이미지가 형성된 결과 사진은 흑백입니다.

전도성 샘플은 SEM의 샘플 단계에 로드됩니다. 샘플 챔버가 진공 상태에 도달하면 사용자는 시스템의 전자 총을 적절한 위치에 정렬합니다. 전자 건은 렌즈와 조리개 조합을 통해 이동하고 결국 샘플을 명중 고에너지 전자의 빔을 발사합니다. 전자 총이 시료의 정확한 위치에서 전자를 계속 쏘면 이차 전자가 시료에서 튀어 나옵니다. 이러한 이차 전자는 검출기에 의해 확인된다. 이차 전자에서 발견된 신호는 증폭되어 모니터로 전송되어 3D 이미지를 생성합니다. 이 비디오는 SEM 샘플 준비, 작동 및 이미징 기능을 보여줍니다.

Principles

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전자는 음극처럼 작용하는 전자 총에 의해 가열하여 생성됩니다. 이 전자는 강한 전기장으로 인해 샘플과 동일한 방향으로 양극쪽으로 추진됩니다. 전자의 빔이 응축된 후, 사용자가 시료의 고정 된 위치로 보정되는 객관적인 렌즈에 들어갑니다. (그림1)

전자가 전도성 시료를 공격하면 두 가지가 발생할 수 있습니다. 첫째, 시료에 부딪힌 1차 전자는 그 전자의 에너지 수준에 의존하는 깊이로 터널을 통과합니다. 그런 다음, 이차 및 백산전자는 샘플을 명중하고 그것에서 바깥쪽으로 반사합니다. 이러한 반사된 전자는 이차 전자(SE) 또는 백산(BS) 검출기에 의해 측정됩니다. 신호 처리가 수행되면 샘플 이미지가 화면에 형성됩니다. 1

SE 모드에서는 이차 전자가 낮은 에너지로 인해 검출기 전면에 긍정적인 편향을 가합니다. 신호 강도는 샘플의 각도에 따라 다양합니다. 따라서 SE 모드는 지형도가 높은 이미지를 제공합니다. 한편, BS 모드에서는 전자의 방향이 e-빔 방향과 거의 정반대이며 검출 강도는 시료의 원자 수에 비례한다. 따라서 지형도가 적지만 조성 이미지에 유용합니다. BS 모드는 또한 비 전도성 샘플에 도움이 되는 샘플에 대한 충전 효과에 의해 덜 영향을 받습니다. 1

Figure 1
그림 1. SEM의 회로도.

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Procedure

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1. 샘플 준비

  1. 샘플을 샘플 스텁에 놓습니다. 필요한 경우, 탄소 테이프는 샘플을 스텁에 접착제로 결합하는 데 사용될 수 있다.
  2. 샘플을 골드 스퍼터링 시스템에 넣습니다. 미니 골드 스퍼터를 사용하여 스퍼터 골드를 ~ 70 mTorr 압력에서 30 초 동안. 샘플의 형상에 따라 다른 금층 두께가 필요할 수 있다. 더 거친 또는 다공성 표면은 더 긴 스퍼터링 시간이 필요합니다.
  3. 골드 스퍼터링 시스템에서 스텁을 제거합니다.

2. 샘플 삽입 및 SEM 시작

  1. 챔버가 명목 압력에 도달 할 수 있도록 SEM 챔버를 배출합니다.
  2. SEM 샘플 구획을 열고 샘플 스테이지를 꺼냅니다.
  3. 샘플을 포함하는 샘플 스텁을 스테이지에 삽입합니다. 스텁을 제자리에 조이십시오.
  4. z-거리를 소프트웨어에 의해 제어할 수 없는 경우 샘플 스텁이 있는 샘플 스테이지에 더 나은 이미지를 얻기 위해 적절한 높이가 있는지 확인합니다.
  5. 샘플 스테이지를 샘플 챔버에 넣습니다. 샘플 구획을 닫습니다.
  6. 펌프를 켜고 시스템이 진공 상태에 도달할 수 있도록 합니다. 시스템이 완료되면 사용자에게 알립니다.
  7. SEM 소프트웨어를 엽니다. 1-30 kV에 이르는 원하는 작동 전압을 선택합니다. 작동 전압이 높을수록 이미지 대비가 향상되지만 샘플에 충전이 누적되면 해상도가 낮아질 수 있습니다.

3. SEM 이미지 캡처

  1. 키 아이콘을 클릭하여 SEM 소프트웨어에서 '자동 초점'을 시작합니다. 이렇게 하면 시작점으로 사용할 샘플의 집중된 이미지를 얻을 수 있습니다.
  2. 배율이 최소 줌 레벨인 50X로 설정되어 있는지 확인합니다.
  3. '빠른 스캔' 모드를 선택합니다.
  4. 거친 초점이 얻을 때까지 거친 모드에서 초점을 조정합니다.
  5. 관심 영역이 디스플레이에 표시되도록 외부 노브를 사용하여 수동으로 스테이지를 조정합니다.
  6. 원하는 피쳐가 관찰될 때까지 배율 수준을 늘립니다. 거친 초점 손잡이를 조정하여 이 배율에 이미지를 대략 집중시합니다. 그런 다음, 미세 초점 노브를 사용하여 초점을 개선하여 원하는 배율 수준에서 집중된 이미지를 얻습니다. 배율 수준이 증가할 때마다 이 단계가 반복됩니다.
  7. 원하는 배율에 도달하면 미세 초점 손잡이를 조정하여 선명도를 향상시킵니다.
  8. 이미지 선명도를 최적화하려면 배율을 최대 수준에 가깝게 늘린 다음 미세 초점 노브를 사용하여 이미지에 초점을 맞춥니다. 선명한 이미지를 얻을 수 없는 경우 x 및 y 방향으로 낙인을 조정합니다. 가장 선명한 이미지가 과장된 배율 수준에서 얻을 때까지 초점과 낙인을 계속 조정하십시오.
  9. 샘플의 품질 이미지에 도달한 후 원하는 배율 수준으로 돌아갑니다. 이미지는 '느린 사진' 또는 '빠른 사진' 모드에서 사진 버튼을 눌러 촬영할 수 있습니다. '느린 사진' 모드는 이미지의 품질과 고해상도를 제공합니다.

4. SEM 소프트웨어를 사용하여 측정하기

  1. '패널' 드롭다운 목록에서 'M. 도구'를 선택합니다.
  2. 길이, 면적 및 각도와 같은 다양한 측정은 SEM 소프트웨어에서 직접 측정할 수 있습니다. 이러한 측정 중 하나를 수행하려면 M. Tools 창에서 원하는 아이콘을 클릭합니다.
  3. SEM 이미지의 측정 사이트로 스크롤합니다. 측정은 이미지를 클릭하여 소프트웨어에서 분석할 참조 지점을 만들어 측정합니다. 측정된 데이터 포인트는 사용자가 원하는 경우 이미지에 직접 삽입할 수 있습니다.
  4. 그런 다음 이미지가 컴퓨터에 저장됩니다.

전자 현미경 검사법 또는 SEM을 스캐닝하는 것은 스캔된 전자 빔을 사용하여 시료의 표면 구조 및 화학 적 조성을 분석하는 화학 및 재료 분석에 사용되는 강력한 기술입니다.

현대 광 현미경은 회절이라고 하는 물체와 가시광선파의 상호 작용에 의해 제한됩니다. 두 오브젝트 간의 가장 작은 회수 거리 또는 측면 해상도는 오브젝트 크기에 비해 회절 패턴의 크기에 따라 다릅니다. 그 결과, 광 현미경은 최대 1,000X의 최대 배율과 이상적인 상황에서 최대 200nm의 측면 해상도를 가지고 있습니다.

SEM은 빛이 아닌 전자빔을 사용하기 때문에 회절에 의해 제한되지 않습니다. 따라서 SEM은 나노미터 이하의 측면 해상도를 사용하여 최대 100만 X의 배율에 도달할 수 있습니다. 또한, SEM은 가벼운 현미경검사와 마찬가지로 초점 평면에서만 이미징 기능에 국한되지 않습니다. 따라서 초점 평면 외부의 물체는 흐릿하게 보이는 가벼운 현미경 검사법과 는 달리 해결됩니다. 이렇게 하면 SEM을 사용하면 최대 300배 증가된 필드 깊이를 제공합니다.

화학자는 널리 촉매 입자와 같은 나노 스케일 개체의 표면 조성, 구조 및 모양을 분석하기 위해 SEM을 사용합니다.

이 비디오는 SEM 계측기의 원리를 설명하고 실험실에서 SEM 샘플 준비 및 작동의 기본을 보여줍니다.

SEM에서 샘플은 기존의 이미징을 위해 전도성이어야 합니다. 비전도성 샘플은 금과 같은 얇은 금속 층으로 코팅됩니다. 그런 다음 시료를 가로질러 고에너지 전자의 집중 빔을 스캔하여 이미지가 생성됩니다.

SEM에 사용되는 전자 빔은 텅스텐 필라멘트 음극이 장착 된 전자 총에 의해 생성됩니다. 전자는 양극쪽으로, 시료의 방향으로, 전기장에 의해 추진된다.

전자 빔은 응축기 렌즈에 초점을 맞추고 객관적인 렌즈에 들어갑니다. 객관적인 렌즈는 사용자가 전자 빔을 샘플의 고정 위치에 집중하도록 보정해야 합니다. 그런 다음 집중된 빔이 샘플을 가로질러 래스터를 스캔합니다.

1차 전자가 시료와 상호 작용할 때 전자 빔 에너지에 의존하는 깊이로 터널링합니다. 표면과의 이러한 상호 작용은 이차 및 백산재 전자의 방출을 초래하며, 이는 각각의 검출기에 의해 측정됩니다.

방출된 이차 전자의 신호 강도는 시료의 각도에 따라 달라집니다. 빔에 수직인 표면은 이차 전자를 적게 방출하므로 더 어둡게 나타납니다. 표면 의 가장자리에, 더 많은 전자가 해제되고 영역이 밝게 나타납니다. 이 현상은 석면의 이 SEM 검사에서 와 같이 잘 정의된 3D 모양의 이미지를 생성합니다.

대조적으로, 백산성 전자는 전자 빔의 반대 방향으로 반사됩니다. 검출 강도는 샘플의 원자 수가 증가함에 따라 증가하여 유리에 포함된 이 백스캐터 이미지와 같이 표면의 조성 정보를 습득할 수 있게 합니다.

이제 SEM 기기의 원리가 설명되었으므로 실험실에서 SEM의 기본 작동이 입증됩니다.

시작하려면 스퍼터는 샘플을 샘플 스텁에 배치하여 코팅합니다. 샘플이 완전히 건조하고 탈기되어 있는지 확인하십시오. 필요한 경우 양면 전도성 탄소 테이프를 사용하여 샘플을 스텁에 부착할 수 있습니다. 샘플을 스퍼터링 시스템에 넣습니다. 샘플에 몇 나노미터의 금을 스퍼터링합니다. 금층의 두께는 코팅이 시료의 형태를 방해하는지에 따라 달라집니다.

스퍼터링 시스템에서 샘플을 제거합니다. 샘플 표면에서 금속 스텁까지 전도성 브리지가 있는지 확인합니다.

샘플이 코팅되면 이미지를 이미지할 준비가 되었습니다. 이렇게하려면 먼저 SEM 샘플 챔버를 배출하고 챔버가 명목 압력에 도달 할 수 있습니다.

SEM 샘플 구획을 열고 샘플 스테이지를 제거합니다. 스텁을 샘플 스테이지에 놓고 스텁을 제자리에 조입니다.

작동 거리라고 하는 렌즈와 샘플 사이의 거리가 소프트웨어에 의해 제어될 수 없는 경우 스테이지와 스텁이 이미지를 얻기에 적절한 높이를 갖도록 합니다.

샘플 스테이지를 샘플 챔버에 넣고 구획을 닫습니다.

진공 펌프를 켜고 시스템이 펌핑할 수 있습니다.

이미징을 시작하려면 SEM 소프트웨어를 엽니다. 1~30kV범위의 원하는 작동 전압을 선택합니다. 고밀도 재료의 경우 더 높은 가속 전압을 사용해야 합니다. 저밀도 재료의 저가속 전압을 선택합니다.

대부분의 SEM 소프트웨어에는 자동 초점 기능이 포함되어 있습니다. 이렇게 하면 시작점으로 사용할 샘플의 포커스가 수집됩니다.

배율을 최소 줌 레벨50X로 설정합니다.

SEM은 빠른 스캔 및 느린 스캔과 같은 다른 스캔 모드가 있습니다. 빠른 스캔 모드는 더 낮은 품질로 화면의 빠른 새로 고침 속도를 제공합니다. 샘플을 찾고 거친 초점을 시작하려면 시작할 빠른 스캔 모드를 선택합니다.

이미지가 선명해질 때까지 코스 포커스를 조정합니다. 다음으로, 관심 영역을 디스플레이에서 볼 수 있도록 스테이지 포지셔닝을 조정합니다.

첫째, 거친 초점을 사용하여 가장 낮은 배율에 초점을 맞춥니다. 그런 다음 원하는 피쳐가 관찰될 때까지 배율 수준을 늘립니다. 코스 포커스를 조정하여 이 배율에서 이미지를 대략 집중시합니다. 필요한 경우 배율이 증가하면 거친 초점을 조정합니다.

그런 다음 미세 한 초점을 조정하여 이미지를 더욱 향상시킵니다. 배율이 증가할 때마다 이러한 초점 단계를 반복합니다.

비대칭 빔 왜곡은 샘플이 잘 초점을 맞춘 경우에도 난시라고 불리는 이미지의 흐림을 일으킬 수 있습니다. 이 효과를 줄이려면 배율을 최대 수준으로 높이고 미세 포커스를 사용하여 이미지에 초점을 맞춥니다. 그런 다음 x 및 y 방향으로 낙인을 조정하여 빔의 모양을 변경합니다.

이미지가 증가된 배율 수준에서 가능한 한 초점을 맞출 때까지 초점 및 낙인 설정을 계속 조정하십시오.

그런 다음 원하는 배율 수준으로 돌아갑니다.

SEM 이미지는 "느린 사진" 또는 "빠른 사진" 모드에서 획득할 수 있습니다. "빠른 사진" 모드는 품질이 낮은 이미지를 생성하지만 더 빠르게 획득됩니다. "느린 사진" 모드는 더 높은 품질의 이미지를 생성하지만 전자로 표면을 포화시킬 수 있습니다.

캡처된 이미지 내의 기능을 측정하려면 소프트웨어의 측정 도구를 활용합니다.

대부분의 계측기에는 길이, 면적 및 각도와 같은 측정 옵션이 포함됩니다.

길이를 결정하려면 SEM 이미지에서 측정할 거리를 선택합니다. 이미지를 클릭하여 소프트웨어에서 분석할 참조 점을 만듭니다.

완료되면 제조업체 지침에 따라 SEM을 종료합니다.

전자 현미경 검사법은 광범위한 샘플을 이미지화하는 데 사용됩니다.

SEM은 탄소 섬유 막과 같은 복잡하고 고도로 구조화된 물질을 이미지화하는 데 사용될 수 있다.

샘플은 높은 수준의 다공성 및 3차원 구조를 보였다. 촉매와 같은 응용 분야에 매우 바람직한 속성입니다.

SEM은 또한 박테리아와 같은 생물학적 샘플을 이미지화하는 데 사용될 수 있다. 이 예에서는, 창 자 박테리아의 부속기, 또는 pili 같이 머리는 SEM으로 심화되었습니다.

헬리코박터 파일로리는 혈액 천접시에서 재배되었고, 박테리아는 유리 커버 전표에 씨를 뿌린 것입니다.

완전히 건조된 시료를 장착하고 5nm의 팔라듐 골드로 코팅하여 시료를 전도성있게 만들었다.

마지막으로, 시료는 측정 가능한 나노스케일 필리와 함께 SEM H. 파일로리를 사용하여 쉽게 볼 수 있었다.

이 예는 뇌 조직이 안정된 수지에 삽입된 다음 집중된 이온 빔및 SEM을 사용하여 3차원으로 이미지되는 방법을 설명합니다.

첫째, 뇌 조직은 수지에 고정되고 내장되었습니다. 그런 다음 관심 영역을 식별하고 마이크로 토메로 슬라이스합니다.

샘플은 3차원 이미징을 위해 집중 이온 빔 스캐닝 전자 현미경으로 삽입하였다. 그런 다음 집중된 이온 빔을 사용하여 시료의 얇은 층을 순차적으로 제거하는 데 사용되었습니다. 각 레이어는 백스캐터 SEM을 사용하여 제거하기 전에 이미지화되었습니다.

당신은 방금 전자 현미경 검사에 대한 JoVE의 소개를 보았습니다. 이제 SEM의 기본 작동 원칙과 SEM 샘플을 준비하고 분석하는 방법을 이해해야 합니다.

시청해 주셔서 감사합니다!

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Results

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그림 2a에서볼 수 있는 SEM은 측정을 하고 샘플 사진을 획득하는 데 사용되었습니다. 샘플은 염화나트륨(NaCl) 염분으로 구성되었다. 그것은 도 2b에서볼 수 있듯이 스텁에 배치 된 다음 몇 나노미터의 금이 전도성으로 스퍼터링되었습니다. 그런 다음 도 2c에서볼 수 있듯이 전도성 샘플 영역을 SEM 샘플 영역으로 배치하였다.

SEM 이미지는 도 3에서볼 수 있듯이 50X, 200X, 500X, 1,000X 및 5,000X 배율 수준에서 획득하였다. 도 3a는 50X 배율에서 염시료의 조류 눈보기를 나타낸다. 그림 3b는 200배배율의 배율로 개별 염분 입자를 확대합니다. 그림 3c는 이와 동일한 배율 수준을 보여주지만 SEM 소프트웨어 내에서 이루어진 영역 및 직경 측정을 포함합니다. 그림 3d는 500X로 확대되어 염분 입자에 대한 관심 영역을 보여 주어 있습니다. 도 3e는 1,000X의 배율을 나타내며, 손상된 염입자의 모서리를 관찰할 수 있게 한다. 도 3f는 5,000X의 배율을 나타내며, 사용자가 염입자의 구조를 볼 수 있게 한다.

Figure 2
그림 2. (a) SEM의 이미지. (b) NaCl 소금은 탄소 테이프로 샘플 스텁에 배치된다. (c) 금 코팅으로 처리된 후 SEM 샘플 단계에 배치된 샘플 스텁.

Figure 3
그림 3. 다양한 배율 수준에서 샘플의 SEM 이미지: (a) 50X, (b) 200X, (c) 200X 측정, (d) 500X, (e) 1,000X, (f) 5,000X.

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Applications and Summary

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SEM은 전도성이거나 전도성 코팅으로 처리된 물체를 이미지화할 수 있기 때문에 대부분의 연구 기관에서 흔히 볼 수 있는 매우 강력한 도구입니다. SEM은 반도체 장치,2개의 생물학적 멤브레인,3및 곤충,4개 등의 물체를 이미지화하는 데 사용되어 왔다. 우리는 또한 나노 섬유 및 종이 기반 재료, 생체 재료, 마이크로 패턴 구조를 분석하기 위해 SEM을 사용했습니다. 물론, 액체와 같은 물질이 있는데, 이는 이미징을 위한 표준 SEM에 배치될 수 없지만 환경 스캐닝 전자 현미경(ESEM)의 지속적인 개발은 이러한 기능을 허용합니다. ESEM은 전자총을 사용하고 시료와의 전자 상호 작용을 분석한다는 점에서 SEM과 유사하다. 주요 차이점은 ESEM이 두 개의 별도 챔버로 분할된다는 것입니다. 상부 챔버는 전자 총으로 구성되며 높은 진공 상태로 들어가며 하부 챔버는 샘플을 포함하고 고압 상태로 들어갑니다. 샘플 영역은 진공을 입력할 필요가 없기 때문에, 습식 또는 생물학적 샘플은 이미징 과정에서 사용될 수 있다. 또 다른 ESEM 이점은 샘플이 전도성 재료로 코팅될 필요가 없다는 것입니다. 그러나, ESEM은 샘플 챔버의 기체 환경으로 인해 낮은 이미지 대비 및 작은 작업 거리의 몇 가지 단점을 갖는다. . 일반적인 규칙은 전도성 층으로 샘플을 코팅할 수 있다면 SEM에서 이미지를 지정하여 거의 모든 솔리드 오브젝트를 분석할 수 있다는 것입니다.

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Disclosures

이해 상충이 선언되지 않았습니다.

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).
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  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).

Transcript

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