thumb|Skaningowy mikroskop elektronowy JEOL JSM-6340F thumb|Skaningowy mikroskop elektronowy JEOL JSM-5500 mały|Seria obrazów kryształu śniegu Skaningowy mikroskop elektronowy (SEM, z ang. scanning electron microscope) – rodzaj mikroskopu elektronowego, który wytwarza obraz próbki przez skanowanie powierzchni zogniskowaną wiązką elektronów, które oddziałują z atomami w próbce, wytwarzając różne sygnały zawierające informacje o topografii powierzchni i składzie próbki. Wiązka elektronów „oświetla” kolejne punkty próbki, a pozycja wiązki jest łączona z intensywnością wykrytego sygnału w celu wytworzenia obrazu. W najpopularniejszym trybie SEM elektrony wtórne emitowane przez atomy wzbudzone wiązką elektronów są wykrywane za pomocą detektora elektronów wtórnych (Detektor Everharta-Thornleya). Liczba elektronów wtórnych, które można wykryć, a tym samym natężenie sygnału, zależy m.in. od topografii próbki. Niektóre SEM mogą osiągnąć rozdzielczości lepsze niż 1 nanometr.

Konwencjonalne skaningowe mikroskopy elektronowe wymagają wysokiej próżni, rozwój instrumentów spowodował opracowanie technik SEM w niskiej i zmiennej próżni.

Historia Pierwszy obraz SEM uzyskał niemiecki elektrotechnik Max Knoll (1897–1969) w roku 1935. Topografia powierzchni próbki wykonanej ze stali transformatorowej została uzyskana wprzez wykorzystanie kontrastu kanałowania. W roku 1965 firma Cambridge Scientific Instrument Company uruchomiła sprzedaż mikroskopów „stereoscan” zaprojektowanych przez profesora Sir Charlesa Oatleya (1904–1996) i jego doktoranta Gary’ego Stewarta.

Ogólne informacje thumb|Uproszczony schemat oddziaływania elektron-próbka Długość fali elektronów poruszających się w układzie SEM jest dużo mniejsza niż długość fali światła widzialnego, co umożliwia uzyskanie dużo lepszej rozdzielczość niż w mikroskopii optycznej. Dla światła długość fali wynosi 350–750 nm i jest głównym czynnikiem ograniczającym powiększenie do rzędu 2000×. Natomiast długość fali wiązki elektronów dochodzi do 0,05 nm i ogranicza rozdzielczość dopiero dla powiększeń wynoszących około 3 000 000×.

W klasycznej SEM zakłada się, że ruch elektronów w wiązce omiatającej próbkę jak i wybitych z próbki nie jest zaburzany przez cząsteczki niedokładnej próżni, dlatego wymogiem tej techniki jest próżnia wynosząca co najmniej 10−4 Pa.

Oddziaływanie elektron-próbka Skupiona wiązka padając na próbkę wnika do niej. Strefa oddziaływania pomiędzy elektronami a próbką ma kształt gruszki i rozumiana jest jako miara objętości, w której 95% elektronów pierwotnych uległo rozproszeniu. Próbka wykonana z materiału o dużej liczbie atomowej będzie wykazywała mniejszą głębokość wnikania elektronów w porównaniu do próbki wykonanej z materiału o małej liczbie atomowej. W wyniku oddziaływania wiązką pierwotną na próbkę można uzyskać kilka sygnałów.

Podstawy fizyczne W uproszczonym rozumowaniu promieniowanie elektromagnetyczne może być opisane jako strumień fotonów, a poruszające się cząstki jako fale. Wszystkie te mechanizmy opisuje tzw. dualizm korpuskularno-falowy. Dla każdego zakresu promieniowania występuje wiele możliwości różnych procesów rozpraszania wiązki. Ogólnie, rozproszenie fal można podzielić na dwa procesy: rozpraszanie sprężyste, czyli zderzenia, podczas których nie dochodzi do zmian energii, a jedynie do zmiany kierunku padającej fali rozpraszanie niesprężyste, czyli zderzenia, podczas których dochodzi zarówno do zmiany kierunku fali, jak i zmiany energii.

Elektron wtórny thumb|Rys. 2. Emisja SE Elektron wtórny (SE, z ang. secondary electron) – niskoenergetyczny elektron (umownie o energii kinetycznej mniejszej niż 50 eV), najczęściej wybity z atomów położonych najbliżej powierzchni materiału (rys. 2) w zjawisku zwanym emisją wtórną. Elektronami wtórnymi nie muszą być tylko elektrony wybite na skutek zderzenia niesprężystego, ale również mogą to być elektrony pochodzące z wiązki pierwotnej, które utraciły większość swojej energii w wyniku rozproszenia i jednocześnie wydostały się z powierzchni, trafiając do detektora. Liczba elektronów SE jest bardzo duża w stosunku do liczby elektronów wstecznie rozproszonych. Wydajność emisji SE silnie zależy od wielkości napięcia przyspieszającego. Wyróżnia się dwa podtypy elektronów wtórnych: SE I – wyemitowane w wyniku oddziaływania wiązki pierwotnej na elektrony próbki, SE II – wyemitowane w wyniku oddziaływania elektronów próbki z elektronami wstecznie rozproszonymi.

Elektron wstecznie rozproszony thumb|80px|Rys. 3. Emisja BSE Elektron wstecznie rozproszony (BSE, z ang. backscattered electron) – wysokoenergetyczny elektron (umownie o energii kinetycznej większej niż 50 eV), który uległ sprężystemu odbiciu i opuścił jednocześnie powierzchnię materiału (umownie z głębokości powyżej 50 nm) praktycznie bez utraty energii kinetycznej (rys. 3). Liczba elektronów BSE jest bardzo mała w stosunku do liczby elektronów wtórnych. Ilościowo elektrony BSE są określane przez współczynnik wstecznego rozpraszania η, definiowany jako stosunek natężenia wiązki (docierającej do detektora) do natężenia wiązki pierwotnej. Współczynnik wstecznego rozpraszania zależy liniowo od liczby atomowej Z (powyżej Z = 40 rośnie monotonicznie), Istnieje możliwość oszacowania obszaru półkulistego, z którego są emitowane elektrony wstecznie rozproszone:

gdzie: – masa atomowa [u], – liczba atomowa, – energia wiązki pierwotnej [eV], – gęstość [g/m³].

thumb|80pxys. 4. Emisja elektronu Augera thumb|Rys. 5. Emisja promieniowania X

Elektron Augera

Elektron Augera – niskoenergetyczny elektron (umownie 100–1000 eV) emitowany w wyniku bezpromienistego przeskoku innego elektronu na niższą podpowłokę (rys. 4). Wzbudzony atom emituje nadmiar energii, który może spowodować emisję elektronu Augera lub promieniowania rentgenowskiego. Z tego powodu wyemitowanie elektronu Augera jest konkurencyjne do emisji charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego i częściej zachodzi w lekkich materiałach. Elektrony Augera nie są zbierane w standardowym wyposażeniu skaningowego mikroskopu elektronowego. Spektrometr Augera może być osobnym urządzeniem lub działać jako dodatkowy moduł w SEM.

Charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie Charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie – wzbudzony atom oddaje nadmiar energii poprzez emisję promieniowania rentgenowskiego o danej energii (rys. 5). Energia promieniowania wynika z różnicy energii pomiędzy poziomami energetycznymi elektronów (wybitego i przeskakującego). Promieniowanie charakterystyczne jest zjawiskiem konkurencyjnym dla emisji elektronów Augera i częściej zachodzi w przypadku ciężkich materiałów.

Mikroanaliza rentgenowska umożliwia określenie składu chemicznego różnych elementów mikrostruktury materiałów. Wykorzystuje się w tym celu skaningowe mikroskopy elektronowe wyposażone w spektrometry EDS. Pozwala to na analizę pierwiastków o liczbie atomowej > 3 (od berylu wzwyż).

Katodoluminescencja Katodoluminescencja – rekombinacja pary elektron-dziura, która została wytworzona przez wybicie elektronu walencyjnego przez wiązkę pierwotną.

Rozdzielczość thumb|210px|Rys. 6. Pyłki kwiatowe obserwowane za pomocą SEM, ukazujące charakterystyczną głębię ostrości W mikroskopii elektronowej długość wykorzystywanej fali elektronów jest około 105 razy mniejsza od długości fali świetlnej. Charakteryzuje się dużo lepszą rozdzielczością. Bez uwzględniania efektów relatywistycznych elektrony przyspieszone w polu elektrycznym oraz odpowiadająca im długość fali de Broglie’a wyraża się relacją:

gdzie: – stała Plancka [eV·s], – masa spoczynkowa elektronu [kg], – ładunek elektryczny elementarny [C], – napięcie pola elektrycznego [V].

W skaningowej mikroskopii elektronowej rozdzielczość zależy głównie od rozmiaru wiązki skanującej. Im mniejszy jest rozmiar wiązki, tym większą rozdzielczość można uzyskać.

Głębia ostrości thumb|300px|Rys. 7. Film przedstawiający zwiększenie powiększenia szklanych kulek od 12× do 12 000× (standardowy zakres powiększeń SEM) Największy wpływ na wielkość głębi ostrości ma połowa kąta apertury obiektywu oraz długość wykorzystywanej fali. Głębia ostrości zwiększa się, gdy połowa kąta apertury obiektywu maleje, a długość fali wzrasta. Jest to szczególnie ważny parametr w przypadku obrazowania trójwymiarowego. Wyraża się równaniem:

gdzie: – długość fali [m], – połowa kąta apertury obiektywu [°], – współczynnik załamania wiązki elektronowej w danym ośrodku (dla próżni wynosi 1).

Powiększenie Powiększenie w skaningowej mikroskopii elektronowej może być zmieniane w szerokim rzędzie wielkości od 10× do nawet 200 000×. Wyjątkowość technik SEM polega na tym, że uzyskane powiększenie nie zależy od mocy soczewek elektromagnetycznych. SEM nie ma w ogóle soczewki obiektywowej. Układ optyczny pozwala zogniskować wiązkę, która skupiona w jednym miejscu, pozwala uzyskać sygnały tworzące obraz (poprawa rozdzielczości). Powiększenie definiuje się jako stosunek wymiaru rastra na lampie oscyloskopowej/monitorze do wymiaru plamki (obrazu skanowanego) wiązki pierwotnej na próbce. Dla stałych wymiarów monitora powiększenie będzie rosnąć, gdy rozmiar plamki będzie się zmniejszać. Do tworzenia obrazu może zostać wykorzystany dowolny sygnał powstający w wyniku oddziaływania elektronów z próbką. Powiększenie można kontrolować poprzez zmianę parametrów prądu w cewkach odchylających (rys. 7).

Budowa urządzenia thumb|350px|Rys. 8. Schemat budowy skaningowego mikroskopu elektronowego W skład standardowego oprzyrządowania SEM wchodzą: wzmacniacz wysokiego napięcia źródło elektronów (działo elektronowe) anoda przyspieszająca elektrony emitowane z katody kolumna (układ odchylania i soczewki elektronowe) – następuje w niej przyspieszenie i ogniskowanie wiązki elektronów układ detekcyjny odbierający sygnały emitowane przez próbkę komora robocza ze stolikiem układ pomp wytwarzających próżnię (rys. 8).

Działo elektronowe

Wiązka elektronów może być generowana w wyniku dwóch zjawisk: termoemisji – w wyniku dostarczenia odpowiedniej energii cieplnej elektron opuszcza pasmo przewodnictwa emitera emisji polowej – działo z emisją polową FEG (z ang. field emission gun) znajduje się w bardzo dużym polu elektrycznym, które powoduje znaczne obniżenie energii wyjścia elektronu z emitera. Można stosować działa pracujące w temperaturze pokojowej (emisja polowa na zimno) i w podwyższonej temperaturze (emisja polowa Schottky’ego)

W skaningowej mikroskopii elektronowej stosuje się najczęściej napięcie przyspieszające z zakresu 5–20 kV. Stosowanie większych napięć przyspieszających pozwala otrzymywać informację z większych głębokości próbki i uzyskać widma charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego cięższych pierwiastków. Niskie napięcie przyspieszające ułatwia detekcję lekkich pierwiastków o niskiej zawartości w próbce. Duże wartości napięcia przyspieszającego powodują skrócenie żywotności katody. W tabeli poniżej przedstawiono parametry różnych typów katod przy wykorzystaniu stałego napięcia przyspieszającego rzędu 20 kV:

+ Zestawienie różnych parametrów dział elektronowych przy napięciu przyspieszającym 20 kV Działa termoemisyjne Działa z emisją polową Parametry Wolframowe LaB6 S-FEGDziało z emisją polową Schottky’ego. C-FEGDziało z emisją polową na zimno. Jasność β [A/cm²⋅sr] 105 106 108 108 Temperatura emisji [°C] 1700÷2400 1500 1500 25 Średnica wiązki [nm] 50000 10000 100÷200 20÷30 Wielkość źródła [nm] 30000÷100000 5000÷50000 15÷30 <5 Prąd emisyjny [µA] 100÷200 50 50 10 Odchylenie energetyczne ΔE [eV] 1-3 1-2 0,3-1 0,3 Żywotność [h] 40÷100 200÷1000 >1000 >1000 Minimalna wielkość próżni [Pa] 10−2 10−4 10−6 10−8 Stabilność [%/h] <1 <1 1 4÷6

Układ optyczny