1. Scanning electron microscope (SEM)

Kính hiển vi năng lượng điện tử quét (tiếng Anh: Scanning Electron Microscope, thường xuyên viết tắt là SEM), là một trong những loại kính hiển vi điện tử hoàn toàn có thể tạo ra hình ảnh với độ sắc nét cao của bề mặt mẫu thiết bị rắn bằng phương pháp sử dụng một chùm năng lượng điện tử (chùm các electron) eo hẹp quét trên bề mặt mẫu. Câu hỏi tạo hình ảnh của vật mẫu được tiến hành thông qua vấn đề ghi nhận và phân tích những bức xạ phân phát ra từ liên can của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật. Có nghĩa là SEM cũng bên trong nhóm những thiết bị đối chiếu vi cấu tạo vật rắn bằng chùm năng lượng điện tử.

Bạn đang xem: Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường

*

So cùng với TEM, SEM đơn giản dễ dàng hơn rất nhiều, chúng ta cũng có thể hình dung hoạt động vui chơi của SEM tương tự như như vấn đề dùng một chùm sáng sủa chiếu trên bề mặt, với quan liền kề hình ảnh bề mặt bằng cách thu chùm sáng bội phản xạ. Ô, với như thế, SEM chuyển động không yên cầu mẫu phải mỏng dính như TEM. Bài toán phát các chùm năng lượng điện tử trong SEM cũng tương tự việc tạo nên chùm điện tử trong kính hiển vi năng lượng điện tử truyền qua, tức là điện tử được vạc ra tự súng phóng năng lượng điện tử (có thể là vạc xạ nhiệt, hay phát xạ trường…), tiếp đến được tăng tốc. Mặc dù nhiên, rứa tăng tốc của SEM thường chỉ còn 10 kV cho 50 kV bởi vì sự tinh giảm của thấu kính từ, việc hội tụ các chùm năng lượng điện tử có bước sóng quá nhỏ tuổi vào một điểm kích thước nhỏ dại sẽ rất khó khăn khăn. Điện tử được vạc ra, tăng tốc độ và quy tụ thành một chùm năng lượng điện tử thuôn (cỡ vài ba nanomet) nhờ khối hệ thống thấu kính từ, tiếp nối quét trên mặt phẳng mẫu nhờ những cuộn quét tĩnh năng lượng điện (hình 1). Độ phân giải của SEM được xác định từ form size chùm điện tử hội tụ, mà size của chùm năng lượng điện tử này bị tiêu giảm bởi quang sai, bởi vì thế nhưng mà SEM bắt buộc đạt được độ sắc nét tốt như TEM. Không tính ra, độ phân giải của SEM còn phụ thuộc vào vào cửa hàng giữa vật liệu tại bề mặt mẫu vật và điện tử. Khi điện tử địa chỉ với mặt phẳng mẫu vật, sẽ sở hữu các phản xạ phát ra, sự tạo hình ảnh trong SEM và những phép so sánh được triển khai thông qua câu hỏi phân tích những bức xạ này. Các bức xạ chủ yếu gồm:

Điện tử thứ cấp cho (Secondary electrons): Đây là chế độ ghi ảnh thông dụng tốt nhất của kính hiển vi năng lượng điện tử quét, chùm điện tử thứ cấp có tích điện thấp (thường nhỏ hơn 50 eV) được ghi nhận bằng ống nhân quang quẻ nhấp nháy. Do chúng có năng lượng thấp nên chủ yếu là các điện tử vạc ra từ mặt phẳng mẫu với độ sâu chỉ vài ba nanomet, do vậy chúng sản xuất ra hình ảnh hai chiều của bề mặt mẫu.Điện tử tán xạ ngược (Backscattered electrons): Điện tử tán xạ ngược là chùm điện tử thuở đầu khi can hệ với bề mặt mẫu bị bật ngược trở lại, vì vậy chúng hay có năng lượng cao. Sự tán xạ này nhờ vào rất những vào vào thành phần chất hóa học ở bề mặt mẫu, vày đó ảnh điện tử tán xạ ngược rất hữu dụng cho so với về độ tương phản bội thành phần hóa học. Xung quanh ra, năng lượng điện tử tán xạ ngược hoàn toàn có thể dùng để ghi nhận hình ảnh nhiễu xạ năng lượng điện tử tán xạ ngược, giúp cho việc phân tích cấu trúc tinh thể (chế độ phân rất điện tử). Ko kể ra, năng lượng điện tử tán xạ ngược phụ thuộc vào vào các liên kết điện tại bề mặt mẫu nên có thể đem lại thông tin về những đômen sắt điện.

*

Như vậy, SEM không đòi hỏi mẫu phải mỏng như TEM, tức là ta không cần phá hủy mẫu, nhưng tất cả phải SEM hoàn toàn có thể làm việc với đa số loại mẫu vật rắn? không phải thế, SEM chỉ có thể chụp được hình ảnh các mẫu dẫn điện, để ý là dẫn điện cũng chính vì với mẫu không dẫn điện, bạn sẽ vô hình phổ biến tạo thành một vùng nhiễm năng lượng điện khi những điện tử quét vào, chả có tí điện tử thứ cấp nào phân phát ra cho chính mình ghi ảnh. Nhưng chúng ta vẫn thấy bên trên nhiều bài bác báo khoa học, chúng ta vẫn có hình ảnh SEM của các mẫu ko dẫn năng lượng điện đấy thôi, điều này có gì xích míc không? Cũng không có gì xích míc cả, cách cải tiến đơn giản tuyệt nhất là trùm lên trên bề mặt của mẫu mã một lớp màng mỏng manh kim một số loại rất mỏng mảnh (chừng vài nm) như một bí quyết “nhân tạo” nhằm tăng tài năng phát xạ năng lượng điện tử. Các bạn cứ tưởng tượng nó y hệt như việc ta mạ bóng mang lại gương. Ở phần lớn các phòng phân tích SEM, khi chào bán SEM cho bạn, công ty thường bonus cho quý khách thêm một hệ sản xuất màng mỏng dính như thế, điện thoại tư vấn là sputter coater, có nghĩa là thiết bị lấp màng bằng phương pháp phún xạ cathode. Sắt kẽm kim loại dùng thông dụng cho mô hình phủ này là vàng.

Xong, bạn thấy rằng sao nhưng mà SEM đơn giản dễ dàng thế, vèo dòng cho ngay ảnh với độ sắc nét cao (có thể cho một vài nm), mà chưa hẳn vất vả xử lý mẫu, giữ nguyên mẫu chứ không hề phá đến tan tành như TEM. Nhưng xem ra giá cả của SEM còn thấp rộng TEM siêu nhiều? Những điều này đều đúng cả, nhưng chưa đủ. Bạn phải ghi nhớ một điều là SEM cho bạn hình hình ảnh vi cấu tạo bề mặt, chỉ với hình hình ảnh bề mặt mà lại thôi, chứ không phải kết cấu thực của đồ dùng liệu. Nhưng mà ta lại nhớ là trong nhân loại hiển vi, hình hình ảnh bề phương diện không hoàn toàn hệt như những gì ta mong thấy ở bên trong. Mà độ sắc nét của SEM xịn duy nhất cũng chỉ đạt cỡ vài nanomet (nói thông thường là kích thước dưới 10 nm), có nghĩa là nó bắt đầu chỉ lân la mang đến gần quả đât nano mà thôi (bạn hãy tự so sánh với TEM với độ phân giải tốt vội hàng vài ba chục lần so với SEM để thấy). Cầm thì bạn lại thở dài, oài, nắm này thì nói có tác dụng quái gì, bỏ đi mang đến xong. Không phải vậy, SEM khôn xiết hữu ích trong số quan sát bề mặt mà đòi hỏi không hủy hoại mẫu, ví như chụp ảnh các linh phụ kiện điện tử (kích thước tầm vài chục nm trở nên), hay những mẫu thứ sinh học? Điều dễ dàng thở rộng là SEM rẻ rộng so với TEM, vận động dễ dàng hơn, không đòi hỏi nhiều trang thiết bị đắt tiền, ngân sách nuôi đồ đạc tốn hèn như TEM. Chỉ cần được đào tạo bài bản và thực hành tốt, bạn cũng có thể làm một SEM operator xuất sắc trong thời gian từ 2-3 tháng. Một ngày thao tác với SEM cũng không thật serious như TEM, không phải phòng tối, không thực sự cách ly, nhanh hơn, nháng hơn. Tôi tin là với đầy đủ yếu tố này, bạn đã có cái nhìn thiện cảm hơn về SEM. Với cá nhân tôi, SEM là thiết bị cân xứng với điều kiện tài chính và hạ tầng ở nước ta hiện nay.

*
Hình 3. Ảnh SEM chụp mặt phẳng màng mỏng manh ZnO (chế tạo vì Khoa vật lý, Đại học Khoa học tự nhiên và thoải mái Hà Nội) ở các độ cường điệu khác nhau: (a) 5000 lần, (b) 25000 lần, (c) 100000 lần và (d) 200000 lần chụp trên lắp thêm FEI Nova Nanolab200 tại Glasgow, UK.

Hình 3 là 1 ví dụ về hình ảnh SEM của mẫu màng mỏng manh ZnO chụp ở những độ phóng đại khác nhau từ 5000 lần mang lại 200000 lần (chú ý thanh độ nhiều năm trên mỗi bức ảnh để đối chiếu về độ phóng đại). Bạn có thể thấy ảnh SEM hiện lên khá “đẹp đẽ” nghỉ ngơi độ thổi phồng từ vài ba ngàn mang đến cỡ vài ba chục ngàn. Đến khoảng gần 100 ngàn trở nên, việc lấy nét (focus) ảnh SEM vẫn trở đề xuất khá “mệt mỏi” khiến cho một bức ảnh tốt. Và bạn có nhằm ý, SEM cho giác quan về mặt không gian 3 chiều khá tốt?

Kính hiển vi năng lượng điện tử quét lần đầu tiên được phát triển bởi Zworykin vào năm 1942 là một trong những thiết bị có một súng phóng điện tử theo hướng từ dưới lên, tía thấu kính tĩnh điện và hệ thống các cuộn quét năng lượng điện từ đặt giữa thấu kính thiết bị hai với thứ ba, và ghi dấn chùm điện tử sản phẩm công nghệ cấp bởi một ống nhân quang điện.

Năm 1948, C. W. Oatley sống Đại học tập Cambridge (Vương quốc Anh) cách tân và phát triển kính hiển vi điện tử quét trên mô hình này và ra mắt trong luận án ts của D. McMullan với chùm năng lượng điện tử eo hẹp có độ sắc nét đến 500 Angstrom. Trên thực tế, kính hiển vi điện tử quét yêu quý phẩm đầu tiên được sản xuất vào năm 1965 vày Cambridge Scientific Instruments Mark I.

2. đa số cải biến hóa của SEM

Ở SEM, bạn cũng có được một phép so với hóa học tựa như như TEM, đó là phép so với phổ tán sắc tích điện tia X (EDX). EDX ở SEM cũng có công dụng làm tính năng “mapping”, tức là vẽ ra phân bố những nguyên tố hóa học (thâm chí các thao tác làm còn dễ dàng và đơn giản hơn cả TEM), nhưng một điều tất yếu mà các bạn luôn hãy nhớ là “resolution” tại chỗ này kém hơn TEM hết sức nhiều. SEM không tồn tại phép đối chiếu EELS vì chưng SEM không ghi nhấn điện tử tán xạ không lũ hồi. Mà lại những điều đó không nên để ý bằng một số trong những tính năng “mạnh” khác mà lại ta hoàn toàn có thể làm từ SEM nếu đi kèm theo với phần đông cải tiến.

2.1. Quang tự khắc chùm điện tử (Electron beam lithography)

Quang tương khắc chùm năng lượng điện tử là cách thức “chạm khắc” để tạo nên các cụ thể có hình dạng size nhỏ, ví dụ như các linh phụ kiện điện tử… Để làm cho được như thế, fan ta sẽ dùng một chất cản quang đãng (photoresist) bao phủ lên các màng mỏng, tiếp đến sử dụng SEM nhằm quét chùm năng lượng điện tử, “vẽ” lên mặt phẳng cản quang đãng hình ảnh các phiên bản mẫu này (gọi là các pattern), giống như việc sản xuất hình vào TV. Vùng bị quét chùm điện tử của cản quang đã bị chuyển đổi tính hóa học hóa học, có nghĩa là nó rất có thể bị cọ trôi (cản quang đãng dương), hoặc trơ không biến thành rửa trôi (thì vùng không biến thành chiếu xạ sẽ bị rửa trôi). Cản quang còn sót lại (mang hình ảnh của chi tiết) đang đóng sứ mệnh một “mặt nạ” để đảm bảo an toàn các cụ thể cần tạo thành trong quy trình ăn mòn. Trên thực tế, công nghiệp cung cấp dẫn lúc này chưa sử dụng đến nghệ thuật EBL, mà mới chỉ dùng đến quang khắc bằng ánh sáng (photolithography). Ánh sáng dùng chiếu vào cản quang để gây phát triển thành đổi, cùng hình ảnh chi ngày tiết được tạo thành nhờ mặt nạ. Cơ mà kỹ thuật photolithography chỉ có thể chấp nhận được tạo các chi tiết cực lớn (tới cỡ ngàn nanomet) do giới hạn nhiễu xạ của ánh sáng khả kiến. Bài toán dùng điện tử cố gắng cho ánh sáng chất nhận được tạo ra độ phân giải cực to tới vài nanomet (phổ biến bây chừ các hệ EBL công nghiệp có độ phân giải khoảng 20-50 nm, một trong những hệ “cực xịn” rất có thể cho phân giải tới 3 nm), và chất nhận được nhảy vọt trong công nghệ vật liệu. EBL sang trọng hơn photolithography hết sức nhiều, thọ hơn, nhưng nó lại có độ chính xác cực cao, không đề nghị tạo phương diện nạ.. Các hệ EBL công nghiệp chưa thông dụng rộng rãi, và hệ EBL đó là được tạo nên từ SEM.

Xem thêm: Mở Cửa Hàng Kinh Doanh Đồ Thể Thao Online Hiệu Quả Tức Thì, Kinh Nghiệm Mở Cửa Hàng, Shop Thể Thao

2.2. Hệ chùm ion hội tụ (Focused ion beam)

FIB là một trong hệ “chạm khắc” thẳng để sản xuất các chi tiết như phong cách lithography, dẫu vậy ở đây, không phải dùng cản quang quẻ mà dùng một chùm ion kim loại tích điện cao bắn phá màng mỏng mảnh vật liệu. Ở hệ FIB, bạn ta sử dụng 2 cột: một cột ion (thường dùng Ga) cùng một cột điện tử. Ion Ga được tinh chỉnh hội tụ và quét bên trên màng mỏng manh vật liệu để phun phá các chi tiết không bắt buộc giữ. Cột điện tử đó là một SEM nhằm quan gần cạnh trực tiếp quá trình này. Quanh đó ra, FIB còn sử dụng một cột phún xạ những hơi kim loại để cho phép lắng đọng một trong những kim loại theo những bản thiết kế định trước. Như ví dụ video clip dưới đây biểu thị việc tạo nên một nanopillar rất đơn giản dễ dàng bằng FIB.