میکروسکوپ الکترونی روبشی(Scanning Electron Microscopy)، نوعی میکروسکوپ الکترونی است که قابلیت عکس‌برداری از سطوح با بزرگنمایی ۱۰ تا ۵۰۰۰۰۰ برابر با قدرت تفکیکی کمتر از ۱ تا ۲۰ نانومتر (بسته به نوع نمونه) دارد. SEM یک وسیله شناخته شده برای تعیین مشخصات فیزیکی و بررسی مورفولوژی سطح نمونه با بزرگنمایی بالا است که در آن از پرتو الکترونی استفاده می‌شود. با تولید یک باریکه الکترونی و تاباندن آن به سطح نمونه و ثبت پرتوهای بازگشتی در میکروسکوپ الکترونی روبشی، می ­توان اطلاعات مختلفی از لایه ​های سطحی ماده به دست آورد. این اطلاعات بسته به آشکارسازهای متصل به دستگاه در رده​های متفاوتی قابل استفاده است.میکروسکوپ الکترونی روبشی همچنین می ­تواند با پرتو ایکس پراکنده شده انرژی (EDX) همراه شود تا ترکیب نمونه به‌ خوبی دیگر خواص آن (آنالیز عنصری نمونه) اندازه‌گیری شود. میکروسکوپ الکترونی روبشی برای تحقیق در مورد تشخیص ابعاد ذرات، یکنواختی پوشش سطح و عیب­های سطحی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. سطح نمونه​ هایی که با این میکروسکوپ بررسی می​شوند باید دارای هدایت الکتریکی باشند و در غیر این صورت، الکترونی که به سطح نمونه تابیده می​شود، دفع نمی​شود و روی سطح باقی می ​ماند و  الکترون​های بعدی با الکترون​های همنام برخورد می​ کنند و دفع یا منحرف می​ شوند و در نتیجه تصویر حاصله، ناپایدار و منجر به تیره و روشن شدن تصویر می​ شود. با نشاندن لایه نازکی از طلا و یا کربن روی سطوح نمونه​ های غیرهادی، هدایت الکترونی پیدا می​ کنند و الکترون​های سطحی دفع شده و وضوح تصاویر بهبود می‌یابد.چنانچه به ​دست آوردن تصاویری با بزرگنمایی بیشتر از حد معمول مورد نظر باشد، از میکروسکوپ الکترونی روبشی نشر میدانی (FESEM) استفاده می‌شود. FESEM نوعی میکروسکوپ الکترونی روبشی است که کاتد نشر میدانی تفنگ الکترونی آن، پرتوهای باریک​تری که حاوی الکترون​های با انرژی بیشتری هستند را تولید می​ کنند. در این نوع میکروسکوپ، تصاویر شفاف​تر و با کیفیت بالاتر تولید می​ شوند و مشاهده ناحیه بسیار کوچک​تر امکان‌پذیر می​ شود. تفنگ الکترونی، لنزها، روزنه‌ها، سیستم روبش، محفظه نمونه، سیستم خلاء و سیستم نمایش از اجزای اصلی یک SEM  محسوب می‌شوند.

1-تاریخچه:


نخستین تصاویر SEM در سال 1935 در آلمان توسط Max Knoll از فولاد سیلسیسی که پیرامون پدیده های الکترونیک نوری بود بدست آمد. Ardenne در سال 1938 با اضافه کردن پیچه های جاروب کننده به یک میکروسکوپ الکترونی عبور (TEM) توانست میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی (STEM) را بسازد.  اولین دستگاه SEM که برای مطالعه نمونه های ضخیم بکار برده شد توسط Zworykin و همکارانش در سال 1942 در ایالات متحده ساخته شد. این میکروسکوپ دارای سه عدسی الکترواستاتیکی بود که پیچه های روبشی بین عدسی های دوم وسوم قرار گرفته بودند.  Oatly نیز در سال 1952 موفق به ساخت نخستین دستگاه SEM خود در دانشگاه کمبریج شد. این دستگاه از توان تکیک 50 نانومتر برخوردار بود. پس از او Smith در سال 1956  نسبت به توسعه دستگاه و پردازش سیگنال های دریافتی همت گماشت و به جای عدسی های الکترواستاتیکی از عدسی های مغناطیسی استفاده کرد. پس از آن توسعه و پیشرفت دستگاه های آشکارساز الکترونی، مانند آشکارسازهای الکترون های ثانویه و برگشتی سبب بهبود تصاویر شد. معرفی دستگاه سینتیلاتور برای تبدیل الکترون ها به نشانه های نوری بسیار موثر بود. پس از ساخت نخستین دستگاه های SEM تجاری در سال 1965 پیشرفت های شگرفی در ساخت و تکمیل آن پدید آمد.

2- استفاده‌‌هاي عمومي SEM:

–       تصويرگرفتن از سطوح در بزرگنمايي 10 تا 100،000 برابر با قدرت تفكيك در حد 3 تا 100 نانومتر (بسته به نمونه)

–        در صورت تجهيز به آشكارساز تفرق الکترون های برگشتی(back Scattered)  ميكروسكوپ‌ها قادر به انجام امور زير خواهند بود:

1) مشاهده مرزدانه  در نمونه‌هاي اچ ‌نشده، 2 ) مشاهده حوزه‌ها (domains) در مواد فرومغناطيس، 3) ارزيابي جهت كريستالوگرافي دانه‌ها با قطرهايي به كوچكي 2 تا 10 ميكرومتر، 4) تصوير نمودن فاز دوم روي سطوح اچ ‌نشده (در صورتي كه متوسط عدد اتمي فاز دوم، متفاوت از زمينه باشد).

–       با اصلاح مناسب ميكروسكوپ مي‌توان از آن براي كنترل كيفيت و بررسي عيوب قطعات نيمه‌هادي استفاده نمود.

2-1-نمونه‌هايي از كاربرد SEM عبارت اند از:

–       بررسي نمونه‌هايي كه براي متالوگرافي آماده شده‌اند، در بزرگنمايي بسيار بيشتر از ميكروسكوپ نوري

–        بررسي مقاطع شكست و سطوحي كه اچ عميق شده‌اند، كه مستلزم عمق ميداني بسيار بزرگتر از حد ميكروسكوپ نوري است.

–        ارزيابي جهت كريستالوگرافي اجرايي نظير دانه‌ها، فازهاي رسوبي و دندريت‌ها بر روي سطوح آماده‌شده براي كريستالوگرافي

–       – شناسايي مشخصات شيميايي اجزايي به كوچكي چندميكرون روي سطح نمونه‌ها، براي مثال،‌ آخال‌ها، فازهاي رسوبي و پليسه‌هاي سايش.

–        ارزيابي گراديان تركيب شيميايي روي سطح نمونه‌ها در فاصله‌اي به كوچكي 1µm

–        بررسي قطعات نيمه‌هادي براي آناليز شكست، كنترل عملكرد و تأييد طراحي

3-ساختمان میکروسکوپ SEM

میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) به یک سیستم اپتیکال الکترونی جهت ایجاد یک پروب الکترونی، یک پایه نمونه جهت قرار دادن نمونه، یک آشکارساز الکترون ثانویه جهت جمع آوری الکترون های ثانویه، یک دستگاه نمایش تصویر و یک سیستم عملکرد جهت انجام عملیات های مختلف، نیاز دارد. سیستم اپتیکال الکترونی از یک تفنگ الکترونی، یک عدسی متمرکز کننده و یک عدسی شیئی برای ایجاد یک پروب الکترونی، یک سیم پیچ روبشی جهت روبش پروب الکترونی و اجزای دیگر تشکیل شده است. سیستم اپتیکال الکترونی (درون ستون میکروسکوپ) و فضای احاطه کننده نمونه در خلاء نگه داشته می شوند.

3-1-تفنگ الکترونی (Electron Gun)

تفنگ الکترونی یکی از اجزای میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) است که پرتو الکترونی را ایجاد می کند. و همه امتیازات یک میکروسکوپ الکترونی به شدت وابسته به موارد زیر است:

*- مقدار الکترون موجود در پرتویی که نهایتاً به نمونه می رسد. (میزان روشنایی پرتو)

      *- قطر پرتوی الکترونی (معین قدرت تفکیک پرتو)

      *- نحوه توزیع یا پراکندگی الکترون ها داخل باریکه پرتو (میزان تمرکز پرتو)

سه نوع تفنگ الکترونی وجود دارد که شامل تفنگ نشر حرارتی، نشر میدانی و نشر شاتکی است. در ادامه این موارد توضیح داده می شود.

3-1-1-تفنگ الکترونی نشر حرارتی (Thermionic-Emission Electron Gun) (TE Gun)

ترمو الکترون ها از فیلمان (کاتد) ساخته شده از یک سیم تنگستن نازک (حدود mm۰٫۱ ) توسط حرارت دادن فیلمان در دمای بالا (حدود ۲۸۰۰K)، ساطع می شوند. این ترمو الکترون ها به شکل یک پرتو الکترونی جمع می شوند و توسط اعمال ولتاژ مثبت (۱-۳۰kV ) به آند، به صفحه فلزی (آند) جریان می یابند. اگر یک روزنه در مرکز آند درست شده باشد، پرتو الکترونی از طریق این روزنه جریان می یابد. زمانی که یک الکترود (که الکترود Wehnelt نامیده می شود) را بین کاتد و آند قرار دهیم و یک ولتاژ منفی به آن اعمال کنیم،  می توانیم جریان پرتو الکترونی را تنظیم کنیم. در این زمان، پرتو الکترونی توسط عمل الکترود Wehnelt به صورت باریکه متمرکز می شود. معمولا تفنگ نشر حرارتی بیشترین استفاده را دارد. از تک کریستال LaB6 نیز به عنوان کاتد استفاده می شود، اما به خاطر اکتیویته بالای آن، به خلا بالاتری نیاز است.

2-1-3-تفنگ الکترونی نشر میدانی (Field-Emission Electron Gun) (FE Gun)

تفنگ نشر میدانی برای میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) با وضوح بالا استفاده می شود. این تفنگ اثر نشر میدانی را استفاده می کند که هنگامی که یک میدان الکتریکی بالا به سطح یک فلز اعمال می شود، رخ می دهد. کاتد از یک سیم نازک تنگستنی ساخته شده است. یک تک کریستال تنگستنی به این سیم تنگستنی متصل می شود و نوک تک کریستال تنگستن به شکل یک منحنی با شعاع حدود nm ۱۰۰ساخته می شود. این ساختار، ساطع کننده  (Emmitor) نامیده می شود. زمانی که یک ولتاژ مثبت به یک صفحه فلزی اعمال می شود (الکترود استخراج کننده)، اثر تونل زنی (Tunneling) رخ می دهد و الکترون ها از ساطع کننده، نشر می یابند.

اگر یک روزنه در مرکز الکترود استخراج کننده ایجاد شود، پرتو الکترونی ساطع شده از طریق این روزنه جریان می یابد. زمانی که یک ولتاژ به الکترود (الکترود شتاب دهنده) قرار گرفته زیر الکترود استخراج کننده اعمال شود، می توان یک پرتو الکترونی دارای انرژی مشخص به دست آورد. به منظور ایجاد یک نشر میدانی، نوک ساطع کننده باید بسیار تمیز باشد. بنابراین، تفنگ نشر میدانی نیاز به قرارگیری در یک خلاء فوق بالا در حدود ۸۱۰پاسکال دارد.

منبع الکترون در این حالت با قطر ۵ تا ۱۰ نانومتر است. در تفنگ نشر حرارتی منبع الکترون ۱۰ تا ۲۰ میکرومتر قطر دارد، که نشان می دهد تفنگ نشر میدانی منبع الکترون بسیار کوچک تری ایجاد می کند و بنابراین برای میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) با وضوح بالا مناسب است. علاوه بر این مزیت دیگر تفنگ نشر میدانی این است که پراکندگی انرژی پرتو الکترونی کوچک است زیرا تفنگ نشر میدانی نیاز به گرمایش ساطع کننده ندارد. در مشاهده با ولتاژ شتاب دهنده پایین، این پراکندگی انرژی، وضوح (انحراف کروماتیک) را تعیین می کند، بنابراین این مزیت بسیار مهم است.

3-1-3-تفنگ الکترونی نشر شاتکی (Schottky-Emission Electron Gun) (SE Gun)

تفنگ الکترونی نشر شاتکی از اثر نشر شاتکی استفاده می کند که زمانی که یک میدان الکتریکی بالا به یک سطح فلزی گرم شده اعمال می شود، اتفاق می افتد. کاتد یک ساطع کننده ZrO/W  است که یک تک کریستال تنگستن پوشش داده شده با ZrO است که یک نوک منحنی با شعاع حدود چند۱۰۰ نانومتر دارد. پوشش ZrO به مقدار زیادی تابع کار را کاهش می دهد و بنابراین یک جریان ساطع شده بزرگ می تواند در یک دمای کاتد کم در حدود K ۱۸۰۰ به دست آید. یک مزیت تفنگ نشر شاتکی این است که جریان پرتو الکترونی پایداری زیادی دارد، زیرا ساطع کننده که در یک خلاء فوق بالا در حدود ۷ ۱۰ پاسکال قرار دارد، در یک دمای بالا نگه داشته می شود و هیچ جذب گازی صورت نمی گیرد. در مقایسه با تفنگ نشر میدانی، پراکندگی انرژی پرتو الکترونی اندکی بزرگتر است، اما تفنگ نشر شاتکی جریان های پروب بزرگتری تولید می کند. بنابراین، این ویژگی ها برای آنالیزهای مختلف همزمان با مشاهده مورفولوژی بسیار موثر است.

3-2-لنزها

بخشی از SEM که پرتو الکترونی را متمرکز، جابه‌جا و اصلاح می‌کند، به ستون اپتیکی معروف است و عملاً بخش‌های آن با اتفاقاتی که برای نور درمیکروسکوپ نوری می‌افتد مشابه‌سازی و نام‌گذاری شده ‌است که مهمترین بخش این ستون نیز لنزها هستند که با هدف متراکم کردن پرتو الکترونی استفاده می‌شوند. لنزهای نوری بر اساس شکست نور کار می‌کنند اما در لنزهای اشعه الکترونی، با اعمال نیرو به الکترون‌ها مسیر آن‌ها عوض می‌شود. ذرات الکترون بار منفی دارند لذا عملاً دو راه برای اعمال نیرو به آن‌ها وجود دارد که این دو راه استفاده از میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی است. هرچند روابط حاکم بر میدان الکتریکی ساده‌تر است اما از آنجا که امکان ایجاد و کنترل میدان مغناطیسی قوی با هدف متمرکز کردن پرتو الکترونی ساده‌تر است معمولاً در SEM از لنزهای مغناطیسی استفاده می‌شود. ستون اپتیکی از تعدادی لنز متمرکزکننده و یک لنز نهایی تشکیل شده که در انتهای ستون و قبل از جسم قرار گرفته‌ است. اصول کار این لنزها تقریباً یکسان است با این تفاوت که لنز نهایی از قدرت بیشتر و شکلی متفاوت برخوردار است.

3-2-1- ساختمان لنز مغناطیسی (Electromagnetic Lens)

به طور کلی یک میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) از یک لنز مغناطیسی استفاده می کند. زمانی که یک جریان الکتریکی مستقیم را از یک سیم الکتریکی پیچیده شده عبور دهیم، یک میدان مغناطیسی متقارن دورانی شکل گرفته و عمل یک لنز روی یک پرتو الکترونی ایجاد می شود. برای ساختن یک لنز مغناطیسی قوی (با یک فاصله کانونی کوتاه)، ضروریست که دانسیته خط مغناطیسی را افزایش دهیم. محیط سیم پیچ توسط چهارچوب بسته می شود تا بخشی از میدان مغناطیسی از یک شکاف نازک نفوذ کند. این بخش با یک شکاف نازک که قطبک نامیده می شود با دقت بالا ساخته می شود. ویژگی اصلی لنز مغناطیسی آن است که هنگامی که با تغییر جریان عبوری از سیم پیچ، نیروی لنز تغییر می کند. این امر با یک لنز نوری به دست نمی آید.

3-2-2- لنز متمرکز کننده (Condenser Lens) و لنز شیئی (Objective Lens)

قرار دادن یک لنز زیر تفنگ الکترونی شما را قادر به تنظیم قطر پرتو الکترونی می کند. یک پرتو الکترونی باریک (پروب) برای میکروسکوپ الکترونی روبشی مورد نیاز است. لنز های دو مرحله ای که ترکیب لنز های متمرکز کننده و شیئی است، زیر تفنگ الکترونی قرار دارند. پرتو الکترونی از تفنگ الکترونی توسط لنزهای دو مرحله ای متمرکز می شود و یک پروب الکترونی کوچک ایجاد می شود.

3-2-3- نقش لنز متمرکز کننده

اگر عمل لنز متمرکز کننده تقویت شود، پروب الکترونی باریک تر می شود (با یک نسبت b/a کوچک تر). در حالی که اگر ضعیف تر شود، پروب الکترونی پهن تر می شود. دریچه ای بین لنز متمرکز کننده و لنز شیئی قرار دارد که از یک صفحه فلزی نازک ساخته شده است و یک روزنه کوچک دارد. پرتو الکترونی که از لنز متمرکز کننده عبور می کند، به این صفحه دریچه پرتو افکنی می کند. دریچه اجازه می دهد که بخشی از پرتو الکترونی به لنز شیئی برسد.

اگر القای لنز متمرکز کننده افزایش یابد، پرتو الکترونی به مقدار زیادی روی دریچه پهن شده و در نتیجه تعداد الکترون ها (مقدار جریان پروب) رسیده به لنز شیئی کاهش می یابد. برعکس، اگر القای لنز متمرکز کننده کاهش یابد، پرتو الکترونی خیلی پهن نمی شود و بنابراین، بیشتر الکترون ها از طریقه دریچه عبور می کنند و تعداد زیادی از الکترون ها به لنز شیئی می رسند. به عبارت دیگر، با تنظیم القای لنز متمرکز کننده می توان قطر پروب الکترونی و جریان پروب را تغییر داد. با این وجود، حتی اگر القای لنز متمرکز کننده نامحدود افزایش یابد، قطر پروب الکترونی خیلی کوچک نخواهد شد.

3-2-4- نقش لنز شیئی

لنز شیئی برای متمرکز کردن استفاده می شود و این لنز قطر نهایی پروب الکترونی را تعیین می کند. اگر عملکرد لنز شیئی خوب نباشد، یک پروب الکترونی بهینه و کوچک ایجاد نمی شود، حتی اگر همه تلاش ها قبل از عمل لنز شیئی صورت گرفته باشد. بنابراین، بسیار مهم است که لنز شیئی را با عملکرد عالی ایجاد کرد.

3-3- روزنه

روزنه‌ها سوراخهایی با ابعاد متفاوت هستند که در مکانهای گوناگون ستون اپتیکی قرار گرفته و علاوه بر کاهش قطر پرتو الکترونی سبب حذف الکترونهایی می‌شوند که از مرکز ستون فاصله دارند که این کار می‌تواند سبب افزایش کنتراست تصویر شود و خروجی بهتری را ایجاد کند. آنچه در مورد روزنه‌ها محدودکننده است یکی کاهش روشنایی تصویر و دیگری بحث پراش الکترونی است که در صورتی رخ می‌دهد که قطر روزنه در حد طول موج الکترون‌ها باشد و باعث از بین رفتن وضوح تصویر ‌شود. بنابراین در هنگام تنظیم و استفاده از روزنه‌ها همواره باید این موضوع را مد نظر قرار داد.

3-4-روبشگر

همانگونه که گفته شد برای ایجاد یک تصویر کامل باید پرتو الکترونی با تک تک نقاط یک ناحیه از نمونه برخورد کند که ابعاد این ناحیه بر حسب بزرگنمایی تعیین می‌شود. پس از تعیین ناحیه، لازم است پرتو تغییر جهت داده و کل منطقه مشخص شده را در ردیف‌های موازی و به صورت نقطه به نقطه در دو راستای  X  و Y روبش کند و برای این کار از دو سیم‌پیچ با میدان‌های مغناطیسی استفاده می‌شود که با اعمال میدان‌هایی عمود بر مسیر پرتو و با مقدار کنترل شده سبب تغییر جهت پرتو الکترونی می‌شوند. به‌این ترتیب پرتو الکترون به صورت کنترل شده با نقطه مشخص برخورد می‌کند.

3-5-محفظه نمونه

همانگونه که در ادامه به آن خواهیم پرداخت، نمونه SEM در خلأ مورد بررسی قرار می‌گیرد همچنین از برخورد پرتو الکترونهای پرسرعت با نمونه، اشعه Xحاصل می‌شود که برای کاربر بسیار زیان‌آور است، این عوامل سبب می‌شود نمونه درون محفظه‌ای قرار بگیرد که بسیار محکم بوده و دارای سرب است. این محفظه دارای مکانهایی برای قرارگیری نمونه است که در هر لحظه می‌توان چندین نمونه را بر روی آن قرار داد و از بیرون مشخص کرد که کدامیک مورد بررسی قرار بگیرد یا نمونه را برای بررسی بالا و پایین برد یا زاویه دار کرد. همچنین در این محفظه مکانهایی برای قرارگیری حسگرها قرارداده شده و اتصالاتی نیز قرار دارد که امکان برقراری ارتباط ایمن از داخل محفظه به بیرون را فراهم می‌آورد بدون اینکه خلأ دچار مشکل شود یا اینکه اشعه X به کاربر آسیب برساند. روی این محفظه همچنین سوراخهایی قرار دارد که با در پوشهایی پوشانده شده و در صورتی که قرار باشد قطعه‌ای به SEM   اضافه شود از آن‌ها استفاده خواهد شد.

3-6-سیستم خلأ

میکروسکوپ‌های الکترونی تحت خلأ کار می‌کنند که دلایل زیادی برای آن وجود دارد. مهمترین این دلایل را می‌توان دست یافتن به پرتو متمرکزتر و عمر بیشتر دستگاه دانست. مسافت طی شده بدون برخورد توسط الکترون در فشار یک اتمسفر ۱ سانتمتر است در حالی که در فشارTorr   ۱۰-۶ این مسافت برابر ۶ متر خواهد بود. Torr واحد قدیمی‌فشار هوا است که در سیتمهای خلأ میکروسکوپ‌های الکترونی کاربرد دارد و هر Torr برابر ۱۳۳ پاسکال است. همچنین در صورت وجود هوا امکان تخلیه الکتریکی نیز وجود دارد. علاوه بر این امکان سوختن، از بین رفتن و ایجاد واکنش روی نمونه و فیلمان تفنگ الکترونی نیز وجود دارد که تمام این موارد به لزوم ایجاد خلأ بالا در دستگاه اشاره دارد. برای ایجاد خلأ در این دستگاه روش‌های متنوعی وجود دارد که به صورت تکی یا ترکیبی بنا به مدل دستگاه استفاده می‌شوند.

3-7- سیستم نمایش

سیستم نمایش در واقع یک سیستم جانبی در کنار SEM است که برای نمایش دادن تصاویر حاصل از آن به کار گرفته می‌شود. در واقع این سیستم همان مونیتور است که خروجی بدست آمده از هر نقطه از نمونه را با شدت روشنایی معادل‌سازی و به کاربر نشان می‌دهد. به ‌این ترتیب می‌توان تصویری با رنگ خاکستری ایجاد نمود که نشانگر خواص ماده خواهد بود. بر حسب میزان بزرگنمایی و سطح مورد بررسی بر روی نمونه و دقت قدرت تفکیک میکروسکوپ از یک سو و اندازه و قدرت تفکیک صفحه نمایش از سوی دیگر رابطه‌ای بین نقاط جسم و صفحه نمایش برقرار خواهد شد. در گذشته این کار به صورت آنالوگ و بر روی صفحات CRT انجام می‌شد که امروزه با پیشرفت تکنولوژی دیجیتال و رایانه‌ها و صفحات کریستال مایع پیشرفت زیادی در کنترل و رابط‌ های کاربری صورت گرفته ‌است.

یکی از محدودیتهای میکروسکوپ الکترونی عبوری علاوه بر ضخامت بسیار کم نمونه، این است که الکترونها به جای عبور، بازتاب و یا جذب می‌شوند که باعث کاهش کیفیت تصاویر میشود. این محدودیت موجب ایجاد انگیزه برای توسعه میکروسکوپ‌های الکترونی که قابلیت بررسی نمونه‌های ضخیمتر را داشته باشند، شد. به بیان دیگر نیاز به دستگاهی با پرتو الکترونی که همانند میکروسکوپ نوری با قدرت تفکیک فضایی بالاتر کار کند، وجود دارد.

3-8-آشکارسازهای الکترون (Detectors)

در میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) آشکارساز الکترون ثانویه برای شناسایی الکترون های ثانویه ساطع شده از نمونه استفاده می شوند. یک ماده فلوئورسنت روی نوک آشکارساز پوشش داده می شود و یک ولتاژ بالا در حدود ۱۰Kv به آن اعمال می شود. الکترون های ثانویه از نمونه به این ولتاژ بالا جذب شده و هنگامی که به جرقه زن برخورد می کنند ایجاد نور می کنند. این نور به یک تیوب تقویت کننده نور هدایت می شود. سپس نور به الکترون ها تبدیل می شود و این الکترون ها به عنوان یک سیگنال الکتریکی تقویت می شوند. یک الکترود مکمل که جمع کننده نامیده می شود قبل از جرقه زن قرار می گیرد. به طور کلی به منظور کمک به الکترون های ثانویه به دست آمده از جرقه زن، چند صد ولت به این جمع آورنده اعمال می شود. با تغییر این ولتاژ، شما می توانید تعداد الکترون های ثانویه که باید جمع آوری شود را کنترل کنید.

این نوع آشکارسازها در اصل توسط Everhart و Thornley توسعه یافته اند، بنابراین این آشکارساز E-T نامیده می شود. تعداد زیادی از میکروسکوپ های الکترونی روبشی این آشکارساز را در محفظه نمونه قرار داده اند، با این وجود، زمانی که یک میکروسکوپ الکترونی روبشی با یک عدسی شیئی تهیجی قوی برای وضوح بالاتر تجهیز می شود، یک آشکارساز الکترونی ثانویه بالای عدسی شیئی قرار می گیرد و الکترون های ثانویه با استفاده از میدان های مغناطیسی عدسی شناسایی می شوند. این آشکارساز اغلب آشکارساز TTL (Through The Lens) نامیده می شوند.

رایج ترین آشکارسازهای الکترون های برگشتی آشکارسازهای نیمه هادی یا حالت جامد هستند که معمولا شامل پیوندهای p-n هستند. اساس کار بر مبنای تولید جفت های الکترون – حفره توسط الکترون های برگشتی است که از نمونه خارج شده و توسط آشکارساز جذب می شوند. مقدار این جفت ها به انرژی الکترون های برگشتی بستگی دارد. پیوند p-n به دو الکترود متصل است که یکی از آن ها الکترون ها و دیگری حفره ها را جذب می کند و در نتیجه یک جریان الکتریکی تولید می کند که به مقدار الکترون های برگشتی جذب شده بستگی دارد.

برای به حداکثر رساندن جمع آوری الکترون های برگشتی، آشکارسازهای الکترون های برگشتی در بالای نمونه و به شکل حلقه به طور متقارن نسبت به پرتو الکترونی قرار می گیرند و شامل بخش های مجزای متقارن هستند. هنگامی که تمام قسمت ها فعال هستند، کنتراست تصویر، عدد اتمی Z عنصر را نشان می دهد. از سوی دیگر، با فعال کردن بخشی خاص از آشکارساز، اطلاعات توپوگرافی از تصویر را می توان بازیابی کرد.

4- نحوه تشکیل تصویر و عناصر اپتیکی  در SEM:

در میکروسکوپ الکترونی روبشی یک پرتو الکترونی به نمونه می تابد. منبع الكتروني (تفنگ الكتروني) معمولاً از نوع انتشار ترمويونيكي فيلامان يا رشته تنگستني است اما استفاده از منابع انتشار ميدان(FEG)  براي قدرت تفكيك بالاتر، افزايش يافته است معمولاً الكترون‌ها بين 30- 1keV شتاب داده مي‌شوند. سپس دو يا سه عدسي متمركزكننده پرتو الكتروني را كوچك مي‌كنند، تا حدي كه در موقع برخورد با نمونه قطر آن حدوداً بين 10 – 2 nm است. در دستگاه های قدیمی تر یک پرتو الکترونی ظریف به کمک کویل های اسکن روی سطح نمونه جاروب می شود. و یک آشکارساز  (دتکتور) تعداد الکترون های ثانویه کم انرژی یا تشعشعات دیگری که از هر نقطه از سطح منتشر می شود را می شمارد. همزمان یک لامپ پرتو کاتدی(CRT)  سطح صفحه نمایش را اسکن می کند. سرعت روبش سطح نمونه توسط پیچه های الکترونی روبشی برابر با سرعت روبش  صفحه نمایش لامپ کاتدی است. میدان روشنایی هر نقطه توسط جریان تقویت شده آشکارساز تعیی می شود. پرتو الکترونی و CRT  هر دو مشابه یک تلویزیون یعنی به صورت خطوط موازی که raster نامیده می شوند در یک فریم سطح را اسکن می کنند. در میکروسکوپ های جدید این کار با کنترل دیجیتالی جای پرتو بر روی نمونه و نمایش تصویر بر روی مانیتور کامپیوتر انجام می گیرد.

هدف عدسی ها در SEM تولید پرتو ظریفی از الکترون های اولیه روی نمونه است. می توان با در نظر گرفتن عدسی های عدسی های مغناطیسی (یا الکترومغناطیسی) به عنوان عدسی های اپتیکی محدب نازک و استفاده از تئوری اپتیک هندسی کارکردهای اصلی میکروسکوپ را فهمید. برخ لاف عدسی های نوری میتوان قدرت عدسی های SEM را تغییر داد  تا قطر باریکه مناسب بدست آید.

5- پوشش های مورد استفاده برای ساخت نمونه هایSEM یا پوشش های طلا و کربن :

بايد بين نمونه و پايه اتصال الكتريكي برقرار شود بنابراین معمولا هنگام آماده سازی نمونه های نارسانا برای برقراری اتصال الکتریکی از لايه نازكي از كربن، طلا يا آلياژ طلا  به عنوان پوشش هادی استفاده می ‌شود. پوشش انتخابی نباید اثرهای تداخلی در سیگنال های حاصل از نمونه داشته باشند. پوشش طلا به علت ضریب گسیل بالای الکترون های SE و نیز رسانش الکتریکی برای بررسی تصاویر مواد غیر هادی مناسب تر است. به طور کلی برای بررسی نمونه های SEM به دو منظور از پوشش های رسانا استفاده می شود. یکی برای جلوگیری از باردار شدن الکتریکی سطحی نمونه و دیگری افزایش گسیل الکترون های ثانویه ای با  ضریب η کوچک توسط فلزی با بهره بالای الکترون های ثانویه. افزون بر این دو مورد هنگامی که از پوشش رسانای مناسب استفاده می شود اتلاف انرژی حرارتی به علت رسانایی گرمایی پوشش، کمتر شده و از آسیبی که باریکه الکترونی به صورت موضعی پدید می آورد می کاهد. دو روش متداول برای پوشش نمونه ای نارسانا و نیم رسانا عبارت اند از روش تبخیر در محیط خلا و روش کندوپاش.

باید توجه داشت که انتخاب نوع مواد در پوشان ها به نوع نمونه و بزرگنمایی مورد نظر وابسته است. ضخامت لایه پوشش نیز عامل مهمی در بررسی های میکروسکوپی است. اگر این ضخامت زیاد باشد دانه های ماده پوشان در تصاویر میکروسکوپی دیده می شوند.

برای مشاهده سطح و آنالیز عنصری توسط اشعه X از تبخیرکربن در محیط خلا استفاده می شود. علت استفاده از کربن کاهش اثرهای تداخلی عنصرهای مورد بررسی در نمونه مجهول می باشد. همچنین هنگامی که به علت ناهمواری سطح نمی توان از طلا به عنوان لایه پوشان استفاده کرد در ابتدا نمونه ای را با لایه ای از کربن پوشش داده و به دنبال آن لایه نشانی طلا صورت می گیرد.

6-ساختار و اصول کاری میکروسکوپ الکترونی روبشی:

در میکروسکوپ الکترونی روبشی نیز پرتو الکترون‌ها باعث تشکیل تصویر می‌شوند، بنابراین تفنگ الکترونی از اجزای اصلی این میکروسکوپ می‌باشد. پرتو الکترونی مورد نیاز برای این میکروسکوپ بین ۱ تا ۳۰ کیلو الکترون ولت در خلاء شتاب داده می‌شود و به کل نقاط سطح برخورد می‌کند، مانند آنچه در صفحه تلویزیون روی می‌دهد. در اینجا نیز مانند میکروسکوپ‌های الکترونی عبوری، عدسی‌های مختلفی مانند عدسی‌های متمرکزکننده، عدسی‌های شیئی و چشمی وجود دارد. عدسی‌های متمرکزکننده باعث می‌شوند قطر پرتو تا حدود ۲ تا ۱۰ نانومتر کاهش پیدا کند. سیستم خلاء نیز در اینجا مشابه میکروسکوپ الکترونی عبوری است. اما روش تشکیل تصویر و نحوه بزرگنمایی کاملاً متفاوت است.

جهت مشاهده تصاویر گرفته شده از میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی FE-SEM اینجا کلیک کنید.

یکی از دستگاه های قابل عرضه در شرکت آریافن ورزان دستگاه SEM یا FESEMساخت کمپانی چینی KYKYمی باشد.

نانو تکنولوژیمقالات

SEMمیکروسکوپ

امکان ارسال دیدگاه وجود ندارد!

fa_IRفارسی
en_USEnglish fa_IRفارسی