Teper Podstawy mikroskopii ...

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Ewa Teper 
PODSTAWY MIKROSKOPII SKANINGOWEJ
Podstawowe zasady działania mikroskopu skaningowego.
W mikroskopach skaningowych wiązka elektronów bombarduje próbkę, skanując jej
powierzchnię linia po linii. Pod wpływem wiązki elektronów próbka emituje różne sygnały
(m. in. elektrony wtórne, elektrony wstecznie rozproszone, charakterystyczne promieniowanie
rentgenowskie), które są rejestrowane za pomocą odpowiednich detektorów, a następnie
przetwarzane na obraz próbki lub widmo promieniowania rentgenowskiego.
Mikroskop skaningowy składa się z (rys. 1):
działa elektronowego, gdzie wytwarzana jest wiązka elektronów,
kolumny, w której następuję przyspieszanie i ogniskowanie wiązki elektronów,
komory próbki, gdzie ma miejsce interakcja elektronów wiązki z próbką,
zestawu detektorów odbierających różne sygnały emitowane przez próbkę
systemu przetwarzania sygnałów na obraz.
Rys. 1. Schemat budowy elektronowego mikroskopu skaningowego (SEM).
Wiązka elektronów jest wytwarzana przez
działo elektronowe
(rys.2) na szczycie kolumny
mikroskopu. Pole elektrostatyczne w dziale elektronowym kieruje wyemitowane z
niewielkiego obszaru na powierzchni katody elektrony do małego otworu – źrenicy elektrono-
optycznej.
−
−
−
−
−
Włókno
Napięcie katody
np. 30.0 kV
np. 30.5 kV
Wehnelt
Średni
ca
Źrenica elektrono-optyczna
Anoda (0 V)
pró
Elektrony
Rys.2. Schemat budowy działa elektronowego.
Następnie elektrony są rozpędzane (przyspieszane) w kolumnie mikroskopu, w kierunku
próbki, z energią od kilkuset do kilkudziesięciu tysięcy elektronowoltów. Jest kilka rodzajów
dział elektronowych: wolframowe, LaB
6
(lanthanum hexaboride) i działa z emisją polową.
Wykonane są one z różnych materiałów i ich działanie opiera się na różnych zjawiskach
fizycznych, lecz wszystkie mają za zadanie wytworzenie wiązki elektronów o stabilnym i
wystarczającym prądzie przy możliwie małym rozmiarze.
Elektrony wydostające się z działa elektronowego tworzą wiązkę rozbieżną. Wiązka ta
zyskuje zbieżność i zostaje zogniskowana przez zestaw soczewek magnetycznych i apertur w
kolumnie. Zestaw cewek skanujących u podnóża kolumny odpowiada za przemieszczanie
wiązki w obszarze skanowania. Soczewka obiektywu ogniskuje wiązkę w możliwie małą
plamkę (spot) na powierzchni próbki.
Komora próbki jest wyposażona w ruchomy stolik umożliwiający przesuwanie próbki w
trzech prostopadłych kierunkach, jej obrót wokół osi pionowej i odchylanie od pionu.
Specjalne drzwiczki pozwalają na umieszczanie próbki w komorze. Kilka portów dostępu
umożliwia zainstalowanie różnych detektorów. Elektrony wiązki oddziaływując z próbką
powodują emisję energii pod różnymi postaciami. Każdy rodzaj emitowanej energii jest
potencjalnym sygnałem do przetworzenia na obraz.
Zasady powstawanie obrazu w SEM
Obraz oglądany w skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) nie jest obrazem
rzeczywistym. To co widzimy w SEM jest obrazem wirtualnym skonstruowanym na bazie
sygnałów emitowanych przez próbkę. Dzieje się to poprzez zeskanowanie linia po linii
prostokątnego obszaru na powierzchni próbki.
Obszar skanowania
odpowiada fragmentowi
próby oglądanemu na obrazie. W każdym momencie czasu wiązka oświetla tylko jeden punkt
Napięcie wehneltu
w obszarze skanowania. Przemieszczanie się wiązki od punktu do punktu wywołuje zmiany
w generowanym przez nią sygnale. Zmiany te odzwierciedlają zróżnicowanie próbki
w poszczególnych punktach. Sygnał wyjściowy jest więc serią danych analogowych, które
w nowoczesnych mikroskopach są przetwarzane na serię wartości liczbowych , z których
tworzony jest obraz cyfrowy.
Powiększenie
W mikroskopii skaningowej powiększeniem nazywamy stosunek wymiarów liniowych
obszaru skanowania oglądanego na ekranie do odpowiadających im wymiarów liniowych
analizowanego obszaru na próbce.
„Optyka” elektronowa
Soczewki
Soczewki magnetyczne w kolumnie SEM załamują wiązkę elektronów, tak jak szklane
soczewki załamują światło w mikroskopie optycznym. Emitowane ze źrenicy
elektronooptycznej rozbieżne stożkowe wiązki elektronów przy przechodzeniu przez pole
magnetyczne soczewki zostają zogniskowana na płaszczyźnie obrazowej soczewki tworząc na
niej obraz źrenicy elektronooptycznej.
Ponieważ celem układu soczewek w kolumnie jest wytworzenie na powierzchni próbki
możliwie małego (punktowego) obrazu źrenicy elektronooptycznej, soczewki te działają w
trybie pomniejszającym. W tym trybie płaszczyzna tworzenia obrazu zawsze leży bliżej
soczewki niż źródło.
Soczewki wykazują różne rodzaje aberracji. Najważniejsze z nich to:
−
aberracja sferyczna, która ma miejsce, gdy promienie leżące dalej od osi optycznej są
załamywane silniej niż promienie leżące blisko osi,
aberracja chromatyczna, polega na tym, że elektrony wolniejsze (o mniejszej energii) są
załamywane silniej niż elektrony szybsze (o większej energii).
Z uwagi na zjawiska aberracji wiązki elektronów pochodzące z danego punktu źrenicy
elektronooptycznej nie są skupiane w jednym punkcie na obrazie.
−
Apertury
Apertury to maleńkie otworki, scentrowane względem osi optycznej. Apertura ulokowana w
płaszczyźnie obrazu ogranicza rozmiary obrazu. Umieszczona w płaszczyźnie obiektywu
określa podstawę stożka elektronów wychodzących z każdego punktu obrazu, a tym samym
ilość elektronów przechodzących. Podobnie zjawisko zachodzące we wszystkich punktach
obrazu źrenicy elektronooptycznej ogranicza całkowity prąd w wiązce. Równie ważne jest to,
że apertura w płaszczyźnie soczewki eliminuje elektrony najbardziej oddalone od osi,
redukując niekorzystne zjawiska związane z aberracją soczewek. Dla każdej wartości prądu
wiązki istnieje optymalna wielkość apertury, pozwalająca zminimalizować szkodliwy wpływ
aberracji na wielkość spotu. Podczas przechodzenia wiązki przez kolejne soczewki w
kolumnie apertury eliminują najbardziej rozbieżne elektrony, co pozwala uzyskać mniejszą
plamkę kosztem prądu wiązki.
Prąd wiązki
Istnieje wzajemna zależność między prądem wiązki i wielkością spotu. Wzrost jednej z tych
wielkości powoduje wzrost drugiej. Większe apertury i słabsze soczewki dają wyższy prąd
wiązki i większy rozmiar spotu. Przy mniejszych apreturach i silniejszych soczewkach
uzyskamy mniejszy prąd wiązki i mniejszą wielkość spotu. Niektóre zastosowania, na
przykład analizy EDS i WDS wymagają dużego prądu wiązki. Natomiast do wykonywania
zdjęć o dużej rozdzielczości potrzebny jest możliwie najmniejszy rozmiar spotu.
Wymogi odnośnie prądu wiązki narzucają dolną granicę rozmiaru spotu. Informacje zawarta
w obrazie SEM odwzorowuje zmienność intensywności sygnału w czasie. Przy niższych
wartościach prądu wiązki przypadkowe (losowe) zmiany sygnału stają się znaczące.
Zakłócenia mogą pochodzić z ciągu detektor-wzmacniacz lub, przy bardzo małym prądzie
wiązki od statystycznych fluktuacji samego prądu wiązki. Obniżenie prądu wiązki i rozmiaru
spotu poniżej pewnego poziomu krytycznego spowoduje zakłócenia przewyższające poprawę
rozdzielczości.
Przy pracy w trybie środowiskowym ESEM prąd w plamce, na powierzchni próby (imaging
current) jest mniejszy niż prąd wychodzący z ostatniej apretury kolumny (beam current), gdyż
molekuły gazu w środowisku próbki rozpraszają elektrony z wiązki. Przy pracy w trybie
wysokopróżniowym prąd wiązki jest identyczny z prądem w plamce na powierzchni próbki.
ROZDZIELCZOŚĆ
Rozdzielczość odpowiada rozmiarom najmniejszych obiektów, które jesteśmy w stanie
zobaczyć przy pomocy mikroskopu. Określa ona granicę, poza którą mikroskop nie jest w
stanie odróżnić dwóch bardzo małych sąsiadujących obiektów od pojedynczego obiektu.
Rozdzielczość jest określana w jednostkach długości, zwykle Angstremach lub nanometrach.
Lepsza rozdzielczość nazywana jest „wyższą”, mimo że określa ją liczba jest niższa. Np.
rozdzielczość 10 jest wyższa (lepsza) niż rozdzielczość 20 Å.
Wielkość spotu
Rozmiar plamki utworzonej przez wiązkę na powierzchni próbki stanawi podstawowe
ograniczenie dla rozdzielczości. SEM nie może rozróżnić elementów mniejszych niż rozmiar
spotu. Dodatkowy wpływ na rozdzielczość ma rodzaj rejestrowanego sygnału, penetracja
wiązki (obszar oddziaływania) i skład próbki.
Obszar oddziaływania
Rejestrowane sygnały powstają nie tylko na powierzchni próbki. Elektrony wiązki penetrują
próbkę na pewną głębokość i na swej drodze mogą wielokrotnie oddziaływać z atomami
próbki. Obszar, gdzie na skutek tych oddziaływań powstają różnego rodzaju sygnały, które po
wydostaniu się na powierzchnię próbki są rejestrowane przez odpowiednie detektory
nazywamy obszarem oddziaływania (wzbudzenia) – rys. 3. Rodzaj rejestrowanego sygnału,
skład próbki i napięcie przyspieszające decydują o rozmiarze i kształcie obszaru wzbudzenia,
a co za tym idzie wpływają na rozdzielczość. W większości przypadków obszar
oddziaływania jest większy niż spot, a więc to jego wielkość stanowi faktyczne ograniczenie
rozdzielczości.
Napięcie przyspieszające
Napięcie przyspieszające określa ilość energii przenoszonej przez elektrony wiązki (elektrony
pierwotne). Wpływa ono na rozmiar i kształt obszaru oddziaływania na kilka sposobów.
Elektrony o wyższej energii głębiej penetrują próbkę (tab. 1). Ponadto, mogą one generować
sygnały o wyższej energii, które mogą się wydostać z większej głębokości w próbce. Energia
elektronów pierwotnych jest również czynnikiem określającym prawdopodobieństwo
wystąpienia jakiejkolwiek interakcji. We wszystkich tych przypadkach wzrost energii wywoła
zwiększenie obszaru oddziaływania, co spowoduje spadek rozdzielczości. Wzrost napięcia
przyspieszającego może jednak również wpływać pozytywnie na rozdzielczość, gdyż
zmniejsza on aberrację soczewek w kolumnie, czego rezultatem jest mniejszy spot. Od
warunków pracy, właściwości próbki i rodzaju rejestrowanego sygnału zależy, które wpływy
będą przeważające.
Tab. 1. Wielkości obszarów wzbudzenia (w µm) dla wybranych pierwiastków.
Z
SYMBOL PIERWIASTEK 10KV
15KV
20KV
25KV
30KV |
4 Be
Beryllium
1.5
2.9
4.9
7.2
9.9
5 C
Carbon
1.2
2.4
4.0
5.9
8.1
11 Na
Sodium
2.9
5.6
9.3
13.6
18.8
12 Mg
Magnesium
1.6
3.1
5.2
7.5
10.4
13 Al
Aluminum
1.0
2.0
3.4
4.9
6,7
14 Si
Silicon
1.2
2.2
3.7
5.5
7.5
15 P
Phosphorus
1.5
3.0
5.0
7.2
10.0
16 S
Sulfur
1.4
2.8
4.7
6.9
9.5
19 K
Potassium
3.2
6.2
10.4
15.2
20.9
20 Ca
Calcium
1.8
3.5
5.8
8.5
11.7
22 Ti
Titanium
0.6
1.2
2.0
2.9
4.0
24 Cr
Chromium
0.4
0.8
1.3
1.8
2.6
25 Mn
Manganese
0.4
0.7
1.2
1.8
2.5
26 Fe
Iron
0.4
0.7
1.2
1.7
2.3
27 Co
Colbalt
0.3
0.6
1.0
1.5
2.1
28 Ni
Nickel
0.3
0.6
1.0
1.5
2.0
29 Cu
Copper
0.3
0.6
1.0
1.5
2.0
30 Zn
Zinc
0.4
0.8
1.3
1.8
2.6
32 Ge
Germanium
0.5
1.0
1.7
2.4
3.4
38 Sr
Strontium
1.1
2.2
3.6
5.3
7.3
40 Zr
Zirconium
0.4
0.8
1.4
2.0
2.8
42 Mo
Molybdenum
0.3
0.5
0.9
1.3
1.8
46 Pd
Palladium
0.2
0.4
0.7
1.1
1.5
47 Ag
Silver
0,3
0.5
0.9
1.3
1.7
48 Cd
Cadmium
0.3
0.6
1.0
1.5
2.1
50 Sn
Tin
0.4
0.7
1.2
1.8
2.5
56 Ba
Barium
0.8
1.5
2.6
3.8
5.2
74 W
Tungsten
0.1
0.3
0.5
0.7
0.9
76 Os
Osmium
0.1
0.2
0.4
0.6
0.8
78 Pi
Platinum
0.1
0.2
0.4
0.6
0.9
79 Au
Gold
0.1
0.3
0.5
0.8
0.9
80 Hg
Mercury
0.2
0.4
0.7
1.0
1.3
82 Pb
Lead
0.2
0.5
0.8
1.2
1.6
92
U
Uranium
0.1
0.3
0.5
0.7
1.0
Skład próbki
Skład próbki wpływa zarówno na głębokość jak i kształt obszaru penetracji. W próbkach o
większej gęstości głębokość penetracji i odległość jaką mogą przebyć elektrony pierwotne
przed zaabsorbowaniem jest mniejsza. W rezultacie w takich próbkach obszar oddziaływania
jest płytszy i ma kształt bardziej spłaszczony (zbliżony do półkuli) – tab. 1, rys.3.
[ Pobierz całość w formacie PDF ]