Растровый электронный микроскоп

редактировать
Тип электронной микроскопа

Изображение пыльцевых зерен, сделанное на SEM, показывает изображение глубина резкости на микрофотографиях SEM M. фон Арденна первый SEM Файл: Scanning Electron Mi crosscope.ogv Play media Принцип работы сканирующего электронного микроскопа (SEM) SEM с большой камерой для образцов Аналоговый тип SEM

A растровый электронный микроскоп (SEM ) представляет собой тип электронный микроскопа, который создает изображение образца путем поверхности сфокусированным лучом электронов. Электроны взаимодействуют с атомами в образце, создавая различные сигналы, которые содержат информацию о поверхности топографии и составе образца. Электронный луч сканируется в виде шаблона растрового сканирования, и положение луча комбинируется с интенсивностью обнаруженного сигнала для создания изображения. В наиболее распространенном режиме SEM вторичные электроны, испускаемые атомами, возбужденными электронным пучком, создаются с помощью детектора вторичных электронов (детектор Эверхарта-Торнли ). Число вторичных электронов, которые могут быть обнаружены, и, следовательно, интенсивность показателя зависит, среди прочего, от топографии образца. Некоторые SEM могут достичь разрешения лучше 1 нанометра.

Образцы наблюдаются в высоком вакууме в SEM, в низком вакууме или в условиях при переменном давлении или в окружающей среде SEM, а также в широком диапазоне криогенных или повышенных температур с помощью инструментов.

Содержание

  • 1 История
  • 2 Принципы и возможности
  • 3 Подготовка образцов
    • 3.1 Биологические образцы
    • 3.2 Материалы
  • 4 Процесс сканирования и формирования изображения
    • 4.1 Увеличение
  • 5 Обнаружение вторичных электроны
  • 6 Детектирование обратно рассеянных электронов
  • 7 Инжекционный анализ полупроводников
  • 8 Катодолюминесценция
  • 9 Рентгеновский микроанализ
  • 10 Разрешение SEM
  • 11 Экологический SEM
  • 12 Передача SEM
  • 13 Цвет в SEM
    • 13.1 Ложный цвет с использованием одного детектора
    • 13.2 Цвета изображения SEM
    • 13.3 Цвет, созданный с использованием нескольких электронных детекторов
    • 13.4 Аналитические сигналы на основе сгенерированных фотонов
  • 14 3D в SEM
    • 14.1 Реконструкция 3D SEM из стереопары
    • 14.2 Фотометрическая реконструкция 3D SEM ион из четырехквадрантного детектора с помощью «формы из затенения»
    • 14.3 Фотометрический 3D-рендеринг из одного изображения SEM
    • 14.4 Другие виды реконструкции кции 3D SEM
    • 14.5 Применение 3D SEM
  • 15 Галерея SEM изображений
  • 16 См. также
  • 17 Ссылки
  • 18 Внешние ссылки

История

Отчет о ранней истории сканирующей электронной микроскопии представлен Макмалланом. Макс Кнолл сделал фотографию с шириной поля объекта 50 мм, показывающую контраст каналирования, с помощью сканера электронного луча, именно Хотя Манфред фон Арденне изобрел микроскоп в 1937 году. с высоким разрешением путем сканирования очень маленького растра уменьшенным и точно сфокусированным электронным лучом. Арденн применил сканирование электронного луча в попытке превзойти разрешающую способность просвечивающего электронного микроскопа (ТЕМ), а также смягчения существенных проблем с хроматической аберрацией, присущей визуальной визуализации в ТЕА. Он также установил режимы обнаружения, возможности и теорию SEM, а также создание первого SEM с высоким разрешением. О дальнейшей работе сообщили группа Зворыкина, а затем группа Кембриджа в 1950-х и начале 1960-х годов во главе с Чарльзом Оутли, и все это в конечном итоге привело к маркетингу первого коммерческого инструмента компанией Cambridge Scientific Instrument Company как «Стереоскан» в 1965 году, который был доставлен в DuPont.

Принципы и возможности

Объемное взаимодействие электронов с веществом и типруемых сигналов

Сигналы используется SEM для получения изображения в электронного луча с атомами на различной глубине в образце. Генерируются различные типы сигналов, включая вторичные электроны (SE), отраженные или обратно рассеянные электроны (BSE), характерные рентгеновские лучи и свет (катодолюминесценция ) (CL), поглощенный ток (ток образца) и прошедшие электроны. Вторичные детекторы электронов являются стандартным оборудованием всех SEM, но редко бывает, чтобы одна машина детекторы для всех других сигналов.

Вторичные электроны имеют очень низкие энергии, порядок 50 эВ, что ограничивает их время свободного пробега в твердом веществе. Следовательно, ПЭ могут выходить только из верхних нескольких нанометров поверхности образца. Сигнал от вторичного электронов имеет тенденцию быть сильно локализованным в точке воздействия первичного изображения электронного пучка, что позволяет получать поверхность образца с разрешением 1 нм. Обратно рассеянные электроны (BSE) - это электроны пучка, которые отражаются от образца посредством упругого рассеяния. Они показали более широкую местность внутри образца, разрешение изображений BSE меньше, чем разрешение изображений SE. Тем не менее, BSE часто используются в аналитических SEM вместе со спектрами, полученными на основе характеристик рентгеновских лучей, потому что интенсивность сигнала BSE сильно зависит от атомного номера (Z) образца. Изображения BSE могут предоставить информацию о распределении, но не об идентичности различных элементов в образце. В образцах, состоящих из преимущественно элементов, таких как биологические образцы, визуализация BSE может отображать легкие коллоидное золото иммуно-метки диаметром 5 или 10 нм, которые в противном случае было бы трудно или невозможно здание. во вторичных электронных изображениях. Характерное рентгеновское излучение испускается, когда электронный луч удаляет электрон внутренней оболочки из образца, в результате чего электрон с более высокой энергией заполняет оболочку и выделяет энергию. Энергию или длину волны этих характерных рентгеновских лучей можно измерить с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии или рентгеновской спектроскопии с дисперсией по длине волны и использовать их для идентификации и измерения распространенности элементов карты в образце и составьте карту. распределения.

Из-за очень узкого электронного луча получают полезную микрофотографию, полученную с помощью СЭМ, большую глубину резкости, что дает трехмерный вид, для понимания структуры поверхности образца. Примером этого приведенная выше микрофотография пыльцы. Возможен диапазон увеличения увеличений, от примерно 10 раз (примерно эквивалентно мощному ручному объективу) до более чем 500000 раз, что примерно в 250 раз предел увеличения световых микроскопов.

Подготовка образцов

Паук, покрытый золотым напылением, подготовленный для просмотра с помощью микрофотографии низкого напряжения (300 В), полученной с помощью SEM , распределения капель клея на стикере. Электропроводящее покрытие не применялось: такое покрытие могло бы изменить этот хрупкий образец.

Образцы SEM должны быть достаточно маленькими, чтобы поместиться на предметном столике, и, возможно, потребуется специальная подготовка для увеличения их электропроводности и стабилизации, чтобы они могли выдерживать условия высокого вакуума и пучок электронов высокой энергии. Образцы, как правило, жестко закрепляют на держателе образца или штыре с помощью проводящего клея. СЭМ широко используется для анализа дефектов полупроводниковых пластин, и производители используют инструменты, которые могут исследовать любую часть полупроводниковой пластины диаметром 300 мм. Многие инструменты имеют камеры, которые могут наклонять объект такого размера до 45 ° и обеспечивают непрерывное вращение на 360 °.

Непроводящие образцы накапливают заряд при сканировании электронным лучом, особенно в режиме вторичной электронной визуализации, что вызывает ошибки и артефакты изображения. Для получения обычных изображений в SEM образцы должны быть электрическими проводящими, по крайней мере, на поверхности, и электрически заземлением, чтобы предотвратить накопление электростатическим зарядом. Металлические объекты не требуют специальной подготовки для SEM, за исключением очистки и токопроводящего монтажа на заглушку образца. Непроводящие материалы обычно покрываются ультратонким покрытием из электропроводящего материала, которое наносится на образец либо с помощью распыления в низком вакууме , либо с помощью испарения в высоком вакууме. Проводящие материалы, используемые в настоящее время для покрытия образцов, включают золото, сплав золота / палладия, платину, иридий, вольфрам <59.>, хром, осмий и графит. Покрытие тяжелыми металлами может увеличить отношение сигнал / шум для образца с низким атомным номером (Z). Улучшение из-за увеличения вторичной эмиссии для высоких Z.

Альтернативой покрытию некоторых биологических образцов увеличения объема проводимости материала путем пропитки осмием с использованием вариантов метода окрашивания OTO (O- четырехокись осмия, Т- тиокарбогидразид, О-осмий).

Непроводящие образцы могут отображаться без покрытия с использованием экологического SEM (ESEM) или низковольтного режима работы SEM. В приборах ESEM образец помещается в камеру с высоким вакуумом, а электронно-оптическая колонна устройства накачивается, чтобы поддерживать низкий низкий в электронной пушке. Область высокого давления вокруг образца в ESEM нейтрализует заряд и обеспечивает усиление вторичного электронного сигнала. Низковольтный СЭМ обычно проводится в приборе с автоэмиссионными пушками (FEG), которые вызывают высокую яркость первичных электронов и малый размер пятна даже при низких ускоряющих пушках. Чтобы предотвратить зарядку непроводящих электронов, чтобы входящий ток пучка был равен сумме исходящих вторичных и обратно рассеянных токовов, это условие чаще всего выполняется при ускоряющих напряжениях 0,3–4 кВ.

Можно сделать синтетические копии, чтобы избежать использования оригинальных образцов, когда они не подходят или не доступны для исследования SEM из-за методологических препятствий или юридических вопросов. Этот метод реализуется в два этапа: (1) слепок исходной поверхности изготавливается с использованием стоматологического эластомера на основе силикона, (2) копия исходного материала получается путем заливки синтетической смолы в форму.

Заливка в смолу с дальнейшей полировкой до зеркального блеска может быть как для биологических образцов, так и для образцов материалов при визуализации в отраженных электронах или при проведении количественного рентгеновского микроанализа.

Основные методы подготовки не требуются в SEM для окружающей среды, описанном ниже, но некоторые биологические образцы могут быть выиграть от фиксации.

Биологические образцы

Для СЭМ образец должен быть полностью сухим, поскольку обычно для образцов находится в высоком вакууме. Твердые сухие материалы, такие как дерево, кость, перья, сушеные насекомые или скорлупа (включая скорлупу яиц), могут быть исследованы без дополнительной обработки, но живые клетки и ткани, а также целые мягкие организмы требуют химической фиксации сохранить и стабилизировать их структуру.

Фиксация обычно выполняется путем инкубации в растворе забуференного химического фиксатора, как глутаральдегид, иногда в сочетании с формальдегидом и другими фиксаторами и, необязательно, с последующей постфиксацией тетроксидом осмия. Затем фиксированная ткань обезвоживается. Воздушные перевозки в клетках, органических растворителях, таких как этанол или ацетон, и заменой эти растворители, в свою очередь, с переходной жидкостью, такой как жидкий оксид углерода, путем ди сушки критической точки. В конечном итоге углеродный углерод удаляется в сверхкритичном состоянии, так что во время сушки в образце отсутствует граница раздела газ-жидкость.

Сухой образец обычно крепится на корешке образца с помощью клея, такого как эпоксидная смола или электропроводящая двусторонняя клейкая лента, и перед исследованием под микроскопом покрывается напылением золотом или сплавом золото / палладий. Образцы могут быть разделены (с помощью микротома ), если информация о внутренней ультраструктуре организма представлена ​​для визуализации.

Если SEM оборудован холодным столиком для криомикроскопии, можно использовать криофиксацию и выполнять низкотемпературную сканирующую электронную микроскопию на криогенно закрепленных образцах. Криофиксированные образцы могут быть подвергнуты криогенному разрушению в вакууме в специальном аппарате для покрытия внутренней структуры, покрыты распылением и перенесены на криостадию SEM, пока они еще заморожены. Низкотемпературная сканирующая электронная микроскопия (LT-SEM) также применима для получения изображений чувствительных к температуре материалов, таких как лед и жиры.

Замораживание-разрушение, замораживание-травление или замораживание-разрушение - это подготовка Метод особенно полезен для исследования липидных мембран и включенных в них белков в режиме «лицом к лицу». Методика подготовки выявляет белки, встроенные в липидный бислой.

Материалы

Для получения изображений с использованием обратного рассеяния электронов, количественного рентгеновского анализа и рентгеновского картирования требуется часто шлифовка и полировка поверхностей до получения сверхгладкой поверхности. Образцы, которые проходят анализ WDS или EDS, часто имеют углеродное покрытие. Как правило, на металлы не наносят покрытия перед визуализацией в SEM, поскольку они используют свой собственный путь к земле.

Фрактография - это исследование изломанных поверхностей, которое можно проводить со световым микроскопом или, как правило, с помощью SEM. Поверхность излома обрезается до подходящего размера, очищается от любых остатков и устанавливается на держателе образца для просмотра в SEM.

Интегральные схемы можно разрезать с помощью сфокусированного ионного пучка (FIB) или другого инструмента для измельчения ионного пучка для просмотра в SEM. СЭМ в первом случае может быть встроен в FIB, что позволяет получить изображение результата с высоким разрешением.

Металлы, геологические образцы и интегральные схемы также могут подвергаться химической полировке для просмотра в SEM.

Для получения изображений тонких неорганических пленок с большим размером требуются специальные методы нанесения покрытий с высоким разрешением.

Процесс сканирования и формирования изображения

Схема SEM

В типичном SEM электронный луч термоэмиссионно испускается из электронной пушки, снабженной вольфрамовой нить катод. Вольфрам обычно используется в термоэмиссионных электронных электронных пушках, потому что он имеет самую низкую температуру плавления среди всех металлов, что позволяет электрически нагревать его для электронной эмиссии, а также из-за его низкой стоимости. Другие типы эмиттеров электронов, включая катоды из гексаборида лантана (LaB. 6), которые можно использовать в стандартном СЭМ с вольфрамовой нитью, если вакуумная система модернизируется, или автоэмиссионные пушки (FEG), которые могут быть из типа с холодным катодом с использованием монокристаллических эмиттеров вольфрама или типа Шоттки с термической обработкой, в которых используются эмиттеры из оксида циркония.

Электронный пучок, обычно имеющий энергию в диапазоне от 0,2 кэВ до 40 кэВ фокусируется одними двумя конденсорными линзами в пятно диаметром от 0,4 нм до 5 нм. Луч проходит через пары сканирующих катушек или пары дефлекторных пластин в электронном столбе, как правило, в конечной линзе, которые отклоняют луч по осям x и y, так что он сканирует в растре . мода на прямоугольный участок поверхности образца.

Механизмы испускания вторичных электронов, обратно рассеянных электронов и характерного рентгеновского излучения от элементов образца

>объем взаимодействия, который простирается от менее 100 нм до примерно 5 мкм вглубь поверхности. Размер объема взаимодействия зависит от энергии приземления электрона, атомного номера образца и плотности образца. Обмен энергией между электронным пучком и образцом приводит к отражению высокоэнергетических электронов за счет упругого рассеяния, испусканию вторичных электронов за счет неупругого рассеяния и испусканию электромагнитного излучения, каждое из которых могут быть обнаружены специализированными детекторами. Ток пучка, поглощаемый образцом, также может быть обнаружен и использован для создания изображений распределения тока в образце. Электронные усилители различных типов используются для усиления сигналов, которые отображаются в виде изменений яркости на мониторе компьютера (или, для старинных моделей, на электронно-лучевой трубке ). Каждый пиксель видеопамяти компьютера синхронизируется с положением луча на образце в микроскопе, и поэтому результирующее изображение представляет собой карту распределения интенсивности сигнала, испускаемого из сканируемой области образца. Более старые микроскопы фиксировали изображения на пленке, но большинство современных инструментов собирают цифровые изображения.

серии увеличения с помощью низкотемпературного СЭМ для кристалла снега. Кристаллы захватываются, хранятся и покрываются распылением платины при криогенных температурах для получения изображений.

Увеличение

Увеличение в SEM можно контролировать в диапазоне примерно 6 порядков примерно от 10 до 3 000 000 раз. В отличие от оптических и просвечивающих электронных микроскопов, увеличение изображения в SEM не зависит от оптической силы линзы объектива . СЭМ могут иметь конденсатор и линзы объектива, но их функция заключается в фокусировке луча в точку, а не в отображении образца. При условии, что электронная пушка может генерировать пучок достаточно малого диаметра, СЭМ, в принципе, может работать полностью без конденсатора или линз объектива, хотя он может быть не очень универсальным или обеспечивать очень высокое разрешение. В SEM, как в сканирующей зондовой микроскопии, увеличение является результатом соотношения размеров растра на образце и растра на устройстве отображения. Если предположить, что экран дисплея имеет фиксированный размер, большее увеличение происходит за счет уменьшения размера растра на образце и наоборот. Таким образом, увеличение регулируется током, подаваемым на сканирующие катушки x, y, или напряжением, подаваемым на пластины дефлектора x, y, а не силой линзы объектива.

Обнаружение вторичных электронов

В наиболее распространенном режиме визуализации собираются низкоэнергетические (<50 eV) secondary electrons that are ejected from conduction or valence bands of the specimen atoms by inelastic scattering interactions with beam electrons. Due to their low energy, these electrons originate from within a few нанометры под поверхностью образца. Электроны обнаруживаются Эверхартом-Торнли детектор, который представляет собой тип системы коллектор - сцинтиллятор - фотоумножитель. Вторичные электроны сначала собираются, притягивая их к электрически смещенной сетке при напряжении около +400 В, и затем ускоряются по направлению к люминофору или сцинтиллятору с положительным смещением примерно до +2000 В. Ускоренные вторичные электроны теперь достаточно энергичны, чтобы заставить сцинтиллятор испускать вспышки света (катодолюминесценция), которые передаются на фотоумножитель за пределами колонки SEM через свет труба и окно в стенке камеры для образца. Усиленныйэлектрический сигнал , выводимый фотоумножителем, отображается как двумерное распределение показателей, которое можно просматривать и фотографировать на аналоговом видео отображать или подвергать в аналого-цифровое преобразование и отображается и остается как цифровое изображение . Этот процесс основан на первичном луче с растровым сканированием. Яркость сигнала зависит от количества вторичных электронов, попадающих на детектор . Если луч входит в образец перпендикулярно поверхности, то активированная область однородна относительно оси луча, и определенное количество электронов «улетает» изнутри образца. По мере увеличения угла падения объем увеличивается, а расстояние «выхода» одной стороны луча уменьшается, в результате чего из образца выходит больше вторичных электронов. Таким образом, крутые поверхности и края имеют ярче, чем плоские поверхности, что приводит к изображениям четко определенным трехмерным внешним видом. При использовании сигнала вторичных электронов возможно разрешение изображения менее 0,5 нм.

Обнаружение обратно рассеянных электронов

Сравнение методов SEM:. Вверху: анализ обратно рассеянных электронов - состав. Внизу: анализ вторичных электронов - топография

Обратно рассеянные электроны (BSE) состоят из электронов Возникающие в электронном пучке, которые отражаются или рассеиваются обратно из объема образца за счет упругого рассеяния энергии, взаимодействуют с атомами образца. Легкие элементы (с высоким атомным номером) рассеивают электроны сильнее, чем легкие элементы (с низким атомным номером), и поэтому кажутся более яркими на изображении, BSE используются для обнаружения контраста между областями с различными химическими составами. Детектор Эверхарта-Торнли, который обычно используется с одной стороны образца, неэффективен для обнаружения рассеянных электронов, потому что малоэффективный компьютер используется в телесном угле, ограниченном детекторе, и потому, что детекторная сетка с положительным смещением имеет небольшую способность для привлечения более высокой энергии BSE. Выделенные детекторы обратно рассеянных электронов, расположенные над образом в виде «бублика», концентричного с электронным пучком, что увеличивает телесный угол сбора. Детекторы BSE обычно бывают сцинтилляционными или полупроводниковыми. Когда все части детектора используются для симметричного сбора электронов относительно луча, создается контраст по атомному номеру. Использование сильного топографического преобразователя за счет сбора рассеянных электронов с помощью асимметричного потока обратного детектора BSE; Результирующий контраст проявляется как освещение топографии с этой стороны. Полупроводниковые детекторы могут быть выполнены в виде радиальных сегментов, которые можно включить для управления типом осуществляемого контраста и его направленностью.

Обратно рассеянные электроны также можно использовать для формирования изображения дифракции обратного рассеяния электронов (EBSD ), которое можно использовать для определения кристаллографической структуры образца.

Анализ полупроводников с инжекцией пучка

Природа зонда SEM - энергичные электроны - делает его уникальным подходом для исследования оптических и электронных свойств полупроводниковых материалов. Электроны высокой энергии из луча SEM будут инжектировать носители заряда в полупроводник. Таким образом, электроны пучка теряют энергию, продвигая электроны из валентной зоны в зоне проводимости, оставляя после себя дырки.

В материале с прямой запрещенной зоной рекомбинация этих электронно-дырочных пар к катодолюминесценции; если образец содержит внутреннее электрическое поле, такое как присутствует в p-n-переходе, инжекция носителей с помощью SEM-луча вызовет протекание тока, индуцированного электронным лучом (EBIC). Катодолюминесценция и EBIC называются методами «инжекции пучка» и представляют собой очень мощные средства исследования оптоэлектронного поведения полупроводников, в частности, для изучения наноразмерных характеристик и дефектов.

Катодолюминесценция

Наложение цветной катодолюминесценции на СЭМ-изображение поликристалла InGaN. Синий и зеленый каналы обозначают собой настоящие цвета, красный канал соответствует УФ-излучению.

Катодолюминесценция возвращение излучения света, когда атомы, возбужденные высокоэнергетическими электронами, возвращаются в свое основное состояние, аналогично УФ-излучению. -индуцированная флуоресценция, и некоторые материалы, такие как сульфид цинка и некоторые флуоресцентные красители, демонстрируют оба явления. В течение последних десятилетий катодолюминесценция чаще всего воспринимается как световое излучение с внутренней поверхности электронно-лучевой трубки в телевизорах и компьютерных ЭЛТ-мониторах. В SEM детекторах CL либо собирают весь световой образ, излучаемым образцом, и отображают спектр излучения или изображение распределения католюминесценции, излучаемого образцом, в реальном цвете.

Микроанализ рентгеновских лучей

Характерные рентгеновские лучи, которые создают электроны при взаимодействии ов с образцом, также могут быть обнаружены в SEM, оборудованном для энергии -дисперсионная рентгеновская спектроскопия или длинноволновая дисперсионная рентгеновская спектроскопия. Анализ рентгеновских сигналов можно использовать для картирования распределения и оценки элементов в образце.

Разрешение SEM

Файл: SEM Zoom.ogv Среда воспроизведения Видео, иллюстрирующее типичный практический диапазон увеличения сканирующего электронного микроскопа, разработанного для биологических образцов. Видео начинается с 25 ×, около 6 мм по всему полю зрения, и увеличивается до 12000 ×, около 12 мкм по всему полю зрения. Сферические объекты представляют собой стеклянные шарики диаметром 10 мкм, аналогичные по диаметру эритроциту.

СЭМ не является камерой , и детектор не формирует изображения непрерывно, как ПЗС массив или пленка. В отличие от оптической системы, разрешение не ограничивается дифракционным пределом , тонкостью линз или зеркал или разрешением матрицы детекторов. Фокусирующая оптика может быть большой и грубой, а детектор SE размером с кулак просто обнаруживает ток. Вместо этого пространственное разрешение SEM зависит от размера электронного пятна, в свою очередь, зависит как от длины волны электронов, так и от электронно-оптической системы, которая производит сканирующий луч. Разрешение также ограничено размером свободного объема материала образца, который взаимодействует с электронным пучком. Размер пятна и объем впечатления велики по сравнению с расстояниями между атомами, поэтому разрешение SEM недостаточно высокое для изображения отдельных атомов, как это возможно с помощью просвечивающего электронного микроскопа (TEM). Тем не менее, SEM имеет компенсирующие преимущества, в том числе способность отображать сравнительно большую площадь образца; возможность изображения объемных материалов (не только тонких пленок или фольги); а также множество аналитических средств, доступных для измерения состава и свойств образца. В зависимости от прибора разрешение может находиться в диапазоне от 1 нм до 20 нм. По состоянию на 2009 г., обычный СЭМ с самым высоким в мире разрешением (≤30 кВ) может достигнуть точечного разрешения 0,4 нм с использованием детектора вторичных электронов.

СЭМ для окружающей среды

Обычный СЭМ требует визуализации образцов в вакууме, потому что газовая атмосфера распространяется и ослабляет электронные пучки. Как следствие, образцы, которые производят значительное количество пара, например влажные биологические образцы или нефтеносные породы должны быть высушены или заморожены криогенным способом. Процессы, включающие фазовые переходы, такие как сушка клеев или плавление сплавов, перенос жидкости, химические реакции и системы твердое тело-воздух-газ в собственном ощущении с с помощью обычного сканирующего электронного электронногоа в высоком вакууме. В SEM окружающей среды (ESEM) из камеры откачивается воздух, но водяной пар сохраняется около давления насыщения, а остаточное давление остается относительно высоким. Это позволяет анализировать образцы, содержащую воду или другие летучие вещества. С помощью ESEM стало возможным наблюдение за живыми насекомыми.

Первая коммерческая разработка ESEM в конце 1980-х годов позволила наблюдать образцы в газовых средах с низким давлением (например, 1–50 Торр или 0,1–6,7 кПа) и высокой относительной влаж (до 100%). Это стало возможным благодаря разработке детектора вторичных электронов, способному работать в присутствии водяного пара, и использованию апертур ограничения с дифференциальной откачкой на пути электронного пучка для разделения вакуумной области (вокруг пушки и линзы) из камеры для образцов. Первые коммерческие ESEM были произведены ElectroScan Corporation в США в 1988 году. ElectroScan был приобретен Philips (который позже продал свое электронно-оптическое подразделение компании FEI) в 1996 году.

ESEM особенно полезен для тех, кто не работает. металлические и биологические материалы, потому что в покрытии углеродом или золотом нет необходимости. Непокрытые пластмассы и эластомеры можно регулярно исследовать, как и непокрытые биологические образцы. Это полезно, потому что покрытие может быть трудно отменить, может скрыть мелкие детали на поверхности образца и снизить качество результатов. Рентгеновский анализ с покрытием из тяжелого металла затруднен, поэтому электрические покрытия обычно используются в обычных SEM, но ESEM позволяет выполнять рентгеновский микроанализ на непокрытых материалов непроводящих образующихцах; однако некоторые специфические для ESEM артефакты вводятся в рентгеновский анализ. ESEM может быть предпочтительным для электронной микроскопии уникальных образцов уголовных или гражданских исков, где судебно-медицинский анализ может потребоваться повторение различными экспертами. Можно исследовать образцы в жидкости с помощью ESEM или других методов жидкофазной электронной микроскопии.

Передача SEM

SEM также может сообщить в режиме пропускания просто встраивая соответствующий детектор под тонкий участок образца. Доступны детекторы для светлого поля, темного поля, а также сегментированные детекторы для среднего поля кольцевого темного поля с большим углом. Несмотря на различие в оборудовании, этот метод до сих пор часто называют сканирующей просвечивающей электронной микроскопией (STEM).

Цвет в SEM

Электронные микроскопы, естественно, не дают цветных изображений, поскольку SEM производит одно значение на пиксель; это значение соответствует количеству электронов, полученному детектором в течение небольшого периода времени, когда луч направлен в положение (x, y) пикселя.

Это единичное число обычно представлено для каждого пикселя уровня серого, образуя «черно-белое» изображение. Однако для получения цветных изображений электронной микроскопии использовалось несколько способов.

Ложный цвет с помощью одного детектора

  • На композиционных изображениях плоских поверхностей (обычно BSE):

Самый простой способ получить цвет - это связать с этим единственным произвольным цветом с помощью справочной таблицы цветов (т.е. каждый уровень серого заменяется выбранным цветом). Этот метод как известен ложный цвет. На изображении BSE может использоваться ложный цвет, чтобы лучше различать различные фазы образца.

  • На изображениях с текстурированной поверхностью:

В качестве альтернативы простой замене каждого уровня серого цветом, образец, наблюдаемый наклонный луч позволяет исследователям создать приблизительное изображение топографии (см. далее раздел «Фотометрическая 3D визуализация из одного изображения, полученного с помощью SEM»). Такая топография затем может быть обработана алгоритмами 3D-рендеринга для более естественной визуализации текстуры поверхности

Раскраска изображения SEM

Очень часто опубликованные изображения SEM имеют искусственную окраску. Это может быть сделано для эстетического эффекта, для уточнения структуры или для добавления реалистичного внешнего вида к образцу и, как правило, не добавляет информации об образце.

Раскрашивание может выполняться вручную с помощью программного обеспечения для редактирования фотографий или частично автоматически с помощью специального программного обеспечения с использованием функции обнаружения или объектно-ориентированной сегментации.

Цвет, созданный с использованием нескольких детекторов электронов

В некоторых конфигурациях больше информации собирается на пиксель, часто с использованием нескольких детекторов.

В качестве общего примера вторичные электроны и обратное рассеяние электронные детекторы накладываются друг на друга, и каждому из изображений, захваченных каждым детектором, назначается цвет, с конечным результатом комбинированного цветного изображения, где цвета связаны с плотностью компонентов. Этот метод известен как СЭМ, зависящий от плотности (DDC-SEM). Микрофотографии, полученные с помощью DDC-SEM, сохраняют топографическую информацию, которая лучше фиксируется детектором вторичных электронов, и объединяют ее с информацией о плотности, полученной детектором обратно рассеянных электронов.

Аналитические сигналы, основанные на генерируемых фотонах

Измерение энергии фотонов, испускаемых образцом, распространенным методом для получения аналитических возможностей. Примерами являются детекторы энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS), используемые в элементном анализе, и системы катодолюминесцентного микроскопа (CL), которые анализируют интенсивность и спектр электронно-индуцированных люминесценция в (например) геологических образцах. В системах, использующих эти детекторы, используются эти детекторы, обычно дополнительные сигналы кодируются цветом и накладываются на одно цветное изображение, чтобы можно было четко увидеть и сравнить распределение различных компонентов образца. По желанию стандартное вторичное электронное изображение может быть объединено с одним или несколькими системами обработки, чтобы можно было сравнить и состав образца. Такие изображения могут быть созданы с сохранением полной целостности исходных данных сигнала, которые никоим образом не изменяются.

3D в SEM

SEM, естественно, не использовать 3D-изображения в отличие от SPM. Однако 3D-данные могут быть получены с использованием различных методов SEM, как показано ниже.

3D-реконструкция SEM из стереопары.

  • Фотограмметрия наиболее метрологически точным методом, позволяющим придать третье измерение изображения SEM. В отличие от фотометрических методов (следующий абзац), фотограмметрия вычисляет абсолютные высоты с использованием методов триангуляции. Недостатком является то, что он работает только при наличии минимальной текстуры и требует, чтобы два изображения были получены из двух разных углов, что подразумевает использование наклонной площадки. (Фотограмметрия - это программная операция, которая вычисляет сдвиг (или «несоответствие») для каждого пикселя между левым и правым изображениями одной и той же пары.

Фотометрическая 3D-реконструкция SEM из четырехквадрантного детектора с помощью «формы из затенения»

В этом методе обычно используется четырехквадрантный детектор BSE (альтернативно для одного производителя, трехсегментный детектор). Микроскоп дает четыре изображения одного и того же образца одновременно, поэтому наклон не требуется. Метод дает метрологические трехмерные размеры, если наклон образца остается приемлемым. Большинство SEM в настоящее время (2018 г.) имеют такой встроенный или дополнительный четырехквадрантный детектор BSE вместе с проприетарным программным средством для расчета трехмерного изображения в реальном времени.

В других подходах используются более сложные (а иногда и GPU- интенсивный), такие как алгоритм оптимальной оценки, и оказываются лучше результаты за высоких требований к вычислительной мощности.

Во всех случаях этот подход работает путем интегрирования уклона, поэтому вертикальные уклоны и игнорируются; например, если вся сфера лежит на плоскости, видно, что немного больше, чем верхняя полусфера, выходит над плоскостью, что приводит к неправильной высоте вершины сферы. Выраженность этого эффекта зависит от угла, под которыми детекторы BSE по отношению к нему образцу, но эти детекторы обычно появляются вокруг электронного пучка (и близко к нему), поэтому этот эффект очень распространен.

Фотометрический 3D-рендеринг из одного SEM

Для этого метода требуется изображение SEM при наклонном освещении под малым углом. Затем уровень серого интерпретируется как наклон, наклон интегрируется для восстановления топографии образца. Этот метод интересен для улучшения визуального восприятия определения и формы и положения объектов; однако вертикальные высоты обычно нельзя откалибровать, в отличие от других методов, таких как фотограмметрия.

Другие типы реконструкции 3D SEM

  • Обратная реконструкция с использованием интерактивных моделей электрон-материал
  • Вертикальные стопки микрофотографий SEM плюс программное обеспечение для обработки изображений
  • Реконструкция с использованием одного 2D-файла. Высококачественное 3D-изображение может быть оптимальным для решения проблем любого пористого носителя, но их получение является дорогостоящим и трудоемким. С другой стороны, высококачественные изображения 2D СЭМ широко представлены. Недавно представлен новый трехэтапный метод масштабной реконструкции с разным разрешением, который напрямую использует 2D-изображения для разработки 3D-моделей. Этот метод, основанный на энтропии Шеннона и условные модели, распространяемые, распространенные различные модели, просто используя несколько тонких сечений.
  • СЭМ ионного абразива (IA-SEM) - это метод наноразмерного трехмерного изображения, в котором сфокусированный луч из галлия для многократной шлифовки поверхности образца по 20 нанометров за раз. Затем каждая открытая поверхность сканируется для составления трехмерного изображения.

Применение 3D SEM

Одно из применений - измерение шероховатости кристаллов льда. Этот метод позволяет преобразовать ее в компьютерную модель и дальнейшего статистического анализа модели. Другие измерения металлов включают фрактальную размерность, исследование поверхности излома, характеристик материалов, измерения размеров в наномасштабе (высота ступеньки, объем, угол плоскостность, передаточное отношение, компланарность и т. Д.).

Галерея изображений SEM

Ниже представлены примеры изображений, снятых с SEM.

См.

Ссылки

Внешние ссылки

В Викиучебнике есть книга на тему: Нанотехнологии
На Викискладе есть материалы, связанные с Сканирующим электронным микроскопом.
На Викискладе есть материалы по теме Изображения на сканирующем электронном микроскопе.
Общие сведения
История
Изображения
Последняя правка сделана 2021-06-07 04:36:33
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте