1

Skaningowy Mikroskop Elektronowy (SEM) jako narz ędzie

do oceny morfologii powierzchni materiałów

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia są badania morfologiczne powierzchni materiałów oraz analiza

chemiczna obszarów za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) z

przystawką do mikroanalizy rentgenowskiej (EDS). Przedmiotem ćwiczenia jest

również zapoznanie się ze zjawiskami fizycznymi będącymi podstawą budowy i

zasady działania skaningowego mikroskopu elektronowego, stosowana metodyka

badań, preparatyka oraz interpretacja wyników.

Wprowadzenie

Nasze oko jest w stanie rozróżnić dwa punkty leżące od siebie nie bliżej niż 0,2 mm.

Odległość ta jest zdolnością rozdzielczą oka ludzkiego i dla mniejszych odległości

punkty "zlewają" się w jedną plamkę. Aby je rozróżnić potrzebna jest nam lupa

(soczewka) lub inny układ optyczny (mikroskop), gdzie wielkość naszego detalu

będzie równa 0,2 mm/P (P - powiększenie). W mikroskopii optycznej Istnieje jednak

ograniczenie związane z długością fali światła. Minimalna odległość między dwoma

punktami rozróżnialnymi przez falę określona jest wzorem Abby'ego:

� =0,61�

sin = 0,61�

�

λ – długość fali, n – współczynnik załamania światła, α – połowa kąta rozwarcia stożka światła przechodzącego przez obiektyw, Iloczyn n sin α nazywany jest aperturą numeryczną A. Im mniejsza długość fali, a większy współczynnik załamania światła i kąt rozwarcia

obiektywu, tym lepsza zdolność rozdzielcza. Najkrótsza dł. fali światła widzialnego to

ok. 380 nm, największe n = 1,515 dla olejku cedrowego, największy kąt rozwarcia

stożka świetlanego osiąga ok. 75°, a więc sin α ≈ 0,967 i A wynosi ok. 1,47. Wynika z

tego, że najlepsza zdolność rozdzielcza mikroskopu optycznego wynosić będzie

ok. 250 nm (w rzeczywistości jest gorsza i wynosi ok. 1µm) przy powiększeniu

ok. 1000 razy.

2

Dla większych powiększeń a co za tym idzie lepszej zdolności rozdzielczej konieczne

jest zastąpienie światła strumieniem elektronów, dla których fala ma znacznie

mniejszą długość. Wykorzystanie falowych własności elektronów, postulowanych

przez De Brogliea, stało się fundamentem do skonstruowania mikroskopu

elektronowego. Elektronom przyspieszonym w polu o potencjale U można przypisać

długość fali:

� =ℎ

�

λ - długość fali h - stała Plancka p - pęd elektronu

Dla elektronów poruszających się w polu elektrostatycznym o różnicy potencjałów U

spełniona jest relacja:

� = 1,225

√�

U [V] – napięcie

Tak wiec przy najczęściej stosowanych napięciach od 1 do 30 kV długość fali jest

ponad 100 000 razy mniejsza niż długość fali światła, co nawet dla mniejszych kątów

rozwarcia promieni stosowanych w mikroskopach elektronowych daje zdolność

rozdzielczą na poziomie nanometrów, czyli zdecydowanie lepszą niż w

mikroskopach optycznych.

Zasada działania Skaningowego Mikroskopu Elektronow ego (SEM)

Obraz widziany w skaningowym mikroskopie elektronowym nie jest obrazem

rzeczywistym lecz powstaje w wyniku szeregu oddziaływań elektronów z

powierzchnią badanego preparatu.

Mikroskop skaningowy składa się z:

• działa elektronowego (katoda, cylinder Wehnelta, anoda), będącego źródłem

wytwarzania elektronów pierwotnych ,

• kolumny, w której następuję przyspieszanie i ogniskowanie wiązki elektronów,

• komory próbki, gdzie następuje oddziaływanie elektronów wiązki z próbką,

• zestawu detektorów odbierających różne sygnały emitowane przez próbkę,

• systemu przetwarzania sygnałów na obraz.

3

Do utworzenia wiązki elektronów potrzebne jest źródło (katoda - włókno

wolframowe), gdzie wytwarzane są elektrony oraz pole, w którym następuje ich

przyspieszenie. Napięcie przyspieszające powstaje w wyniku różnicy potencjałów

miedzy katodą a anodą, która przyciąga elektrony. Wiązka elektronów zostaje

przyspieszona w kolumnie mikroskopu, w kierunku próbki, z energią od kilkuset do

kilkudziesięciu tysięcy elektronowoltów (do 30kV). Elektrony wydostające się z działa

elektronowego tworzą wiązkę rozbieżną. Wiązka ta zyskuje zbieżność i zostaje

zogniskowana przez zestaw soczewek magnetycznych i apertur w kolumnie.

Rysunek 1. Budowa skaningowego mikroskopu elektronowego.

Najbliżej próbki znajduje się soczewka nazywana obiektywem ogniskująca wiązkę w

możliwie małą plamkę (spot) na powierzchni próbki. W kolumnie mikroskopu znajduje

się również zestaw cewek elektromagnetycznych, których zadaniem jest odchylanie

wiązki w osi X i Y w taki sposób, że wiązka elektronów pierwotnych skanuje pewien

obszar próbki "punkt po punkcie" – linia po linii". Stąd wywodzi się nazwa

Skaningowa Mikroskopia Elektronowa. W każdym punkcie analizowanego obszaru

wiązka elektronów pierwotnych oddziaływaje z atomami badanego preparatu

powodując emisję energii pod różnymi postaciami (Rysunek 2):

• elektronów odbitych (SE), • elektronów wtórnych lub inaczej nazywanych wstecznie rozproszonych (BSE), • elektronów Augera, • promieniowania rentgenowskiego, • promieniowania fluorescyjnego.

4

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. Wewnątrz

komory zainstalowane są detektory zbierające sygnały emitowane z próbki, które

dalej przesyłane są na monitor. Ponieważ wiązka elektronów przemiata pewien

obszar próbki, to na monitorze powstający obraz jest punktowym odwzorowaniem

badanej powierzchni.

Rysunek 2. Rodzaje sygnałów generowane podczas bombardowania powierzchni próbki wiązką elektronów.

Elektrony wtórne (SE) ang. secondary electrons

W wyniku zderzeń niesprężystych elektronów pierwotnych z atomami próbki

następuje wybijanie elektronów wtórnych z orbitali atomowych. Elektrony wtórne

stanowią 90 % wszystkich elektronów wybijanych z próbki. Mają one niską energię

≤ 50 eV i są wybijane z przypowierzchniowej warstwy o grubości do ok. 10 - 50 nm. Z

tego powodu powstający obraz ma najlepszą zdolność rozdzielczą równą w

przybliżeniu średnicy wiązki elektronów pierwotnych padających na badaną

powierzchnię. Liczba elektronów wtórnych emitowanych z próbki silnie zależna jest

od kąta padania wiązki pierwotnej do powierzchni próbki. Tak więc kontrast obrazu

pochodzącego z elektronów wtórnych spowodowany jest gównie topografią próbki.

5

Rysunek 3. Obszary emisji poszczególnych sygnałów z objętości próbki.

Elektrony odbite – wstecznie rozproszone (BSE) ang. backscattered electrons

Są to elektrony odbite od atomów próbki wskutek zderzeń sprężystych z jądrami

atomowymi, mające energie prawie identyczną z energią elektronów pierwotnych.

Elektrony odbite emitowane są z większej głębokości próbki i znacznie większej

średnicy niż wiązka pierwotna stanowiąc ok. 3 % wszystkich elektronów

emitowanych. Obraz pochodzący od elektronów odbitych ma gorszą zdolność

rozdzielczą niż elektronów wtórnych a kontrast zależy od liczby atomowej

pierwiastków, tzn. wraz ze zwiększaniem się liczby atomowej pierwiastka, liczba

elektronów ulegających wstecznemu rozproszeniu rośnie.

(SE) (BSE) Rysunek 4. Obrazy próbki uzyskane z elektronów wtórnych (SE) - lewy i z elektronów odbitych (BSE) - prawy.

6

Charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie

Z jeszcze większej objętości i głębokości pochodzi emisja promieniowania

rentgenowskiego charakterystycznego i ciągłego. Widmo ciągłe pochodzi od

hamowania i rozpraszania elektronów w polu elektrostatycznym jąder atomowych i

nie dostarcza żadnych informacji. Źródłem wielu informacji jest natomiast

charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie wykorzystywane do analizy składu

chemicznego preparatów w mikroobszarach. Powstaje ono na skutek wybicia

elektronów z wewnętrznej powłoki atomu powodując powstanie na niej luki. Luka ta

zostaje zapełniona w wyniku przejścia elektronu w powłoki wyższej (bardziej

oddalonej od jądra), a różnica pomiędzy tymi dwoma poziomami zostaje

wypromieniowana w postaci kwanta promieniowania charakterystycznego.

W zależności, na której powłoce powstaje luka, wyróżniamy odpowiednie serie linii.

Jeżeli zostaje wybity elektron z powłoki K to obserwowane linie w widmie

charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego, odpowiadające emisji energii

towarzyszącej przejściu elektronu w celu uzupełnienia luki nazywamy liniami K:

Kα - gdy przejście elektronu następuje z powłoki L, Kβ - dla przejścia z powłoki M, Kγ- dla przejścia z powłoki N.

Jeśli wybity zostanie elektron z powłoki L to mamy do czynienia z liniami L:

Lα - gdy przejście elektronu następuje z powłoki M, Lβ - dla przejścia z powłoki N.

Jeśli wybity zostanie elektron z powłoki M to obserwujemy linie M (Rysunek 5).

Ogólne zasady dotyczące linii charakterystycznego promieniowania

rentgenowskiego: Dla danego pierwiastka niższe linie mają wyższą energię niż linie

wyższe: EK > EL > EM. W obrębie danej serii linie pierwiastków o niższej liczbie

atomowej mają niższą energię, np. linia K węgla ma niższą energię niż linia K tlenu.

Linie niższych serii (K) są wyraźne i mają prostą strukturę, natomiast linie serii

wyższych (L i M) mają strukturę złożoną i zachodzą na siebie. Promieniowanie ciągłe

stanowi tło linii charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego w

mikroanalizatorze rentgenowskim. Znajomość natężenia tego tła jest bardzo istotna

przy określaniu granicy wykrywalności badanego pierwiastka.

Energia tego kwantu jest ściśle określona dla każdego rodzaju przejścia w danym

pierwiastku i dlatego jest cechą charakterystyczną dla danego pierwiastka.

Określenie dł. fali charakterystycznego promieniowania (energii kwantu) pozwala

7

dokonać analizy jakościowej pierwiastków wchodzących w skład próbki, natomiast

pomiar natężenia tego promieniowania – ich stężenia. Istnieją dwa rodzaje detekcji

promieniowania rentgenowskiego w zależności od użytego spektrometru:

WDS – pomiar dł. fali promieniowania rentgenowskiego oraz EDS - spektrometr

mierzący energię promieniowania rentgenowskiego.

Rysunek 5 . Powstawanie charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego.

Mikroanaliza rentgenowska (EDS)

Skaningowy mikroskop elektronowy z detektorem EDS (Energy Dispersive X - Ray

Spectroscopy) pozwala na identyfikację składu pierwiastkowego badanego materiału

dla wszystkich pierwiastków o liczbie atomowej większej niż bor. Większość

pierwiastków jest wykrywana przy stężeniach rzędu 0,1%.

Metoda EDS pozwala na uzyskanie widma (zbioru linii promieniowania

charakterystycznego z tłem promieniowania ciągłego) z wybranego obszaru lub

punktu próbki (Rysunek 6). Spektrum jest wyskalowane w kiloelektronowoltach (keV)

na osi odciętych i liczbą impulsów (ang. counts) na osi rzędnych. Linie

przewyższające tło tworzą tzw. piki. Analiza jakościowa polega na identyfikacji

występujących linii spektralnych i przypisaniu ich poszczególnym pierwiastkom.

Analiza ilościowa wykorzystuje zależność liczby emitowanych impulsów

charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego pierwiastka od zawartości

pierwiastka w analizowanej objętości. Pomiar natężenia linii widmowych musi być

poprzedzony wyodrębnieniem ich z tła promieniowania ciągłego. Obliczenia

rzeczywistej zawartości pierwiastków w badanym obszarze wymaga zastosowania

8

specjalnych metod korekcyjnych ze względu na szereg zjawisk zachodzących w

materiale w konsekwencji oddziaływania wzbudzonego promieniowania

rentgenowskiego z atomami próbki (absorpcja promieniowania w materiale,

fluorescencja, liczba atomowa mająca wpływ na wydajność wzbudzenia

promieniowania). Wszystkie te zjawiska uwzględniane są w metodzie korekcyjnej

nazywanej popularnie ZAF. Nowoczesne oprogramowanie pozwala na wykonanie

tzw. analizy bezwzorcowej, gdzie program komputerowy generuje wszystkie wartości

potrzebne do obliczeń. Należy jednak pamiętać, że metoda bezwzorcowa daje

poprawne wyniki tylko dla materiałów litych niezawierających pierwiastków lekkich.

Rysunek 6 . Widmo EDS (spektogram).

Mapy rentgenowskie

Charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie jest wykorzystywane do

otrzymywania map rozkładu stężenia pierwiastków (ang. mapping). Wiązka

analityczna skanuje analizowany obszar punkt po punkcie. Spektrometr jest

ustawiany tak, aby rejestrował punkt na analizowanym obszarze, gdy wykryje impuls

rentgenowski o energii charakterystycznej dla danego pierwiastka. W ten sposób

powstaje mapa odwzorowująca rozmieszczenie tego pierwiastka w badanym

obszarze. Nowoczesne systemy EDS potrafią utworzyć kolorowe mapy w

odpowiednich odcieniach, pokazujące względną intensywność impulsu w każdym

punkcie. Wymaga to jednak zastosowania wystarczająco długiego czasu postoju

wiązki w każdym punkcie analitycznym. Podczas jednego przebiegu wiązki

analitycznej można zarejestrować mapy rozkładu dla kilkunastu pierwiastków.

9

Obraz mikroskopowy powierzchni chipu

(BSE)

Si Al Cr

O Pt Rozkłady wszystkich pierwiastków

Rysunek 7 . Mapa rozkładu pierwiastków na powierzchni chipu (mapping).

Układ pró żniowy

Wewnątrz konwencjonalnego mikroskopu (w kolumnie i w komorze) panuje wysoka

próżnia, czyli bardzo niskie ciśnienie, rzędu 10-4 – 10-5 Pa. Najczęściej układ

próżniowy składa się z układu dwóch pomp: rotacyjnej zapewniającej próżnię

wstępną (1-10 Pa ) oraz dyfuzyjnej do uzyskania końcowego ciśnienia.

Wysoka próżnia w kolumnie potrzebna jest do wygenerowania i właściwego

zogniskowania wiązki elektronów. Z kolei wysoka próżnia w komorze mikroskopu

wynika z konstrukcji detektora elektronów wtórnych. Taka konstrukcja, gdzie wysoka

próżnia panuje we wszystkich częściach wiąże się z ograniczeniami badawczymi

np. wykorzystanie mikroskopów skaningowych w naukach biologicznych do

obserwacji preparatów mało odpornych na działanie próżni ujawniło wadę takiej

konstrukcji.

Problemy z obserwacją preparatów nieodpornych na wysoką próżnię rozwiązano w

nowoczesnych mikroskopach skaningowych stosując tzw. tryb środowiskowy ze

zmienną próżnią (environmental scanning electron microscope ESEM).

W mikroskopach tego typu panuje możliwość regulowania atmosfery panującej w

komorze mikroskopu, co zdecydowanie rozszerza możliwości badawcze. Natomiast

w kolumnie mikroskopu zostaje zachowana wysoka próżnia, jak w konwencjonalnych

mikroskopach, niezbędna do wygenerowania i ukształtowania pierwotnej wiązki

10

elektronów. Dzięki takim rozwiązaniom konstrukcyjnym, za pomocą skaningowego

środowiskowego mikroskopu skaningowego możliwe jest badanie mokrych,

zaolejonych, brudnych i nieprzewodzących próbek w ich naturalnym stanie bez

modyfikacji czy specjalnego przygotowania. Przy obserwacji preparatów

nieprzewodzących można więc pominąć etap napylania materiałami przewodzącymi.

Właściwo ści fizyko-chemiczne próbek. Preparatyka obiektów do obserwacji w SEM

Zastosowanie wiązki elektronowej do badań mikroskopowych narzuca konieczność

odprowadzenia ładunku elektrycznego z powierzchni obserwowanej próbki.

W związku z tym materiał powinien być przewodzący, gdyż w przeciwnym wypadku

nieodprowadzenie padających elektronów powoduje gromadzenie ładunków

ujemnych na powierzchni. Następuje hamowanie i odpychanie wiązki pierwotnej

prowadząc do zniekształceń obrazu. Z tego powodu obserwowanie materiałów

nieprzewodzących w konwencjonalnych mikroskopach (np. ceramika, materiały

sztuczne) nastręcza pewnych problemów. Powierzchnię materiału nieprzewodzącego

należy pokryć cienką warstewką materiału przewodzącego (np. C, Au, Al.) poprzez

próżniowe naparowanie.

W komorze konwencjonalnego mikroskopu skaningowego panuje wysoka próżnia,

stąd niektóre preparaty nie nadają się bezpośrednio do badań, gdyż uległyby

zniszczeniu (np. tkanki, komórki).

W mikroskopach typu ESEM próbki nieprzewodzące lub zawierające wilgoć mogą

być obserwowane bez specjalnych przygotowań.

Wielkość próbek jest ograniczona wielkością komory preparatowej, (max. średnica

próbki 5 cm, wysokość 3 cm).

Do analizy jakościowej i ilościowej EDS wymagane są próbki lite, o odpowiednio

dużej objętości i płaskiej powierzchni (obszar generowania charakterystycznego

promieniowania rentgenowskiego ok.1 µm głębokości).

Zastosowanie skaningowej mikroskopii elektronowej

• Określanie: morfologii powierzchni, wymiarów ziaren i rozkładu wielkości ziaren,

średnicy włókien, jednorodności materiałów, wielkości porów;

• Kontrola procesów technologicznych;

• badania: przełomów, procesów spiekania, materiałów biologicznych.

11

Przebieg ćwiczenia

Do ćwiczeń wykorzystany zostanie skaningowy mikroskop elektronowy

Quanta 200 firmy FEI wyposażony w spektrometr promieniowania rentgenowskiego

EDS firmy EDAX.

1. Przygotowanie próbek do obserwacji: • próbka przewodząca • próbka nieprzewodząca • próbka nieprzewodząca ceramiczna

2. Obserwacja powierzchni próbek przy użyciu skaningowego mikroskopu

elektronowego w warunkach wysokiej i niskiej próżni.

3. Identyfikacja składu próbek.

Opracowanie dr in ż. Elżbieta Żero

Literatura:

• http://www.fei.com/ • www.cb.uu.se/~ewert/SEM.pdf • L. Klimek, "Elektronowy Mikroskop skaningowy w inżynierii Biomedycznej"

Politechnika Łódzka, 2012 • "Mikroskopia elektronowa", pod redakcją Andrzeja Barbackiego, Wydawnictwo

Politechniki Poznańskiej, 2007 • "Laboratorium analizy instrumentalnej", Praca zbiorowa pod redakcją Z. Brzózki,

Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 1998