آشنایی با تجهیزات آزمایشگاهی فناوری نانو (2)

معرفی میکروسکوپ الکترونی روبشی(SEM)

میکروسکوپ الکترونی روبشی را Scanning Electron Microscopy که به اختصار SEM  می نامند، توانایی بررسی نمونه های بالک   (Bulk specimen)راایجاد کرده است.به عبارتی دیگر،برای نمونه های نسبتا ضخیم ،دستگاه پرتوالکترونی نیاز است که معادل میکروسکوپ نوری متالوژیکی بوده اما حدتفکیک بهتری راارائه نماید.

یکی ازمحدودیت های میکروسکوپ الکترونی عبوری این است که اگر نمونه بسیار نازک نباشد،الکترون ها قویا درنمونه پراکنده شده یا حتی بجای عبور،جذب می شوند.این نقص،انگیزه ای برای ساخت میکروسکوپ های الکترونی روبشی شده که توانایی بررسی نمونه های نسبتا ضخیم رادارد.

مهمترین فوایدSEMعمق میدان بالا وتنوع زیاد سیگنال های تولیدی است که گستره پهناوری از کنتراست تصویرراتضمین می کند.درمیكروسكوپ الكترونی روبشی (SEM) ، یك پرتو الكترونی پرانرژی ومتمرکز شده سطح نمونه ی مورد نظر رااسکن می‌نمایدوطیف وسیعی از سیگنال هایی راایجاد می کند که اطلاعاتی درباره توپوگرافی ،ترکیب شیمیایی ،خواص نوری ومغناطیسی نمونه به همراه خوددارد.اجزا اصلی یک میکروسکوپ الکترونی روبشی معمولاتفنگ الكترونی، عدسی‌های متمركزكننده ، سیستم خلأوآشکارسازها می باشد.منبع الكترونی (تفنگ الكترونی) معمولاً از نوع انتشار ترمویونیكی فیلامان یا رشته تنگستنی است اما استفاده از منابع گسیل میدان برای قدرت تفكیك بالاتر، افزایش یافته است معمولاً الكترون‌ها بینKeV 1-30شتاب داده می‌شوند. سپس دو یا سه عدسی متمركزكننده پرتو الكترونی را كوچك می‌كنند، تا حدی كه در موقع برخورد با نمونه قطر آن حدوداً بین nm 2-10است.

در SEM تصویر توسط یك باریکه دقیق الکترونی که روی سطح نمونه متمرکز می‌گردد تشکیل و نمایش داده می شود. این باریکه بر روی نمونه بصورت یک سری خطوط و چهار چوب هایی که دقیقا شبیه باریکه الکترونی در تلویزیونهای معمولی است جاروب یا اسکن می‌گردد .حرکت های روبشی توسط سیم پیچ های کوچکی که جریان کنترلی را از خود عبور می‌دهند انجام می گیرد. این سیم پیچ ها، سیم پیچ های روبشی نام دارند.

در یک لحظه معین نمونه توسط الکترون ها در یک ناحیه بسیار کوچکی بمباران می‌شود. این الکترون ها فرایند های متفاوتی می‌توا نند انجام دهند. آنها ممکن است بصورت الاستیکی بدون اینکه هیچ انرژی از دست بدهند از روی نمونه باز تابیده شوند. آنها ممکن است توسط نمونه جذب شوند و باعث بوجود آمدن الکترون های ثانویه با انرژی بسیار کمی شوند و همچنین می توانند پرتوهای X نیز تولید نمایند . ممكن است این الكترون ها توسط نمونه جذب شود و باعث گسیل نور مرئی شوند. الکترون ها ممكن است باعث بوجود آمدن جریان‌های الكتریكی در  داخل نمونه گردند.  تمام این اثرات ممكن برای تولید یك تصویر بکار گرفته شود. اما معمولترین آن‌ها تشكیل تصویر توسط الكترون‌های كم انرژی ثانویه می‌باشد .   

الكترون‌های ثانویه به طور انتخابی به طرف یک توری که در پتانسیل مثبت پائین تری ( 50V) نسبت به نمونه قرار دارد جذب می‌شوند. پشت این توری یك قرص قرار دارد كه نسبت به نمونه در پتانسیلی در حدود Kv10KVمثبت  قرار گرفته است. این قرص از یك لایه پوششی بسیار نازک  آلومینیوم تشكیل شده است . الكترون‌های ثانویه از میان توری عبور كرده و با قرص  برخورد می‌كنند و باعث گسیل نور از لایه می‌گردند. این نور به داخل یك فیبر نوری هدایت می‌شود و از آنجا توسط یك لامپ فوتون‌های این نور به ولتاژ تبدیل می‌گردد. شدت این ولتاژ به تعداد الكترون‌های ثانویه كه با دیسك برخورد می‌كنند بستگی دارد . بنابر این الكترون‌های ثانویه تولید شده از یك ناحیه كوچك در روی نمونه باعث به وجود آمدن سیگنال‌های ولتاژ با شدت خاصی می‌شوند. ولتاژ خروجی از ستون میكروسكوپ توسط یك میز فرمان الكترونیكی پردازش شده و پس از تقویت تولید نقاط روشن بر روی لامپ تصویر تلویزیون می‌كند .بدین ترتیب  با روبش بایکه الکترونی بر روی یک نمونه که شبیه روبش باریكه الكترونی در لامپ پرتو كاتدی است بسادگی تصویر نمونه ساخته می شود .

توصیفی كه برای تشكیل تصویر در SEMارائه شد همین طور می‌تواند در مورد الكترون‌هائی که بطورالاستیك پراكنده شده اند، پرتوهای X  و یا فوتون‌های نور مرئی به كار گرفته شود با این تفاوت كه سیستم‌های آشكار سازی در هر كدام از این موارد با یكدیگر متفاوت است. تشكیل تصویر توسط الكترون‌های ثانویه فراگیرترین روش می‌باشد زیرا می‌توان از این  روش تقریبا  برای هر نوع نمونه استفاده كرد.

گرایش مدرن در ساخت میكروسكوپ‌های الكترونی این است كه این دستگاه با یك دستگاه آنالیز پرتو X  به‌عنوان یك دستگاه جانبی  به آن اضافه گردد. بمباران کردن  نمونه با الكترون‌ها باعث گسیل پرتوهای X با طول موج‌ها و انرژی‌های مشخصه از نقاطی كه باریكه با نمونه  برخورد می‌كند می‌گردد. آنالیزهای كامپیوتری مربوط به طیف انرژی و یا طول موج ما را قادر می‌سازد تا به طور دقیق طبیعت و كیفیت عناصر مختلف را در ماده  شناسایی نمائیم. این روش برای زیست شناسان از كاربرد كمتری برخوردار است زیرا عناصر سبك مانند كربن سیگنال پرتو X  بسیار ضعیفی تولید می‌كنند.اما این مورد برای علم مواد از ارزش بسیار بالایی برخوردار است مخصوصاً به این دلیل كه ناحیه‌ای به كوچكی یك میكرومتر مربع می‌تواند با دقت بسیار بالا تجزیه و تحلیل گردد.

کاربرد وسیع دستگاه میکروسکوپ الکترونی در علوم پایه، مهندسی، پزشکی، صنعت و معدن و زمین شناسی بر هیچکسی پوشیده نیست و بررسی های توپوگرافیک، نگاشت، مورفولوژی، جهت شناسی کانی ها، اشکال مختلف باکتری ها و ویروسها در دوره های ویرولانس ، مطالعات تاثیر آفات و سموم بر شکل و حیات گیاهی و بررسی دوره زندگی حشرات و آفات و ... توسط دستگاه(SEM)  گره گشای بسیاری از مشکلات در زمینه های مختلف علوم می شود که در زندگی امروزه و پیشرفت علوم بلا اجتناب است.

استفاده‌‌های عمومی

1- تصویرگرفتن از سطوح در بزرگنمایی 10 تا 100000 برابر با حد تفكیك در حد 3 تا 10 نانومتر (بسته به نمونه)

2- در صورت تجهیز به آشكارساز back Scattered میكروسكوپ‌ها قادر به انجام امور زیر خواهند بود:

a) مشاهده مرزدانه، در نمونه‌های حكاكی ‌نشده، b) مشاهده حوزه‌ها (domains) در مواد فرومغناطیس، c) ارزیابی جهت كریستالوگرافی دانه‌ها با قطرهایی به كوچكی 2 تا 10 میكرومتر، d) تصویرنمودن فاز دوم روی سطوح حكاكی‌نشده (در صورتی كه متوسط عدد اتمی فاز دوم، متفاوت از زمینه باشد).

3- با اصلاح مناسب میكروسكوپ می‌توان از آن برای كنترل كیفیت و بررسی عیوب قطعات نیمه‌هادی استفاده نمود.

نمونه‌هایی از كاربرد

1- بررسی نمونه‌هایی كه برای متالوگرافی آماده شده‌اند، در بزرگنمایی بسیار بیشتر از میكروسكوپ نوری

2- بررسی مقاطع شكست و سطوحی كه حكاكی عمیق شده‌اند، كه مستلزم عمق میدانی بسیار بزرگتر از حد میكروسكوپ نوری است.

3- ارزیابی جهت كریستالوگرافی اجرایی نظیر دانه‌ها، فازهای رسوبی و دندریت‌ها بر روی سطوح آماده‌شده برای كریستالوگرافی

4- شناسایی مشخصات شیمیایی اجزایی به كوچكی چندمیكرون روی سطح نمونه‌ها، برای مثال،‌ فازهای رسوبی و پلیسه‌های سایش

5- ارزیابی گرادیان تركیب شیمیایی روی سطح نمونه‌ها در فاصله‌ای به كوچكی µm 1

6- بررسی قطعات نیمه‌هادی برای آنالیز شكست، كنترل عملكرد و تأیید طراحی

نمونه‌ها

اندازه: محدودیت اندازه توسط طراحی میكروسكوپ‌های الكترونی روبشی موجود تعیین می‌شود. معمولاً نمونه‌هایی به بزرگی 15 تا 20 سانتیمتر را می‌توان در میكروسكوپ‌ قرار داد ولی نمونه‌های 4 تا 8 سانتیمتر را می‌توان بدون جابجاكردن نمونه بررسی كرد.

آماده‌سازی: مواد غیرهادی معمولاً با لایه نازكی از كربن، طلا یا آلیاژ طلا پوشش داده می‌‌شوند. باید بین نمونه و پایه اتصال الكتریكی برقرار شود و نمونه‌هایی ریز نظیر پودرها باید روی یك فیلم هادی نظیر رنگ آلومینیوم پخش شده و كاملاً خشك شوند. نمونه‌ها باید عاری از مایعاتی با فشار بخار بالا نظیر آب، محلول‌های پاك‌كننده آلی و فیلم‌های روغنی باقی‌مانده باشند.

محدودیت‌ها

1-كیفیت تصویر سطوح تخت، نظیر نمونه‌هایی كه پولیش و حكاكی متالوگرافی شده‌اند، معمولاً در بزرگنمایی كمتر از 300 تا 400، برابر به خوبی میكروسكوپ نوری نیست.

2-قدرت تفكیك حكاكی بسیار بهتر از میكروسكوپ نوری است، ولی پایین‌تر از میكروسكوپ الكترونی عبوری و میكروسكوپ عبوری روبشی است.