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 :
- 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.
Wiązka elektronów jest wytwarzana przez działo elektronowe na szczycie kolumny mikroskopu.
Pole elektrostatyczne w dziale elektronowym kieruje wyemitowane z niewielkiego obszaru na
powierzchni katody elektrony do małego otworu  z
renicy elektrono-optycznej.
Następnie elektrony są rozpędzane (przyspieszane) w kolumnie mikroskopu, w kierunku próbki, z
energią od kilkuset do kilkudziesięciu tysięcy elektronowoltów.
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.
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 oglÄ…dany 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 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 z
renicy elektronooptycznej rozbieżne
stożkowe wiązki elektronów przy przechodzeniu przez pole magnetyczne soczewki zostają
zogniskowana na płaszczyz
nie obrazowej soczewki tworzÄ…c na niej obraz z
renicy
elektronooptycznej.
Ponieważ celem układu soczewek w kolumnie jest wytworzenie na powierzchni próbki możliwie
małego (punktowego) obrazu z
renicy elektronooptycznej, soczewki te działają w trybie
pomniejszającym. W tym trybie płaszczyzna tworzenia obrazu zawsze leży bliżej soczewki niż
z
ródło.
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 z
renicy
elektronooptycznej nie sÄ… skupiane w jednym punkcie na obrazie.
Apertury
Apertury to maleńkie otworki, scentrowane względem osi optycznej. Apertura ulokowana w
płaszczyz
nie obrazu ogranicza rozmiary obrazu. Umieszczona w płaszczyz
nie obiektywu określa
podstawę stożka elektronów wychodzących z każdego punktu obrazu, a tym samym ilość
elektronów przechodzących. Podobnie zjawisko zachodzące we wszystkich punktach obrazu z
renicy
elektronooptycznej ogranicza całkowity prąd w wiązce. Równie ważne jest to, że apertura w
płaszczyz
nie soczewki eliminuje elektrony najbardziej oddalone od osi, redukujÄ…c 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 wiÄ…zki przez kolejne soczewki w kolumnie apertury eliminujÄ… najbardziej
rozbieżne elektrony, co pozwala uzyskać mniejszą plamkę kosztem prądu wiązki.
PrÄ…d wiÄ…zki
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 . 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.
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), rys.3.
Rys. 3. Zależność wielkości i kształtu obszaru wzbudzenia od liczby atomowej i napięcia.
Rodzaj rejestrowanego sygnału
Do tego momentu rozważaliśmy uogólniony obszar oddziaływania, z którego pochodzą wszystkie
rodzaje sygnałów. Obszar ten można podzielić na strefy związane z sygnałami każdego typu  rys.4.
Rys. 4. Wielkości obszarów, z których pochodzą różne rodzaje sygnałów
emitowane przez próbkę.
Elektrony wtórne - SE (secondary electrons)
Elektrony wtórne to elektrony wyrzucone z wewnętrznych powłok elektronowych (zwykle K)
atomów próbki na skutek zderzeń niesprężystych z elektronami pierwotnymi (elektronami wiązki).
Ich energia nie przekracza, z reguły 5 eV. Ze względu na niską energię elektrony mogą się wydostać
tylko z cienkiej, przypowierzchniowej warstwy próbki. Dzięki temu dają one obrazy o wysokiej
rozdzielczości. W obrazie uzyskanym dzięki elektronom wtórnym kontrast związany jest z
topografią próbki. Obszar wzbudzenie leży blisko powierzchni, dlatego więcej elektronów wtórnych
może uciec z punktów na szczycie wierzchołka, niż z punktów na dnie zagłębienia. A więc partie
wypukłe są jasne, natomiast partie wklęsłe są ciemne. Dzięki temu interpretacja obrazów SE jest
dość łatwa. Wyglądają one podobnie jak odpowiadające im obrazy w świetle widzialnym (w skali
szarości).
Elektrony wstecznie rozproszone  BSE (backscattered electrons)
Elektrony wstecznie rozproszone to pierwotne elektrony (elektrony wiązki), które na skutek zderzeń
sprężystych z jądrami atomów próbki zostały  odbite z powrotem od próbki. Elektrony te mają
wysoką energię. Przyjmuje się, że może ona wynosić od 50 eV aż do wielkości napięcia
przyspieszającego wiązki. Wyższa energia BSE powstaję w większym obszarze oddziaływania (rys.
4), czego rezultatem jest obniżenie rozdzielczości obrazów BSE. W obrazach BSE kontrast jest
wynikiem różnicy średniej liczby atomowej pomiędzy poszczególnymi punktami próbki. Obszary
próbki zawierające jądra pierwiastków o wysokiej liczbie atomowej rozpraszają wstecznie więcej
elektronów dzięki czemu są odwzorowywane na obrazach BSE jako miejsca jaśniejsze. Właściwie
zinterpretowane obrazy BSE dostarczają ważnych informacji o zróżnicowaniu składu próbki.
Promieniowanie rentgenowskie
Dwa typy oddziaływania elektronów wiązki z ciałem stałym prowadzą do powstania
promieniowania rentgenowskiego. Jednym jest rozpraszanie na jądrach atomowych, które
prowadzi do powstania ciągłego widma, promieniowania rentgenowskiego. Drugim jest jonizacja
wewnętrznych powłok elektronowych atomu prowadząca do powstawania widma
charakterystycznego.
GA

BIA OSTROÅšCI
W mikroskopii skaningowej można otrzymać obrazy o znacznie większej głębi ostrości niż w
mikroskopii świetlnej. Głębia ostrości to zakres powyżej i poniżej płaszczyzny najlepszej ostrości, w
którym utrzymana jest dobra jakość obrazu Przy większej głębi ostrości mikroskop daje lepsze
odwzorowanie próbek trójwymiarowych. Obrazy uzyskiwane w SEM doskonałą jakość
zawdzięczają nie tylko bardzo dobrej rozdzielczości lecz również dużej głębi ostrości.
W mikroskopie optycznym głębia ostrości jest limitowana kątem rozwartości pomiędzy skrajnymi
promieniami wchodzącymi do obiektywu. Dla dużych powiększeń kąt ten jest większy, a głębia
ostrości mniejsza.
W mikroskopie skaningowym nie ma bezpośredniej zależności głębi ostrości i powiększenia.
Powiększenie jest zdefiniowane jako stosunek wymiarów liniowych obszaru skanowania do
wymiarów liniowych obrazu. Kąt zbieżności wiązki ma wpływ na zmianę wielkości spotu wraz z
odległością powyżej lub poniżej płaszczyzny najlepszej ostrości. Mimo, że w mikroskopie
skaningowym kąt zbieżności i rozmiar spotu zmieniają się wraz z odległością roboczą, zawsze kąty
te będą mniejsze, a głębia ostrości większa niż w mikroskopie optycznym.
MIKROANALIZY
Charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie
Widmo charakterystyczne powstaje w wyniku oddziaływania elektronów wiązki
z elektronami wewnętrznych powłok atomów próbki. Normalnie powłoki K i L atomów o liczbach
atomowych większych od 10 są zapełnione. Jeśli jeden z elektronów K zostanie usunięty, atom
może doznać przejścia, w którym elektron L lub M "przeskoczy" na puste miejsce, a wyzwolona
przy tym energia potencjalna zostanie wyemitowana jako kwant promieniowania
elektromagnetycznego. Typowe wartości energii takich przejść leżą w zakresie rentgenowskim
widma promieniowania elektromagnetycznego. Energia tego kwantu jest ściśle określona dla
każdego rodzaju przejścia w danym pierwiastku i dlatego jest cechą diagnostyczną.
Spektrometr rentgenowski rejestruje charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie. Zadaniem
spektrometru jest zliczenie impulsów promieniowania rentgenowskiego i posegregowanie ich.
Spektroskopia promieni rentgenowskich może być przeprowadzona dwiema metodami:
- metoda dyspersji energii promieniowania rentgenowskiego (EDS). Stosuje siÄ™ detektory, w
których natężenie sygnału wyjściowego jest proporcjonalne do energii padających impulsów, np.
liczniki scyntylacyjne, proporcjonalne liczniki przepływowe, detektory Li/Si. W naszym
mikroskopie zainstalowany jest detektor Sapphir
- metoda dyspersji długości fali promieniowania rentgenowskiego (WDS). Stosuje się spektrometr
promieni rentgenowskich z kryształem analizującym.
Linie charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego
W celu wytworzenia charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego konieczna jest luka w
wewnętrznych powłokach elektronowych atomu. W zależności od tego, na której powłoce powstała
luka, wyróżniamy odpowiednie serie linii.
Jeśli wybity zostanie elektron z powłoki K to obserwowane w widmie charakterystycznego
promieniowania rentgenowskiego linie, odpowiadające emisji energii towarzyszącej przejściu
elektronu w celu uzupełnienia luki nazywamy liniami K:
- Ką - gdy przejście elektronu następuje z powłoki L,
- K² - dla przejÅ›cia z powÅ‚oki M,
- Kł - dla przejścia z powłoki N.
Jeśli wybity zostanie elektron z powłoki L to mamy do czynienia z liniami L:
- Lą - gdy przejście elektronu następuje z powłoki M,
- L² - dla przejÅ›cia z powÅ‚oki N.
Jeśli wybity zostanie elektron z powłoki M to obserwujemy linie M
Ogólne zasady dotyczące linii charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego:
- Dla danego pierwiastka niższe linie mają wyższą energię niż linie wyższe:
E > E > E
K L M
- 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 wyraz
ne 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.
Mapy rentgenowskie
Promieniowanie rentgenowskie daje obraz o znacznie gorszej jakości niż obraz  elektronowy .
Jednym z powodów jest duży obszar oddziaływania, z którego pochodzi rejestrowane
promieniowanie rentgenowskie, co powoduje słabszą rozdzielczość (rys. 4). Inną przyczyną jest
ciągłe promieniowanie rentgenowskie (Bremsstrahlung), które w kombinacji z niskim z natury
poziomem impulsów promieniowania charakterystycznego powoduje, że stosunek sygnał  szum
jest niekorzystny.
Na ogół obrazy rentgenowskie są prezentowane jako mapy. 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 mapy w odcieniach szarości,
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.
ANALIZY RENTGENOWSKIE
Ze względu na słabą rozdzielczość, impulsy rentgenowskie są bardziej przydatne do celów
analitycznych niż do odwzorowywania próbki. Analiza jakościowa dąży do ustalenia czy badany
obszar próbki zawiera dane pierwiastki, w oparciu o występowanie lub brak ich charakterystycznych
pików w widmie. Celem analizy ilościowej jest ustalenie stosunków zawartości pierwiastków na
podstawie porównania intensywności odpowiednich pików tych pierwiastków pomiędzy sobą lub
porównania z wzorcami. Analiza ilościowa jest procesem skomplikowanym, ze względu na
możliwość wystąpienia różnorodnych interakcji pomiędzy atomami próbki i charakterystycznym
promieniowaniem rentgenowskim.
ÅšRODOWISKOWY ELEKTRONOWY MIKROSKOP SKANINGOWY  ESEM
(Environmental Scanning Electron Microscope)
Zalety ESEM w stosunku do konwencjonalnych SEM
Podstawowymi ograniczeniami możliwości konwencjonalnych SEM są wymagania jakie musi
spełnić próbka, która ma być umieszczona w warunkach wysokiej próżni (10-5 Torra) w komorze
mikroskopu:
1. Odporność na warunki próżniowe  umieszczenie w warunkach wysokiej próżni nie może
powodować zmian w strukturze i składzie próbki.
2. Próbka taka nie może zawierać wilgoci ani innych zanieczyszczeń (np. lotnych
węglowodorów) których wydzielenie się w wysokiej próżni mogłoby spowodować
podwyższenie ciśnienia w komorze, uszkodzenie detektora lub zanieczyszczenie
mikroskopu.
3. Przewodnictwo elektryczne . Wiązka elektronów przekazuje próbce duży ładunek
elektryczny. W materiałach przewodzących jest on odprowadzany za pośrednictwem stolika
mikroskopu do ziemi. Próbki nie wykazujące przewodnictwa muszą być pokryte warstwą
substancji przewodzącej (węgla, srebra lub złota), w celu uniknięcia gromadzenia się na ich
powierzchni ładunku, który może powodować lokalne zakłócenia w emisji elektronów
wtórnych, a nawet odbicie wiązki elektronów.
Większość próbek wymaga więc specjalnego przygotowania  suszenia, odgazowania i napylenia
warstwą przewodzącą. Należy pamiętać o tym, że przygotowania te mogą spowodować uszkodzenie
próbki, a także powstanie artefaktów.
Rozwiązanie wielu powyższych problemów przyniosła środowiskowa elektronowa
mikroskopia skaningowa (ESEM), która rozwinęła się w połowie lat osiemdziesiątych. ESEM
posiada wszystkie zalety konwencjonalnej SEM, a ponadto nie wymaga umieszczenie próbki w
wysokiej próżni. Dzięki zastosowaniu specjalnego systemu zaworów, pomiędzy kolumną
mikroskopu i komorą próbki można umieścić próbkę w środowisku o zmiennych parametrach:
- Skład gazu tworzącego atmosferę w komorze jest dowolny
- Ciśnienie do 50 Torrów
- Temperatura do 1500 °C.
W ESEM próbki nie przewodzące, zawierające wilgoć czy substancje lotne mogą być obserwowane
w stanie naturalnym, bez specjalnych przygotowań.
Ponadto ESEM stwarza dodatkowe możliwości badawcze, np.
- obserwacji próbek: uwodnionych, emitujących światło, wykazujących fluorescencję i
katodoluminescencjÄ™
- obserwacji delikatnych struktur np. biologicznych, utrzymywanych przez wewnętrzne siły
hydrostatyczne
- obserwacji dynamicznych zmian, jakim podlegają próbki w zmiennych warunkach ciśnienia,
temperatury i składu atmosfery (rozciąganie, ściskanie, rozprzestrzenianie się spękań,
rozwarstwianie, uwadnianie, odwadnianie, sublimacja)
- obserwacji interakcji między próbką i zmieniającym się środowiskiem (pochłanianie i
oddawanie wilgoci do środowiska, wzrost kryształów i ich rozpuszczanie, korozja,
trawienie).