Microscopio elettronico a scansione -Scanning electron microscope

L' immagine dei granelli di polline scattata al SEM mostra la caratteristica profondità di campo delle micrografie SEM
Il primo SEM di M. von Ardenne
Principio di funzionamento di un microscopio elettronico a scansione (SEM)
SEM con camera campione aperta
Tipo analogico SEM

Un microscopio elettronico a scansione ( SEM ) è un tipo di microscopio elettronico che produce immagini di un campione scansionando la superficie con un fascio di elettroni focalizzato . Gli elettroni interagiscono con gli atomi nel campione, producendo vari segnali che contengono informazioni sulla topografia della superficie e sulla composizione del campione. Il fascio di elettroni viene scansionato secondo uno schema di scansione raster e la posizione del fascio viene combinata con l'intensità del segnale rilevato per produrre un'immagine. Nella modalità SEM più comune, gli elettroni secondari emessi dagli atomi eccitati dal fascio di elettroni vengono rilevati utilizzando un rivelatore di elettroni secondari (rivelatore Everhart-Thornley ). Il numero di elettroni secondari che possono essere rilevati, e quindi l'intensità del segnale, dipende, tra l'altro, dalla topografia del campione. Alcuni SEM possono raggiungere risoluzioni migliori di 1 nanometro.

I campioni vengono osservati in alto vuoto in un SEM convenzionale, o in basso vuoto o condizioni umide in un SEM a pressione variabile o ambientale e a un'ampia gamma di temperature criogeniche o elevate con strumenti specializzati.

Storia

Un resoconto della prima storia della microscopia elettronica a scansione è stato presentato da McMullan. Sebbene Max Knoll abbia prodotto una foto con una larghezza di campo dell'oggetto di 50 mm che mostrava il contrasto di canalizzazione mediante l'uso di uno scanner a fascio di elettroni, fu Manfred von Ardenne che nel 1937 inventò un microscopio ad alta risoluzione scansionando un raster molto piccolo con un e fascio di elettroni finemente focalizzato. Ardenne ha applicato la scansione del fascio di elettroni nel tentativo di superare la risoluzione del microscopio elettronico a trasmissione (TEM), nonché di mitigare problemi sostanziali con l'aberrazione cromatica inerente all'imaging reale nel TEM. Ha inoltre discusso le varie modalità di rilevamento, le possibilità e la teoria del SEM, insieme alla costruzione del primo SEM ad alta risoluzione . Ulteriori lavori furono segnalati dal gruppo di Zworykin , seguito dai gruppi di Cambridge negli anni '50 e all'inizio degli anni '60 guidati da Charles Oatley , che alla fine portarono alla commercializzazione del primo strumento commerciale della Cambridge Scientific Instrument Company come "Stereoscan" nel 1965, che è stato consegnato a DuPont .

Principi e capacità

Sorgente di elettroni a emettitore di Schottky
Volume di interazione elettrone-materia e tipi di segnale generato

I segnali utilizzati da un SEM per produrre un'immagine risultano dalle interazioni del fascio di elettroni con atomi a varie profondità all'interno del campione. Vengono prodotti vari tipi di segnali inclusi elettroni secondari (SE), elettroni riflessi o retrodiffusi (BSE), raggi X caratteristici e luce ( catodoluminescenza ) (CL), corrente assorbita (corrente campione) ed elettroni trasmessi. I rilevatori di elettroni secondari sono apparecchiature standard in tutti i SEM, ma è raro che una singola macchina abbia rilevatori per tutti gli altri possibili segnali.

Gli elettroni secondari hanno energie molto basse dell'ordine di 50 eV, il che limita il loro percorso libero medio nella materia solida. Di conseguenza, gli SE possono sfuggire solo dai primi pochi nanometri della superficie di un campione. Il segnale degli elettroni secondari tende ad essere altamente localizzato nel punto di impatto del fascio di elettroni primari, rendendo possibile la raccolta di immagini della superficie del campione con una risoluzione inferiore a 1 nm . Gli elettroni retrodiffusi (BSE) sono elettroni del fascio che vengono riflessi dal campione mediante dispersione elastica . Poiché hanno un'energia molto più elevata delle SE, emergono da posizioni più profonde all'interno del campione e, di conseguenza, la risoluzione delle immagini della BSE è inferiore alle immagini SE. Tuttavia, la BSE viene spesso utilizzata nel SEM analitico, insieme agli spettri prodotti dai caratteristici raggi X, perché l'intensità del segnale della BSE è fortemente correlata al numero atomico (Z) del campione. Le immagini della BSE possono fornire informazioni sulla distribuzione, ma non sull'identità, dei diversi elementi del campione. In campioni composti prevalentemente da elementi luminosi, come campioni biologici, l'imaging BSE può visualizzare immuno-etichette in oro colloidale di 5 o 10 nm di diametro, che altrimenti sarebbero difficili o impossibili da rilevare nelle immagini di elettroni secondari. I raggi X caratteristici vengono emessi quando il fascio di elettroni rimuove un elettrone del guscio interno dal campione, facendo sì che un elettrone di maggiore energia riempia il guscio e rilasci energia. L'energia o la lunghezza d'onda di questi raggi X caratteristici può essere misurata mediante spettroscopia di raggi X a dispersione di energia o spettroscopia di raggi X a dispersione di lunghezza d'onda e utilizzata per identificare e misurare l'abbondanza di elementi nel campione e mapparne la distribuzione.

A causa del fascio di elettroni molto stretto, le micrografie SEM hanno una grande profondità di campo che produce un caratteristico aspetto tridimensionale utile per comprendere la struttura della superficie di un campione. Ciò è esemplificato dalla micrografia del polline mostrata sopra. È possibile un'ampia gamma di ingrandimenti, da circa 10 volte (circa equivalente a quello di un potente obiettivo manuale) a più di 500.000 volte, circa 250 volte il limite di ingrandimento dei migliori microscopi ottici .

preparazione del campione

Un ragno ricoperto di sputtering in oro, preparato per la visualizzazione con un SEM
Micrografia a bassa tensione (300 V) della distribuzione delle goccioline di adesivo su un post-it . Non è stato applicato alcun rivestimento conduttivo: un tale rivestimento altererebbe questo fragile esemplare.

I campioni SEM devono essere sufficientemente piccoli da adattarsi al tavolino portacampioni e potrebbero richiedere una preparazione speciale per aumentare la loro conduttività elettrica e stabilizzarli, in modo che possano resistere alle condizioni di alto vuoto e al fascio di elettroni ad alta energia. I campioni sono generalmente montati rigidamente su un portacampioni o stub utilizzando un adesivo conduttivo. Il SEM è ampiamente utilizzato per l'analisi dei difetti dei wafer semiconduttori e i produttori realizzano strumenti in grado di esaminare qualsiasi parte di un wafer semiconduttore da 300 mm. Molti strumenti hanno camere che possono inclinare un oggetto di quelle dimensioni a 45° e fornire una rotazione continua di 360°.

I campioni non conduttivi raccolgono carica quando scansionati dal fascio di elettroni e, specialmente nella modalità di imaging elettronico secondario, ciò provoca errori di scansione e altri artefatti dell'immagine. Per l'imaging convenzionale al SEM, i campioni devono essere elettricamente conduttivi , almeno in superficie, e collegati a terra elettricamente per prevenire l'accumulo di cariche elettrostatiche . Gli oggetti metallici richiedono una preparazione speciale per il SEM, fatta eccezione per la pulizia e il montaggio conduttivo su un moncone del campione. I materiali non conduttivi sono generalmente rivestiti con un rivestimento ultrasottile di materiale elettricamente conduttivo, depositato sul campione mediante rivestimento sputtering a basso vuoto o mediante evaporazione ad alto vuoto. I materiali conduttivi attualmente utilizzati per il rivestimento dei campioni includono oro , leghe oro/ palladio , platino , iridio , tungsteno , cromo , osmio e grafite . Il rivestimento con metalli pesanti può aumentare il rapporto segnale/rumore per campioni a basso numero atomico (Z). Il miglioramento deriva dal fatto che l'emissione di elettroni secondari per i materiali ad alto Z è migliorata.

Un'alternativa al rivestimento per alcuni campioni biologici consiste nell'aumentare la conduttività di massa del materiale mediante impregnazione con osmio utilizzando varianti del metodo di colorazione OTO (O- osmio tetrossido , T - tiocarboidrazide , O - osmio ).

I campioni non conduttivi possono essere ripresi senza rivestimento utilizzando un SEM ambientale (ESEM) o una modalità di funzionamento SEM a bassa tensione. Negli strumenti ESEM il campione viene posto in una camera a pressione relativamente alta e la colonna ottica elettronica viene pompata in modo differenziale per mantenere il vuoto adeguatamente basso al cannone elettronico. La regione ad alta pressione attorno al campione nell'ESEM neutralizza la carica e fornisce un'amplificazione del segnale dell'elettrone secondario. Il SEM a bassa tensione viene generalmente condotto in uno strumento con pistole a emissione di campo (FEG) in grado di produrre un'elevata luminosità dell'elettrone primario e una piccola dimensione dello spot anche a bassi potenziali di accelerazione. Per prevenire la carica di campioni non conduttivi, le condizioni operative devono essere regolate in modo tale che la corrente del fascio in entrata sia uguale alla somma delle correnti di elettroni secondari e retrodiffusi in uscita, una condizione che si verifica più spesso a tensioni di accelerazione di 0,3–4 kV.

L'incorporamento in una resina con ulteriore lucidatura fino a una finitura a specchio può essere utilizzato sia per campioni biologici che di materiali durante l'imaging di elettroni retrodiffusi o quando si esegue la microanalisi quantitativa a raggi X.

Le principali tecniche di preparazione non sono richieste nel SEM ambientale descritto di seguito, ma alcuni campioni biologici possono trarre vantaggio dalla fissazione.

Campioni biologici

Per il SEM, è normalmente necessario che un campione sia completamente asciutto, poiché la camera del campione è ad alto vuoto. Materiali duri e secchi come legno, ossa, piume, insetti secchi o gusci (compresi i gusci d'uovo) possono essere esaminati con pochi ulteriori trattamenti, ma le cellule e i tessuti viventi e gli organismi interi dal corpo molle richiedono una fissazione chimica per preservare e stabilizzare la loro struttura.

La fissazione viene solitamente eseguita mediante incubazione in una soluzione di un fissativo chimico tamponato , come la glutaraldeide , a volte in combinazione con formaldeide e altri fissativi, e facoltativamente seguita da postfissazione con tetrossido di osmio. Il tessuto fissato viene quindi disidratato. Poiché l'essiccazione all'aria provoca collasso e restringimento, ciò si ottiene comunemente sostituendo l' acqua nelle celle con solventi organici come etanolo o acetone e sostituendo a sua volta questi solventi con un fluido transitorio come l' anidride carbonica liquida mediante essiccazione a punto critico . L' anidride carbonica viene infine rimossa mentre si trova in uno stato supercritico, in modo che non sia presente alcuna interfaccia gas-liquido all'interno del campione durante l'essiccazione.

Il campione secco viene solitamente montato su un moncone del campione utilizzando un adesivo come resina epossidica o nastro biadesivo elettricamente conduttivo e rivestito con uno sputtering con oro o lega oro/palladio prima dell'esame al microscopio. I campioni possono essere sezionati (con un microtomo ) se le informazioni sull'ultrastruttura interna dell'organismo devono essere esposte per l'imaging.

Se il SEM è dotato di uno stadio freddo per la criomicroscopia, è possibile utilizzare la criofissazione e la microscopia elettronica a scansione a bassa temperatura eseguita sui campioni fissati criogenicamente. I campioni criofissati possono essere criofratturati sotto vuoto in un apparato speciale per rivelare la struttura interna, rivestiti con sputtering e trasferiti sul crio-stadio SEM mentre sono ancora congelati. La microscopia elettronica a scansione a bassa temperatura (LT-SEM) è applicabile anche all'imaging di materiali termosensibili come ghiaccio e grassi.

Freeze-fracturing, freeze-etch o freeze-and-break è un metodo di preparazione particolarmente utile per esaminare le membrane lipidiche e le loro proteine ​​​​incorporate in vista "faccia a faccia". Il metodo di preparazione rivela le proteine ​​incorporate nel doppio strato lipidico.

Materiali

L'imaging elettronico retrodiffuso, l' analisi quantitativa a raggi X e la mappatura a raggi X dei campioni spesso richiedono la molatura e la lucidatura delle superfici per ottenere una superficie ultra liscia. I campioni sottoposti ad analisi WDS o EDS sono spesso rivestiti di carbonio. In generale, i metalli non vengono rivestiti prima dell'imaging nel SEM perché sono conduttivi e forniscono il proprio percorso verso terra.

La frattografia è lo studio delle superfici fratturate che può essere eseguito al microscopio ottico o, comunemente, al SEM. La superficie fratturata viene tagliata a una dimensione adeguata, pulita da eventuali residui organici e montata su un portacampioni per la visualizzazione al SEM.

I circuiti integrati possono essere tagliati con un fascio ionico focalizzato (FIB) o un altro strumento di fresatura del fascio ionico per la visualizzazione nel SEM. Il SEM nel primo caso può essere incorporato nel FIB, consentendo l'imaging ad alta risoluzione del risultato del processo.

Metalli, campioni geologici e circuiti integrati possono anche essere lucidati chimicamente per la visualizzazione al SEM.

Sono necessarie speciali tecniche di rivestimento ad alta risoluzione per l'imaging ad alto ingrandimento di film sottili inorganici.

Processo di scansione e formazione dell'immagine

Schema di un SEM

In un tipico SEM, un fascio di elettroni viene emesso termicamente da un cannone elettronico dotato di un catodo a filamento di tungsteno . Il tungsteno è normalmente utilizzato nei cannoni elettronici termoionici perché ha il punto di fusione più alto e la pressione di vapore più bassa di tutti i metalli, consentendo così di essere riscaldato elettricamente per l'emissione di elettroni e per il suo basso costo. Altri tipi di emettitori di elettroni includono esaboruro di lantanio ( LaB
6
) catodi, che possono essere utilizzati in un SEM a filamento di tungsteno standard se il sistema del vuoto è aggiornato o pistole ad emissione di campo (FEG), che possono essere del tipo a catodo freddo che utilizzano emettitori di cristallo singolo di tungsteno o del tipo Schottky termicamente assistito , che utilizzano emettitori di monocristalli di tungsteno rivestiti di ossido di zirconio .

Il fascio di elettroni, che tipicamente ha un'energia che va da 0,2 keV a 40 keV, è focalizzato da una o due lenti del condensatore su un punto di circa 0,4 nm a 5 nm di diametro. Il raggio passa attraverso coppie di bobine di scansione o coppie di piastre deflettrici nella colonna di elettroni, tipicamente nella lente finale, che deviano il raggio negli assi xey in modo che scansioni in modo raster su un'area rettangolare della superficie del campione .

Meccanismi di emissione di elettroni secondari, elettroni retrodiffusi e raggi X caratteristici dagli atomi del campione

Quando il fascio di elettroni primario interagisce con il campione, gli elettroni perdono energia a causa della dispersione e dell'assorbimento casuali ripetuti all'interno di un volume a forma di lacrima del campione noto come volume di interazione , che si estende da meno di 100 nm a circa 5 µm nella superficie. La dimensione del volume di interazione dipende dall'energia di atterraggio dell'elettrone, dal numero atomico del campione e dalla densità del campione. Lo scambio di energia tra il fascio di elettroni e il campione provoca la riflessione di elettroni ad alta energia mediante scattering elastico, l'emissione di elettroni secondari mediante scattering anelastico e l'emissione di radiazioni elettromagnetiche , ciascuna delle quali può essere rilevata da rivelatori specializzati. La corrente del fascio assorbita dal campione può anche essere rilevata e utilizzata per creare immagini della distribuzione della corrente del campione. Per amplificare i segnali vengono utilizzati amplificatori elettronici di vario tipo, che vengono visualizzati come variazioni di luminosità sul monitor di un computer (o, per i modelli vintage, su un tubo catodico ). Ogni pixel della memoria video del computer è sincronizzato con la posizione del raggio sul campione nel microscopio e l'immagine risultante è, quindi, una mappa di distribuzione dell'intensità del segnale emesso dall'area scansionata del campione. I microscopi più vecchi catturavano le immagini su pellicola, ma gli strumenti più moderni raccolgono immagini digitali .

Serie di ingrandimenti SEM a bassa temperatura per un cristallo di neve . I cristalli vengono catturati, conservati e rivestiti con platino a temperature criogeniche per l'imaging.

Ingrandimento

L'ingrandimento in un SEM può essere controllato in un intervallo di circa 6 ordini di grandezza da circa 10 a 3.000.000 di volte. A differenza dei microscopi ottici ed elettronici a trasmissione, l'ingrandimento dell'immagine in un SEM non è una funzione della potenza della lente dell'obiettivo . I SEM possono avere lenti del condensatore e dell'obiettivo, ma la loro funzione è quella di focalizzare il raggio su un punto e non di visualizzare il campione. A condizione che il cannone elettronico possa generare un raggio con un diametro sufficientemente piccolo, un SEM potrebbe in linea di principio funzionare completamente senza condensatore o lenti dell'obiettivo, sebbene potrebbe non essere molto versatile o raggiungere una risoluzione molto elevata. In un SEM, come nella microscopia a scansione di sonda , l'ingrandimento risulta dal rapporto tra le dimensioni del raster sul campione e il raster sul dispositivo di visualizzazione. Supponendo che lo schermo di visualizzazione abbia una dimensione fissa, un ingrandimento maggiore risulta dalla riduzione delle dimensioni del raster sul campione e viceversa. L'ingrandimento è quindi controllato dalla corrente fornita alle bobine di scansione x, y, o dalla tensione fornita alle piastre deflettrici x, y, e non dalla potenza dell'obiettivo.

Rivelazione di elettroni secondari

La modalità di imaging più comune raccoglie elettroni secondari a bassa energia (<50 eV) che vengono espulsi dalle bande di conduzione o di valenza degli atomi del campione mediante interazioni di dispersione anelastica con gli elettroni del fascio. A causa della loro bassa energia, questi elettroni provengono da pochi nanometri al di sotto della superficie del campione. Gli elettroni sono rilevati da un rivelatore Everhart-Thornley , che è un tipo di sistema collettore - scintillatore - fotomoltiplicatore . Gli elettroni secondari vengono prima raccolti attirandoli verso una griglia polarizzata elettricamente a circa +400 V, quindi ulteriormente accelerati verso un fosforo o scintillatore polarizzato positivamente a circa +2.000 V. Gli elettroni secondari accelerati sono ora sufficientemente energetici da far sì che lo scintillatore emettono lampi di luce (catodoluminescenza), che vengono condotti a un fotomoltiplicatore all'esterno della colonna SEM tramite un tubo luminoso e una finestra nella parete della camera del campione. Il segnale elettrico amplificato in uscita dal fotomoltiplicatore viene visualizzato come una distribuzione di intensità bidimensionale che può essere visualizzata e fotografata su un display video analogico , oppure sottoposta a conversione da analogico a digitale e visualizzata e salvata come immagine digitale . Questo processo si basa su un raggio primario con scansione raster. La luminosità del segnale dipende dal numero di elettroni secondari che raggiungono il rivelatore . Se il raggio entra nel campione perpendicolarmente alla superficie, la regione attivata è uniforme attorno all'asse del raggio e un certo numero di elettroni "fugge" dall'interno del campione. All'aumentare dell'angolo di incidenza, il volume di interazione aumenta e la distanza di "fuga" di un lato del raggio diminuisce, determinando l'emissione di più elettroni secondari dal campione. Pertanto le superfici e i bordi ripidi tendono ad essere più luminosi delle superfici piatte, il che si traduce in immagini con un aspetto tridimensionale ben definito. Utilizzando il segnale degli elettroni secondari è possibile una risoluzione dell'immagine inferiore a 0,5 nm.

Rivelazione di elettroni retrodiffusi

Confronto delle tecniche SEM:
In alto: analisi di elettroni retrodiffusi – composizione
In basso: analisi di elettroni secondari – topografia

Gli elettroni retrodiffusi (BSE) sono costituiti da elettroni ad alta energia originati dal fascio di elettroni, che vengono riflessi o retrodiffusi dal volume di interazione del campione dalle interazioni di dispersione elastica con gli atomi del campione. Poiché gli elementi pesanti (alto numero atomico) retrodiffusione gli elettroni più fortemente degli elementi leggeri (basso numero atomico) e quindi appaiono più luminosi nell'immagine, le BSE vengono utilizzate per rilevare il contrasto tra aree con diverse composizioni chimiche. Il rivelatore Everhart-Thornley, che è normalmente posizionato su un lato del campione, è inefficiente per il rilevamento di elettroni retrodiffusi perché pochi di questi elettroni vengono emessi nell'angolo solido sotteso dal rivelatore e poiché la griglia di rilevamento polarizzata positivamente ha poche capacità per attirare la BSE a più alta energia. Dedicati rivelatori di elettroni retrodiffusi sono posizionati sopra il campione in una disposizione del tipo a "ciambella", concentrici al fascio di elettroni, massimizzando l'angolo solido di raccolta. I rivelatori di BSE sono generalmente di tipo a scintillatore oa semiconduttore. Quando tutte le parti del rivelatore vengono utilizzate per raccogliere elettroni simmetricamente attorno al raggio, viene prodotto il contrasto del numero atomico. Tuttavia, un forte contrasto topografico viene prodotto raccogliendo elettroni retrodiffusi da un lato sopra il campione utilizzando un rilevatore BSE direzionale asimmetrico; il contrasto risultante appare come illuminazione della topografia da quel lato. I rivelatori a semiconduttore possono essere realizzati in segmenti radiali che possono essere attivati ​​o disattivati ​​per controllare il tipo di contrasto prodotto e la sua direzionalità.

Gli elettroni retrodiffusi possono anche essere utilizzati per formare un'immagine di diffrazione di retrodiffusione elettronica (EBSD) che può essere utilizzata per determinare la struttura cristallografica del campione.

Analisi Beam-Injection di semiconduttori

La natura della sonda del SEM, elettroni energetici, lo rende particolarmente adatto per esaminare le proprietà ottiche ed elettroniche dei materiali semiconduttori. Gli elettroni ad alta energia del fascio SEM inietteranno portatori di carica nel semiconduttore. Pertanto, gli elettroni del fascio perdono energia promuovendo gli elettroni dalla banda di valenza nella banda di conduzione , lasciando dietro di sé dei buchi .

In un materiale a bandgap diretto , la ricombinazione di queste coppie elettrone-lacuna risulterà in catodoluminescenza; se il campione contiene un campo elettrico interno, come è presente in una giunzione pn , l'iniezione del fascio SEM dei portatori farà fluire la corrente indotta dal fascio di elettroni (EBIC). La catodoluminescenza e l'EBIC sono dette tecniche di "beam-injection" e sono sonde molto potenti del comportamento optoelettronico dei semiconduttori, in particolare per lo studio di caratteristiche e difetti su scala nanometrica.

Catodoluminescenza

Sovrapposizione di catodoluminescenza a colori sull'immagine SEM di un policristallo InGaN . I canali blu e verde rappresentano i colori reali, il canale rosso corrisponde all'emissione UV.

La catodoluminescenza , l'emissione di luce quando gli atomi eccitati da elettroni ad alta energia tornano al loro stato fondamentale, è analoga alla fluorescenza indotta dai raggi UV e alcuni materiali come il solfuro di zinco e alcuni coloranti fluorescenti mostrano entrambi i fenomeni. Negli ultimi decenni, la catodoluminescenza è stata più comunemente percepita come l'emissione di luce dalla superficie interna del tubo a raggi catodici nei televisori e nei monitor CRT dei computer. Nel SEM, i rivelatori CL raccolgono tutta la luce emessa dal campione o possono analizzare le lunghezze d'onda emesse dal campione e visualizzare uno spettro di emissione o un'immagine della distribuzione della catodoluminescenza emessa dal campione a colori reali.

Microanalisi a raggi X

I raggi X caratteristici prodotti dall'interazione degli elettroni con il campione possono anche essere rilevati in un SEM dotato di spettroscopia di raggi X a dispersione di energia o spettroscopia di raggi X a dispersione di lunghezza d'onda . L'analisi dei segnali dei raggi X può essere utilizzata per mappare la distribuzione e stimare l'abbondanza di elementi nel campione.

Risoluzione della SEM

Un video che illustra un tipico intervallo di ingrandimento pratico di un microscopio elettronico a scansione progettato per campioni biologici. Il video inizia a 25×, circa 6 mm sull'intero campo visivo, e ingrandisce fino a 12000×, circa 12  μm sull'intero campo visivo. Gli oggetti sferici sono perle di vetro con un diametro di 10 μm, di diametro simile a un globulo rosso .

SEM non è una telecamera e il rilevatore non forma continuamente immagini come un array CCD o una pellicola . A differenza di un sistema ottico, la risoluzione non è limitata dal limite di diffrazione , dalla finezza di lenti o specchi o dalla risoluzione dell'array di rivelatori. L'ottica di messa a fuoco può essere grande e grossolana e il rilevatore SE ha le dimensioni di un pugno e rileva semplicemente la corrente. Invece, la risoluzione spaziale del SEM dipende dalla dimensione della macchia elettronica, che a sua volta dipende sia dalla lunghezza d'onda degli elettroni che dal sistema elettrone-ottico che produce il fascio di scansione. La risoluzione è anche limitata dalla dimensione del volume di interazione, il volume del materiale del campione che interagisce con il fascio di elettroni. La dimensione dello spot e il volume di interazione sono entrambi grandi rispetto alle distanze tra gli atomi, quindi la risoluzione del SEM non è sufficientemente alta per visualizzare i singoli atomi, come è possibile con un microscopio elettronico a trasmissione (TEM). Il SEM ha vantaggi compensativi, tuttavia, inclusa la capacità di visualizzare un'area relativamente ampia del campione; la capacità di visualizzare materiali sfusi (non solo film sottili o lamine); e la varietà di modalità analitiche disponibili per misurare la composizione e le proprietà del campione. A seconda dello strumento, la risoluzione può essere compresa tra meno di 1 nm e 20 nm. A partire dal 2009, il SEM convenzionale con la risoluzione più alta al mondo (≤30 kV) può raggiungere una risoluzione puntuale di 0,4 nm utilizzando un rivelatore di elettroni secondario.

SEM ambientale

Il SEM convenzionale richiede che i campioni vengano ripresi sotto vuoto , perché un'atmosfera di gas si diffonde rapidamente e attenua i fasci di elettroni. Di conseguenza, i campioni che producono una quantità significativa di vapore , ad esempio campioni biologici umidi o rocce oleose, devono essere essiccati o congelati criogenicamente. I processi che comportano transizioni di fase , come l'essiccazione di adesivi o la fusione di leghe , il trasporto di liquidi, le reazioni chimiche e i sistemi solido-aria-gas, in generale non possono essere osservati con il convenzionale SEM ad alto vuoto. Nel SEM ambientale (ESEM), la camera viene evacuata dall'aria, ma il vapore acqueo viene trattenuto vicino alla sua pressione di saturazione e la pressione residua rimane relativamente alta. Ciò consente l'analisi di campioni contenenti acqua o altre sostanze volatili. Con ESEM sono state possibili osservazioni di insetti viventi.

Il primo sviluppo commerciale dell'ESEM alla fine degli anni '80 ha consentito di osservare i campioni in ambienti gassosi a bassa pressione (ad es. 1–50 Torr o 0,1–6,7 kPa) e con un'umidità relativa elevata (fino al 100%). Ciò è stato reso possibile dallo sviluppo di un rivelatore di elettroni secondari in grado di operare in presenza di vapore acqueo e dall'utilizzo di aperture limitatrici di pressione con pompaggio differenziale nel percorso del fascio di elettroni per separare la regione del vuoto (attorno al cannone e lenti) dalla camera del campione. I primi ESEM commerciali sono stati prodotti dalla ElectroScan Corporation negli Stati Uniti nel 1988. ElectroScan è stata rilevata da Philips (che in seguito ha venduto la propria divisione di ottica elettronica alla FEI Company) nel 1996.

ESEM è particolarmente utile per materiali non metallici e biologici perché il rivestimento con carbonio o oro non è necessario. Le plastiche e gli elastomeri non rivestiti possono essere esaminati di routine, così come i campioni biologici non rivestiti. Ciò è utile perché il rivestimento può essere difficile da invertire, può nascondere piccole caratteristiche sulla superficie del campione e può ridurre il valore dei risultati ottenuti. L'analisi a raggi X è difficile con un rivestimento di un metallo pesante, quindi i rivestimenti di carbonio vengono utilizzati di routine nei SEM convenzionali, ma ESEM consente di eseguire la microanalisi a raggi X su campioni non conduttivi non rivestiti; tuttavia alcuni specifici per gli artefatti ESEM vengono introdotti nell'analisi a raggi X. L'ESEM può essere il preferito per la microscopia elettronica di campioni unici di azioni penali o civili, dove l'analisi forense potrebbe dover essere ripetuta da diversi esperti. È possibile studiare campioni in liquido con ESEM o con altri metodi di microscopia elettronica in fase liquida .

Trasmissione SEM

Il SEM può essere utilizzato anche in modalità di trasmissione semplicemente incorporando un rilevatore appropriato sotto una sezione sottile del campione. Sono disponibili rivelatori per campo chiaro, campo scuro e rivelatori segmentati per campo scuro anulare ad angolo medio-alto . Nonostante la differenza nella strumentazione, questa tecnica è ancora comunemente chiamata microscopia elettronica a trasmissione a scansione (STEM) .

Colore al SEM

I microscopi elettronici non producono naturalmente immagini a colori, poiché un SEM produce un singolo valore per pixel ; questo valore corrisponde al numero di elettroni ricevuti dal rivelatore durante un piccolo periodo di tempo della scansione quando il raggio è mirato alla posizione del pixel (x, y).

Questo unico numero è solitamente rappresentato, per ogni pixel, da un livello di grigio, formando un'immagine monocromatica. Tuttavia, sono stati utilizzati diversi modi per ottenere immagini di microscopia elettronica a colori.

Falsi colori utilizzando un unico rivelatore

  • Sulle immagini compositive di superfici piane (tipicamente BSE):

Il modo più semplice per ottenere il colore è associare a questo singolo numero un colore arbitrario, usando una tabella di ricerca dei colori (cioè ogni livello di grigio è sostituito da un colore scelto). Questo metodo è noto come falsi colori . Su un'immagine BSE, è possibile eseguire falsi colori per distinguere meglio le varie fasi del campione.

  • Sulle immagini con superficie strutturata:

In alternativa alla semplice sostituzione di ogni livello di grigio con un colore, un campione osservato da un raggio obliquo consente ai ricercatori di creare un'immagine topografica approssimativa (vedi ulteriore sezione "Rendering fotometrico 3D da una singola immagine SEM" ). Tale topografia può quindi essere elaborata da algoritmi di rendering 3D per un rendering più naturale della trama superficiale

Colorazione dell'immagine al SEM

Molto spesso, le immagini SEM pubblicate sono colorate artificialmente. Questo può essere fatto per effetto estetico, per chiarire la struttura o per aggiungere un aspetto realistico al campione e generalmente non aggiunge informazioni sul campione.

La colorazione può essere eseguita manualmente con un software di fotoritocco o in modo semiautomatico con un software dedicato utilizzando il rilevamento delle funzionalità o la segmentazione orientata agli oggetti.

Colore costruito utilizzando più rivelatori di elettroni

In alcune configurazioni vengono raccolte più informazioni per pixel, spesso mediante l'uso di più rilevatori.

Come esempio comune, i rivelatori di elettroni secondari ed elettroni retrodiffusi vengono sovrapposti e viene assegnato un colore a ciascuna delle immagini catturate da ciascun rivelatore, con il risultato finale di un'immagine a colori combinata in cui i colori sono correlati alla densità dei componenti. Questo metodo è noto come SEM a colori dipendente dalla densità (DDC-SEM). Le micrografie prodotte da DDC-SEM conservano le informazioni topografiche, che vengono catturate meglio dal rivelatore di elettroni secondari e le combinano con le informazioni sulla densità, ottenute dal rivelatore di elettroni retrodiffusi.

Segnali analitici basati su fotoni generati

La misurazione dell'energia dei fotoni emessi dal campione è un metodo comune per ottenere capacità analitiche. Esempi sono i rivelatori di spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDS) utilizzati nell'analisi elementare e nei sistemi di microscopi a catodoluminescenza (CL) che analizzano l'intensità e lo spettro della luminescenza indotta da elettroni in (ad esempio) campioni geologici. Nei sistemi SEM che utilizzano questi rivelatori è comune codificare a colori questi segnali extra e sovrapporli in un'unica immagine a colori, in modo che le differenze nella distribuzione dei vari componenti del campione possano essere viste chiaramente e confrontate. Facoltativamente, l'immagine elettronica secondaria standard può essere fusa con uno o più canali compositivi, in modo da poter confrontare la struttura e la composizione del campione. Tali immagini possono essere realizzate mantenendo la piena integrità dei dati del segnale originale, che non vengono modificati in alcun modo.

3D in SEM

Le SEM non forniscono naturalmente immagini 3D contrariamente alle SPM . Tuttavia, i dati 3D possono essere ottenuti utilizzando un SEM con metodi diversi come segue.

Ricostruzione 3D SEM da una coppia stereo

  • la fotogrammetria è il metodo metrologicamente più accurato per portare la terza dimensione alle immagini SEM. Contrariamente ai metodi fotometrici (paragrafo successivo), la fotogrammetria calcola le altezze assolute utilizzando metodi di triangolazione . Lo svantaggio è che funziona solo se c'è una trama minima e richiede l'acquisizione di due immagini da due diverse angolazioni, il che implica l'uso di una fase di inclinazione. ( La fotogrammetria è un'operazione software che calcola lo spostamento (o "disparità") per ogni pixel, tra l'immagine di sinistra e l'immagine di destra della stessa coppia. Tale disparità riflette l'altezza locale).

Ricostruzione fotometrica 3D SEM da un rivelatore a quattro quadranti mediante "shape from shading"

Questo metodo utilizza in genere un rilevatore BSE a quattro quadranti (in alternativa per un produttore, un rilevatore a 3 segmenti). Il microscopio produce quattro immagini dello stesso campione contemporaneamente, quindi non è richiesta l'inclinazione del campione. Il metodo fornisce dimensioni metrologiche 3D per quanto la pendenza del provino rimane ragionevole. La maggior parte dei produttori di SEM ora (2018) offre un rilevatore BSE a quattro quadranti integrato o opzionale, insieme a un software proprietario per calcolare un'immagine 3D in tempo reale.

Altri approcci utilizzano metodi più sofisticati (e talvolta ad alta intensità di GPU) come l' algoritmo di stima ottimale e offrono risultati molto migliori a scapito di elevate esigenze di potenza di calcolo.

In tutti i casi, questo approccio funziona integrando la pendenza, quindi le pendenze verticali e gli strapiombi vengono ignorati; per esempio, se un'intera sfera giace su un piano, poco più dell'emisfero superiore si vede emergere sopra il piano, con conseguente altitudine errata dell'apice della sfera. L'importanza di questo effetto dipende dall'angolo dei rivelatori di BSE rispetto al campione, ma questi rivelatori sono solitamente situati intorno (e vicino) al fascio di elettroni, quindi questo effetto è molto comune.

Rendering 3D fotometrico da una singola immagine SEM

Questo metodo richiede un'immagine SEM ottenuta con illuminazione obliqua a basso angolo. Il livello di grigio viene quindi interpretato come la pendenza e la pendenza integrata per ripristinare la topografia del campione. Questo metodo è interessante per il miglioramento visivo e il rilevamento della forma e della posizione degli oggetti; tuttavia le altezze verticali di solito non possono essere calibrate, contrariamente ad altri metodi come la fotogrammetria.

Altri tipi di ricostruzione SEM 3D

  • Ricostruzione inversa mediante modelli interattivi elettrone-materiale
  • Ricostruzione multi-risoluzione utilizzando un unico file 2D: l'imaging 3D di alta qualità può essere una soluzione definitiva per rivelare le complessità di qualsiasi supporto poroso, ma acquisirli è costoso e richiede tempo. Le immagini SEM 2D di alta qualità, d'altra parte, sono ampiamente disponibili. Recentemente, è stato presentato un nuovo metodo di ricostruzione in tre fasi, multiscala e multirisoluzione che utilizza direttamente immagini 2D per sviluppare modelli 3D. Questo metodo, basato su un'entropia di Shannon e una simulazione condizionale, può essere utilizzato per la maggior parte dei materiali fissi disponibili e può costruire vari modelli 3D stocastici utilizzando solo alcune sezioni sottili.
  • Il SEM ad abrasione ionica (IA-SEM) è un metodo di imaging 3D su scala nanometrica che utilizza un raggio focalizzato di gallio per abradere ripetutamente la superficie del campione 20 nanometri alla volta. Ogni superficie esposta viene quindi scansionata per compilare un'immagine 3D.

Applicazioni del SEM 3D

Una possibile applicazione è la misurazione della rugosità dei cristalli di ghiaccio. Questo metodo può combinare il SEM ambientale a pressione variabile e le capacità 3D del SEM per misurare la rugosità sulle singole sfaccettature del cristallo di ghiaccio, convertirlo in un modello computerizzato ed eseguire ulteriori analisi statistiche sul modello. Altre misurazioni includono la dimensione frattale, l'esame della superficie di frattura dei metalli, la caratterizzazione dei materiali, la misurazione della corrosione e le misurazioni dimensionali su scala nanometrica (altezza del gradino, volume, angolo, planarità, rapporto portante, complanarità, ecc.).

Galleria di immagini SEM

Di seguito sono riportati esempi di immagini scattate utilizzando un SEM.

Guarda anche

Riferimenti

link esterno

Generale
Storia
immagini