آشنایی با میکروسکوپ الکترونی روبشی
میکروسکوپ الکترونی روبشی، که به آن Scanning Elecron Microscope یا به اختصار SEM گویند، قابلیت عکس‌برداری از سطوح با بزرگنمایی ۱۰ تا ۵۰۰۰۰۰ برابر با قدرت تفکیکی کمتر از ۱ تا ۲۰ نانومتر (بسته به نوع نمونه) را دارد. میکروسکوپ الکترونی روبشی، از مناسب‌ترین وسایل در دسترس برای آزمایش و آنالیز مورفولوژی نانو ساختارها و شناسایی ترکیبات شیمیائی است.
توانائی SEM برای بررسی سطح مواد بی نظیر بوده و حائز برتری‌های فراوانی نسبت به میکروسکوپ‌های نوری است. در میکروسکوپ نوری تشکیل تصویر با استفاده از نورهای منعکس شده از سطح نمونه صورت می‌گیرد، در حالی که در SEM این مهم با بکارگیری الکترون‌ها میسر می‌شود. در واقع این میکروسکوپ یکی از روش‌های تولید تصاویر با روبش یک پرتو الکترونی روی سطح نمونه است.
طول موج الکترون‌ها از فوتون‌های نور کوتاه‌تر بوده و طول موج کوتاه‌تر باعث ایجاد وضوح، قدرت تفکیک و حصول اطلاعات مناسب تر می‌شود. در حقیقت در SEM هیچ سیستم نوری-الکترونی برای تشکیل تصویر و بزرگ نمائی وجود ندارد، بلکه تصویر از مشاهده نقطه به نقطه پدیده‌های سطح منتج از اثر متقابل پرتوی الکترونی با سطح نمونه تشکیل می‌شود. با این روش تصاویر سه بعدی از ساختار، نمونه به دست می‌آید.
تاریخچه
SEM یکی از انواع بسیار معروف میکروسکوپ های الکترونی است که خصوصا کاربردهای بسیاری در فناوری نانو پیدا کرده است. نخستین تلاش ها در زمینه ی توسعه ی میکروسکوپ های روبشی به سال 1935 باز می گردد که ماکس نول (Max Knoll) در آلمان پژوهش هایی در زمینه ی پدیده های الکترونیک نوری انجام داد و تصویری را بر اساس کانتراست کانالی الکترونی (electron chanelling contrast) از فولاد سیلیسیمی به دست آورد. مانفرد وان آردن (ManfredvonArdenne) تحقیقات بیشتری را بر روی اصول فیزیکی SEM و برهمکنش آن با نمونه انجام داد و توانست در سال 1938 با اضافه کردن سیم پیچ های روبشی به یک TEM، میکروسکوپ الکترونی عبوری ـ روبشی بسازد. با اینحال دستگاه او از نظر عملی مورد استقبال قرار نگرفت. استفاده از SEM برای مطالعه ی نمونه های ضخیم غیرشفاف اولین بار توسط ژورکین (Zworykin) و همکاران در سال 1942 در ایالات متحده ی آمریکا انجام شد. توسعه ی بیشتر SEM توسط پروفسور چارلز اُتلی (CharlesOatley) و همکارش گَری استوارت (GaryStewart) در دانشگاه کمبریج بریتانیا به انجام رسید و در سال 1965 برای اولین بار به صورت تجاری روانه ی بازار شد.
ساختSEM سبب شد تا محققان بتوانند نمونه ها را به سادگی و با وضوح بیشتر مطالعه کنند. بمباران نمونه با پرتوی الکترونی سبب می شود تا از نمونه الکترون ها و فوتون هایی خارج و به سمت آشکارسازها رها شوند که در آن قسمت تبدیل به سیگنال می شوند. حرکت پرتو بر روی نمونه مجموعه ای از سیگنال ها را فراهم می کند که بر این اساس میکروسکوپ می تواند تصویر متقابل از سطح نمونه را به صورت لحظه به لحظه بر صفحه نمایش دهد. بنابراین مکانیزم عملکرد SEM با میکروسکوپ های نوری کاملا متفاوت است.در ابتدا مزیت اصلی دستگاه SEM، تهیه ی تصاویر میکروسکوپی به طور مستقیم از نمونه های جامد با وضوح و قدرت تفکیک و تمرکز بهتر در مقایسه با میکروسکوپ های نوری بود.
اساس عملکرد و اجزای تشکیل دهنده
اصول عملکرد SEM بر سه اصل استوار است که به صورت زنجیروار با هم در ارتباط هستند.
1- برهم کنش پرتوی الکترونی با نمونه؛
2- امکان تولید و کنترل مشخصه های پرتوی الکترونی روبشگر در میدان های الکتریکی و مغناطیسی
3- امکان آشکارسازی پرتوهای ساطع شده از سوی نمونه در اثر برهم کنش آن با پرتوی الکترونی ورودی.
وقتی پرتوی الکترونی روبشی با نمونه برخورد می کند، بین آنها برهمکنش روی می دهد. نتیجه ی آن، ساطع شدن پرتوهایی است که با کمک آشکارسازها دریافت و شناسایی می شوند و مشخصات ماده را آشکار می سازند. شکل 3 شماتیکی از پرتوهایی که از نمونه ساطع می شود را نشان می دهد. نوع اطلاعاتی که از این طریق به دست می آید به برهمکنش پرتو و نمونه بستگی دارد. به همین دلیل لازم است جزئیات این برهمکنش را بررسی کنیم.
اجزای دستگاه میکروسکوپ الکترونی روبشی
1- تفنگ الکترونی
2- لنزهای الکترومغناطیسی
3- روزنه ها
4- سیستم روبش
5- محفظه نمونه
6- سیستم خلاء
7- آشکارسازها (سیستم جمع آوری و تقویت سیگنال
8- سیستم نمایش تصویر
شکل مقابل اجزای یک SEM را نشان می دهد. در ادامه به شرح این اجزاء پرداخته خواهد شد که در واقع به نوعی، بیانگر نحوه ی عملکرد دستگاه نیز می باشد.
اساس عملکرد میکروسکوپ الکترونی روبشی
اجزاء تشکیل دهنده SEM
تفنگ الکترونی
اولین قسمتی که مشخصات پرتوی الکترونی رقم می خورد، محل تولید آن، یعنی تفنگ الکترونی (Electron Gun) است. به بیان دیگر، تفنگ الکترونی منبع نسبتا پایداری از الکترون است که پرتو الکترونی را ساطع می کند. تفنگ های الکترونی از نظر مکانیزم به دو دسته تقسیم می شوند
1- تفنگ های الکترونی نشر حرارتی (Thermoionic Guns) که بر مبنای پدیده ی ترمویونی عمل می کنند. در این نوع، با گرم شدن تفنگ تا دمایی بسیار بالا، درصد معینی از الکترون های آن به سطح مشخصی از انرژی می رسند و می توانند سطح آن را ترک کنند؛
2- تفنگ های الکترونی نشر میدانی (Field Emission Guns) که از پدیده ی تونلی جهت تولید الکترون استفاده می کنند. در این نوع تفنگ الکترونی، سطح تحت یک ولتاژ بسیار بالا قرار می گیرد و الکترون ها می توانند سطح آن را ترک کنند، بدون آنکه نیاز به اعمال انرژی تابع کاری ترمویونی باشد. قدرت تولید این فیلامان ها بسیار بیشتراز فیلامان های ترمویونی است.
لنزهای الکترومغناطیسی
اصلی ترین اجزای ستون الکترون- اپتیک SEM، لنزهای مغناطیسی آن هستند که تحت خلأ کار می-کنند. در این لنزها، بر خلاف لنزهای شیشه ای، پرتوی ورودی تحت اثر هیچ محیط مادی قرار نمی گیرد و کلیه ی تغییراتی که در آن ایجاد می شود ناشی از میدان های الکترومغناطیسی ایجاد شده توسط سیم پیچ هاست. تغییر جهت و تمرکز الکترون ها در میکروسکوپ های الکترونی تنها توسط میدان های الکترومغناطیسی سیم پیچ ها انجام می گیرد و اطلاق نام لنز به آنها تنها برای درک بهتر مطلب بوده و هیچ مشابهتی بین لنزهای صلب شیشه ای با مشخصات ثابت و سیم پیچ ها با مشخصات کاملا قابل کنترل وجود ندارد.
معمولا دو نوع لنز در ستون وجود دارد که هر یک خود می تواند شامل مجموعه ای از لنزها باشد. این لنزها عبارتند از:
1- لنزهای متمرکز کننده
2- لنز نهایی
هدف اصلی از کاربرد این دو لنز در ستون اپتیکی SEM، کاهش قطر پرتو، افزایش تراکم وتغییر محل تابش می باشد به طوری که قطر آن از مقدار اولیه ی 100-25 میکرون (در تفنگ الکترونی) به قطر بسیار کم 50 آنگستروم تا 1 میکرومتر (بر حسب نیاز) کاهش پیدا کند.