扫描电子显微镜

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当一个人决定使用电子显微镜来调查样本时,必须评估项目的最终目标,以正确选择正确的路径以获得该目标。一些应用在扫描电子显微镜是选择仪器的选择可能是:涉及样品外部形貌的研究,大(10-30nm)胶体金标记物在样品表面,界定边界的定位不同原子数组成的区域,以及样本元素含量的定性和定量鉴定。这些应用中的每一个都要求仪器正常操作以最大化所需信号的激励和收集。

大多数电子显微镜是高真空仪器。需要真空以防止枪组件(电弧)中的放电(电弧),并允许电子在仪器内行驶毫透明。有许多尺度来测量真空水平,有些尺度:mm / hg,pascals,托环和大气。无论使用单位,如果需要更高的真空水平,需要更好的泵送系统。更好的系统花费更多钱。为什么人们想要更好的吸尘器?

在设计显微镜的时候,我们从真空开始。在真空系统的设计中,使用的电子显微镜光源应该是一个因素。真空度差会缩短电子发射源的寿命。如果灯丝总是需要更换,那么在设计真空系统时节省成本可能会被证明是昂贵的。此外,真空中的任何污染物都可以作为碳沉积在样品表面。吸尘器将减少这种人工制品。

不同的电子发射源需要不同的真空水平。有两类发射源,热离子发射源和场发射源。热离子发射器利用电流加热灯丝,从而降低灯丝材料的工作功能。当功函数降低时,电子可以更容易地通过电场从灯丝中抽出。用于长丝的两种最常见的材料是钨和六硼化镧。冷阴极场发射源不加热灯丝材料。通过将灯丝置于一个巨大的电势梯度中,电子从场发射枪中被抽出,这个电势梯度是如此之大,以至于材料的功函数被克服,电子被从灯丝中抽出。场发射系统需要极高的、清洁的真空来运行。

场发射源利用枪组件下方的两个阳极板。与第一阳极相关联的是提取电压。提取电压通常在3-5千伏的范围内,并且是从源汲取电子所需的电压量。第二阳极具有与其相关的加速电压。加速电压确定电子向下行驶的速度。两个阳极充当静电透镜,将光束聚焦到小的初始交叉中。

与枪相关的两个因素确定了仪器的分辨率。首先,必须定义分辨率。分辨率是能够将两个紧密间隔点(粒子)分开(解析)作为两个单独的实体。确定扫描电子显微镜中分辨率的两个因素加速电压和初始交叉直径。

在没有进入物理学的情况下,我们可以概括阿贝的方程,说明仪器的分辨率取决于其照明源的波长。扫描电子显微镜的加速电压是可变的,通常在500-30,000伏的范围内。通过30kV的电位加速的电子具有比5kV电位加速的更短的波长。因此,30kV电子应该给我们更好的点分辨率。当我们讨论样本光束相互作用时,我们将对比点分辨率和表面分辨率之间的差异对比。

分辨率的其他组件,初始交叉(光束直径)有许多名称。有些文本将其称为虚拟源,其他文本为do。为了解决样品表面的一个特征,光束的直径必须小于该特征,但仍然包含足够的电子(称为束流密度)来产生可接受的信号数量(与样本-束流相互作用/信号形成讨论)。初始交叉越小,电磁透镜将光束放大成可用探头的作用就越小。一个使用钨丝发夹灯丝的热离子系统的交叉直径约为50微米。配备实验室的热离子系统6(六硼化镧)电子源将有大约10nm的交叉,同时保持高束流密度(亮度)。无需电磁透镜的任何后续聚焦动作,场发射体具有可用于成像目的的探针。这使得场发射系统成为分辨率最高的仪器。

那么为什么不是每个人都使用场发射sem呢?成本和需求。不是每个人都能买得起FESEM。还有空放大现象。对于某些样本,例如生物样本,其放大程度过高,将得不到有用的信息。FESEM的较高放大率和分辨率并非总是理想或必需的。

冷阴极FESEM有一个固有的发射涨落。任何停留在灯丝上的污染物都会引起发射电流的波动。这就阻止了FESEM与定量微量分析仪的接口,因为良好的定量分析的先决条件是稳定的束流。

FESEMs在低压应用中非常有用。该设计允许在低(500- 3000)电压下形成相干光束。FESEM技术已广泛应用于半导体行业的质量控制。需要一种能够在不损害水制造过程的情况下检查进展的仪器。在低电压下工作的FESEM就符合这一要求。

到目前为止,我们已经产生了一个真空和一个电子束并沿着电子柱向下移动。为了帮助我们改进电子束,使用了电磁透镜。

可以通过暴露于磁场来改变电子的路径。电磁透镜在通过循环时造成圆形磁场,该圆形磁场脱磁(冷凝)电子束。通过改变提供给透镜的电流可以改变镜片的强度。改变镜头电流会影响镜头的焦距。

电磁镜片中固有的一些问题。它们是球面像差,色差,衍射和散光。一旦理解它们,就可以纠正这些问题。

球差与电子在电磁透镜中的位置有关。透镜表面附近的磁场强度最强。因此,电子穿过镜头接近它的表面会有他们的路径改变超过电子穿过透镜的中心和结果的电子光束(电子攻击的内部表面电子列被吸收)。

色差与组成光束的电子能量的变化有关。并不是所有的电子枪都有相同的能量。不同能量的电子具有不同的波长。磁场对波长较长的电子的影响更大。因此,由于电子束中电子能量的变化,它不会聚焦到一个离散的焦点上。

衍射在最终探针形成透镜中是最重要的。衍射是由电子的波长出引起的。因此,透镜将在其波长在通过透镜时将不同相位的电子聚焦到不同点。为了纠正衍射,电子必须是单色和相干的。如果满足这些条件,镜头可以将电子流聚焦到一个点而不是混淆的盘。

散光是由于电磁透镜内部的制造缺陷造成的。要制造能形成完美均匀磁场的电磁透镜是极其困难的。透镜周长周围磁场强度的变化引起椭圆焦斑。这个问题可以通过将镜头分割成许多部分来解决,并且能够对每个部分调整激励。通过这种方式,镜片的薄弱部分可以得到加强。

与电磁透镜一起,金属孔径条可以用来细化光束。现代扫描电子显微镜配备可变聚光镜和物镜孔径是很常见的。这些可变孔径条将有多种针孔尺寸可供选择。选择合适的孔径尺寸是操作者的责任。总的来说,较小的物镜孔径会产生分辨率高、景深好、充电小的图像。最后一条语句需要两个定义。景深是指有能力在试样形貌发生较大变化时保持焦点不变。sem允许样品沿x、y和z轴平移。z轴定义为从最终透镜到样品表面的距离。这个距离也被称为“工作距离”。 Long working distances and small apertures provide an image that appears to be in focus over a large change in z. Having dealt with depth of field, a brief statement on charging is in order. An ideal specimen would be conductive. If a less than ideal (non-conductive) specimen is attempted to be viewed, beam electrons can build up on the surface of the specimen, resulting in the phenomenon known as charging. Charging will be further explained in specimen-beam interaction/image formation.

在物镜孔径之后,光束在撞击样品之前的最后一次操作发生在最后一个透镜中。最终的镜头是SEM的心脏,仪器的名字由此而来。在最终的透镜内是光栅线圈。这些线圈光栅或扫描聚焦的电子束在样品表面。因此得名扫描电子显微镜。光栅线圈扫描聚焦的电子束穿过标本,就像人们读这页一样。你可以从页面顶部开始阅读,直到第一行结束,再放下一行,回到左边,然后重复这个过程。光栅线圈的扫描与观看屏幕的扫描同步。光栅线圈用来改变放大倍数。为了增加放大倍数,线圈可以用来扫描试件上较短的线。 Since the size of the viewing CRT is fixed, the information generated by a shorter scan on the specimen must be enlarged to fill the viewing CRT. This is how magnification is changed.

现在我们的光束会聚在样本表面的一个点上。这是焦点。工作距离的真正定义应该说明当标本焦点时,它是最终镜头和样本之间的距离。现在是进入样本光束相互作用的好时机。

当电子束撞击样本的表面时,主(光束)电子以弹性或非弹性方式与样本原子相互作用。弹性散射事件是主电子靠近核的那些,改变了主电子的路径,其电子速度最小。

反向散射的电子将从50EV(电子伏特)的能量范围高达到加速势的加速电位在操作时。弹性散射可以将主要电子的路径改变为180度。其中路径足够改变的主要电子将其留下样品被称为反向散射电子。从标本发出的背散射电子的量取决于样本的原子数。这被称为反向散射系数,作为一般规则,从样本发射的反向散射电子的数量随着越来越多的原子序数而增加。而且,增加光束电流将从样本中激发更多的反向散射电子。利用适当的检测器,由从样本发射的后散射电子形成的图像将显示原子数不均匀性的区域。

无弹性事件是主光束电子与标本原子的核或电子碰撞的那些。主电子经历方向的变化,以及将能量转移到样本。由无弹性事件产生的一些信号是:螺旋钻电子,二次电子,特性X射线和Bremsstrahlung辐射。螺旋钻电子用于表征样品表面的元素组成。可以收集和分类特征X射线以提供样本的元素信息。对于该讲座,最重要的信号是二次电子。

次级电子是一个被从其轨道撞击出的原子的电子。次级电子的能量范围表明电子的能量必须大于0eV但小于50eV。这个能量范围限制了电子从样品内部逃逸的深度。能量范围也产生了所谓的边缘效应。样品的边缘提供了更大的表面积,弱次级电子可以从中逃逸。因此,在样品特征的边缘,会发射出更多的二次电子。这些区域在图像中显得更亮。

二次电子群(SE)可以进一步划分。有SEI, SEII, SEIII和SEIV。这些电子是根据它们是如何产生的来分类的。SEI是一个电子,是在样品表面主光束撞击点产生的电子。因此,它携带最高分辨率的信息。当背散射电子离开样品表面时,会产生一个电子。由于反向散射电子的能量,这种seli可以离开样品表面微米远离主束撞击点。sei损害了图像的分辨率,但大大增加了整体图像的亮度。当一个高能背散射电子撞击样品室内部时,一个电子被释放,导致一个SE被释放。当主波束击中电子柱内的一个孔径时,就形成了sev。 SEIIIs and SEIVs contribute noise to the image. By understanding signal formation, the specimen can be properly prepared for analysis.

由于次级电子很弱(小于50ev),它们的轨迹可以向一个探测器弯曲,该探测器前面有一个正偏置栅极。最常用的探测器是Everhart/Thornley设计。

当二次电子撞击检测器的面(闪烁体)时,电能被转换为光子。光子在光管上行进,在那里它进入光电倍增管。在光电倍增管中,将光子改变回电能,在一系列Dynodes上进行级联事件以丰富信号。在前置放大器和放大器中进一步精制信号,然后突出到观察阴极射线管的屏幕上。在样本扫描的点之间存在一对一的对应关系,以及在观看屏幕上的像素。

当一个样品准备在扫描电镜水平的检查,有几件事必须记住。最重要的是,为了获得有价值的信息,样品必须保持尽可能不改变的状态。这并不总是可能的,特别是对于不导电的样品。为什么电导率很重要?

SEM的设计是标本阶段处于地电位。希望主电子束被样本吸收,然后通过该阶段散发该电流。目前失效以消散标本充电的结果,最小地使成像难以实现。因此,通过梁冲击的点,通过样本,样本安装和最后标本阶段,应该存在导电路径。

准备工作可分为三个步骤:

  1. 样本选择和制备

  2. 标本安装

  3. 试样涂层。

样品选择包括样品的采集/制作。如果要将数据外推到整个总体,所选样本必须具有整个群体的代表性。对于生物标本,制备方法与TEM方法非常相似。初次固定通常使用醛类进行。多聚甲醛、戊二醛或这两种物质的混合物可以用来交联样品中的蛋白质。第一次固定后,使用四氧化锇进行第二次固定。这稳定了样品中的一些脂肪和脂质。用一系列分级的乙醇进行脱水,可以除去样品中的水。为了从样品中去除乙醇,可以采用临界点干燥,也可以用六甲基二硅烷(HMDS)化学干燥。防止气体/液体界面是临界点干燥的主要目标(也是HMDS的替代工艺)。 Whenever a liquid evaporates into the gaseous phase, large surface tension phenomena occur. These surface tensions can harm fine surface details on the surface of the sample. Since the SEM is a surface imaging technique, it is desirable to avoid such artifacts. For critical point drying, the samples are loaded into the chamber of a critical point drying apparatus. This chamber is surrounded by a water jacket that allows the operator to vary the temperature of the unit. Initially, the chamber is cooled below 13° Celsius. At this temperature, liquid carbon dioxide will flow into the chamber, and remain in the liquid state. Ethanol is denser than liquid carbon dioxide, and will flow out of the specimen, to the bottom of the chamber. There are ports in the bottom of the chamber that allow the operator to purge away the ethanol. When all of the ethanol has been purged away, the level of liquid carbon dioxide in the chamber is lowered (prevents high pressures from being attained), and the chamber is heated above 31° Celsius. The "critical point" of carbon dioxide is approximately 31° Celsius and 1070 lbs/square inch. At this pressure and temperature, carbon dioxide wants to exist as both a liquid and a gas. In this state, the carbon dioxide can be purged off, preventing the gas/liquid interface. Critical point drying usually provides the best sample preservation but can take up to 3 hours to perform. Using HMDS instead of critical point drying is quicker and can yield acceptable results on some samples. When the sample is dehydrated to 100% ethanol, a fifty/fifty mix of ethanol/HMDS can be placed on the sample followed by 2 or 3 exchanges of HMDS. After these exchanges, sample is in a fume hood where HMDS evaporates off. The vapor pressure of HMDS is such that surface damage is minimal. The results of using HMDS vary, so it’s best to experiment with both drying techniques.

上面的大纲是一个通常遵循的协议。对于一些样品,单宁酸步骤可能增加细胞的硬度。单宁酸可与主要固定剂混合或可置于70%乙醇步骤。1%的单宁酸溶液是最常见的,但也可以是多种多样的。另一种增加机械稳定性的方法是增加电子密度,即O-T-O法。O-T-O法是指在两次锇暴露之间使用硫代氨基酰化物步骤。硫代酰肼作为媒媒,这意味着它在两层锇之间形成“桥梁”。以这种方式制备的样品产生更多的次级电子,从而提供更高质量的图像。

对于材料科学样品,样品制备首先必须涉及干燥。为了不降低扫描电镜的真空度,样品必须除去所有的挥发性物质。一旦干燥,准备工作可以继续进行,并可能采取多种形式。一些方法是:离子研磨、加热/烘烤、环氧树脂嵌入、灰化和蚀刻(酸/碱)。从标本中获得的信息将决定采用哪种制备方法。例如,最好的定量x射线信息是从一个平面的标本中收集的。这是由于表面突起在x射线到达x射线探测器之前就可能吸收x射线。这就是所谓的阴影。为了防止这种情况发生,定量x射线微量分析的试样应被打磨平。一旦标本准备好,接下来就需要安装。

各种样品支架是商业生产的。你要使用的SEM品牌决定了使用哪种风格。日立sem需要使用剑桥风格的存根(在我们的实验室,有几个显微镜台可用,所以使用剑桥风格的存根不是强制性的,但最常见)。

最常用的标本存根由碳或铝制成组成。如果需要样品的X射线信息,则选择碳短管粒子可能是明智的,以最小化X射线光谱中的困惑元素线。应该注意的是,这些碳存根相当昂贵(每次5美元),但如果样品足够厚以防止光束穿透,则可能需要使用它们。选择存根后,将样品的附着到阶段是下一个考虑因素。常用粘合剂包括:胶体银或碳,碳/铜/铝胶带,双粘带,超级胶和环氧树脂。其中一些是比其他人更好的导体,而其他人可能有助于元素背景。在将样品引入SEM之前,必须彻底放入粘合剂。否则会导致样品表面上的标本烃。这种污染堆积可以掩盖细结构细节。标本突出也会降低仪器的分辨率。

如有必要,样品涂层应在样品安装之后进行。如果样品是导电的,它可能不需要涂层。如果要进行x射线微量分析,在样品上蒸发碳膜将使其具有导电性,而不会在光谱中引入杂化元素线。碳的沉积应该是最小的,刚好足够在不吸收弱x射线的情况下产生导电性。当需要后向散射图像时,碳涂层也很有用。

金属涂层可用于提高样品的二次电子发射,并使其具有导电性。铝、金、铂、铬、钨、钽和钯是用于涂层样品的常见金属。两种最常用的涂层方法是热蒸发和溅射涂层。随着热蒸发,有辐射热损伤试件的风险。此外,金属颗粒可能会保留足够的热量来燃烧到样品中。溅射涂层通常是样品涂层的首选方法。溅射涂层是在真空室中进行的。将要涂覆的试样加载在阳极上。产生真空。在涂层之前,真空被惰性气体(通常是氩气)破坏。 When a high tension is applied to the cathode where the metal source resides, the argon gas molecules are attracted to the cathode. The ionized argon strikes the metallic target, knocking loose metal grains, which are attracted to the anode. Due to the directional randomness of the argon/target collisions, an omnidirectional coating is achieved upon the specimen.

在文献中有关于涂层和装饰的讨论。金和金/钯混合物的溅射涂层称为装饰。当来自这样一个来源的金属颗粒撞击标本的表面时,它是可移动的,并产生涂层岛。金属,如铬、钽和钨,往往会附着在样品表面。因此,它们被归类为涂料。s。

金属的晶粒尺寸也很重要。更小的颗粒提供更好的分辨率。这是因为它们掩盖了较少的标本细节。Au和Au/Pd晶粒尺寸约为2-2.5纳米。Cr和W可以产生0.5纳米量级的晶粒。因此,Cr和W涂层可以产生更高分辨率的图像。Cr和W的一个缺点是使用它们所需的设备可能很昂贵。此外,Cr涂层容易氧化。铱可以用来代替铬和钨。

在对信号产生的讨论中,据说反向散射电子的数量随着原子序数的增加而增加。还有表示,BSE信号缺乏高分辨率信息。从这两个陈述中,可以预测金与铬涂料可以预测什么?具有比金的原子数低的铬,产生更少的后散射电子。这使其成为高倍率使用的更好涂层。它需要特殊的场发射(在镜片中)SEM以解决涂层晶粒。平均SEM不能利用CR外套的分辨率增加。

一旦准备,样品应存储在真空干燥器中。这防止了水合到大气湿度水平并减少了金属涂层的氧化。大多数样本可以无限期地存储,具有很少的明显降解。