میکروسکوپ الکترونی روبشی

میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) یکی از بهترین وسایل آنالیز و مورفولوژی (شناسایی و آنالیز شکل و سطح ماده نمومه) در آزمایشگاه های پیشرفته است. این میکروسکوپ الکترونی قابلیت این را دارد که نمومه را 10 تا 10⁵×5 برابر بزرگنمایی کند و قدرت تفکیکی برابر با 3 تا 20 نانومتر (این اختلاف بستگی به نوع و ... نمونه دارد) دارد. هر جامد یا مایعی که فشار بخار کمی دارد ( کمتر از 10^-3 tor ) با استفاده از این میکروسکوپ بررسی می‌شود. از محدودیت های این دستگاه این است که باید ماده نمومه رسانا باشد پس قبل از انجام آنالیز، سطح مواد عایق را باید با یک لایه ماده رسانا مانند طلا پوشاند.

نحوه آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشی

هنگامی که الکترون ها توسط تفنگ الکترونی (Electron gun) به سمت نمونه پرتاب می‌شوند، الکترون ها برهمکنش های مختلفی با اتم های نمونه دارند که این برهمکنش ها باعث ایجاد تنوع در میکروسکوپ های الکترونی می‌شود. برهمکنشی که در میکروسکوپ الکترونی روبشی مورد استفاده و توجه قرار می‌گیرد، الکترون های ثانویه و برگشتی است که هر یک از این الکترون ها آشکارساز خاص خود را دارند. الکترون های برشگتی همان الکترون های پرتابی توسط تفنگ الکترونی هستند که به هسته اتم برخورد کرده اند و به سمته آشکارساز بر می‌گردند ( زیرا الکترون ها توانایی گذر از هسته را ندارند و به طرف عقب پرتا می‌شوند ). تصاویر به دست آمده از این آشکارساز نشان دهنده پستی و بلندی سطح است. الکترون های ثانویه نیز، الکترون هایی هستند که از لایه های آخر (معمولا لایه ظرفیت) به دلیل برخورد پرتوهای الکترونی پرتاب شده توسط تفنگ الکترونی از سطح نمونه کنده شده و به طرف آشکارساز می‌روند. این الکترون ها چون از عمق بیشتری به سمت آشکارساز برمی‌گردند، وضوخ بالایی ایجاد می‌کنند و برای تشخیص تغییر ترکیب شیمیایی نیز مفید اند.

در شکل بالا تصویر a و b تصاویری با استفاده از الکترون های برگشتی و تصویر c مربوط به همان نمونه ولی با استفاده از الکترون های ثانویه می‌باشد. همانطور که ملاحظه می‌کنید تصویر c به خوبی پستی بلندی های سطح نمونه را نشان می‌دهد. به عبارت دیگر اتم هایی که در مناطق بلند نمونه هستند، در اثر برخورد الکترون های فرودی، الکترون های بیشتری از سطح آنها ساطع می شود و به بیرون پرتاب می شود و در نتیجه در تصویر روشن تر دیده می شوند اما اتم هایی که در نقاط پستی نمونه قرار دارند به دلیل اینکه الکترون های کمتری از آنها به آشکارساز می رسد، تیره تر دیده می‌شوند. در برخی از انواع میکروسکوپ های الکترونی روبشی از آشکارساز پرتوی X نیز استفاده می‌شود. وقتی پرتوهای الکترونی به سطح نمونه برخورد می‌کنند، به جز اینکه باعث کنده شدن الکترون های برگشتی می‌شوند، در برخی موارد الکترون هایی را که در لایه های اولیه قرار داردند را یک تراز یا یک لایه به بالاتر انتقال می‌دهند و دوباره الکترون به سره جای اولش بر می‌گردد. این انتقال باعث گسیل پرتوهای X می‌شود.

آشکارسازهای میکروسکوپ الکترونی روبشی

همانطور که در بالا گفته شد؛ پس از گسیل الکترون ها توسط تفنگ الکترونی و برخورد آن‌ها با سطح نمونه و ایجاد برهمکنش های مختلف، حال موقع آن رسیده که این الکترون های برگشتی از نمونه را به وسیله آشکارسازها بررسی کنیم. هر یک از این الکترون ها حاوی اطلاعات متفاوتی هستند که در سرتاسر آن فضا ( می‌توان این فضا را به صورت نیمکره ایی بالای نمونه متصور شد ) پراکنده اند. بنابراین اگر بخواهیم از تمامی این پرتوهای خروجی استفاده کنیم، باید تمامی این فضا پوشیده از آشکارسازها باشد که این حداقل از نظر طراحی فیزیکی دستگاه امکان‌پذیر نیست. بنابراین جمع‎آوری و آشکارسازی پرتوها کار مشکلی بوده و به طور کلی بخش کوچکی از این پرتوها برای ساخت تصویر مورد استفاده قرار می‎گیرند. از این رو، برای این که بتوان از مقدار ناچیز پرتو جمع‌آوری شده، تصویر ساخت، نیاز به یک تقویت‌کننده بسیار قوی است. در این بخش انواع آشکارسازهای مورد استفاده در میکروسکوپ الکترونی روبشی شرح داده می‌شوند :

• آشکارساز اورهارت - تورنلی (E-T (Everhart-Thornley : جز اصلی این آشکارسازها، یک جرقه‌زن (Scintillator) است. ماده تشکیل‌دهنده این جرقه‎زن به گونه‎ای است که در صورت اصابت یک الکترون پر انرژی، شروع به ساطع کردن نور می‎کند که البته شدت نور ساطع شده، متأثر از مقدار الکترون برخورد کرده به سطح جرقه‎زن است. نور تولید شده پس از عبور از داخل یک هدایتگر نور وارد قسمت تقویت‌کننده نور می‌شود. این جرقه زن به گونه ایی است که در محدوده 10 تا 15 الکترون ولت جرقه می‌زند و کمتر از این محدوده جرقه ایی ایجاد نمی‌شود.

• آشکارسازهای نیمه‌هادی : اساس کار آشکارسازهای نیمه‌هادی یا همان آشکارسازهای حالت جامد، ایجاد تعداد بسیار زوج‎های «الکترون- حفره»، با ورود یک الکترون پرانرژی به یک ماده نیمه‌هادی است. در این شرایط، اگر دو الکترود به دو طرف قطعه نیمه‌هادی وصل شده و توسط یک مدار خارجی، اختلاف پتانسیلی بین دو الکترود ایجاد شود، آن گاه الکترون‌های آزاد به سمت الکترود مثبت جذب می‌شوند و همزمان با این پدیده حفره‌ها نیز در جهت عکس الکترون‌ها حرکت خواهند کرد. لذا جریانی به وجود می‌آید که در مدار خارجی قابل مشاهده است. اگر جریان مذکور به نحو مناسبی تقویت شود، می‌تواند به صورت یک سیگنال تصویری درآید. در این نوع آشکارساز، هر چه انرژی الکترون برخوردکننده بیشتر باشد، تعداد جفت‌های «الکترون- حفره» بیشتر و در نتیجه جریان ایجاد شده نیز قوی‌تر خواهد بود. به بیان دیگر، آشکارسازهای مذکور به مقدار انرژی الکترون‌های ورودی حساس هستند و به همین دلیل نمی‌توانند برای الکترون‌های کم انرژی ثانویه مفید باشند.

• آشکارسازهای رابینسون : ساختار آشکارسازهای رابینسون بسیار شبیه به آشکارسازهای E-T بوده و مشابه آن‌ها از بخش‌های اصلی؛ جرقه‌زن (معمولاً از جنس پلاستیک)، هدایتگر نوری و تقویت‌کننده نوری تشکیل شده است. سطح آشکارگرهای مذکور، بسیار وسیع‌تر از آشکارسازهای حالت جامد است و اندازه نسبتاً بزرگ این نوع آشکارسازها منجر به محدود کردن فاصله کاری شده و معمولاً جلوی رسیدن پرتوی X به آشکارساز آنالیزگر را می‌گیرد.

• آشکارسازهای درون لنزی (Through the Lens (TTL) detectors) : روش عملکرد این آشکارساز به این صورت است که بخش عمده‌ای از پرتوهای ثانویه ساطع شده از سوی نمونه، تحت اثر میدان مغناطیسی بسیار قوی لنز نهایی شروع به حرکت مارپیچ به سمت بالا (داخل ستون) کرده و به یک آشکارساز از نوع جرقه‌زن، هدایتگر نوری و تقویت‌کننده نوری که در داخل لنز کار گذاشته شده است، برخورد می‌کنند. این سیستم بازده بسیار بالایی در جمع‌آوری پرتوهای ثانویه دارد، اما فاصله کاری در آن نسبتاً کم است که خود منجر به محدودیت‌هایی در شکل و اندازه نمونه می‌شود.

انتخاب آشکارساز

برای دریافت و ترجمه پرتوهای گسیل شده از نمونه از آشکارسازها استفاده می‌شود. علاوه بر این، تقویت پرتوهای دریافت شده، جهت دستیابی به تصویری با کیفیت بهتر، به وسیله تقویت‌کننده‌ها انجام می‌شود. همانطور که دیدید، میکروسکوپ الکترونی روبشی دارای آشکارساز های متفاوتی است که هر کدام ویژگی های مثبت و منفی خود را دارند. ما برای اینکه یکی از این آشکارساز ها را انتخاب کنیم، باید به این نکته دقت کنیم که آنالیز مورد نیاز ما باید دارای چه ویژگی هایی باشد.