Сканирующий электронный микроскоп ( СЭМ ) — это тип электронного микроскопа , который создает изображения образца путем сканирования поверхности сфокусированным лучом электронов . Электроны взаимодействуют с атомами образца, создавая различные сигналы, содержащие информацию о топографии поверхности и составе образца. Электронный луч сканируется по шаблону растрового сканирования , и положение луча комбинируется с интенсивностью обнаруженного сигнала для создания изображения. В наиболее распространенном режиме СЭМ вторичные электроны, испускаемые атомами, возбужденными электронным лучом, обнаруживаются с помощью детектора вторичных электронов ( детектор Эверхарта-Торнли ). Количество вторичных электронов, которые можно обнаружить, и, следовательно, интенсивность сигнала, зависит, среди прочего, от топографии образца. Некоторые СЭМ могут достигать разрешения выше 1 нанометра.
Образцы наблюдают в высоком вакууме с помощью обычного СЭМ или в условиях низкого вакуума или во влажных условиях с помощью СЭМ с переменным давлением или окружающей средой, а также в широком диапазоне криогенных или повышенных температур с помощью специализированных инструментов. [1]
Отчет о ранней истории сканирующей электронной микроскопии был представлен Макмалланом. [2] [3] Хотя Макс Нолл сделал фотографию с шириной поля объекта 50 мм, показывающую канальный контраст с помощью сканера электронного луча, [4] именно Манфред фон Арденн в 1937 году изобрел [5] микроскоп с высоким разрешением путем сканирования очень маленького растра уменьшенным и точно сфокусированным электронным лучом. В том же году Сесил Э. Холл также завершил строительство первого эмиссионного микроскопа в Северной Америке, всего через два года после того, как ему поручил его руководитель Э. Ф. Бертон из Университета Торонто. [6] Арденн применил сканирование электронного луча, пытаясь превзойти разрешение просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ), а также смягчить существенные проблемы с хроматическими аберрациями , присущими реальному изображению в ПЭМ. Далее он обсудил различные режимы обнаружения, возможности и теорию СЭМ [7] , а также конструкцию первого СЭМ высокого разрешения . [8] О дальнейшей работе сообщила группа Зворыкина , [9] за которой последовали кембриджские группы в 1950-х и начале 1960-х годов [10] [11] [12] [13] во главе с Чарльзом Оутли , все из которых в конечном итоге привели к маркетингу первого коммерческого инструмента компании Cambridge Scientific Instrument Company под названием «Стереоскан» в 1965 году, который был поставлен компании DuPont .
Сигналы, используемые SEM для создания изображения, являются результатом взаимодействия электронного луча с атомами на различной глубине внутри образца. Генерируются различные типы сигналов, включая вторичные электроны (SE), отраженные или обратно рассеянные электроны (BSE), характеристические рентгеновские лучи и свет ( катодолюминесценция ) (CL), поглощенный ток (ток образца) и прошедшие электроны. Детекторы вторичных электронов являются стандартным оборудованием во всех СЭМ, но редко в одной машине есть детекторы для всех других возможных сигналов. [ нужна цитата ]
Вторичные электроны имеют очень низкую энергию, порядка 50 эВ , что ограничивает их длину свободного пробега в твердом веществе. Следовательно, SE могут выйти только из верхних нескольких нанометров поверхности образца. Сигнал от вторичных электронов имеет тенденцию быть сильно локализованным в точке воздействия пучка первичных электронов, что позволяет собирать изображения поверхности образца с разрешением ниже 1 нм . Обратно-рассеянные электроны (BSE) — это электроны пучка, которые отражаются от образца в результате упругого рассеяния . Поскольку они имеют гораздо более высокую энергию, чем SE, они выходят из более глубоких мест внутри образца и, следовательно, разрешение изображений BSE меньше, чем изображений SE. Однако BSE часто используется в аналитическом SEM вместе со спектрами, полученными из характеристических рентгеновских лучей, поскольку интенсивность сигнала BSE сильно зависит от атомного номера (Z) образца. Изображения BSE могут предоставить информацию о распределении, но не об идентичности различных элементов в образце. В образцах, состоящих преимущественно из легких элементов, таких как биологические образцы, визуализация BSE может отображать иммунометки коллоидного золота диаметром 5 или 10 нм, которые в противном случае было бы трудно или невозможно обнаружить на изображениях вторичных электронов. [14] Характеристические рентгеновские лучи испускаются, когда электронный луч удаляет электрон внутренней оболочки из образца, в результате чего электрон с более высокой энергией заполняет оболочку и высвобождает энергию. Энергию или длину волны этих характеристических рентгеновских лучей можно измерить с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии или рентгеновской спектроскопии с дисперсией по длине волны и использовать для идентификации и измерения содержания элементов в образце и составления карты их распределения.
Из-за очень узкого электронного луча микрофотографии СЭМ имеют большую глубину резкости , что придает характерный трехмерный вид, полезный для понимания структуры поверхности образца. [15] Это иллюстрируется микрофотографией пыльцы, показанной выше. Возможен широкий диапазон увеличений: от примерно 10-кратного (приблизительно эквивалентного мощному ручному объективу) до более чем 500 000-кратного, что примерно в 250 раз превышает предел увеличения лучших световых микроскопов .
Образцы СЭМ должны быть достаточно маленькими, чтобы поместиться на предметном столике, и могут нуждаться в специальной подготовке для увеличения их электропроводности и стабилизации, чтобы они могли выдерживать условия высокого вакуума и пучок электронов высокой энергии. Образцы обычно жестко закрепляют на держателе образцов или заглушке с помощью проводящего клея. СЭМ широко используется для анализа дефектов полупроводниковых пластин , а производители создают инструменты, которые могут исследовать любую часть полупроводниковой пластины диаметром 300 мм. Многие инструменты имеют камеры, которые могут наклонять объект такого размера на 45° и обеспечивать непрерывное вращение на 360°. [ нужна цитата ]
Непроводящие образцы накапливают заряд при сканировании электронным лучом, особенно в режиме визуализации вторичных электронов, что приводит к ошибкам сканирования и другим артефактам изображения. Для получения обычных изображений с помощью СЭМ образцы должны быть электропроводящими , по крайней мере на поверхности, и электрически заземлены , чтобы предотвратить накопление электростатического заряда . Металлические объекты не требуют особой подготовки к СЭМ, за исключением очистки и проводящего крепления к заглушке образца. Непроводящие материалы обычно покрывают ультратонким слоем электропроводящего материала, наносимым на образец либо методом напыления в низком вакууме , химическим осаждением [ нужна ссылка ] или испарением в высоком вакууме. Проводящие материалы, используемые в настоящее время для покрытия образцов, включают золото , сплав золота и палладия, платину , иридий , вольфрам , хром , осмий [ 14] и графит . Покрытие тяжелыми металлами может увеличить соотношение сигнал/шум для образцов с низким атомным номером (Z). Улучшение происходит потому, что вторичная электронная эмиссия для материалов с высоким Z усиливается. [ нужна цитата ]
Альтернативой покрытию для некоторых биологических образцов является увеличение объемной проводимости материала путем пропитки осмием с использованием вариантов метода ОТО- окрашивания (О- тетроксид осмия , Т- тиокарбогидразид , О- осмий ). [16] [17]
Непроводящие образцы можно визуализировать без покрытия, используя СЭМ окружающей среды (ESEM) или низковольтный режим работы СЭМ. В приборах ESEM образец помещается в камеру относительно высокого давления, а электронно-оптическая колонна подвергается дифференциальной накачке, чтобы поддерживать достаточно низкий уровень вакуума в электронной пушке . Область высокого давления вокруг образца в ESEM нейтрализует заряд и обеспечивает усиление сигнала вторичных электронов. [ нужна цитация ] Низковольтный СЭМ обычно проводится в приборе с автоэмиссионными пушками (FEG), который способен создавать высокую яркость первичных электронов и небольшой размер пятна даже при низких ускоряющих потенциалах. Чтобы предотвратить зарядку непроводящих образцов, условия эксплуатации необходимо подобрать так, чтобы входящий ток пучка был равен сумме исходящих токов вторичной и обратно рассеянных электронов, что чаще всего выполняется при ускоряющих напряжениях 0,3–4 кВ. [ нужна цитата ]
Заливка в смолу с дальнейшей полировкой до зеркального блеска может использоваться как для биологических образцов, так и для образцов материалов при визуализации в обратнорассеянных электронах или при проведении количественного рентгеновского микроанализа.
Основные методы подготовки не требуются для СЭМ окружающей среды, описанного ниже, но фиксация некоторых биологических образцов может оказаться полезной.
Обычно образец СЭМ должен быть полностью сухим, поскольку камера для образца находится под высоким вакуумом. Твердые сухие материалы, такие как дерево, кости, перья, сушеные насекомые или скорлупа (включая яичную скорлупу [18] ), можно исследовать без дополнительной обработки, но живые клетки и ткани, а также целые организмы с мягким телом требуют химической фиксации для сохранения. и стабилизировать их структуру.
Фиксация обычно выполняется путем инкубации в растворе забуференного химического фиксатора, такого как глутаральдегид , иногда в сочетании с формальдегидом [19] [20] [21] и другими фиксаторами [22] и, возможно, с последующей постфиксацией четырехокисью осмия. [19] Фиксированная ткань затем обезвоживается. Поскольку сушка на воздухе вызывает коллапс и усадку, это обычно достигается путем замены воды в клетках органическими растворителями, такими как этанол или ацетон , и, в свою очередь, заменой этих растворителей переходной жидкостью, такой как жидкий диоксид углерода, путем сушки в критической точке . [23] Диоксид углерода окончательно удаляется в сверхкритическом состоянии, так что во время сушки внутри образца не остается границы раздела газ-жидкость.
Сухой образец обычно крепится к заглушке образца с помощью клея, такого как эпоксидная смола или электропроводящая двусторонняя клейкая лента, и перед исследованием в микроскопе покрывается напылением золота или сплава золота и палладия. Образцы можно разделить (с помощью микротома ), если необходимо получить информацию о внутренней ультраструктуре организма для визуализации.
Если РЭМ оснащен холодным столиком для криомикроскопии, то можно использовать криофиксацию и проводить низкотемпературную сканирующую электронную микроскопию на криогенно фиксированных образцах. [19] Криофиксированные образцы могут быть подвергнуты криоразрушению в вакууме в специальном аппарате для выявления внутренней структуры, покрыты напылением и перенесены на крио-стадию СЭМ, пока они еще заморожены. [24] Низкотемпературная сканирующая электронная микроскопия (LT-SEM) также применима для визуализации чувствительных к температуре материалов, таких как лед [25] [26] и жиры. [27]
Замораживание-разрыв, замораживание-протравливание или замораживание-и-разрыв — это метод подготовки, который особенно полезен для исследования липидных мембран и включенных в них белков в режиме «лицом к лицу». Метод приготовления позволяет выявить белки, встроенные в липидный бислой.
Визуализация изображений в обратнорассеянных электронах, количественный рентгеновский анализ и рентгеновское картирование образцов часто требуют шлифовки и полировки поверхностей до получения сверхгладкой поверхности. Образцы, которые подвергаются анализу WDS или EDS , часто имеют углеродное покрытие. Как правило, на металлы не наносят покрытия перед визуализацией с помощью СЭМ, поскольку они являются проводящими и обеспечивают собственный путь к земле. Фрактография — это исследование изломанных поверхностей, которое можно выполнить с помощью светового микроскопа или, обычно, с помощью электронного электронного микроскопа. Поверхность излома обрезается до подходящего размера, очищается от органических остатков и устанавливается на держатель образца для просмотра в СЭМ. Интегральные схемы можно разрезать с помощью сфокусированного ионного луча (FIB) или другого инструмента для фрезерования ионным лучом для просмотра в SEM. В первом случае СЭМ может быть встроен в ФИБ, что позволит получить изображение результата процесса с высоким разрешением. Металлы, геологические образцы и интегральные схемы также могут быть химически отполированы для просмотра в СЭМ. Для получения изображений неорганических тонких пленок с большим увеличением необходимы специальные методы нанесения покрытий с высоким разрешением.
В типичном РЭМ электронный луч испускается термоэлектронным способом из электронной пушки , оснащенной катодом с вольфрамовой нитью . Вольфрам обычно используется в термоэмиссионных электронных пушках, поскольку он имеет самую высокую температуру плавления и самое низкое давление паров среди всех металлов, что позволяет его электрически нагревать для эмиссии электронов, а также из-за его низкой стоимости. Другие типы эмиттеров электронов включают гексаборид лантана ( LaB
6) катоды, которые можно использовать в стандартном РЭМ с вольфрамовой нитью, если вакуумная система модернизирована, или автоэмиссионные пушки (FEG), которые могут быть типа с холодным катодом с использованием вольфрамовых монокристаллических эмиттеров или типа Шоттки с термическим усилением, которые использовать излучатели из монокристаллов вольфрама, покрытых оксидом циркония .
Электронный луч, который обычно имеет энергию в диапазоне от 0,2 кэВ до 40 кэВ, фокусируется одной или двумя конденсорными линзами в пятно диаметром от 0,4 до 5 нм. Луч проходит через пары сканирующих катушек или пары дефлекторных пластин в столбе электронов, обычно в конечной линзе, которые отклоняют луч по осям x и y так, что он растровым образом сканирует прямоугольную область поверхности образца. .
Когда первичный электронный пучок взаимодействует с образцом, электроны теряют энергию из-за многократного случайного рассеяния и поглощения в каплевидном объеме образца, известном как объем взаимодействия , который простирается от менее 100 нм до примерно 5 мкм вглубь поверхности. Размер объема взаимодействия зависит от энергии приземления электрона, атомного номера образца и плотности образца. Обмен энергией между электронным пучком и образцом приводит к отражению электронов высокой энергии за счет упругого рассеяния, испусканию вторичных электронов за счет неупругого рассеяния и испусканию электромагнитного излучения , каждое из которых может быть обнаружено специализированными детекторами. Ток луча, поглощаемый образцом, также можно обнаружить и использовать для создания изображений распределения тока образца. Электронные усилители различных типов используются для усиления сигналов, которые отображаются в виде изменений яркости на мониторе компьютера (или, для старинных моделей, на электронно-лучевой трубке ). Каждый пиксель видеопамяти компьютера синхронизируется с положением луча на образце в микроскопе, поэтому полученное изображение представляет собой карту распределения интенсивности сигнала, излучаемого из сканируемой области образца. Старые микроскопы записывали изображения на пленку, но большинство современных инструментов собирают цифровые изображения .
Увеличение в СЭМ можно контролировать в диапазоне примерно 6 порядков от примерно 10 до 3 000 000 раз. [28] В отличие от оптических и просвечивающих электронных микроскопов, увеличение изображения в СЭМ не зависит от оптической силы объектива . СЭМ могут иметь конденсор и объективы, но их функция — фокусировать луч в точку, а не отображать образец. При условии, что электронная пушка сможет генерировать луч достаточно малого диаметра, РЭМ в принципе может работать полностью без конденсора и объектива. Однако он может быть не очень универсальным и не обеспечивать очень высокого разрешения. В СЭМ, как и в сканирующей зондовой микроскопии , увеличение зависит от соотношения растра на устройстве отображения и размеров растра на образце. Если предположить, что экран дисплея имеет фиксированный размер, большее увеличение происходит за счет уменьшения размера растра на образце, и наоборот. Таким образом, увеличение контролируется током, подаваемым на сканирующие катушки x, y, или напряжением, подаваемым на пластины дефлектора x, y, а не силой линзы объектива.
Наиболее распространенный режим визуализации собирает вторичные электроны низкой энергии (<50 эВ), которые выбрасываются из зоны проводимости или валентной зоны атомов образца в результате неупругого рассеяния при взаимодействии с электронами пучка. Из-за своей низкой энергии эти электроны возникают на глубине нескольких нанометров ниже поверхности образца. [15] Электроны обнаруживаются детектором Эверхарта-Торнли , [29] который представляет собой тип системы коллектор- сцинтиллятор - фотоумножитель . Вторичные электроны сначала собираются, притягивая их к электрически смещенной сетке с напряжением около +400 В, а затем дополнительно ускоряются по направлению к люминофору или сцинтиллятору, положительно смещенному примерно до +2000 В. Ускоренные вторичные электроны теперь обладают достаточной энергией, чтобы заставить сцинтиллятор вспыхнуть. испускают вспышки света (катодолюминесценция), которые передаются на фотоумножитель за пределами колонки СЭМ через световод и окно в стене камеры для образцов. Усиленный электрический сигнал, выдаваемый фотоумножителем, отображается в виде двумерного распределения интенсивности, которое можно просмотреть и сфотографировать на аналоговом видеодисплее или подвергнуть аналого-цифровому преобразованию , а затем отобразить и сохранить в виде цифрового изображения . Этот процесс основан на растровом сканировании первичного луча. Яркость сигнала зависит от количества вторичных электронов, достигающих детектора . Если луч входит в образец перпендикулярно поверхности, то активированная область однородна относительно оси луча и определенное количество электронов «выбегает» изнутри образца. По мере увеличения угла падения объем взаимодействия увеличивается, а расстояние «убегания» одной стороны луча уменьшается, в результате чего из образца вылетает больше вторичных электронов. Таким образом, крутые поверхности и края имеют тенденцию быть ярче, чем плоские поверхности, в результате чего изображения приобретают четко выраженный трехмерный вид. Возможно использование сигнала вторичных электронов с разрешением изображения менее 0,5 нм.
Обратно рассеянные электроны (BSE) состоят из электронов высокой энергии, возникающих в электронном пучке, которые отражаются или обратно рассеиваются из объема взаимодействия образца в результате упругого рассеяния при взаимодействии с атомами образца. Поскольку тяжелые элементы (с большим атомным номером) рассеивают электроны обратно сильнее, чем легкие элементы (с низким атомным номером), и поэтому кажутся ярче на изображении, BSE используются для обнаружения контраста между областями с различным химическим составом. [15] Детектор Эверхарта-Торнли, который обычно располагается с одной стороны образца, неэффективен для обнаружения обратно рассеянных электронов, поскольку мало таких электронов испускается в телесном угле, охватываемом детектором, а также потому, что сетка обнаружения с положительным смещением имеет небольшую способность привлекать BSE с более высокой энергией. Специальные детекторы обратнорассеянных электронов расположены над образцом в виде «бублика», концентрически с пучком электронов, что максимально увеличивает телесный угол сбора. Детекторы BSE обычно бывают сцинтилляционными или полупроводниковыми. Когда все части детектора используются для сбора электронов симметрично относительно луча, создается контраст атомных номеров. Однако сильный топографический контраст достигается за счет сбора обратно рассеянных электронов с одной стороны над образцом с помощью асимметричного направленного детектора BSE; результирующий контраст выглядит как освещение топографии с этой стороны. Полупроводниковые детекторы могут быть выполнены в виде радиальных сегментов, которые можно включать и выключать для управления типом создаваемого контраста и его направленностью.
Обратнорассеянные электроны также можно использовать для формирования изображения дифракции обратного рассеяния электронов (EBSD), которое можно использовать для определения кристаллографической структуры образца.
Природа зонда СЭМ – энергичные электроны – делает его уникальным для исследования оптических и электронных свойств полупроводниковых материалов. Электроны высокой энергии из луча РЭМ будут вводить носители заряда в полупроводник. Таким образом, электроны пучка теряют энергию, продвигая электроны из валентной зоны в зону проводимости , оставляя после себя дырки .
В материале с прямой запрещенной зоной рекомбинация этих электронно-дырочных пар приведет к катодолюминесценции; Если образец содержит внутреннее электрическое поле, например, присутствующее в pn-переходе , инжекция носителей пучком СЭМ вызовет протекание тока, индуцированного электронным лучом (EBIC). Катодолюминесценция и EBIC называются методами «лучевой инъекции» и являются очень мощными методами исследования оптоэлектронного поведения полупроводников, в частности, для изучения наноразмерных особенностей и дефектов.
Катодолюминесценция , излучение света, когда атомы, возбужденные электронами высокой энергии, возвращаются в свое основное состояние, аналогична флуоресценции, индуцированной УФ - излучением , и некоторые материалы, такие как сульфид цинка и некоторые флуоресцентные красители, демонстрируют оба явления. В последние десятилетия катодолюминесценцию чаще всего воспринимали как излучение света с внутренней поверхности электронно -лучевой трубки в телевизорах и компьютерных ЭЛТ-мониторах. В SEM детекторы CL либо собирают весь свет, излучаемый образцом, либо могут анализировать длины волн, излучаемые образцом, и отображать спектр излучения или изображение распределения катодолюминесценции, излучаемой образцом, в реальном цвете.
Характеристические рентгеновские лучи , образующиеся при взаимодействии электронов с образцом, также могут быть обнаружены с помощью SEM, оборудованного для энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии или рентгеновской спектроскопии с дисперсией по длине волны . Анализ рентгеновских сигналов можно использовать для картирования распределения и оценки содержания элементов в образце.
СЭМ не является камерой , и детектор не обеспечивает непрерывное формирование изображения, как ПЗС- матрица или пленка . В отличие от оптической системы, разрешение не ограничено дифракционным пределом , тонкостью линз или зеркал или разрешением матрицы детекторов. Фокусирующая оптика может быть большой и грубой, а детектор SE размером с кулак просто фиксирует ток. Вместо этого пространственное разрешение РЭМ зависит от размера электронного пятна, которое, в свою очередь, зависит как от длины волны электронов, так и от электронно-оптической системы, создающей сканирующий луч. Разрешение также ограничено размером взаимодействующего объема — объемом материала образца, который взаимодействует с электронным лучом. Размер пятна и объем взаимодействия велики по сравнению с расстояниями между атомами, поэтому разрешение СЭМ недостаточно велико для изображения отдельных атомов, как это возможно с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ). Однако у SEM есть компенсирующие преимущества, в том числе способность отображать сравнительно большую площадь образца; возможность изображения объемных материалов (а не только тонких пленок или фольги); и разнообразие аналитических режимов, доступных для измерения состава и свойств образца. В зависимости от прибора разрешение может находиться в диапазоне от менее 1 до 20 нм. По состоянию на 2009 год обычный в мире СЭМ с самым высоким разрешением (≤30 кВ) может достигать точечного разрешения 0,4 нм с использованием детектора вторичных электронов. [30]
Обычный СЭМ требует, чтобы образцы отображались в вакууме , поскольку газовая атмосфера быстро распространяется и ослабляет электронные лучи. Как следствие, образцы, выделяющие значительное количество пара , например, влажные биологические образцы или нефтеносные породы, должны быть либо высушены, либо криогенно заморожены. Процессы, связанные с фазовыми переходами , такие как сушка клеев или плавление сплавов , транспорт жидкости, химические реакции и системы твердое тело-воздух-газ, как правило, не могут наблюдаться с помощью обычного высоковакуумного СЭМ. При экологическом РЭМ (ЭСЭМ) из камеры откачивается воздух, но водяной пар сохраняется вблизи давления насыщения, а остаточное давление остается относительно высоким. Это позволяет анализировать образцы, содержащие воду или другие летучие вещества. С помощью ESEM стало возможным наблюдение за живыми насекомыми. [31]
Первая коммерческая разработка ESEM в конце 1980-х годов [32] [33] позволила наблюдать образцы в газовых средах с низким давлением (например, 1–50 Торр или 0,1–6,7 кПа) и высокой относительной влажностью (до 100%). . Это стало возможным благодаря разработке детектора вторичных электронов [34] [35] , способного работать в присутствии водяного пара, а также использованию ограничивающих давление апертур с дифференциальной накачкой на пути электронного пучка для разделения область вакуума (вокруг пистолета и линз) от камеры образца. Первые коммерческие ESEM были произведены корпорацией ElectroScan в США в 1988 году. ElectroScan перешла во владение Philips (которая позже продала свое подразделение электронной оптики компании FEI) в 1996 году. [36]
ESEM особенно полезен для неметаллических и биологических материалов, поскольку покрытие углеродом или золотом не требуется. Пластики и эластомеры без покрытия можно регулярно исследовать, как и биологические образцы без покрытия. Это полезно, поскольку покрытие может быть трудно отменить, оно может скрыть мелкие детали на поверхности образца и может снизить ценность полученных результатов. Рентгеновский анализ затруднен при покрытии из тяжелого металла, поэтому в обычных СЭМ обычно используются углеродные покрытия, но ESEM позволяет выполнять рентгеновский микроанализ на непроводящих образцах без покрытия; однако в рентгеновском анализе появляются некоторые специфические для ESEM артефакты. ESEM может быть предпочтительным для электронной микроскопии уникальных образцов, полученных в результате уголовных или гражданских исков, где судебно-медицинский анализ может потребоваться повторить несколькими разными экспертами. Можно изучать образцы в жидкости с помощью ESEM или других методов жидкофазной электронной микроскопии . [37]
СЭМ также можно использовать в режиме передачи, просто встроив соответствующий детектор под тонкий участок образца. [38] Доступны детекторы для светлого и темного поля, а также сегментированные детекторы для кольцевого темного поля от среднего до большого угла . Несмотря на разницу в оборудовании, этот метод до сих пор обычно называют сканирующей трансмиссионной электронной микроскопией (STEM) .
СЭМ часто используется в судебной медицине для расширенного анализа микроскопических объектов, таких как диатомовые водоросли и остатки огнестрельного оружия . Поскольку СЭМ оказывает неразрушающее воздействие на образец, его можно использовать для анализа доказательств, не повреждая их. СЭМ направляет на образец луч электронов высокой энергии, которые отскакивают от него, не изменяя и не разрушая его. Это здорово, когда дело доходит до анализа диатомей. Когда человек умирает в результате утопления, он вдыхает воду, в результате чего содержимое воды (диатомовые водоросли) попадает в кровоток, мозг, почки и т. д. Эти диатомовые водоросли в организме можно увеличить с помощью СЭМ, чтобы определить тип диатомовых водорослей, что поможет понять, как и где умер человек. Используя изображения, полученные с помощью SEM, судебно-медицинские эксперты могут сравнить типы диатомовых водорослей, чтобы подтвердить, в каком водоеме умер человек. [39]
Анализ остатков огнестрельного оружия (GSR) можно проводить с помощью множества различных аналитических инструментов, [40] но SEM является распространенным способом анализа неорганических соединений, поскольку он может точно анализировать типы элементов (в основном металлов) с помощью трех детекторов: обратное рассеяние детектор электронов, детектор вторичных электронов и детектор рентгеновских лучей . GSR можно собрать с места преступления, у жертвы или стрелка и проанализировать с помощью SEM. Это может помочь ученым определить близость и/или контакт с выпущенным огнестрельным оружием. [40]
Электронные микроскопы естественным образом не создают цветных изображений, поскольку СЭМ выдает одно значение на пиксель ; это значение соответствует количеству электронов, полученных детектором за небольшой период времени сканирования, когда луч направлен на положение пикселя (x, y).
Это единственное число обычно представляется для каждого пикселя уровнем серого, образуя монохромное изображение. [41] Однако для получения цветных изображений электронной микроскопии было использовано несколько способов. [42]
Самый простой способ получить цвет — связать с этим единственным числом произвольный цвет, используя справочную таблицу цветов (т. е. каждый уровень серого заменяется выбранным цветом). Этот метод известен как ложный цвет . На изображении BSE можно использовать искусственный цвет, чтобы лучше различать различные фазы образца. [43]
В качестве альтернативы простой замене каждого уровня серого цветом образец, наблюдаемый косым лучом, позволяет исследователям создать приблизительное изображение топографии (см. Далее раздел «Фотометрическая 3D-рендеринг на основе одного изображения СЭМ»). Такая топография затем может быть обработана алгоритмами 3D-рендеринга для более естественной визуализации текстуры поверхности.
Очень часто публикуемые СЭМ-изображения искусственно окрашены. [43] Это может быть сделано для эстетического эффекта, для уточнения структуры или для придания образцу реалистичного внешнего вида и, как правило, не добавляет информации об образце. [44]
Раскраска может выполняться вручную с помощью программного обеспечения для редактирования фотографий или полуавтоматически с помощью специального программного обеспечения с использованием обнаружения признаков или объектно-ориентированной сегментации. [45]
В некоторых конфигурациях на каждый пиксель собирается больше информации, часто за счет использования нескольких детекторов. [46]
Типичный пример: детекторы вторичных электронов и детекторов обратнорассеянных электронов накладываются друг на друга, и каждому изображению, полученному каждым детектором, присваивается цвет [47] [48] с результатом комбинированного цветного изображения, где цвета связаны с плотностью компоненты. Этот метод известен как цветной СЭМ, зависящий от плотности (DDC-SEM). Микрофотографии, полученные с помощью DDC-SEM, сохраняют топографическую информацию, которая лучше улавливается детектором вторичных электронов, и объединяют ее с информацией о плотности, полученной детектором обратно рассеянных электронов. [49] [50]
Измерение энергии фотонов, испускаемых образцом, является распространенным методом получения аналитических возможностей. Примерами являются детекторы энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS), используемые в элементном анализе, и системы катодолюминесцентного микроскопа (CL), которые анализируют интенсивность и спектр электронно-индуцированной люминесценции (например) в геологических образцах. В системах SEM, использующих эти детекторы, эти дополнительные сигналы обычно кодируются цветом и накладываются на одно цветное изображение, чтобы можно было четко увидеть и сравнить различия в распределении различных компонентов образца. При желании стандартное изображение во вторичных электронах можно объединить с одним или несколькими композиционными каналами, чтобы можно было сравнить структуру и состав образца. Такие изображения можно создавать, сохраняя полную целостность исходных данных сигнала, которые никак не модифицируются.
В отличие от СЗМ, СЭМ, естественно, не обеспечивает 3D-изображений . Однако 3D-данные можно получить с помощью SEM различными методами следующим образом.
В этом методе обычно используется четырехквадрантный детектор BSE (в качестве альтернативы для одного производителя - трехсегментный детектор). Микроскоп одновременно создает четыре изображения одного и того же образца, поэтому наклон образца не требуется. Этот метод дает метрологические трехмерные размеры при условии, что наклон образца остается приемлемым. [43] Сейчас (2018 г.) большинство производителей СЭМ предлагают такой встроенный или дополнительный четырехквадрантный детектор BSE вместе с фирменным программным обеспечением для расчета трехмерного изображения в реальном времени. [52]
Другие подходы используют более сложные (и иногда ресурсоемкие) методы, такие как алгоритм оптимальной оценки , и предлагают гораздо лучшие результаты [53] за счет высоких требований к вычислительной мощности.
Во всех случаях этот подход работает за счет интегрирования уклона, поэтому вертикальные уклоны и выступы игнорируются; например, если вся сфера лежит на плоскости, над плоскостью видно немного больше, чем верхняя полусфера, что приводит к неправильной высоте вершины сферы. Заметность этого эффекта зависит от угла наклона детекторов BSE по отношению к образцу, но эти детекторы обычно располагаются вокруг электронного луча (и близко к нему), поэтому этот эффект очень распространен.
Для этого метода требуется изображение СЭМ, полученное при наклонном освещении под малым углом. Затем уровень серого интерпретируется как наклон, а наклон интегрируется для восстановления топографии образца. Этот метод интересен для улучшения зрения и определения формы и положения объектов; однако вертикальную высоту обычно невозможно откалибровать, в отличие от других методов, таких как фотограмметрия. [43]
Одним из возможных применений является измерение шероховатости кристаллов льда. Этот метод может сочетать в себе СЭМ с переменным давлением и трехмерные возможности СЭМ для измерения шероховатости отдельных граней кристаллов льда, преобразования ее в компьютерную модель и проведения дальнейшего статистического анализа модели. [61] Другие измерения включают фрактальную размерность, исследование поверхности излома металлов, характеристику материалов, измерение коррозии и измерения размеров в наномасштабе (высота ступеньки, объем, угол, плоскостность, коэффициент подшипника, копланарность и т. д.). [ нужна цитата ]
СЭМ также используется защитниками произведений искусства для выявления угроз стабильности поверхности картин из-за старения, таких как образование комплексов ионов цинка с жирными кислотами . [62] Криминалисты используют SEM для обнаружения подделок произведений искусства .
Ниже приведены примеры изображений, полученных с помощью SEM.