Popis mikroskopie SEM

Díky elektronovým mikroskopům vědci odhalují spoustu neprobádaných oblastí například v medicíně, výzkumu nových léčiv, archeologii, kriminalistice nebo leteckém průmyslu. Historie elektronové mikroskopie v Brně se začala psát v roce 1947, kdy byly do tehdejšího Československa v rámci poválečné pomoci dodány první dva elektronové mikroskopy. Podle nich začali vědci na půdě Ústavu teoretické a experimentální elektrotechniky Vysokého učení v Brně experimentovat s elektronovými čočkami. O pár let později tým pod vedeném profesora Aleše Bláhy, do kterého patřil Armin Delong, Vladimír Drahoš, Ladislav Zobač a konstruktér Jan Speciálny, sestrojil první československý komerčně dostupný elektronový mikroskop Tesla BS 241. Na úspěch prvního tým navázal stolním elektronovým mikroskopem Tesla BS 242, který oslnil i světovou porotu na výstavě EXPO 1958 v Bruselu. Aktuálně v Brně působí tři významní producenti elektronových mikroskopů: Thermo Fisher Scientific, Tescan a Delong Instruments, kteří ročně celkem vyrobí zhruba 700 kusů těchto přístrojů.

Optický mikroskop pro zobrazení využívá světelných paprsků. V elektronovém nahrazují světlo elektrony a místo skleněných čoček se využívají čočky elektromagnetické. A protože vlnová délka elektronů je podstatně kratší než u viditelného světla, má elektronový mikroskop také vyšší rozlišovací schopnost, díky čemuž dosahuje mnohem vyššího zvětšení než optický mikroskop. Optický mikroskop zvětšuje při obyčejném světle cca 1500 x. Oproti tomu elektronové mikroskopy dokážou zvětšit pozorovaný objekt až milionkrát. Princip fungování elektronového mikroskopu krásně shrnul Pavel Liška v jednom z dílů NEZkreslené vědy. Elektronový mikroskop nepracuje se světlem, ale s elektrony, proto jsou všechny snímky v odstínech šedi.

Existují dva základní druhy elektronových mikroskopů - prozařovací (transmisní elektronová mikroskopie - TEM) a rastrovací (skenovací elektronová mikroskopie - SEM). U prozařovacího elektronového mikroskopu elektrony procházejí skrz zkoumaný vzorek a poté jsou detekovány. Je zapotřebí používat tenké vzorky a vysoké energie, aby mohly elektrony zkoumaným předmětem projít. Velikost elektronových mikroskopů je velmi rozmanitá. Některé elektronové mikroskopy jsou velmi kompaktní a pohodlně se vejdou na stůl. Vždy záleží na konkrétním druhu přístroje. Skenovací (řádkovací) elektronový mikroskop (SEM) je podobně jako klasický mikroskop optický přístroj. Na rozdíl od běžných světelných mikroskopů využívá jako zdroj záření elektrony namísto fotonů a elektromagnetických čoček namísto čoček skleněných. Celý vnitřní prostor mikroskopu, jak samotný elektronový svazek, tak i vzorek, jsou ve vakuu, aby nedocházelo k interakci elektronů s vnější atmosférou.

Vzorek pozorovaný v SEM musí být vodivý, tudíž pro pozorování nevodivých materiálů je třeba vzorek předem opatřit vrstvou kovového prášku (tzv. naprášit). Pro studium či analýzu povrchu využíváme interakce elektronového svazku se vzorkem, čímž získáváme celou řadu informací, ať už mikrostrukturu, krystalografické uspořádání či chemické složení materiálu. Pro jejich získání musí být mikroskop opatřen detektory, které tyto informace sbírají. Zjednodušeně se dá říct, že pro SEM jsou typické informace, které se z povrchu a malého objemu pod povrchem (nazýván interakční objem) odrazí zpět. Sekundární elektrony SE jsou elektrony generované přímo z místa dopadu primárního svazku do hloubky maximálně několika desítek nanometrů. Jsou nositeli informace o topografii, čili tvaru povrchu vzorku. Díky velké hloubce ostrosti a vysoké rozlišovací schopnosti využíváme obrazu vzniklého zpracováním signálu sekundárních elektronů pro analýzu povrchů a struktur či pro měření rozměrů, např. částic. Jelikož jsou sekundární elektrony detekovány pod určitým úhlem vůči povrchu vzorku, vznikají na obraze světlejší a tmavší místa, která vytvářejí trojrozměrný efekt. Zpětně odražené elektrony (Bs) pochází na rozdíl od sekundárních elektronů z větší hloubky interakčního objemu materiálů a nesou informaci nejenom topografickou, ale i materiálovou, což je dobře viditelné, budeme-li pozorovat vzorek v obrazovém módu, z prvního a posledního obrázku.

Na prvním obrázku jsou vidět částice zlata na uhlíkové podložce. Výrazný kontrast mezi nanesenými částicemi a podložkou je způsobem vysokým rozdílem atomových čísel obou prvků, tzn. vyšší atomové číslo je znázorněno světlejší barvou. Kontrast tedy není způsoben pouze topografií povrchu, jako je tomu u sekundárních elektronů, ale také jednotlivými prvky obsaženými v materiálu. Rozdíl mezi pozorováním stejného objektu pomocí sekundárních a zpětně odražených elektronů je patrný z posledních obrázků u obou kategorií. Zpětně odražené elektrony umožňují pozorování vzorku také v módu difrakce neboli odrazu. Tento mód nám poskytuje informace o krystalografii materiálu, tzn. o orientaci mřížky a mřížkových parametrech, které lze zobrazit v barevných mapách (viz druhý obrázek, metoda EBSD), či v tzv. Kikuchicho obrazcích (třetí obrázek).

Dalším ze signálů, který dopadem primárního svazku elektronů získáváme, je charakteristické rentgenové RTG záření. Tento signál pochází z hloubky maximálně v řádech jednotek mikronů interakčního objemu a dává nám, s ohledem na použité detektory, kvalitativní a kvantitativní data o chemickém složení materiálu, tzv. prvková spektra. Pro detekci charakteristického RTG záření lze použít detektory EDS (energiově disperzní spektrometrie) či WDS (vlnově disperzní spektrometrie). Rozdíl mezi těmito detektory je značný. Zatímco pomocí EDS analyzujeme celé vyzářené spektrum, s WDS analyzujeme prvek po prvku na základě charakteristické vlnové délky RTG záření. EDS je rychlejší, ale s nižší přesností a vyššími detekčními limity, zatímco WDS je sice poměrně zdlouhavá, ale velmi přesná a detekční limity se pohybují v řádech setin procenta obsahu prvku.

Zvláštními případy získaných signálů jsou katoluminiscence a Augerovy elektrony. Zatímco katoluminiscence umožňuje pozorování reálného barevného obrazu, Augerovy elektrony umožňují prvkovou analýzu materiálu. Augerové elektrony se označují ty elektrony, které vznikají při přechodu elektronů z vyšších energetických hladin do vakance, při němž se uvolní kvantum energie. Tato energie může být vyzářena ve formě fotonu (charakteristického RTG záření) nebo předána některému elektronu ve vnější slupce, který tím získá dostatek energie k tomu, aby atom opustil a došlo k emisi tzv. Augerova elektronu. Augerovy elektrony se výrazně projevují u lehčích prvků, například uhlík, dusík či bór.

Speciálním typem SEM mikroskopů jsou dvojsvazkové mikroskopy, které mají kromě primárního svazku elektronů také fokusovaný iontový svazek a jsou označovány jako SEM-FIB. Toto uspořádání umožňuje mikroobrábění vzorků a in situ experimenty v případě, že mikroskop je vybaven nanoindenterem. Pro lepší představu takový experiment probíhá tak, že si v konkrétním místě vytvoříme FIBem trámeček a ten pak můžeme nanoindentorem natahovat nebo ohýbat a sledovat změny.

Historie a současnost Brna v elektronové mikroskopii

Chcete se dozvědět víc? Vřele doporučujeme práci našich kolegů z Fyzikálního ústavu AV ČR. Rozlišovací schopnost a maximální použitelné zvětšení optického mikroskopu jsou omezeny rozsahem vlnových délek viditelného světla. Fyzikální mez rozlišovací schopnosti optického mikroskopu je tak necelých 200 nm a maximální užitečné zvětšení mikroskopu s kvalitní optikou a imerzním objektivem nepřesáhne 1500×. Vlnové délky urychlených elektronů jsou o mnoho řádů menší než vlnové délky fotonů.

SEM-FIB umožňuje studium vzorků ve 3D s přesností desítek nanometrů, případně výrobu vzorků pro TEM z definovaných míst o finální tloušťce pod 100 nm. V laboratoři SEM máme dva mikroskopy umožňující širokou škálu analytických metod; oba jsou vybaveny autoemisní katodou a detektorem EDS pro rychlou prvkovou analýzu. Kontaktní osoba: RNDr.

Další technikou je in-situ TEM, kde vzorek ohříván či natahován přímo v mikroskopu a změny zaznamenávány kamerou. Obrázky ukazují například in-situ plastickou deformaci slitiny Fe-3hm.%Si v TEM při pokojové teplotě a rostoucí množství dislokací. High Resolution TEM umožňuje zobrazení jednotlivých atomů uspořádaných v krystalové mřížce materiálu, ale vyžaduje specifickou orientaci vzorku vůči primárnímu svazku.

První pokusy s TEM vznikly v roce 1931 a první komerční SEM vznikl v roce 1965. Typický SEM umožňuje pozorování vzorků až do velikosti vakuové komory. Dvousvazkové mikroskopy (SEM-FIB) umožňují in situ zkoumání a mikroobrábění, například pro přípravu vzorků pro TEM nebo pro 3D analýzu.

Obrázky ukazují mimo jiné tenká vlákna křemíku (nanodráty) připravené PECVD a diamantovou vrstvu připravenou metodou MWPECVD; oba materiály mají potenciál pro senzory, biokompatibilitu a elektronické aplikace. Nanopóry z Al2O3 vznikly anodizací a cílem je materiál pro paměťová média. Zlato na uhlíkové podložce demonstruje kontrast založený na rozdílu atomových čísel.

Poslední snímek ukazuje nečistotu na vyleštěném monokrystalu hořčíku. Cílem této prezentace bylo seznámit zájemce s problematikou elektronové mikroskopie a jejím využitím při výzkumu, ačkoliv výčet technik není zdaleka kompletní a některé pasáže mohou být zjednodušené.

Praktické aspekty a tipy pro práci s SEM

Rastrovací elektronový mikroskop (SEM) se používá pro mimořádně přesnou analýzu mikrostruktur součástí s vysokou hloubkou ostrosti a vysokým rozlišením. Tato metoda vytváří obrazové snímky povrchu vzorku s velmi velkým zvětšením a umožňuje rychlou 3D analýzu poruch. Průřezová analýza materiálu v pouhých čtyřech krocích usnadňuje pochopení struktury. ZEISS ZEN core je software pro propojenou mikroskopii a analýzu obrazu. Pro automatickou segmentaci a lepší analýzu složek druhé fáze u dvoufázové oceli se používá ZEISS ZEN Intellesis. Automatická kontrola velkých a malých dílů je součástí moderních pracovišť.

Třídění vzorků a příprava vzorků je klíčová část elektronové mikroskopie. Mikroskop je vybaven detektory pro SEM/SE, EDX pro prvkovou analýzu, TEM/EDX a dalšími režimy pro difrakci a analýzu materiálů. Příprava vzorků je klíčová a často rozhoduje o výsledku analýzy. Difrakční obrazy a ED difraktogramy se získávají v rámci SEM/EDX i TEM režimů. Přehledná práce s daty vyžaduje software pro analýzu obrazu a spekter.

tags: #popis #mikroskopie #sem