Skaneeriv elektronmikroskoop

Skaneeriv elektronmikroskoop (lühend SEM) on mikroskoop, mis loob kujutise uuritavat proovi suure energiaga elektronikiire abil skaneerides. Kiirt moodustavad elektronid interakteeruvad pinda moodustavate aatomitega, tekitades signaale, mis sisaldavad teavet pinna kuju, koostise, elektrijuhtivuse ja muude omaduste kohta. SEM võimaldab oluliselt suuremat suurendust kui valgusmikroskoop, sest elektronide lainepikkus on väike. Elektronkiir on väga piiratud ja sellepärast on SEM-il lai teravussügavus, mis tähendab, et samaaegselt fookuses olev prooviala on üsna suur. See lubab uurijal fokuseerida objektil huvipakkuvat ala, mida eelnevalt skaneeriti väiksema suurendusega. Erinevalt transmissioonielektronmikroskoobist (TEM) on kujutis kolmemõõtmeline. Objektide uurimisel SEM-iga on olulised proovide ettevalmistamine, proovi kuivatamine ja elektronkiirest põhjustatud elektrilaengu pinnale kogunemise vältimine. Esimese SEM-pildi saavutas Max Knoll, näidates elektronide kanaliseerumist räniterase kristallis 1935. aastal. 1937. aastal jätkas Manfred von Ardenne SEM-i füüsikaliste aluste ning kiire ja proovi interaktisooni uurimist. Mehele anti küll Briti patent, kuid instrumendi reaalse tootmiseni ta ei jõudnud. Edasi arendasid SEM-i alates 1948. aastast professor Charles Oatley ja tema üliõpilasest uuringukaaslane Dennis McMullan ning 1965. aastal toodeti tööstuslikult esimene SEM, turustajaks Cambridge Scientific Instrument Company. Instrument kandis nime Stereoscan ja paigaldati DuPonti. Elektronide allikana kasutatakse volframi filamente, mis kiirgavad elektrone 2500–3000 K juures, või lantaaniumheksaboriidi LaB6 vardaid, mis kiirgavad elektrone juba 1400–2000 K juures. Allikas asub vaakumis (10−3 Pa), et ei toimuks oksüdeerumine. Kiirgamistemperatuuri on võimalik allapoole tuua, kui teha filamendi ots teravaks ja asetada elektrivälja. Tugeva elektrivälja (E > 109 V/m) tõttu tunnelleeruvad elektronid metallist välja. Elektrivälja jõujoonte tihedus ja seega tugevus on seda suurem, mida suurem on filamendi teravus. 300 K juures elektrone kiirgava filamendi tipu raadius on mikromeetrite suurusjärgus ning ümbritsev rõhk on 10−7Pa, et osakesed teravikku ei lõhuks. Schottky elektronikahuris on wolframi filament kaetud ZrO2-ga ja kuumutatakse 1700 K juurde. Sellisel juhul pole tarvilik tipu suur teravus ja nii kõrge vaakum. Pärast väljumist kiirendatakse elektronid anoodi poole kuni 50 kV elektriväljas. Pärast anoodi läbimist elektronkiir fokuseeritakse elektromagnetläätsedega, mis tekitavad elektronkolonnis telgsümmeetrilise magnetvälja. Elektromagnetlääts koosneb suure keerdude arvuga mähisest, mille voolutugevust (ja seega magnetvälja tugevust ja fookuskaugust) saab muuta. Magnetväli väljutatakse elektronkolonni läätsemagneti "ava" kaudu. Tekkivas magnetväljas mõjub laenguga osakesele Lorentzi jõud F = e ⋅ v × B {\displaystyle {F}={e}\cdot {v}\times {B}} (v osakese kiirus e osakese laeng, B magnetinduktsioon), mis põhjustab elektronide liikumist kitseneva spiraalina. Nii liiguvad teljest kaugemal olevad elektronid fookusesse. Sealjuures liiguvad energiani E{0} kiirendatud elektronid keeruka kolmemõõtmelise trajektooriga läbi fookuse, projekteerides elektronide allika vähendatud kujutise vahetasandile telje suhtes pööratuna. Selle pöörde suurus sõltub läätse tugevusest. Süsteemis töötavad korraga kaks läätse, millel põhimõtteliselt võivad olla eri fookuskaugused. Teise läätse sees on tavaliselt kiirt piirav kondensorläätse ava. Kahekordne kondensorsüsteem koosneb kahest kondensorläätsest ja on kasutatav nii SEM-i kui ka TEM-i juures. Selle ülesanne on kontrollida elektronkiire parameetreid: pinget, kiire läbimõõtu ja konvergentsust. Kiire läbimõõt on umbes 0,4–10 nm. TEM-is suunab kondensorsüsteem elektronikiire otse objektile, kuid SEM-is on kondensorsüsteemi ja objekti vahel veel objektiivlääts, mis kontrollib kiire fokuseeringut objektile ja suurendab kiire konvergentsust. Suuremate suurenduste saamiseks ja aberratsioonide vähendamiseks võib objektiivläätse magnetväli ulatuda uuritava proovini (juhul, kui proov pole magneetuv). Enne objektiivläätse läbib elektronkiir skaneerimismähise, kus risti olevate elektri- või magnetväljadega suunatakse elektronkiir tahetud punkti proovil. Elektriväli genereeritakse kondensaatori plaatide vahel ning elektronkiire kaldenurka saab mõjutada plaatidevahelise pinge muutmisel. Magnetvälja genereeritakse mähise ja raua tuumaga ning elektronkiire kaldenurka saab mõjutada mähist läbiva voolutugevusega. Skaneerimismähisega suunatakse elektronkiirt proovil rida-realt, kuni kogu uuritav piirkond on "üle käidud", ühtlasi muutub detektori skaneerimissamm. Peale elektromagnetläätsede mõjutavad elektronkiire kujunemist ka apertuurid, mis aitavad aberratsioone vähendada. Apertuur on avaus, mis laseb läbi elektronkiiri, mis langevad kitsas kimbus. SEM-is on reaalne ja virtuaalne apertuur. Reaalne apertuur asub objektiivläätse sees proovikambrile lähedal. Reaalne apertuur võib reostuda. Virtuaalne apertuur asub kondenserläätse ja objektiivläätse vahel. Tagasi peegeldunud ja sekundaarseid elektrone püüavad ning registreerivad detektorid, mis asuvad proovikambris. Everharti-Thornley (E-T) detektoris tekitavad elektronid stsintillatsioonimaterjalis valgussähvatuse, mida võimendatakse fotokordistis ja moduleeritakse pildi heleduseks – nii saadakse pilt monitori ekraanile. Stsintillaatorit ümbritsev Faraday puur positiivse potentsiaaliga (400 V) aitab püüda ka vähese energiaga sekundaarseid elektrone. Kui stsintillaatorit ümbritseb negatiivne potentsiaal, siis sekundaarsed elektronid detektorisse ei satu, aga suure energiaga tagasi peegeldunud elektrone negatiivne pinge ei mõjuta. Sellisel juhul saab mõõtmisi teha tagasi peegeldunud elektronide režiimis. Sekundaarsete elektronide režiimis kasutatakse detektorit, mis asub objektiivläätse taga (through-the-lens TTL). See detektor saab signaale ainult sekundaarsetelt elektronidelt, sest läätse magnetväli mõjutab vähese energiaga sekundaarelektrone, aga ei mõjuta suure energiaga tagasi peegeldunud elektrone. Sekundaarsed elektronid liiguvad läätse poole Lorentzi jõu mõjul ning siis detektorisse positiivse pinge tõttu. On veel teisi detektoreid, mis mõõdavad tagasi peegeldunud elektrone. Passiivse stsintillaatoriga detektor registreerib vaid suure energiaga tagasi peegeldunud elektrone. Saab asetada proovi lähedale, sest puudub Faraday puur, mis segaks elektronkiirt. Dioodi detektor annab signaale, kui tagasipeegeldunud elektronid põrkuvad vastu ning tekitavad elektroni-augu paare. See detektor on õhuke, saab asetseda proovi lähedal, aga töötab vaid kõrgete pingete korral. Leidub veel detektoreid, mis muundavad tagasi peegeldunud elektronid sekundaarseteks ning registreerivad nende signaale. Proovile langev elektronkiir tekitab proovis signaale ja elektrivoolu läbi proovi. Proov peab olema elektrit juhtiv, muidu hakkab see laaduma ning elektronkiirt tõrjuma. Elektronid hajuvad aatomite elektronikihtidelt ja pidurduvad uuritava pinna niinimetatud vastastikmõju piirkonnas, mis on 0,1–5 μm paks. See paksus sõltub elektronide energiast, proovi aatomnumbrist ja materjali tihedusest. Tagasipeegeldunud elektronid (ingl backscattered electrons) on langeva kiire elektronid, mis proovilt tagasi põrkuvad. Nende energia on samas suurusjärgus primaarsete elektronide energiaga. Peegeldunud elektronide hulk sõltub materjalist: mida suurem on materjali aatommass, seda rohkem elektrone tagasi peegeldatakse. Seetõttu kasutatakse peegeldunud elektronide režiimi proovi koostise kindlakstegemiseks. Kui proovist väljuva elektroni energia on väiksem kui 50 eV, siis klassifitseeritakse elektron sekundaarseks elektroniks. Sekundaarsed elektronid on proovi juhtivuse elektronid, mis mitteelastsete põrkel kiireelektronidega proovist välja lüüakse. Sekundaarseid elektrone tuleb 5–50 nm sügavuselt proovist. Nende abil uuritakse proovi pinna kuju. Lisaks tekib elektronide pidurdumisel aatomites röntgenikiirgus, mis on iseloomulik aatomite madalamate tasemete elektronide ergastamisele. SEM-iga võib saavutada 10–500 000 kordse suurenduse. Erinevalt valgusmikroskoobist ei sõltu pildi suurendus SEM-is objektiivläätse tugevusest. SEM-is on küll olemas kondensor- ja objektiivläätsed, kuid nende ülesanne on fokuseerida kiirt täpile, mitte luua pilti proovist. Elektronikahuri abil saab luua suhteliselt väikese läbimõõduga kiire, see tähendab, et SEM-iga saab töötada ka kondensor- või objektiivläätse abita, kuigi sellel juhul ei pruugi pilt olla väga püsiv ja resolutsioon võib jääda väiksemaks. Suurendust ei kontrollita SEM-is objektiivläätsede tugevuste, vaid skaneerivatele poolidele tekitatud voolu või deflektorplaatidele rakendatud pinge abil. Elektromagnetläätsedest tulenevaid aberratsioone on raske korrigeerida. Sfäärilist aberratsiooni ja apertuuri difraktsiooni ei saagi kuidagi korrigeerida. Sfääriline aberratsioon tekib, kui elektrone, mis asuvad kiire teljest kaugemal, mõjutavad elektromagnetläätsed rohkem ning need koonduvad teise punkti proovil, fookusesse tekib punkti asemel ketas. Väikeste apertuuride puhul toimub elektronide difraktsioon ning fookusesse tekib punkti asemel difraktsiooni muster. Kromaatilise aberratsiooni puhul koonduvad eri energiaga elektronid eri punktides. Fookusesse tekib ketas, see aberratsioon kaob elektronide kiirendustel üle 10 kV. Saastunud apertuurid, asümmeetrilised elektromagnetläätsed ja muud mehaanilised vead võivad tekitada asümmeetrilise elektronkiire, mille eri pooled koonduvad eri punktides. Seda aberratsiooni saab eemaldada stigmaatoriga. Stigmaatori parameetrite muutmine lisab nõrga lisamagnetvälja elektronkiirele nii, et kiir oleks sümmeetrilisem ja fokuseeruks ühes punktis. Kõikide uuritavate objektide mõõtmed tuleb eelnevalt viia vastavusse proovide kambri omadega ja seejärel kinnitada hoolikalt proovihoidjale. SEM-i mitu mudelit võimaldavad proovi uurida üle kogu 15 cm paksuse pooljuhikihi ja mõni neist lubab nii suurt objekti kallutata kuni 45°. Skaneeriva elektronmikroskoobi ülesvõttel peavad proovid vähemalt oma pinnal elektrit juhtima ja lisaks olema maandatud, et vältida staatilise elektri kogunemist. Metallobjektide korral pole suuremat ettevalmistust tarvis, piisab vaid puhastamisest ja hoolikalt proovihoidjale kinnitamisest. Mittejuhtivad proovid kipuvad elektronkiirega skaneerimisel laaduma, eriti kui kasutatakse sekundaarelektronidega ülesvõtte režiimi. See tekitab skaneerimisvigu ja muid pildi ebatäpsusi. Nende vältimiseks kaetakse proovid üliõhukese elektrit juhtiva materjalikihiga, kasutades väikese hõrendusega pinnakatmist või suure hõrendusega aurufaassadestust. Juhtivad kattematerjalid on tänapäeval kuld, kulla ja pallaadiumi sulam, plaatina, osmium, iriidium, volfram, kroom ning grafiit. Lisaks võib kate suurendada väikese aatominumbriga proovide signaalitugevust, sõltuvalt suurema aatominumbriga materjalide sekundaarelektronide eraldumise kasvust. Knoll, Max (1935). "Aufladepotentiel und Sekundäremission elektronenbestrahlter Körper". Zeitschrift für technische Physik. 16: 467–475. von Ardenne, Manfred (1939). "Das Elektronen-Rastermikroskop. Theoretische Grundlagen". Zeitschrift für Physik (German). 108 (9–10): 553–572. Bibcode:1938ZPhy..109..553V. DOI:10.1007/BF01341584. ISSN 0044-3328.{{cite journal}}: CS1 hooldus: tundmatu keel (link) von Ardenne, Manfred (1938). "Das Elektronen-Rastermikroskop. Praktische Ausführung". Zeitschrift für technische Physik (German). 19: 407–416.{{cite journal}}: CS1 hooldus: tundmatu keel (link) von Ardenne M. Improvements in electron microscopes "50 Years of Research and Development". Originaali arhiivikoopia seisuga 23. november 2011. Vaadatud 3. novembril 2011. Broers, A.N. (1991). "Electron gun using long-life LaB6 cathode". British Journal of Applied Physics. 38. David B. Williams, C. Barry Carter "Transmission electron microscopy. A Textbook for Materials Science" Springer, 2009, lk 77-81 Haine, Einstein (1952). "Characteristics of the hot cathode electron microscope gun". British Journal of Applied Physics. 3. Väino Sammelselg: Skaneeriv elektronmikroskoopia (SEM) Reimer, Ludwig. "Scanning Electron Microscopy: Physics of Image Formation and Microanalysis", Springer, 1985, Berlin Tõnu Laas. "Eksperimentaalfüüsika konspekt" (PDF). Vaadatud 13.12.2011. Goldstein, Joseph. "Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis", Springer, 1985, Berlin Skaneeriva elektronmikroskoopia videoloeng Kuidas töötab skaneeriva elektronmikroskoobi töölaud Õhukese lamelli valmistamine fokuseeritud ioonkimbu ja nanomanipulaatori abil Karakteristliku röntgenikiirguse teke kiirendatud elektronide toimel