Ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης

Το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (ΗΜΣ) είναι ένα από τα όργανα της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας, με το οποίο μπορούμε να εξετάζουμε την επιφάνεια αντικειμένων με την χρήση ηλεκτρονικής δέσμης. Σε αντιστοιχία με τα μικροσκόπια που χρησιμοποιούν φως και κοινούς φακούς για την δημιουργία ειδώλου ενός αντικειμένου, στο ΗΜΣ χρησιμοποιούνται ηλεκτρόνια και ηλεκτρομαγνητικοί φακοί για την δημιουργία ειδώλου της επιφανείας ενός αντικειμένου στην οθόνη ηλεκτρονικού υπολογιστή ή μιας τηλεόρασης. Για τη λειτουργία αυτού του οργάνου είναι απαραίτητη συνθήκη να δημιουργείται ικανοποιητικό "κενό" με διαρκή άντληση του αέρα μετά την εισαγωγή του προς εξέταση αντικειμένου (δείγματος) στο μικροσκόπιο.
thumb

 Ιστορικό 
Δημιουργός του ΗΜΣ είναι ο Μάνφρεντ φον Αρντένε (Manfred von Ardenne) λίγο πριν τον Β' Παγκόσμιο Πόλεμο. Ο φον Αρντένε δημοσίευσε τις θεωρητικές βάσεις και σύντομα ακολούθησε η περιγραφή της πρακτικής εκτέλεσης με πρόσθετα πειραματικά  αποτελέσματα. Η πρώτη σάρωση της ηλεκτρονική δέσμης έγινε σε οριζόντιες παράλληλες γραμμές μέσα σε ένα πολύ μικρό ορθογώνιο πλέγμα (raster) διαπερνώντας ένα λεπτό υμένιο δείγματος με την ταυτόχρονη μηχανική κίνηση υποκειμένου φωτογραφικού φιλμ σε χρόνο 20 λεπτών. Οι πρώτες εικόνες δεν είχαν την ποιότητα που γνωρίζουμε σήμερα, αλλά η αρχή του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης είχε επιδειχθεί πλήρως μαζί με το πρώτο ΗΜΣ μεγάλης μεγέθυνσης. Το ΗΜΣ αναπτύχθηκε περαιτέρω από την ομάδα του ZworykinZworykin VA, Hillier J, Snyder RL (1942) A scanning electron microscope. ASTM Bull 117, 15-23., και ακολούθως από τις ερευνητικές ομάδες στο Cambridge την δεκαετία του 1950 και αρχές του 1960McMullan, D. (1953) An improved scanning electron microscope for opaque specimens. Proc Inst Electr Engrs 100, Part II, 245-259Oatley CW, Nixon WC, Pease RFW (1965) Scanning electron microscopy. Adv Electronics Electron Phys 21, 181-247.Smith KCA, Oatley, CW (1955) The scanning electron microscope and its fields of application Br J Appl Phys 6, 391-399.Wells OC (1957) The construction of a scanning electron microscope and its application to the study of fibres. PhD Dissertation, Cambridge University. με επικεφαλής τον Charles Oatley. Όλες αυτές οι εργασίες οδήγησαν στη κατασκευή του πρώτου εμπορικού οργάνου που διατέθηκε στην αγορά από την εταιρεία Cambridge Scientific Instruments Company με το όνομα "Stereoscan" το 1965. Περισσότερες πληροφορίες για το αρχικό ιστορικό του ΗΜΣ έχει δημοσιεύσει ο McMullan McMullan, D. (1995) Scanning electron microscopy 1928–1965. Scanning 17, 175–185. McMullan, D.  (1988) Von Ardenne and the scanning electron microscope. Proc Roy Microsc Soc 23, 283-288..

 Πώς δουλεύει 
Ο τρόπος με τον οποίο λειτουργεί το ΗΜΣ περιγράφεται συνοπτικά παρακάτω. Για λεπτομέρειες υπάρχουν πολλά εγχειρίδια αλλά και ολοκληρωμένα βιβλία όπως του Reimer  και των Goldstein et al.. 

Αρχές
Το ΗΜΣ αποτελείται (α) από την ηλεκτρονική οπτική κολόνα, μέσα στην οποία δημιουργείται η ηλεκτρονική δέσμη και (β) από το θάλαμο δοκιμίων και ανιχνευτών. Η ηλεκτρονική οπτική κολόνα περιέχει το θάλαμο ηλεκτρονικού πιστολιού (electron gun) όπου γεννιέται η δέσμη ηλεκτρονίων και από την περιοχή ηλεκτρομαγνητικών φακών, οι οποίοι εστιάζουν τη δέσμη σε ένα πάρα πολύ μικρό σημείο (ή δέσμη) (beam-spot, probe) με όσο το δυνατό μεγάλη πυκνότητα ηλεκτρονίων. Η εστιασμένη ηλεκτρονική δέσμη (probe, καθετήρας;) προσπίπτει στην επιφάνεια του δοκιμίου που δημιουργεί εκπομπές ανάλογα με τις ιδιότητες του υλικού στο σημείο πρόσπτωσης. Επί πλέον, η δέσμη σαρώνεται στην επιφάνεια του δοκιμίου σε παράλληλες ευθείες γραμμές μέσα σε ένα πάρα πολύ μικρό τετράγωνο με τον ίδιο τρόπο που σαρώνεται η δέσμη ηλεκτρονίων μέσα στην οθόνη της αναλογικής τηλεόρασης.  Η διαφορά είναι μόνο ποσοτική: Στην τηλεόραση η σάρωση καλύπτει μία μεγάλη επιφάνεια, ενώ στο ΗΜΣ καλύπτει το πολύ μέχρι λίγα χιλιοστά, ενώ τελικά φτάνει να καλύπτει μόνο ένα ελάχιστο ορθογώνιο με διαστάσεις μικρού κλάσματος του χιλιοστού ανάλογα με την ικανότητα κάθε οργάνου. Έτσι, η βασική αρχή του ΗΜΣ είναι πρώτα να συγχρονίζουμε τη σάρωση της δέσμης του με την σάρωση μιας εξωτερικής οθόνης (τηλεόρασης ή υπολογιστή), ενώ ταυτόχρονα να ανιχνεύουμε τις παραγόμενες εκπομπές από το δοκίμιο και να τις διοχετεύουμε στην οθόνη, όπου έτσι δημιουργείται ένα είδωλο ανάλογα με τις εκπομπές του δοκιμίου.  Δηλαδή προβάλουμε μία πάρα πολύ μικρή επιφάνεια του εξεταζομένου αντικειμένου στην μεγάλη μας οθόνη δημιουργώντας έτσι απλά μία τεράστια μεγέθυνση.  Όσο πιο πολύ μικρή επιφάνεια ένα ΗΜΣ μπορεί να σαρώσει, τόσο πιο μεγάλη μεγέθυνση επιτυγχάνεται. Το μεγάλο κατόρθωμα της απλής αυτής αρχής έγκειται στη τεχνολογική παραγωγή μιας τόσο τεράστια μικρής δέσμης μέσα στο ΗΜΣ, αν φανταστούμε πως η δέσμη στη μεγάλη μας οθόνη είναι σχεδόν αόρατη από απόσταση στο γυμνό οφθαλμό, για να έχουμε μια καθαρή εικόνα.        

 Ανίχνευση εκπομπών 
Με την πρόσπτωση της δέσμης στην επιφάνεια του δείγματος, τα ηλεκτρόνια αντιδρούν με τα μόρια ή άτομα του σώματος και παράγουν μία πληθώρα εκπομπών (signals), που είναι χαρακτηριστικές των τοπογραφικών και υλικών ιδιοτήτων του σώματος σε συνάρτηση πάντα με την ταχύτητα των ηλεκτρονίων.  Η ταχύτητα των ηλεκτρονίων ρυθμίζεται από τον χρήστη με τη μεταβολή του δυναμικού επιτάχυνσης (accelerating voltage) στο ηλεκτρονικό πιστόλι. Τέσσερα κύρια είδη τέτοιων εκπομπών χρησιμοποιούνται για την απεικόνιση και ανάλυση του δοκιμίου, σημείο προς σημείο, κατά την διάρκεια της σάρωσης και δημιουργίας του ειδώλου ή των φασματογραμμάτων. Συγκεκριμένα, αυτές είναι τα οπισθοσκεδαζόμενα ηλεκτρόνια (ΟΣΗ), τα δευτερογενή ηλεκτρόνια (ΔΗ), ακτίνες Χ και καθοδοφωτοβολία (ΚΦ). Υπάρχουν επίσης και μερικές υποκατηγορίες όπως τα ηλεκτρόνια auger και φιλτραρισμένα ή αντανακλόμενα ΟΣΗ. 

Οπισθοσκεδαζόμενα ηλεκτρόνια 
Τα ηλεκτρόνια της δέσμης προσκρούοντας με το σώμα υφίστανται ένα αριθμό σκεδασμών μέσα στο σώμα πριν είτε απορροφηθούν είτε εξέλθουν πάλι έξω από το σώμα προς όλες τις διευθύνσεις. Τα τελευταία αυτά ηλεκτρόνια ονομάζονται οπισθοσκεδαζόμενα (ΟΣΗ) (backscattered electrons, BSE). Η ενέργεια αυτών των ηλεκτρονίων διαφέρει ανάλογα με τον αριθμό και το είδος των σκεδασμών που υπέστησαν κατά την διάρκεια της αλληλεπίδρασης μέσα στο σώμα. Με κάθε ανελαστική σύγκρουση χάνουν και λίγη ενέργεια όταν π.χ. παράγεται ιονισμός, ή διέγερση, ή μοριακή διάσπαση, ή θερμότητα κ.ά. Υπάρχουν και λίγα σχετικά ηλεκτρόνια που εξέρχονται με σχεδόν μηδενική απώλεια ενέργειας και είναι αυτά  που δεν προλαβαίνουν να ταξιδεύσουν εντός της ύλης αλλά εξέρχονται με αντανάκλαση αμέσως, δηλαδή είναι αυτά με ελαστικές συγκρούσεις.  Έτσι, τα ΟΣΗ χαρακτηρίζονται από ένα ολόκληρο φάσμα ενεργειών μέχρι και την αρχική ενέργεια της δοσμένης δέσμης. Γενικά συνάγεται, ότι όσα έχουν μικρότερη ενέργεια πιθανότερο να προέρχονται από μεγαλύτερο βάθος και αντίστροφα. Για παράδειγμα, το μέσο βάθος αλληλεπίδρασης είναι μερικά μικρά (χιλιοστά του χιλιοστού) με τη χρήση δέσμης 20 kV, ή κάτω από ένα μικρό για λιγότερο από 3 kV, αλλά αυτό εξαρτάται πολύ και από την φύση του αντικειμένου.  Αντικείμενα με μεγάλο ατομικό αριθμό και πυκνότητα έχουν μικρό όγκο αλληλεπίδρασης (ή εμβέλεια δέσμης), και αντίστροφα για υλικά με μικρό ατομικό αριθμό και πυκνότητα.

Βάσει των παραπάνω, έχουμε τη δυνατότητα να εκλέγουμε το κλάσμα εκείνο των ΟΣΗ που μας ενδιαφέρει περισσότερο.  Εάν θέλουμε να επικεντρώσουμε το ενδιαφέρον μας στην πιο μικρή δυνατόν περιοχή, τότε πρέπει ο αντίστοιχος ανιχνευτής ΟΣΗ να είναι κατάλληλα σχεδιασμένος, και εδώ έχει δημιουργηθεί μεγάλη έρευνα ανά τις δεκαετίες.  Οι διάφοροι κατασκευαστές οργάνων όμως αρκούνται σε συγκεκριμένους τύπους ανιχνευτών ανάλογα με τις προδιαγραφές του κάθε προϊόντος.

Δευτερογενή ηλεκτρόνια
Κατά τη διάρκεια της αλληλεπίδρασης των πρωτογενών ηλεκτρονίων μέσα στη μάζα του εξεταζομένου σώματος, παράγεται ιονισμός, δηλαδή η ελευθέρωση δευτερογενών ηλεκτρονίων (ΔΗ) (secondary electrons, SE) από το υλικό. Τα ΔΗ αντιδρούν με τη σειρά τους μέσα στο υλικό και είτε επανασυνδέονται με θετικά ιόντα, είτε δημιουργούν χημικές αντιδράσεις, όπως ραδιόλυση, και γενικά μεταβάλλουν τη φύση του αντικειμένου σε κάποιο βαθμό, αμελητέο ή μη ανάλογα με το ποσό και ενέργεια του δόσης ηλεκτρικού φορτίου και τη φύση του υλικού. Τα περισσότερα ΔΗ χαρακτηρίζονται από μικρή ενέργεια μερικών ηλεκτρονιοβολτ (eV), κατά συνθήκη όμως συγκαταλέγουμε σε αυτά όλα όσα έχουν μέχρι περίπου 50 eV. Όσα από τα ΔΗ ευρίσκονται σε μικρή απόσταση διαφυγής από την επιφάνεια του υλικού, μπορούν και ξεφεύγουν προς τα έξω προς διάφορες κατευθύνσεις, όπως και τα ΟΣΗ. Ο αριθμός των ΔΗ που εκπέμπονται είναι επίσης συνάρτηση των ιδιοτήτων του υλικού και, ανιχνευόμενα με κατάλληλα μέσα, χρησιμοποιούνται επίσης για τη δημιουργία ειδώλων της σαρωνόμενης επιφάνειας.

Τα ΔΗ λοιπόν παράγονται κατ' αρχήν στο σημείο ακριβώς και πολύ κοντά σε αυτό της πρόσπτωσης της αρχικής δέσμης, αλλά και σε όλη την έκταση από την οποία εξέρχονται τη ΟΣΗ. Η ανίχνευση όλων αυτών των ΔΗ αδιακρίτως θα αντιστοιχούσε σε ένα ανάλογο είδωλο με αυτό των ΟΣΗ.  Τυχαίνει όμως ο σχετικός αριθμός των ΔΗ που παράγονται άμεσα από την εισερχόμενη δέσμη να είναι σημαντικός σε βαθμό που η χωρική κατανομή τους να δημιουργεί μία ευδιάκριτη ακίδα (αιχμή) σε σχέση με την χωρική κατανομή όλων των υπολοίπων.  Έτσι, είναι δυνατόν σχετικά εύκολα να ξεχωρίζουμε την ανίχνευση αυτών από τα υπόλοιπα, και τα ελαχιστότατα στοιχεία (κουκκίδες) της εικόνας που σχηματίζεται να αντιστοιχούν στο μικρότερο δυνατόν διακριτικό όριοPeters KR (1982), Conditions required for high quality high magnification images in secondary electron-I scanning electron microscopy, Scanning Electron Microscopy, (Pt4) 1359-72  .

Σχετικά πάλι με τα ΟΣΗ, και αυτά διακρίνονται από μία ακίδα (αιχμή) στην χωρική κατανομή τους γύρω από την εισερχόμενη δέσμη, αλλά αυτή έχει κάπως μεγαλύτερο πλάτος και μικρότερη σχετική έντασηMurata K (1974) Spatial distribution of backscattered electrons in the scanning electron microscope and electron microprobe, J. Appl. Phys. 45, 4110-4117 (. Η κορυφή αυτή είναι γνωστή ως Murata peak και αποτελεί το καθοριστικό (ultimate) διακριτικό όριο των ΟΣΗ.

Ακτίνες Χ

Στην αλληλεπίδρασή της, η ηλεκτρονική δέσμη με το υλικό δημιουργεί επίσης ακτίνες Χ. Αυτές προέρχονται από την αποδιέγερση των προηγούμενα αναφερομένων διεγερμένων ατόμων του υλικού. Είναι γνωστό από την ατομική φυσική, ότι ηλεκτρόνια, που μεταπηδούν από υψηλά τροχιακά σε χαμηλά μικρότερης ενέργειας, εκπέμπουν ακτίνες Χ με ενέργεια ίση με τη διαφορά ενέργειας των αντίστοιχων τροχιακών. Έτσι, αυτές οι ακτίνες είναι χαρακτηριστικές των ατόμων από τα οποία προέρχονται, και με την ανίχνευσή τους μπορούμε να γνωρίζουμε την φύση των υλικών που σαρώνονται ταυτόχρονα με την χωρική και ποσοτική κατανομή τους.  Κάνουμε δηλαδή μία ακτινογραφία σε μια πάρα πολύ μικρή περιοχή του αντικειμένου με ένα μεγάλο αριθμό πληροφοριών. Αυτό  λέγεται μικροανάλυση ακτίνων Χ (X-ray micronalysis). 

Εδώ όμως η πιο μικρή περιοχή που μπορούμε να διακρίνουμε είναι μεγαλύτερη κατά πολύ από αυτή των ΟΣΗ και των ΔΗ, διότι οι ακτίνες Χ έχουν μεγάλη διαπερατότητα σε όλα τα υλικά και προέρχονται από ολόκληρο τον όγκο αλληλεπίδρασης της δέσμης με το συγκεκριμένο υλικό.  Αυτός ο όγκος είναι πιο μεγάλος από τον αντίστοιχο όγκο παραγωγής των ΟΣΗ και ΔΗ, αλλά παραμένει σχετικά μικρός πάλι στην περιοχή των μικρών. Η χρήση χαμηλού δυναμικού δέσμης πάλι μειώνει τον διακριτικό όγκο, αλλά επίσης μειώνει και την δυνατότητα παραγωγής ακτίνων Χ υψηλής ενέργειας, δηλαδή μειώνει το διαγνωστικό φάσμα του συστήματος.  Η αύξηση του δυναμικού της δέσμης αυξάνει το πληροφοριακό δυναμικό των ακτίνων Χ, αλλά συνεπάγεται και μείωση του διακριτικού ορίου με αυτό τον τρόπο ανίχνευσης.

Καθοδοφωτοβολία
Ταυτόχρονα με τις προηγούμενες εκπομπές, παράγονται επίσης και φωτόνια χαμηλότερης ενέργειας που αντιστοιχούν στο ορατό, υπέρυθρο και υπεριώδες μήκος κύματος.  Αυτές οι εκπομπές προέρχονται από αποδιέγερση ατόμων και επανασύνδεση ιόντων/ηλεκτρονίων που συνοδεύονται από μεταπτώσεις των ηλεκτρονίων μεταξύ τροχιακών με μικρή διαφορά ενέργειας. Παράγεται δηλαδή φθορισμός και φωσφορισμός από την διέγερση ατόμων από τα προσπίπτοντα ηλεκτρόνια, γνωστά επίσης ως καθοδικές ακτίνες από την ατομική φυσική, με συνέπεια οι εκπομπές αυτές να έχουν επικρατήσει ως καθοδοφωτοβολία (ΚΦ) (cathodoluminscence, CL).

Όταν ένα μικροσκόπιο διαθέτει ειδικούς ανιχνευτές καθοδοφωτοβολίας, τότε προβάλλεται στην οθόνη το αντίστοιχο είδωλο της σαρωνόμενης επιφάνειας αποκαλύπτοντας άλλες ιδιότητες του υλικούGustafsson A. and Kapon E. (1998) Cathodoluminescence in the scanning electron microscope: Application to low-dimensional semiconductor structures, Scanning Electron Microscopy, Vol. 12, 285-299. Αυτή η πολύ χρήσιμη διάσταση δεν έχει διαδοθεί ακόμη πάρα πολύ σύμφωνα το σχετικά λιγότερο αριθμό δημοσιεύσεων.

Ρεύμα δοκιμίου
Η ηλεκτρονική δέσμη που προσπίπτει στο δοκίμιο αποτελεί ένα ηλεκτρικό ρεύμα που τελικά διαχέεται μέσω του υλικού στη γη, δηλαδή κλείνει το κύκλωμα ηλεκτρικού ρεύματος με την γείωση του αντικειμένου. Η ένταση ρεύματος της ηλεκτρονικής δέσμης είναι σταθερά κατά τη διάρκεια της σάρωσης, αλλά η ένταση του απορροφούμενου από το αντικείμενο ρεύματος μεταβάλλεται από σημείο σε σημείο, διότι εκπέμπεται ένα κλάσμα ρεύματος εκτός αντικειμένου ίσον με το άθροισμα ρεύματος των ΟΣΗ+ΔΗ.  Δηλαδή, το απορροφούμενο ρεύμα είναι το συμπλήρωμα του συνολικά εκπεμπόμενου ρεύματος. Αυτό το απορροφούμενο ρεύμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την διαμόρφωση της εικόνας του ΗΣΜ και ισοδυναμεί με το αρνητικό είδωλο που θα παραγόταν εάν χρησιμοποιούσαμε το άθροισμα των ΟΣΗ+ΔΗ.  Άρα δεν είναι μία ανεξάρτητη πηγή πληροφοριών και δεν χρησιμοποιείται συχνά λόγω και άλλων τεχνικών μειονεκτημάτων. Η αρχική αυτή έννοια του "απορροφουμένου" ρεύματος έχει πια αναθεωρηθεί με τον ερχομό της νεώτερης τεχνολογίας του περιβαλλοντικού ΗΣΜ

 Αντίθεση, διάκριση και διακριτική ικανότητα 
Αντίθεση: Για να δημιουργηθεί ένα είδωλο στην όθόνη κατά τη διάρκεια της σάρωσης, είναι απαραίτητο το αντικείμενο να παρουσιάζει κάποιες διαφορές στην επιφάνειά του, οι οποίες θα δημιουργήσουν μία αντίθεση στο είδωλο. Μία επιφάνεια που είναι παντού ομοιογενής δεν θα παρουσιάσει ένα χαρακτηριστικό είδωλο, παρά ένα γκρίζο φόντο με τίποτε άλλο ορατό. Απαραίτητη λοιπόν προϋπόθεση είναι το αντικείμενό να έχει κάποια αντίθεση για την δούμε.

Διάκριση: Το πιό μικρό χαρακτηριστικό που είναι ορατό σε μια συγκεκριμένη εικόνα αποτελεί και την διάκριση της εικόνας. Όσο η σάρωση γίνεται σε μικρότερη περιοχή, τόσο μεγαλώνει η μεγέθυνση πάνω στην οθόνη και τόσο μικρότερες λεπτομέρειες μπορούμε να βλέπουμε, εφόσον φυσικά υπάρχει αντίθεση. Άρα η διάκριση εξαρτάται πρώτα και κύρια από την φύση του αντικειμένου υπό μελέτη.

Διακριτική ικανότητα: Υπο την προϋπόθεση ότι το αντικείμενο διαθέτει αντίθεση όλο και σε μεγαλύτερες μεγεθύνσεις, υπάρχει κάποιο όριο από το ίδιο το μηχάνημα, που δεν επιτρέπει μεγαλύτερη διάκριση, και αυτό αποτελεί την διακριτική ικανότητα του δοσμένου μικροσκοπίου. Αυτό το όριο επιβάλλεται από την ικανότητα του μηχανήματος να παράγει ηλεκτρονική δέσμη με όσο το δυνατό μικρότερη διάμετρο, ώστε να είναι δυνατή ή σάρωση γραμμών όσο το δυνατό πιο κοντά και πυκνά σε όσο το δυνατό πιό μικρό πλαίσιο σάρωσης. Αυτό αποτέλεσε αντικείμενο έρευνας ανά τις δεκαετίες και σήμερα υπάρχουν ΗΜΣ με διακριτική ικανότητα γύρο στο 1 nm (=10 Angstrom).

Προπαρασκευή δοκιμίου
Υπάρχουν δύο βασικές συνθήκες κάτω από τις οποίες κάποιο αντικείμενο μπορεί να εξετασθεί μέσα στο ΗΜΣ: Πρώτα, πρέπει το υλικό του να είναι καλός αγωγός του ηλεκτρισμού.  Αυτός ο περιορισμός οφείλεται στο ότι το ηλεκτρικό ρεύμα της δέσμης πρέπει να κλείνει το κύκλωμα, αλλιώς θα συσσωρεύεται πάνω στην εξεταζόμενη επιφάνεια, εάν το αντικείμενο δεν είναι γειωμένο ή είναι μονωτής ηλεκτρικού ρεύματος. Με τη διαρκή συσσώρευση φορτίου (charging) πολύ γρήγορα το αντικείμενο αποκτά αρνητικό δυναμικό που αντιτίθεται στην παραπέρα πρόσκρουση του αρνητικού φορτίου της δέσμης, την απωθεί και σταματάει η κανονική λειτουργία και ο σχηματισμός καθαρών εικόνων από το αντικείμενο. Το δεύτερο είναι ότι το αντικείμενο πρέπει να αντέχει στο κενό, δηλαδή την έλλειψη αερίου περιβάλλοντος. Ο περιορισμός αυτός οφείλεται στο ότι η ηλεκτρονική δέσμη μπορεί να παράγεται μόνο στο κενό και να προάγεται σε μεγάλη απόσταση επίσης στο κενό, αλλιώς θα σκεδαστεί και τελικά θα καταστραφεί από το αέριο. Επομένως, αντικείμενα που άγουν τον ηλεκτρισμό (π.χ. μέταλλα) και όσα δεν περιέχουν υγρά που εξατμίζονται στο κενό μπορούν να εξεταστούν άμεσα.  Για όλα τα άλλα έχουν βρεθεί ειδικές τεχνικές προπαρασκευής τους μετά από μακρά έρευνα.

Αγώγιμη επικάλυψη
Αντικείμενα-μονωτές εισάγονται σε ένα θάλαμο κενού στον οποίο γίνεται εξάχνωση χρυσού ή πλατίνας.  Τα άτομα των μετάλλων αυτών διαχέονται προς όλες τις κατευθύνσεις από το σημείο εξάχνωσης και επικαλύπτουν οποιαδήποτε επιφάνεια βρίσκεται στη διαδρομή τους. Έτσι επιτυγχάνεται επιμετάλλωση της επιφανείας των δοκιμίων-μονωτών με ένα πολύ λεπτό αγώγιμο στρώμα. Μετά από αυτή την προετοιμασία, τοποθετούνται και γειώνονται σε μια μεταλλική βάση μέσα στο ΗΜΣ, όπου μπορεί πλέον να δημιουργηθεί το είδωλο της τοπογραφίας του δοκιμίου μέχρι και τη μέγιστη μεγέθυνση του ΗΜΣ.

Υπάρχουν και  εναλλακτικά ισοδύναμα  μέσα (sputter coating) για επικάλυψη, όπως και άλλα αγώγιμα υλικά να εναποτεθούν, όπως ένα στρώμα άνθρακα για ειδικές μελέτες.

Αποξήρανση κρισίμου σημείου
Το μεγαλύτερο πρόβλημα παρουσιάζουν αντικείμενα που περιέχουν υγρά, συνήθως νερό, όπως βιολογικά παρασκευάσματα. Όταν αυτά εισάγονται στο ΗΜΣ, με την αποξήρανση υφίστανται και μεγάλη παραμόρφωση ή και καταστρέφονται πριν ακόμη τα εξετάσουμε. Η παραμόρφωση οφείλεται κυρίως στην ύπαρξη του υμενίου επιφανείας του νερού, το οποίο συμπαρασύρει την μορφή του δοκιμίου κατά την υποχώρησή του. Αυτό μπορεί να αποφευχθεί με μια κατάλληλη προ-παρασκευαστική μέθοδο γνωστή ως "αποξήρανση κρισίμου σημείου" (critical point drying), η οποία εισήχθη αρχικά από τον Άντερσον (Anderson)Anderson T.F. (1951) Techniques for the preservasion of three-dimensional structure in preparing specimens for the electron microscope, Trans. N. Y. Acad. Sci. Ser. II Vol. 13, 130-134.

Με τη μέθοδο αυτή, το βιολογικό παρασκεύασμα πρώτα υφίσταται σταθεροποίηση (fixing) με κατάλληλα υλικά (όπως OsO4), για να μη διαλυθεί στη συνέχεια. Κατόπιν γίνεται σταδιακή αντικατάσταση του νερού με αλκοόλη με μια σειρά διαλυμάτων αυξημένης περιεκτικότητας σε αλκοόλη. Η αλκοόλη μετά αντικαθίσταται με ένα μη πολικό διαλύτη και αυτός με τη σειρά του αντικαθίσταται από υγρό διοξείδιο του άνθρακα σε θερμοκρασία δωματίου. Το προϊόν σφραγίζεται σε ένα δοχείο (bomb) μεγάλης πίεσης και η θερμοκρασία υψώνεται στους 500 C.  Με τον τρόπο αυτό, το υγρό διοξείδιο περνάει από το "κρίσιμο σημείο" και σχηματίζει αέριο φάση χωρίς το σχηματισμό διαχωριστικής υγρής επιφάνειας. Τελικά γίνεται αποσυμπίεση και το αέριο διοξείδιο του άνθρακα διαφεύγει και αφήνει πίσω ένα αποξηραμένο σκελετό του δοκιμίου χωρίς παραμόρφωση ή με λίγη παραμόρφωση. Μετά πάλι αυτό το στερεό υπόλοιπο επικαλύπτεται με ένα αγώγιμο επίστρωμα χρυσού και είναι έτοιμο για εξέταση στο ΗΜΣ.  Η προετοιμασία αυτή είναι επίπονη και χρονοβόρα που μπορεί να διαρκέσει μέρες.

Ένας άλλος τρόπος προετοιμασίας είναι η σταθεροποίηση του βιολογικού παρασκευάσματος σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες (cryofixing), στις οποίες και εξετάζονται με τα κατάλληλα μηχανικά εξαρτήματα μέσα στο ΗΜΣ.  Στις πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, η πίεση των υδρατμών είναι πολύ χαμηλή και δεν καταστρέφει το κενό του μικροσκοπίου.

 Πλεονεκτήματα 
Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα του ΗΜΣ έναντι των κλασσικών μικροσκοπίων φωτός, είναι η τεράστια μεγέθυνση που παράγει φτάνοντας το μισό εκατομμύριο και πάνω. Τα κοινά μικροσκόπια φωτός μόλις ξεπερνούν τις δύο χιλιάδες φορές.

Ένα άλλο μεγάλο πλεονέκτημα είναι ότι, ακόμη και στις μικρές μεγεθύνσεις, όπου αλληλοεπικαλύπτονται οι δύο τύποι μικροσκοπίου, το ΗΜΣ έχει εκατό περίπου φορές και πάνω εστιακό βάθος μεγαλύτερο από το κοινό μικροσκόπιο.  Αυτό σημαίνει ότι μπορούμε να έχουμε καθαρή εικόνα σε μεγάλο βάθος και να βλέπουμε τι συμβαίνει πάνω σε μία μόνο εικόνα. Αντίθετα, με το φωτεινό μικροσκόπιο πρέπει διαρκώς να μεταβάλουμε την εστίαση των φακών και έτσι να χάνουμε τις πληροφορίες των συμβαινόμενων εκτός το εστιακού επιπέδου που έχει μικρό καθαρό βάθος.

Με το ΗΜΣ λαβαίνουμε εκπομπές που δεν υπάρχουν στο κοινό μικροσκόπιο, όπως ακτίνες Χ, αλλά και πληροφορίες από τα ΟΣΗ και ΔΗ που πολλές φορές δεν αντιστοιχούν στις φωτεινές εκπομπές του κοινού μικροσκοπίου.

 Μειονεκτήματα 
Τα μειονεκτήματα είναι κυρίως δύο, βάσει των συνθηκών λειτουργίας του:  Δεν επιτρέπει γενικά την εξέταση μονωτικών υλικών, εκτός από ειδικές συνθήκες χαμηλού δυναμικού επιτάχυνσης και έντασης της ηλεκτρονικής δέσμης.  Δεν επιτρέπει την εξέταση υγρών και γενικά αντικειμένων που παράγουν αέρια (εξάχνωση), ή υφίστανται αποξήρανση.

Το κόστος είναι πολύ μεγαλύτερο από τα κοινά μικροσκόπια.

 Περιβαλλοντικό ΗΜΣ 
Κύρια σελίδα

Από το τέλος της δεκαετίας του 1970, αναπτύχθηκε βαθμιαία μία καινούργια τεχνολογία ΗΜΣ που επιτρέπει την παρουσία αερίου κατάστασης μέσα στο θάλαμο του εξεταζομένου αντικειμένου, υπερπηδώντας τα κύρια παραπάνω μειονεκτήματα. Αυτό είναι το περιβαλλοντικό ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (ΠΗΜΣ).

 Διαπεραστικό ΗΜΣ 
Το ΗΜΣ μπορεί να λειτουργήσει με ανάλογο τρόπο όπως το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης διερχόμενης δέσμης (ΗΜΣΔΔ). Δεν είναι αναγκαία η παρουσία της κολώνας του ΗΜΣΔΔ, αρκεί το δοκίμιο να είναι αρκετά λεπτό για να μπορεί να το διαπερνά η ηλεκτρονική δέσμη χαμηλότερης τάσης που γενικά χρησιμοποιείται στο ΗΜΣ. Είναι όμως αναγκαία η εισαγωγή κατάλληλων ανιχνευτών για την ανίχνευση των ηλεκτρονίων λαμπρού και σκοτεινού πεδίου στα οποία χωρίζεται η διερχόμενη δέσμη. Με τον τρόπο αυτό κάθε ΗΜΣ είναι δυνητικά ένα ανάλογο ΗΜΣΔΔ, από το οποίο όμως διαφοροποιείται με την χρησιμοποιούμενη εναλλακτική κολώνα και ανίχνευση. Για το λόγο αυτό εισάγεται ο εναλλακτικός όρος "διαπεραστικό ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης" (ΔΗΜΣ).  

 Εφαρμογές 

 Εξωτερικοί σύνδεσμοι 

Το πρώτο ΗΜΣ 

Μάθημα περιγραφής ΗΜΣ (αγγλικά) 

 Αναφορές 

Βιβλιογραφία

 Εξωτερικοί σύνδεσμοι 


Κατηγορία:Οπτικά όργανα
Κατηγορία:Συσκευές εργαστηρίου
Κατηγορία:Μικροσκοπία