Ядром изображения сканирующего зеркала (SEM) является динамический « диалог» между электронным лучом и образцом, процесс, который реализуется посредством взаимодействия электрон - материя и в конечном итоге превращает микроморфологию в визуальное изображение.
Формирование и фокусирование электронных лучей
Электронная пушка является источником электронного луча, тип которого напрямую влияет на качество изображения. Электронная пушка с тепловой эмиссией производит электроны путем нагрева вольфрамовой проволоки, в то время как электронная пушка с полевой эмиссией использует сильное электрическое поле для извлечения электронов непосредственно из металла, образуя ультратонкие пучковые пятна диаметром всего 0,4 - 2 нанометра, что делает разрешение близким к атомному масштабу. После фокусировки электронным лучом через двухступенчатую электромагнитную линзу на поверхности образца образуется точка сканирования нанометрового уровня, ускоренное напряжение (0,1 - 30 кВ) определяет электронную энергию, высокое напряжение может проникать в более толстый образец, низкое напряжение усиливает поверхностную чувствительность.
Механизм "диалога" электроники и образцов
При бомбардировке поверхности образца электронным лучом происходят два основных вида взаимодействия:
Упругое рассеяние: электроны меняют направление после столкновения с атомным ядром, но потеря энергии минимальна, создавая электроны обратного рассеяния (BSE). Его выход положительно коррелирует с атомным порядком, поэтому изображения BSE могут отражать распределение компонентов образца, таких как дисперсия металлических частиц в полимерной матрице.
Неупругое рассеяние: столкновение электронов с внешними электронами атома приводит к потере энергии, вызывая вторичные электроны (SE) и характерные рентгеновские лучи. SE чрезвычайно низкая энергия (1 - 15eV), только от поверхности образца 5 - 10 нанометров, является основным сигналом для визуализации поверхностной формы; Характерные рентгеновские лучи несут информацию о характеристиках элементов, и количественный анализ микрокомпонентов может быть достигнут с помощью спектрометра энергии (EDS).
Сбор сигналов и восстановление изображений
Диапазон детекторов, расположенный над образцом, захватывает рассеянные сигналы в реальном времени. Детекторы SE обычно расположены над стороной образца, чтобы повысить эффективность сбора; Детектор BSE устанавливается под более высоким углом, усиливая контраст компонентов. Компьютер синхронизирует траекторию сканирования электронного луча и сбор сигнала, преобразуя интенсивность сигнала в каждую точку сканирования в значение серого и, в конечном итоге, в изображение с высоким разрешением. Например, при наблюдении за электродным материалом литиевой батареи SEM может одновременно представлять трещинообразную форму активных частиц (SE - изображение) и распределение проводников (BSE - изображение), предоставляя данные двойного измерения для анализа отказов.
Необходимость в вакууме
Камера для отбора проб должна поддерживать высокий вакуум (10 м³ - 10 мПа), чтобы избежать ослабления сигнала, вызванного столкновением электронного луча с молекулой газа. Для биологических образцов, содержащих воду, или непроводящих материалов необходимо использовать зеркала экологического сканирования (ESEM) или обработку покрытия (например, распыление золота, распыление углерода), чтобы сбалансировать качество сигнала с целостностью образца.
Динамическое изображение и мультимодальное расширение
Современный SEM преодолел ограничения статического изображения. Процесс фазового перехода материала можно наблюдать в режиме реального времени с помощью тепловой / охлаждающей станции на месте; В сочетании с дифракцией обратного рассеяния электронов (EBSD) можно синхронизировать получение информации о ориентации кристалла; В сочетании с спектром Рамана достигается трехмерное представление формы - состава - структуры. Эти технологические слияния делают SEM « микроглазом» в таких областях, как материаловедение и биомедицина.