El microscopio electrónico de barrido ( SEM ) o microscopio electrónico de barrido ( SEM ) ( ing. microscopio electrónico de barrido, SEM ) es un dispositivo de clase de microscopio electrónico diseñado para obtener una imagen de la superficie de un objeto con una resolución espacial alta (hasta 0,4 nanómetros ). , así como información sobre la composición, estructura y algunas otras propiedades de las capas cercanas a la superficie. Basado en el principio de interacción de un haz de electrones con el objeto en estudio.
El SEM moderno le permite trabajar en una amplia gama de aumentos, desde aproximadamente 3 a 10 veces (es decir, el equivalente al aumento de una lupa fuerte ) hasta 1 000 000 de veces, que es aproximadamente 500 veces el límite de aumento de los mejores microscopios ópticos .
Hoy en día, las capacidades de la microscopía electrónica de barrido se utilizan prácticamente en todos los campos de la ciencia y la industria, desde la biología hasta la ciencia de los materiales . Hay una gran cantidad de diversos diseños y tipos de SEM fabricados por varias empresas y equipados con varios tipos de detectores.
La historia de la microscopía electrónica (en particular, SEM) comenzó con el trabajo teórico del físico alemán Hans Busch sobre la influencia de un campo electromagnético en la trayectoria de partículas cargadas . En 1926 demostró que tales campos podían utilizarse como lentes electromagnéticos [1] , estableciendo así los principios fundamentales de la óptica electrónica geométrica. En respuesta a este descubrimiento, nació la idea de un microscopio electrónico, y dos equipos, Max Knoll y Ernst Ruska de la Universidad Técnica de Berlín y Ernst Brush del laboratorio EAG, intentaron poner en práctica esta idea. Y en 1931 Knoll y Ruska crearon el primer microscopio electrónico de transmisión [2] .
Tras trasladarse a la empresa de radio alemana Telefunken , para realizar investigaciones sobre televisores de tubo catódico , Max Knoll desarrolló un analizador de tubo de electrones o "analizador de haz de electrones", que simulaba todas las características necesarias de un microscopio electrónico de barrido: la muestra se ubicaba en un lateral. del sellado[ aclarar ] un tubo de vidrio y un cañón de electrones en el otro. Los electrones acelerados por un voltaje de 500 a 4000 voltios se concentraron en la superficie de la muestra y un sistema de bobinas aseguró su desviación. El haz barrió la superficie de la muestra a una velocidad de 50 imágenes por segundo, y la medición de la corriente que pasaba por la muestra permitió reconstruir la imagen de su superficie. El primer dispositivo que utilizó este principio se creó en 1935 [3] .
En 1938, el especialista alemán Manfred von Ardenne construyó el primer microscopio electrónico de barrido [4] . Pero este aparato aún no era similar a un SEM moderno, ya que solo se podían ver muestras muy delgadas a través de él. Es decir, se trataba más bien de un microscopio electrónico de transmisión de barrido (STEM o STEM) - Von Ardenne, de hecho, añadió un sistema de barrido al microscopio electrónico de transmisión. Además del registro de imágenes en un cinescopio, el dispositivo estaba equipado con un sistema de grabación fotográfica en una película ubicada en un tambor giratorio. Un haz de electrones con un diámetro de 0,01 micras barrió la superficie de la muestra y los electrones transmitidos iluminaron la película fotográfica , que se movió sincrónicamente con el haz de electrones.
La primera micrografía STEM capturó un cristal de óxido de zinc (ZnO) ampliado 8000 veces con una resolución de 50 a 100 nanómetros . La imagen estaba compuesta por un ráster de 400x400 píxeles y tardó 20 minutos en acumularse. El microscopio tenía dos lentes electrostáticas rodeadas de bobinas deflectoras.
En 1942 , el emigrado ruso, físico e ingeniero Vladimir Zworykin , quien en ese momento trabajaba en el laboratorio de la Radio Corporation of America en Princeton , EE . UU ., publicó los detalles del primer microscopio electrónico de barrido, que permitió analizar no solo una muestra delgada en transmisión, pero también la superficie de una muestra masiva. Un cañón de electrones con un cátodo de tungsteno emitía electrones, que luego eran acelerados por un voltaje de 10 kilovoltios. La óptica electrónica del dispositivo estaba compuesta por tres bobinas electrostáticas, y las bobinas deflectoras se colocaban entre la primera y la segunda lente. Para garantizar la conveniencia de colocar la muestra y manipularla en el diseño SEM, el cañón de electrones se ubicó en la parte inferior del microscopio (este diseño tenía una característica desagradable: el riesgo de que la muestra cayera en la columna del microscopio).
Este primer SEM logró una resolución del orden de los 50 nanómetros. Pero en ese momento, la microscopía electrónica de transmisión se estaba desarrollando rápidamente, frente a la cual el SEM parecía un instrumento menos interesante, lo que afectó la tasa de desarrollo de este tipo de microscopía [5] .
A fines de la década de 1940, Charles Otley , como presidente de la Conferencia del Departamento de Diseño de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido , se interesó en la óptica electrónica y decidió anunciar un programa para desarrollar un microscopio electrónico de barrido para complementar el trabajo en curso en el departamento de física en un microscopio electrónico de transmisión bajo la dirección de Vernon Ellis Cosslett . Uno de los alumnos de Charles Otley, Ken Sander, comenzó a trabajar en una columna SEM usando lentes electrostáticos, pero tuvo que dejar de trabajar después de un año debido a una enfermedad. El trabajo fue reanudado en 1948 por Dennis MacMillan . Él y Charles Otley construyeron su primer SEM ( SEM1 o Scanning Electron Microscope 1 ) y en 1952 este instrumento alcanzó una resolución de 50 nanómetros y, lo más importante, proporcionó un efecto tridimensional de reproducción del relieve de la muestra, un rasgo característico de todos los SEM modernos [6] .
En 1960, Thomas Everhart y Richard Thornley , al inventar un nuevo detector ("detector Everhart-Thornley"), aceleraron el desarrollo del microscopio electrónico de barrido. Este detector, que es extremadamente efectivo para recolectar electrones secundarios y reflejados, se está volviendo muy popular y ahora se encuentra en muchos SEM.
El trabajo que se llevó a cabo en la Universidad de Cambridge por el grupo de Charles Otley en los años 60 contribuyó en gran medida al desarrollo de SEM, y en 1965 la Cambridge Instrument Co. fue lanzado el primer microscopio electrónico de barrido comercial - Stereoscan [7] .
La resolución (la capacidad de distinguir detalles finos) de un microscopio óptico está limitada por la longitud de onda de los fotones de luz visible . Los microscopios ópticos más potentes pueden proporcionar la observación de detalles con un tamaño de 0,1 a 0,2 µm [8] . Si queremos ver detalles más finos, necesitamos acortar la longitud de onda que ilumina el objeto de estudio. Para hacer esto, no puede usar fotones, sino, por ejemplo, electrones, cuya longitud de onda es mucho más corta. Los microscopios electrónicos son el resultado de esta idea.
La siguiente figura ilustra el esquema SEM básico: se dirige un haz de electrones a la muestra analizada. La interacción genera electrones secundarios de baja energía, que son recogidos por un detector de electrones secundarios . La intensidad de la señal eléctrica del detector depende tanto de la naturaleza de la muestra (en menor medida) como de la topografía (en mayor medida) de la muestra en la región de interacción. Así, es posible obtener un mapa en relieve de la zona analizada.
Una sonda de electrones delgada es generada por un cañón de electrones que actúa como una fuente de electrones y es enfocada por lentes de electrones (generalmente electromagnéticas, a veces electrostáticas). Las bobinas de exploración desvían la sonda en dos direcciones mutuamente perpendiculares, escaneando la superficie de la muestra con la sonda, de forma similar a escanear la pantalla de un tubo de rayos catódicos de televisión con un haz de electrones . Una fuente de electrones, lentes de electrones (generalmente magnéticos toroidales) y bobinas de desviación forman un sistema llamado columna de electrones .
En los SEM modernos, la imagen se registra en forma digital, pero los primeros SEM aparecieron a principios de la década de 1960 , mucho antes de la difusión de la tecnología digital y, por lo tanto, la imagen se formó sincronizando los barridos del haz de electrones en el cinescopio con el haz de electrones. en el SEM y ajustando la intensidad del tubo con una señal secundaria. La imagen de la muestra aparecía entonces en la pantalla fosforescente del cinescopio y podía grabarse en una película fotográfica .
Los electrones de la sonda (haz) interactúan con el material de la muestra y generan varios tipos de señales: electrones secundarios, electrones retrodispersados, electrones Auger , rayos X, radiación de luz (catodoluminiscencia), etc. Estas señales transportan información sobre la topografía y el material de la muestra [ 9] .
Como resultado de la interacción con los átomos de la muestra, los electrones del haz primario pueden transferir parte de su energía a los electrones de la muestra. Como resultado de tal interacción, puede ocurrir el desprendimiento de electrones. Tales electrones se llaman secundarios. Estos electrones suelen tener baja energía (del orden de 50 eV ). A menudo, un electrón en el haz primario tiene suficiente energía para producir varios electrones secundarios.
Dado que la energía de los electrones secundarios es baja, su escape solo es posible desde las capas cercanas a la superficie del material (menos de 10 nm). Debido a su baja energía cinética, estos electrones son fácilmente desviados por una pequeña diferencia de potencial. Esto permite aumentar significativamente la eficiencia de los detectores (para recoger el máximo número posible de electrones) y obtener imágenes de alta calidad con una buena relación señal/ruido y una resolución superior a 1 nm. El número de electrones secundarios depende del ángulo de colisión del haz de electrones con la superficie de la muestra, es decir, de la topografía. Por lo tanto, la señal de electrones secundarios se utiliza para reproducir la topografía de la muestra. [9] .
La base de un microscopio electrónico de barrido es un cañón de electrones y una columna de electrones, cuya función es formar una sonda de electrones muy enfocada de energías medias (200 eV - 50 keV ) en la superficie de la muestra. El dispositivo debe estar equipado con un sistema de vacío. Además, cada SEM tiene una tabla de objetos que le permite mover la muestra en al menos tres direcciones. Cuando los electrones interactúan con un objeto, surgen varios tipos de señales, cada una de las cuales es capturada por un detector especial (ver más abajo). En consecuencia, las imágenes producidas por un microscopio se pueden construir utilizando varias señales, a menudo varias señales al mismo tiempo (p. ej., imagen de electrones secundarios, imagen de electrones reflejados, imagen de rayos X (mapa)).
Los SEM están equipados con detectores que permiten la selección y el análisis de la radiación que ha surgido durante la interacción y las partículas que han cambiado de energía como resultado de la interacción de la sonda de electrones con la muestra. [9] Las técnicas desarrolladas permiten investigar no solo las propiedades de la superficie de la muestra, sino también visualizar información sobre las propiedades de las estructuras del subsuelo.
Los principales tipos de señales que se generan y detectan durante el funcionamiento del SEM:
Todos los tipos posibles de detectores instalados en un dispositivo son extremadamente raros.
Los detectores de electrones secundarios son el primer tipo de detectores instalados tradicionalmente en la mayoría de los SEM (en algunos modelos de escritorio simplificados, solo se usa un detector de electrones reflejados). En este modo, la resolución del SEM es máxima. Debido al haz de electrones muy estrecho, los SEM tienen una profundidad de campo muy grande , aproximadamente dos órdenes de magnitud superior a la de un microscopio óptico, y le permiten obtener micrografías claras con un efecto tridimensional característico para objetos con relieve complejo. Esta propiedad SEM es extremadamente útil para comprender la estructura de la superficie de una muestra. Una micrografía de polen demuestra las capacidades del modo SE SEM.
Los electrones reflejados (BE) son electrones de haz reflejados desde la muestra por dispersión elástica. Según la configuración del detector, pueden mostrar la composición (composición) de la muestra o su topografía (topografía superficial). En el modo de composición, los OE se utilizan a menudo en SEM analítico junto con el análisis de espectros de rayos X característicos. Dado que la intensidad de la señal OE está directamente relacionada con el número atómico promedio (Z) del área de la muestra actualmente irradiada por el haz de electrones, las imágenes OE contienen información sobre la distribución de varios elementos en la muestra. Por ejemplo, el modo SE permite detectar etiquetas inmunes al oro coloidal con un diámetro de 5-10 nm, que son muy difíciles o incluso imposibles de detectar en objetos biológicos en el modo SE. Una micrografía de la superficie de una sección pulida de un sistema de óxido de metal demuestra las posibilidades del modo OE SEM. En modo topográfico, los OE se pueden utilizar en condiciones en las que los detectores de electrones secundarios tradicionales no funcionan, como en SEM con vacío variable.
Los rayos X característicos se generan cuando un electrón en el haz golpea un electrón de la capa interna de uno de los átomos de la muestra, lo que hace que un electrón de un nivel de energía más alto se mueva a un nivel de energía más bajo mientras emite simultáneamente un cuanto de rayos X. El procesamiento del espectro de rayos X característico permite realizar un análisis elemental cualitativo y cuantitativo de la composición de la muestra.
Por lo general, los electrones secundarios y/o reflejados (retrodispersados) se utilizan para obtener información sobre la estructura de la superficie. El contraste en los electrones secundarios depende principalmente del relieve de la superficie, mientras que los electrones reflejados llevan información sobre la distribución de la densidad electrónica (las regiones enriquecidas con un elemento con un número atómico más alto se ven más brillantes). Por lo tanto, los electrones retrodispersados, que se generan simultáneamente con los secundarios, además de información sobre la morfología de la superficie, contienen información adicional sobre la composición de la muestra. La irradiación de la muestra con un haz de electrones no solo produce electrones secundarios y reflejados, sino que también provoca la emisión de rayos X característicos . El análisis de esta radiación permite determinar la composición elemental del microvolumen de la muestra (la resolución para muestras masivas no suele ser superior a 1 μm ).
El detector Everhart-Thornley se utiliza como detector de electrones secundarios , lo que permite recoger de manera eficiente electrones con una energía del orden de 50 eV.
Muchos SEM están equipados con un detector de electrones retrodispersados de semiconductores altamente sensible. El detector se monta en la superficie inferior de la lente del objetivo o se inserta en una varilla especial debajo de la pieza polar. Esto permite, seleccionando un modo del menú, obtener imágenes de topografía superficial, una imagen en contraste compositivo o en un campo oscuro.
Para analizar la composición elemental se utiliza el microanálisis espectral de rayos X , en el que se detecta la emisión de rayos X característica de una sustancia, que se produce cuando se irradia con electrones la superficie de la muestra. Hay analizadores de dispersión de energía (EDX) y de dispersión de onda (WDX).
Hasta ahora, se han utilizado espectrómetros de dispersión de energía enfriados con nitrógeno, pero en los últimos años, los fabricantes han cambiado a detectores sin nitrógeno.
Los microscopios modernos son capaces de operar a voltajes de aceleración bajos, hasta 200 voltios. La aplicación del potencial de retardo permite reducir la tensión de aceleración a 10 voltios. Los voltajes bajos tienen una serie de ventajas. A bajo voltaje, se puede alcanzar un estado de equilibrio cuando el número de electrones del haz absorbidos por la muestra es igual al número de electrones emitidos por la muestra. En estas condiciones, no se requiere la aplicación de recubrimientos conductores sobre la muestra. A voltajes bajos, el daño a la muestra por el haz de electrones es mínimo, lo cual es importante para las muestras delicadas. Y, finalmente, a voltajes bajos, la zona de interacción de los electrones del haz con la muestra disminuye drásticamente, lo que conduce a un aumento significativo en la resolución espacial cuando se trabaja con electrones reflejados y rayos X.
Algunos microscopios modernos están equipados con un sistema de vacío capaz de mantener un vacío alto (y ultra alto) de 10 a 3 Pa en la columna de electrones y un vacío relativamente bajo de hasta 5 a 2000 Pa en la cámara de muestras. Como resultado, la muestra se encuentra en una atmósfera, aunque enrarecida, pero lo suficientemente densa como para neutralizar la carga superficial (que generalmente consiste en vapor de agua o nitrógeno). Las moléculas de gas se ionizan bajo la influencia de los electrones primarios emitidos por el cátodo. Los iones positivos formados interactúan con los electrones que se acumulan en la muestra y neutralizan la carga superficial.
Como resultado, las muestras dieléctricas se pueden observar sin un revestimiento conductor. Si el microscopio también está equipado con un portamuestras refrigerante, es posible trabajar con muestras húmedas e incluso con agua. Por ejemplo, se puede observar directamente en el microscopio la disolución y recristalización de la sal de mesa (u otros cristales).
La resolución espacial de un microscopio electrónico de barrido depende tanto del diámetro del haz de electrones como del tamaño de la región de interacción entre la sonda electrónica y la muestra. El tamaño de la sonda de electrones y el tamaño de la región de interacción entre la sonda y la muestra son mucho mayores que la distancia entre los átomos objetivo . Aunque la resolución de los microscopios electrónicos de barrido es inferior a la resolución de los microscopios de transmisión , tienen una serie de ventajas, como la capacidad de estudiar la topografía de la muestra, la visualización de un área relativamente grande de la muestra, el estudio de objetos masivos (no solo películas delgadas), un conjunto de métodos analíticos que permiten medir la composición y propiedades del objeto en estudio.
Dependiendo del instrumento particular y los parámetros del experimento, se puede obtener una resolución de decenas a una fracción de nanómetro . En 2009, la mejor resolución se logró con un microscopio Hitachi S-5500 y ascendió a 0,4 nm (a un voltaje de 30 kV) [10] .
Como regla general, la mejor resolución se puede obtener utilizando electrones secundarios, la peor, en los rayos X característicos. Esto último se debe al gran tamaño de la región de excitación de la radiación, que es varias veces mayor que el tamaño de la sonda de electrones. Cuando se utiliza el modo de vacío bajo, la resolución se deteriora un poco.
Las muestras conductoras (metal) normalmente no requieren una preparación especial y pueden colocarse directamente en la cámara del microscopio. Si es necesario, las muestras se pueden limpiar. Se pueden preparar secciones delgadas para ver la estructura interna y/o usar microanálisis de rayos X.
Los polvos y las nanopartículas se depositan sobre superficies similares a espejos (vidrio, plástico, mica, etc.) en forma de suspensión en agua o en un disolvente orgánico. Después de que el líquido se haya secado, la muestra se puede usar en el microscopio. Los polvos con partículas más grandes se pueden aplicar a la cinta de carbón conductor.
Las muestras no conductoras generalmente se someten a pulverización catódica de una capa conductora delgada para eliminar la carga y proteger el haz incidente de la carga acumulada en la mayor parte del material. Para los revestimientos conductores, se utilizan con mayor frecuencia carbono, oro o una aleación de oro y paladio. El primero es útil para el microanálisis de rayos X. La pulverización catódica de oro o una aleación basada en él permite obtener microfotografías con mayor aumento y contraste (la mayoría de las veces sin autoimagen). Si es imposible depositar una película sobre una muestra, entonces en un SEM con vacío variable es posible eliminar la carga de la muestra mediante iones de gases introducidos en la cámara (generalmente vapor de agua o nitrógeno). La acumulación de carga en la muestra también se puede evitar operando a voltajes de aceleración bajos (generalmente del orden de 1 kV).
Las muestras biológicas deben fijarse químicamente, deshidratarse en una serie de soluciones de alcohol o acetona con concentraciones que aumentan del 30-50 % al 100 %, luego el alcohol (o la acetona) debe eliminarse de la muestra en un aparato especial en el que se elimina el alcohol. reemplazado por dióxido de carbono líquido, que se transfiere al estado gaseoso al pasar por el punto triple crítico.
Los microscopios de barrido se utilizan como herramienta de investigación en física , electrónica , biología , farmacéutica , medicina , ciencia de materiales , etc. Su función principal es obtener una imagen ampliada de la muestra en estudio y/o imágenes de la muestra en diversas señales registradas. La comparación de imágenes obtenidas en diferentes señales permite sacar una conclusión sobre la morfología y composición de la superficie.
Características del microscopio electrónico de barrido Magellan XHR SEM
| dispositivos de haz de electrones | ||
|---|---|---|
| Transmisores | tubo de crookes | |
| Alentar | ||
| recordando | ||
| Microscopio electrónico | ||
| Otro |
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| Partes principales |
| |
| Conceptos | ||