Podstawy mikroskopii skaningowej

Ewa Teper 
PODSTAWY MIKROSKOPII SKANINGOWEJ
Podstawowe zasady działania mikroskopu skaningowego.
W mikroskopach skaningowych wiązka elektronów bombarduje próbkę, skanując jej
powierzchnię linia po linii. Pod wpływem wiązki elektronów próbka emituje różne sygnały
(m. in. elektrony wtórne, elektrony wstecznie rozproszone, charakterystyczne promieniowanie
rentgenowskie), które są rejestrowane za pomocą odpowiednich detektorów, a następnie
przetwarzane na obraz próbki lub widmo promieniowania rentgenowskiego.
Mikroskop skaningowy składa się z (rys. 1):
 działa elektronowego, gdzie wytwarzana jest wiązka elektronów,
 kolumny, w której następuję przyspieszanie i ogniskowanie wiązki elektronów,
 komory próbki, gdzie ma miejsce interakcja elektronów wiązki z próbką,
 zestawu detektorów odbierających różne sygnały emitowane przez próbkę
 systemu przetwarzania sygnałów na obraz.
Rys. 1. Schemat budowy elektronowego mikroskopu skaningowego (SEM).
Wiązka elektronów jest wytwarzana przez działo elektronowe (rys.2) na szczycie kolumny
mikroskopu. Pole elektrostatyczne w dziale elektronowym kieruje wyemitowane z
niewielkiego obszaru na powierzchni katody elektrony do małego otworu – źrenicy elektronooptycznej.
Włókno
Napięcie katody
np. 30.0 kV
Napięcie wehneltu
np. 30.5 kV
Wehnelt
pró
ba
Źrenica elektrono-optyczna
Średni
Anoda (0 V)
ca
plamki
Elektrony
Rys.2. Schemat budowy działa elektronowego.
Następnie elektrony są rozpędzane (przyspieszane) w kolumnie mikroskopu, w kierunku
próbki, z energią od kilkuset do kilkudziesięciu tysięcy elektronowoltów. Jest kilka rodzajów
dział elektronowych: wolframowe, LaB6 (lanthanum hexaboride) i działa z emisją polową.
Wykonane są one z różnych materiałów i ich działanie opiera się na różnych zjawiskach
fizycznych, lecz wszystkie mają za zadanie wytworzenie wiązki elektronów o stabilnym i
wystarczającym prądzie przy możliwie małym rozmiarze.
Elektrony wydostające się z działa elektronowego tworzą wiązkę rozbieżną. Wiązka ta
zyskuje zbieżność i zostaje zogniskowana przez zestaw soczewek magnetycznych i apertur w
kolumnie. Zestaw cewek skanujących u podnóża kolumny odpowiada za przemieszczanie
wiązki w obszarze skanowania. Soczewka obiektywu ogniskuje wiązkę w możliwie małą
plamkę (spot) na powierzchni próbki.
Komora próbki jest wyposażona w ruchomy stolik umożliwiający przesuwanie próbki w
trzech prostopadłych kierunkach, jej obrót wokół osi pionowej i odchylanie od pionu.
Specjalne drzwiczki pozwalają na umieszczanie próbki w komorze. Kilka portów dostępu
umożliwia zainstalowanie różnych detektorów. Elektrony wiązki oddziaływując z próbką
powodują emisję energii pod różnymi postaciami. Każdy rodzaj emitowanej energii jest
potencjalnym sygnałem do przetworzenia na obraz.
Zasady powstawanie obrazu w SEM
Obraz oglądany w skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) nie jest obrazem
rzeczywistym. To co widzimy w SEM jest obrazem wirtualnym skonstruowanym na bazie
sygnałów emitowanych przez próbkę. Dzieje się to poprzez zeskanowanie linia po linii
prostokątnego obszaru na powierzchni próbki. Obszar skanowania odpowiada fragmentowi
próby oglądanemu na obrazie. W każdym momencie czasu wiązka oświetla tylko jeden punkt
w obszarze skanowania. Przemieszczanie się wiązki od punktu do punktu wywołuje zmiany
w generowanym przez nią sygnale. Zmiany te odzwierciedlają zróżnicowanie próbki
w poszczególnych punktach. Sygnał wyjściowy jest więc serią danych analogowych, które
w nowoczesnych mikroskopach są przetwarzane na serię wartości liczbowych , z których
tworzony jest obraz cyfrowy.
Powiększenie
W mikroskopii skaningowej powiększeniem nazywamy stosunek wymiarów liniowych
obszaru skanowania oglądanego na ekranie do odpowiadających im wymiarów liniowych
analizowanego obszaru na próbce.
„Optyka” elektronowa
Soczewki
Soczewki magnetyczne w kolumnie SEM załamują wiązkę elektronów, tak jak szklane
soczewki załamują światło w mikroskopie optycznym. Emitowane ze źrenicy
elektronooptycznej rozbieżne stożkowe wiązki elektronów przy przechodzeniu przez pole
magnetyczne soczewki zostają zogniskowana na płaszczyźnie obrazowej soczewki tworząc na
niej obraz źrenicy elektronooptycznej.
Ponieważ celem układu soczewek w kolumnie jest wytworzenie na powierzchni próbki
możliwie małego (punktowego) obrazu źrenicy elektronooptycznej, soczewki te działają w
trybie pomniejszającym. W tym trybie płaszczyzna tworzenia obrazu zawsze leży bliżej
soczewki niż źródło.
Soczewki wykazują różne rodzaje aberracji. Najważniejsze z nich to:
 aberracja sferyczna, która ma miejsce, gdy promienie leżące dalej od osi optycznej są
załamywane silniej niż promienie leżące blisko osi,
 aberracja chromatyczna, polega na tym, że elektrony wolniejsze (o mniejszej energii) są
załamywane silniej niż elektrony szybsze (o większej energii).
Z uwagi na zjawiska aberracji wiązki elektronów pochodzące z danego punktu źrenicy
elektronooptycznej nie są skupiane w jednym punkcie na obrazie.
Apertury
Apertury to maleńkie otworki, scentrowane względem osi optycznej. Apertura ulokowana w
płaszczyźnie obrazu ogranicza rozmiary obrazu. Umieszczona w płaszczyźnie obiektywu
określa podstawę stożka elektronów wychodzących z każdego punktu obrazu, a tym samym
ilość elektronów przechodzących. Podobnie zjawisko zachodzące we wszystkich punktach
obrazu źrenicy elektronooptycznej ogranicza całkowity prąd w wiązce. Równie ważne jest to,
że apertura w płaszczyźnie soczewki eliminuje elektrony najbardziej oddalone od osi,
redukując niekorzystne zjawiska związane z aberracją soczewek. Dla każdej wartości prądu
wiązki istnieje optymalna wielkość apertury, pozwalająca zminimalizować szkodliwy wpływ
aberracji na wielkość spotu. Podczas przechodzenia wiązki przez kolejne soczewki w
kolumnie apertury eliminują najbardziej rozbieżne elektrony, co pozwala uzyskać mniejszą
plamkę kosztem prądu wiązki.
Prąd wiązki
Istnieje wzajemna zależność między prądem wiązki i wielkością spotu. Wzrost jednej z tych
wielkości powoduje wzrost drugiej. Większe apertury i słabsze soczewki dają wyższy prąd
wiązki i większy rozmiar spotu. Przy mniejszych apreturach i silniejszych soczewkach
uzyskamy mniejszy prąd wiązki i mniejszą wielkość spotu. Niektóre zastosowania, na
przykład analizy EDS i WDS wymagają dużego prądu wiązki. Natomiast do wykonywania
zdjęć o dużej rozdzielczości potrzebny jest możliwie najmniejszy rozmiar spotu.
Wymogi odnośnie prądu wiązki narzucają dolną granicę rozmiaru spotu. Informacje zawarta
w obrazie SEM odwzorowuje zmienność intensywności sygnału w czasie. Przy niższych
wartościach prądu wiązki przypadkowe (losowe) zmiany sygnału stają się znaczące.
Zakłócenia mogą pochodzić z ciągu detektor-wzmacniacz lub, przy bardzo małym prądzie
wiązki od statystycznych fluktuacji samego prądu wiązki. Obniżenie prądu wiązki i rozmiaru
spotu poniżej pewnego poziomu krytycznego spowoduje zakłócenia przewyższające poprawę
rozdzielczości.
Przy pracy w trybie środowiskowym ESEM prąd w plamce, na powierzchni próby (imaging
current) jest mniejszy niż prąd wychodzący z ostatniej apretury kolumny (beam current), gdyż
molekuły gazu w środowisku próbki rozpraszają elektrony z wiązki. Przy pracy w trybie
wysokopróżniowym prąd wiązki jest identyczny z prądem w plamce na powierzchni próbki.
ROZDZIELCZOŚĆ
Rozdzielczość odpowiada rozmiarom najmniejszych obiektów, które jesteśmy w stanie
zobaczyć przy pomocy mikroskopu. Określa ona granicę, poza którą mikroskop nie jest w
stanie odróżnić dwóch bardzo małych sąsiadujących obiektów od pojedynczego obiektu.
Rozdzielczość jest określana w jednostkach długości, zwykle Angstremach lub nanometrach.
Lepsza rozdzielczość nazywana jest „wyższą”, mimo że określa ją liczba jest niższa. Np.
rozdzielczość 10 jest wyższa (lepsza) niż rozdzielczość 20 Å.
Wielkość spotu
Rozmiar plamki utworzonej przez wiązkę na powierzchni próbki stanawi podstawowe
ograniczenie dla rozdzielczości. SEM nie może rozróżnić elementów mniejszych niż rozmiar
spotu. Dodatkowy wpływ na rozdzielczość ma rodzaj rejestrowanego sygnału, penetracja
wiązki (obszar oddziaływania) i skład próbki.
Obszar oddziaływania
Rejestrowane sygnały powstają nie tylko na powierzchni próbki. Elektrony wiązki penetrują
próbkę na pewną głębokość i na swej drodze mogą wielokrotnie oddziaływać z atomami
próbki. Obszar, gdzie na skutek tych oddziaływań powstają różnego rodzaju sygnały, które po
wydostaniu się na powierzchnię próbki są rejestrowane przez odpowiednie detektory
nazywamy obszarem oddziaływania (wzbudzenia) – rys. 3. Rodzaj rejestrowanego sygnału,
skład próbki i napięcie przyspieszające decydują o rozmiarze i kształcie obszaru wzbudzenia,
a co za tym idzie wpływają na rozdzielczość. W większości przypadków obszar
oddziaływania jest większy niż spot, a więc to jego wielkość stanowi faktyczne ograniczenie
rozdzielczości.
Napięcie przyspieszające
Napięcie przyspieszające określa ilość energii przenoszonej przez elektrony wiązki (elektrony
pierwotne). Wpływa ono na rozmiar i kształt obszaru oddziaływania na kilka sposobów.
Elektrony o wyższej energii głębiej penetrują próbkę (tab. 1). Ponadto, mogą one generować
sygnały o wyższej energii, które mogą się wydostać z większej głębokości w próbce. Energia
elektronów pierwotnych jest również czynnikiem określającym prawdopodobieństwo
wystąpienia jakiejkolwiek interakcji. We wszystkich tych przypadkach wzrost energii wywoła
zwiększenie obszaru oddziaływania, co spowoduje spadek rozdzielczości. Wzrost napięcia
przyspieszającego może jednak również wpływać pozytywnie na rozdzielczość, gdyż
zmniejsza on aberrację soczewek w kolumnie, czego rezultatem jest mniejszy spot. Od
warunków pracy, właściwości próbki i rodzaju rejestrowanego sygnału zależy, które wpływy
będą przeważające.
Tab. 1. Wielkości obszarów wzbudzenia (w μm) dla wybranych pierwiastków.
Z
4
5
11
12
13
14
15
16
19
20
22
24
25
26
27
28
29
30
32
38
40
42
46
47
48
50
56
74
76
78
79
80
82
92
SYMBOL
Be
C
Na
Mg
Al
Si
P
S
K
Ca
Ti
Cr
Mn
Fe
Co
Ni
Cu
Zn
Ge
Sr
Zr
Mo
Pd
Ag
Cd
Sn
Ba
W
Os
Pi
Au
Hg
Pb
U
PIERWIASTEK
Beryllium
Carbon
Sodium
Magnesium
Aluminum
Silicon
Phosphorus
Sulfur
Potassium
Calcium
Titanium
Chromium
Manganese
Iron
Colbalt
Nickel
Copper
Zinc
Germanium
Strontium
Zirconium
Molybdenum
Palladium
Silver
Cadmium
Tin
Barium
Tungsten
Osmium
Platinum
Gold
Mercury
Lead
Uranium
10KV
1.5
1.2
2.9
1.6
1.0
1.2
1.5
1.4
3.2
1.8
0.6
0.4
0.4
0.4
0.3
0.3
0.3
0.4
0.5
1.1
0.4
0.3
0.2
0,3
0.3
0.4
0.8
0.1
0.1
0.1
0.1
0.2
0.2
0.1
15KV
2.9
2.4
5.6
3.1
2.0
2.2
3.0
2.8
6.2
3.5
1.2
0.8
0.7
0.7
0.6
0.6
0.6
0.8
1.0
2.2
0.8
0.5
0.4
0.5
0.6
0.7
1.5
0.3
0.2
0.2
0.3
0.4
0.5
0.3
20KV
4.9
4.0
9.3
5.2
3.4
3.7
5.0
4.7
10.4
5.8
2.0
1.3
1.2
1.2
1.0
1.0
1.0
1.3
1.7
3.6
1.4
0.9
0.7
0.9
1.0
1.2
2.6
0.5
0.4
0.4
0.5
0.7
0.8
0.5
25KV
7.2
5.9
13.6
7.5
4.9
5.5
7.2
6.9
15.2
8.5
2.9
1.8
1.8
1.7
1.5
1.5
1.5
1.8
2.4
5.3
2.0
1.3
1.1
1.3
1.5
1.8
3.8
0.7
0.6
0.6
0.8
1.0
1.2
0.7
30KV |
9.9
8.1
18.8
10.4
6,7
7.5
10.0
9.5
20.9
11.7
4.0
2.6
2.5
2.3
2.1
2.0
2.0
2.6
3.4
7.3
2.8
1.8
1.5
1.7
2.1
2.5
5.2
0.9
0.8
0.9
0.9
1.3
1.6
1.0
Skład próbki
Skład próbki wpływa zarówno na głębokość jak i kształt obszaru penetracji. W próbkach o
większej gęstości głębokość penetracji i odległość jaką mogą przebyć elektrony pierwotne
przed zaabsorbowaniem jest mniejsza. W rezultacie w takich próbkach obszar oddziaływania
jest płytszy i ma kształt bardziej spłaszczony (zbliżony do półkuli) – tab. 1, rys.3.
Niska liczba atomowa
Wysoka liczba atomowa
Wysokie napięcie
Niskie napięcie
Rys. 3. Zależność wielkości i kształtu obszaru wzbudzenia od liczby atomowej i napięcia.
Rodzaj rejestrowanego sygnału
Do tego momentu rozważaliśmy uogólniony obszar oddziaływania, z którego pochodzą
wszystkie rodzaje sygnałów. Obszar ten można podzielić na strefy związane z sygnałami
każdego typu – rys.4.
Wiązka
elektronów
pierwotnych
próba
~10 nm
1 – 2 m
2 – 5 m
Elektrony wtórne (SE).
Elektrony wstecznie
rozproszone (BSE)
Charakterystyczne
promieniowanie
rentgenowskie
Rys. 4. Wielkości obszarów, z których pochodzą różne rodzaje sygnałów
emitowane przez próbkę.
Elektrony wtórne - SE (secondary electrons)
Elektrony wtórne to elektrony wyrzucone z wewnętrznych powłok elektronowych (zwykle K)
atomów próbki na skutek zderzeń niesprężystych z elektronami pierwotnymi (elektronami
wiązki). Ich energia nie przekracza, z reguły 5 eV. Ze względu na niską energię elektrony
mogą się wydostać tylko z cienkiej, przypowierzchniowej warstwy próbki. Dzięki temu dają
one obrazy o wysokiej rozdzielczości. W obrazie uzyskanym dzięki elektronom wtórnym
kontrast związany jest z topografią próbki. Obszar wzbudzenie leży blisko powierzchni,
dlatego więcej elektronów wtórnych może uciec z punktów na szczycie wierzchołka, niż z
punktów na dnie zagłębienia. A więc partie wypukłe są jasne, natomiast partie wklęsłe są
ciemne. Dzięki temu interpretacja obrazów SE jest dość łatwa. Wyglądają one podobnie jak
odpowiadające im obrazy w świetle widzialnym (w skali szarości).
Elektrony wstecznie rozproszone – BSE (backscattered electrons)
Elektrony wstecznie rozproszone to pierwotne elektrony (elektrony wiązki), które na skutek
zderzeń sprężystych z jądrami atomów próbki zostały „odbite” z powrotem od próbki.
Elektrony te mają wysoką energię. Przyjmuje się, że może ona wynosić od 50 eV aż do
wielkości napięcia przyspieszającego wiązki. Wyższa energia BSE powstaję w większym
obszarze oddziaływania (rys. 4), czego rezultatem jest obniżenie rozdzielczości obrazów BSE.
W obrazach BSE kontrast jest wynikiem różnicy średniej liczby atomowej pomiędzy
poszczególnymi punktami próbki. Obszary próbki zawierające jądra pierwiastków o wysokiej
liczbie atomowej rozpraszają wstecznie więcej elektronów dzięki czemu są odwzorowywane
na obrazach BSE jako miejsca jaśniejsze. Właściwie zinterpretowane obrazy BSE dostarczają
ważnych informacji o zróżnicowaniu składu próbki.
Promieniowanie rentgenowskie
Dwa typy oddziaływania elektronów wiązki z ciałem stałym prowadzą do powstania
promieniowania rentgenowskiego. Jednym jest rozpraszanie na jądrach atomowych, które
prowadzi do powstania ciągłego widma, promieniowania rentgenowskiego. Drugim jest
jonizacja wewnętrznych powłok elektronowych atomu prowadząca do powstawania widma
charakterystycznego.
GŁĘBIA OSTROŚCI
W mikroskopii skaningowej można otrzymać obrazy o znacznie większej głębi ostrości niż w
mikroskopii świetlnej. Głębia ostrości to zakres powyżej i poniżej płaszczyzny najlepszej
ostrości, w którym utrzymana jest dobra jakość obrazu (rys. 5). Przy większej głębi ostrości
mikroskop daje lepsze odwzorowanie próbek trójwymiarowych. Obrazy uzyskiwane w SEM
doskonałą jakość zawdzięczają nie tylko bardzo dobrej rozdzielczości lecz również dużej
głębi ostrości.
W mikroskopie optycznym głębia ostrości jest limitowana kątem rozwartości pomiędzy
skrajnymi promieniami wchodzącymi do obiektywu. Dla dużych powiększeń kąt ten jest
większy, a głębia ostrości mniejsza.
W mikroskopie skaningowym nie ma bezpośredniej zależności głębi ostrości i powiększenia.
Powiększenie jest zdefiniowane jako stosunek wymiarów liniowych obszaru skanowania do
wymiarów liniowych obrazu. Kąt zbieżności wiązki ma wpływ na zmianę wielkości spotu
wraz z odległością powyżej lub poniżej płaszczyzny najlepszej ostrości. Mimo, że w
mikroskopie skaningowym kąt zbieżności i rozmiar spotu zmieniają się wraz z odległością
roboczą, zawsze kąty te będą mniejsze, a głębia ostrości większa niż w mikroskopie
optycznym.
Wiązka elektronów
Powierzchnia próbki
Zakres głębii
ostrości
Płaszczyzna
najlepszej
ostrości
Obszar odwzorowywany
ostro
Rys. 5. Zakres głębii ostrości
MIKROANALIZY
Charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie
Widmo charakterystyczne powstaje w wyniku oddziaływania elektronów wiązki
z elektronami wewnętrznych powłok atomów próbki. Normalnie powłoki K i L atomów o
liczbach atomowych większych od 10 są zapełnione. Jeśli jeden z elektronów K zostanie
usunięty, atom może doznać przejścia, w którym elektron L lub M "przeskoczy" na puste
miejsce, a wyzwolona przy tym energia potencjalna zostanie wyemitowana jako kwant
promieniowania elektromagnetycznego. Typowe wartości energii takich przejść leżą w
zakresie rentgenowskim widma promieniowania elektromagnetycznego. Energia tego
kwantu jest ściśle określona dla każdego rodzaju przejścia w danym pierwiastku i dlatego jest
cechą diagnostyczną.
Spektrometr rentgenowski rejestruje charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie.
Zadaniem spektrometru jest zliczenie impulsów promieniowania rentgenowskiego i
posegregowanie ich. Spektroskopia promieni rentgenowskich może być przeprowadzona
dwiema metodami:
 metoda dyspersji energii promieniowania rentgenowskiego (Energy Dispersive
Spectrometry - EDS). Stosuje się detektory, w których natężenie sygnału wyjściowego
jest proporcjonalne do energii padających impulsów, np. liczniki scyntylacyjne,
proporcjonalne liczniki przepływowe, detektory Li/Si. W naszym mikroskopie
zainstalowany jest detektor Sapphir
 metoda dyspersji długości fali promieniowania rentgenowskiego (Wave Dispersive
Spectrometry - WDS). Stosuje się spektrometr promieni rentgenowskich z kryształem
analizującym.
Linie charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego
W celu wytworzenia charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego konieczna jest
luka w wewnętrznych powłokach elektronowych atomu. W zależności od tego, na której
powłoce powstała luka, wyróżniamy odpowiednie serie linii.
Jeśli wybity zostanie elektron z powłoki K to obserwowane w widmie charakterystycznego
promieniowania rentgenowskiego linie, odpowiadające emisji energii towarzyszącej przejściu
elektronu w celu uzupełnienia luki nazywamy liniami K:
 K - gdy przejście elektronu następuje z powłoki L,
 K - dla przejścia z powłoki M,
 K - dla przejścia z powłoki N.
Jeśli wybity zostanie elektron z powłoki L to mamy do czynienia z liniami L:
 L - gdy przejście elektronu następuje z powłoki M,
 L - dla przejścia z powłoki N.
Jeśli wybity zostanie elektron z powłoki M to obserwujemy linie M (patrz rys. 6)
Rys. 6. Powstawanie charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego.
Ogólne zasady dotyczące linii charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego:
 Dla danego pierwiastka niższe linie mają wyższą energię niż linie wyższe:
EK > EL > EM
 W obrębie danej serii linie pierwiastków o niższej liczbie atomowej mają niższą energię,
np. linia K węgla ma niższą energię niż linia K tlenu
 Linie niższych serii (K) są wyraźne i mają prostą strukturę, natomiast linie serii
wyższych (L i M) mają strukturę złożoną i zachodzą na siebie.
Promieniowanie ciągłe stanowi tło linii charakterystycznego promieniowania
rentgenowskiego w mikroanalizatorze rentgenowskim. Znajomość natężenia tego tła jest
bardzo istotna przy określaniu granicy wykrywalności badanego pierwiastka.
Mapy rentgenowskie
Promieniowanie rentgenowskie daje obraz o znacznie gorszej jakości niż obraz
„elektronowy”. Jednym z powodów jest duży obszar oddziaływania, z którego pochodzi
rejestrowane promieniowanie rentgenowskie, co powoduje słabszą rozdzielczość (rys. 4).
Inną przyczyną jest ciągłe promieniowanie rentgenowskie (Bremsstrahlung), które w
kombinacji z niskim z natury poziomem impulsów promieniowania charakterystycznego
powoduje, że stosunek sygnał – szum jest niekorzystny.
Na ogół obrazy rentgenowskie są prezentowane jako mapy. Wiązka analityczna skanuje
analizowany obszar punkt po punkcie. Spektrometr jest ustawiany tak, aby rejestrował punkt
na analizowanym obszarze, gdy wykryje impuls rentgenowski o energii charakterystycznej
dla danego pierwiastka. W ten sposób powstaje mapa odwzorowująca rozmieszczenie tego
pierwiastka w badanym obszarze. Nowoczesne systemy EDS potrafią utworzyć mapy w
odcieniach szarości, pokazujące względną intensywność impulsu w każdym punkcie, wymaga
to jednak zastosowania wystarczająco długiego czasu postoju wiązki w każdym punkcie
analitycznym. Podczas jednego przebiegu wiązki analitycznej można zarejestrować mapy
rozkładu dla kilkunastu pierwiastków.
ANALIZY RENTGENOWSKIE
Ze względu na słabą rozdzielczość, impulsy rentgenowskie są bardziej przydatne do celów
analitycznych niż do odwzorowywania próbki. Analiza jakościowa dąży do ustalenia czy
badany obszar próbki zawiera dane pierwiastki, w oparciu o występowanie lub brak ich
charakterystycznych pików w widmie. Celem analizy ilościowej jest ustalenie stosunków
zawartości pierwiastków na podstawie porównania intensywności odpowiednich pików tych
pierwiastków pomiędzy sobą lub porównania z wzorcami. Analiza ilościowa jest procesem
skomplikowanym, ze względu na możliwość wystąpienia różnorodnych interakcji pomiędzy
atomami próbki i charakterystycznym promieniowaniem rentgenowskim.
ŚRODOWISKOWY ELEKTRONOWY MIKROSKOP SKANINGOWY – ESEM
(Environmental Scanning Electron Microscope)
Zalety ESEM w stosunku do konwencjonalnych SEM
Podstawowymi ograniczeniami możliwości konwencjonalnych SEM są wymagania jakie
musi spełnić próbka, która ma być umieszczona w warunkach wysokiej próżni (10 -5 Torra) w
komorze mikroskopu:
1. Odporność na warunki próżniowe – umieszczenie w warunkach wysokiej próżni nie
może powodować zmian w strukturze i składzie próbki.
2. Próbka taka nie może zawierać wilgoci ani innych zanieczyszczeń (np. lotnych
węglowodorów) których wydzielenie się w wysokiej próżni mogłoby spowodować
podwyższenie ciśnienia w komorze, uszkodzenie detektora lub zanieczyszczenie
mikroskopu.
3. Przewodnictwo elektryczne . Wiązka elektronów przekazuje próbce duży ładunek
elektryczny. W materiałach przewodzących jest on odprowadzany za pośrednictwem
stolika mikroskopu do ziemi. Próbki nie wykazujące przewodnictwa muszą być
pokryte warstwą substancji przewodzącej (węgla, srebra lub złota), w celu uniknięcia
gromadzenia się na ich powierzchni ładunku, który może powodować lokalne
zakłócenia w emisji elektronów wtórnych, a nawet odbicie wiązki elektronów.
Większość próbek wymaga więc specjalnego przygotowania – suszenia, odgazowania i
napylenia warstwą przewodzącą. Należy pamiętać o tym, że przygotowania te mogą
spowodować uszkodzenie próbki, a także powstanie artefaktów.
Rozwiązanie wielu powyższych problemów przyniosła środowiskowa elektronowa
mikroskopia skaningowa (ESEM), która rozwinęła się w połowie lat osiemdziesiątych. ESEM
posiada wszystkie zalety konwencjonalnej SEM, a ponadto nie wymaga umieszczenie próbki
w wysokiej próżni. Dzięki zastosowaniu specjalnego systemu zaworów, pomiędzy kolumną
mikroskopu i komorą próbki można umieścić próbkę w środowisku o zmiennych
parametrach:
 Skład gazu tworzącego atmosferę w komorze jest dowolny
 Ciśnienie do 50 Torrów
 Temperatura do 1500 C.
W ESEM próbki nie przewodzące, zawierające wilgoć czy substancje lotne mogą być
obserwowane w stanie naturalnym, bez specjalnych przygotowań.
Ponadto ESEM stwarza dodatkowe możliwości badawcze, np.
 obserwacji próbek: uwodnionych, emitujących światło, wykazujących fluorescencję i
katodoluminescencję
 obserwacji delikatnych struktur np. biologicznych, utrzymywanych przez wewnętrzne
siły hydrostatyczne
 obserwacji dynamicznych zmian, jakim podlegają próbki w zmiennych warunkach
ciśnienia, temperatury i składu atmosfery (rozciąganie, ściskanie, rozprzestrzenianie
się spękań, rozwarstwianie, uwadnianie, odwadnianie, sublimacja)
 obserwacji interakcji między próbką i zmieniającym się środowiskiem (pochłanianie i
oddawanie wilgoci do środowiska, wzrost kryształów i ich rozpuszczanie, korozja,
trawienie).