Kính hiển vi điện tử quét (SEM) được sử dụng trên một số ứng dụng công nghiệp, thương mại và nghiên cứu. Từ các quy trình chế tạo tiên tiến đến các ứng dụng pháp y, có rất nhiều ứng dụng thực tế cho SEM hiện đại.

SEMS hoạt động như thế nào

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) sử dụng các chùm electron tập trung để hiển thị hình ảnh ba chiều, độ phân giải cao. Những hình ảnh này cung cấp thông tin về:

• Địa hình học
• hình thái học
• Cấu tạo

Biểu diễn sơ đồ của một SEM được thể hiện trong Hình 1. Các electron được tạo ra ở đầu cột bởi nguồn electron. Sau đó, chúng đã tăng tốc xuống cột áp suất thấp, giúp ngăn chặn bất kỳ nguyên tử và phân tử nào có trong cột tương tác với chùm electron và đảm bảo hình ảnh chất lượng tốt.

Thấu kính điện từ được sử dụng để điều khiển đường đi của các electron. Tụ quang xác định kích thước của chùm electron (xác định độ phân giải), trong khi vai trò chính của thấu kính mục tiêu là tập trung chùm tia vào mẫu. Cuộn quét được sử dụng để raster chùm tia lên mẫu. Trong nhiều trường hợp, khẩu độ được kết hợp với các ống kính để kiểm soát kích thước của chùm tia.

Các loại electron khác nhau được phát ra từ các mẫu khi tương tác với chùm electron. Một máy dò electron tán xạ ngược (BSE) được đặt phía trên mẫu để giúp phát hiện các electron tán xạ ngược. Hình ảnh cho thấy thông tin tương phản giữa các khu vực có thành phần hóa học khác nhau vì các nguyên tố nặng hơn (số nguyên tử cao) sẽ xuất hiện sáng hơn. Một máy dò electron thứ cấp (SE) được đặt ở bên cạnh buồng điện, ở một góc, để tăng hiệu quả phát hiện các electron thứ cấp có thể cung cấp thông tin bề mặt chi tiết hơn.

Kính hiển vi điện tử khác với kính hiển vi quang học như thế nào?

Sự khác biệt chính giữa kính hiển vi điện tử và quang học nằm ngay trong tên. SEM sử dụng một chùm electron thay vì một chùm ánh sáng. Một nguồn electron nằm ở đỉnh kính hiển vi phát ra một chùm electron tập trung cao.

Trong SEM, có ba loại nguồn electron khác nhau:

Thermionic filament – Một dây tóc vonfram bên trong kính hiển vi được làm nóng cho đến khi nó phát ra các electron. Một sợi vonfram hoạt động ở nhiệt độ cho ánh sáng trắng, có nghĩa là nó dần dần bay hơi theo thời gian và cuối cùng bị vỡ, có thể làm ô nhiễm phần trên của cột điện tử. Tuổi thọ trung bình của nguồn Vonfram là khoảng 100 giờ, tùy thuộc vào chân không.

Súng phát xạ trường (FEG) – Tạo ra một điện trường mạnh kéo các electron ra khỏi nguyên tử của chúng. Đây thường là lựa chọn phổ biến hơn trong SEM vì nó tạo ra hình ảnh có độ phân giải cao, tuy nhiên nó đòi hỏi thiết kế chân không thường có giá cao.

Cực âm Cerium Hexaboride (CeB6) – cung cấp độ sáng gấp mười lần so với Vonfram, có nghĩa là tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu tốt hơn và độ phân giải tốt hơn. Một nguồn CeB6 thường cung cấp hơn 15 lần tuổi thọ của Vonfram: 1500 + giờ. Nguồn CeB6 được sử dụng trong tất cả các máy tính để bàn Phenom SEM loạt công cụ.

Các ứng dụng của Kính hiển vi điện tử quét (SEM)

SEM có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp, thương mại và nghiên cứu.

Khoa học vật liệu

SEM được sử dụng trong khoa học vật liệu để nghiên cứu, kiểm soát chất lượng và phân tích lỗi.

Trong khoa học vật liệu hiện đại, các nghiên cứu về ống nano và sợi nano, chất siêu dẫn nhiệt độ cao, kiến trúc mesoporous và độ bền hợp kim, tất cả đều phụ thuộc rất nhiều vào việc sử dụng SEM để nghiên cứu và điều tra.

Trên thực tế, bất kỳ ngành khoa học vật liệu nào, từ hàng không vũ trụ và hóa học đến điện tử và sử dụng năng lượng, chỉ có thể thực hiện được với sự trợ giúp của SEM.

Cảm biến khí cấu trúc dây nano

Các nhà nghiên cứu đang khám phá những cách mới mà dây nano có thể được sử dụng làm cảm biến khí bằng cách cải thiện các phương pháp chế tạo hiện có và phát triển các phương pháp mới. SEM cực kỳ quan trọng trong việc giúp mô tả các dây nano và phân tích hành vi cảm biến khí của chúng.

Kiểm tra chất bán dẫn

Hiệu suất đáng tin cậy của chất bán dẫn đòi hỏi thông tin địa hình học chính xác. Hình ảnh ba chiều có độ phân giải cao được tạo ra bởi SEM cung cấp phép đo nhanh chóng, chính xác về thành phần của chất bán dẫn.

Trên thực tế, trong tất cả các quy trình sản xuất wafer, SEM là một trong ba công cụ kiểm soát chất lượng thiết yếu được sử dụng. Trong trường hợp kiểm tra kiểm soát chất lượng hàng ngày lặp đi lặp lại, màn hình lớn hơn (19 inch) đã được chứng minh là làm giảm mệt mỏi thị giác cho thanh tra viên.

Lắp ráp vi mạch

Sản xuất vi mạch đang ngày càng dựa vào SEM để giúp hiểu rõ hơn về hiệu quả của các phương pháp sản xuất và chế tạo mới. Với quy mô và vật liệu ngày càng nhỏ hơn, cũng như tiềm năng của các polyme tự lắp ráp phức tạp, độ phân giải cao, khả năng ba chiều của SEM là vô giá đối với thiết kế và sản xuất vi mạch.

Khi Internet of Things (IoT) trở nên phổ biến hơn trong cuộc sống hàng ngày của người tiêu dùng và nhà sản xuất, SEM sẽ tiếp tục đóng một vai trò quan trọng trong việc thiết kế chipset chi phí thấp, năng lượng thấp cho các máy tính phi truyền thống và các thiết bị nối mạng.”

Điều tra pháp y

Các cuộc điều tra hình sự và pháp y khác sử dụng SEM để khám phá bằng chứng và có thêm thông tin chi tiết về pháp y. Công dụng bao gồm:

• Phân tích dư lượng súng
• Kiểm tra đồ trang sức
• So sánh đánh dấu đầu dòng
• Phân tích chữ viết tay và chữ in
• Kiểm tra tiền giả
• Phân tích hạt sơn và sợi
• Phân tích bóng đèn dây tóc trong sự cố giao thông

Vì SEM cung cấp khả năng kiểm tra một loạt các vật liệu ở độ phóng đại cao và thấp mà không làm mất độ sâu tiêu điểm , việc sử dụng chúng trong khoa học pháp y giúp đưa ra kết luận, xác định nguồn gốc vật liệu và đóng góp cơ sở bằng chứng vào các vấn đề hình sự và pháp lý. Thiết bị Phenom GSR dành cho máy tính để bàn được thiết kế đặc biệt để phân tích dư lượng súng bắn tự động.

Khoa học sinh học

Trong khoa học sinh học, SEM có thể được sử dụng trên bất cứ thứ gì từ côn trùng và mô động vật đến vi khuẩn và virus. Công dụng bao gồm:

• đo lường ảnh hưởng của biến đổi khí hậu của các loài.
• Xác định vi khuẩn mới và các chủng độc
• Xét nghiệm tiêm chủng
• Khám phá loài mới
• làm việc trong lĩnh vực di truyền học

Lấy mẫu đất và đá

Lấy mẫu địa chất bằng SEM có thể xác định quá trình phong hóa và hình thái của các mẫu. Hình ảnh điện tử tán xạ ngược có thể được sử dụng để xác định sự khác biệt về thành phần, trong khi thành phần của các nguyên tố có thể được cung cấp bằng phân tích vi mô. Các mục đích sử dụng hợp lệ bao gồm:

• Xác định các công cụ và đồ tạo tác ban đầu của con người
• Đo chất lượng đất cho nông nghiệp và nông nghiệp
• Định tuổi trong khảo cổ
• Bằng chứng pháp y là chất lượng đất, độc tố, v.v.

Y học

Nói chung, SEM được sử dụng trong khoa học y tế để so sánh các mẫu máu và mô trong việc xác định nguyên nhân gây bệnh và đo lường hiệu quả của phương pháp điều trị đối với bệnh nhân (đồng thời góp phần thiết kế các phương pháp điều trị mới). Các cách sử dụng phổ biến bao gồm:

• Xác định bệnh và virus
• thử nghiệm vắc-xin và thuốc mới
• So sánh các mẫu mô giữa các bệnh nhân trong nhóm kiểm soát và nhóm thử nghiệm
• Xét nghiệm mẫu trong suốt tuổi thọ của bệnh nhân

Nghệ thuật

Không phải tất cả các ứng dụng SEM đều thực tế nghiêm ngặt. Micrographs được sản xuất bởi SEM đã được sử dụng để tạo ra các tác phẩm nghệ thuật kỹ thuật số. Hình ảnh ba chiều có độ phân giải cao của các vật liệu khác nhau tạo ra một loạt các cảnh quan đa dạng, chủ thể hình ảnh vừa xa lạ vừa quen thuộc.

Một công cụ hữu ích

Trong các lĩnh vực ứng dụng và nghiên cứu công nghiệp, ngày càng tập trung vào kiểm soát chất lượng ở quy mô nhỏ. Đạt được hình ảnh có độ phân giải cao với SEM có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc về nhiều lĩnh vực, làm cho SEM trở thành công cụ không thể thiếu trên nhiều lĩnh vực.

Nguồn: