میکروسکوپ SEM (میکروسکوپ الکترونی روبشی) که از گروه میکروسکوپ های الکترونی است، از معروف ترین روش های میکروسکوپی به شمار می رود که علاوه بر تهیه ی تصاویر بزرگنمایی شده، در صورتی که به تجهیزات اضافی مجهز شود می تواند برای آنالیز شیمیایی و دیگر بررسی ها نیز به کار گرفته شود. مبنای عملکرد این میکروسکوپ، برهم کنش پرتوی الکترونی با ماده است. پرتوهای ساطع شده از این برهم کنش می‌تواند جهت بررسی‌ها مورد استفاده قرار گیرد.

 

 

منبع الکترونی (تفنگ الکترونی) معمولاً از نوع انتشار ترمویونیکی فیلامان یا رشته تنگستنی است اما استفاده از منابع گسیل میدان برای قدرت تفکیک بالاتر، افزایش یافته است. معمولا الکترون‌ها بین KeV 30 – 1 شتاب داده می‌شوند. سپس دو یا سه عدسی متمرکزکننده پرتو الکترونی را باریک می‌کنند، تا حدی که در موقع برخورد با نمونه قطر آن حدوداً بین nm 2-10 است.

اصول عملکرد SEM بر سه اصل استوار است که به صورت زنجیروار با هم در ارتباط هستند:

1..برهم کنش پرتوی الکترونی با نمونه؛
2. امکان تولید و کنترل مشخصه‌های پرتوی الکترونی روبشگر در میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی؛
3.امکان آشکارسازی پرتوهای ساطع شده از سوی نمونه در اثر برهم کنش آن با پرتوی الکترونی ورودی.

وقتی پرتوی الکترونی روبشی با نمونه برخورد می کند، بین آنها برهمکنش روی می‌دهد. نتیجه آن، ساطع شدن پرتوهایی است که با کمک آشکارسازها دریافت و شناسایی می‌شوند و مشخصات ماده را آشکار می‌سازند.

 

کاربردها

SEM در مطالعات بسیاری از مواد نظیر فلزات، آلیاژها، مواد مغناطیسی، ابررساناها، نیمه رساناها، سرامیک‌ها، کامپوزیت‌ها، دوفلزی‌ها، پودرها، بلورهای یونی، پلیمرها، عایق‌ها، لاستیک‌ها و پلاستیک‌ها به کار برده می‌شود.

این تحقیقات در شاخه‌های گوناگونی چون رشد بلور و دانه، انجماد، جهات دوقلویی و بلوری، شکست، بازیابی، تبلور مجدد، خستگی، خوردگی، اکسیداسیون، سایش، فرسایش، تغییر شکل مکانیکی، اتصالات الکتریکی، مغناطیس‌ها، اجزای نیمه‌رسانا، مدارهای الکترونی و پوشش‌دهی صورت می‌گیرد. آنالیز SEM می‌تواند اطلاعاتی در حوزه های مورفولوژی، توپوگرافی، ترکیب و کریستالوگرافی به دست دهد.

بیشتربدانید:بشر

چندین نمونه از کاربردهای SEMعبارتند از :

• شکست نگاری (Fractography):
• ارزیابی کلی سطح شکست و تعیین عامل شروع شکست
• تعیین مکانیزم شکست
• بررسی شکست های ناشی از خستگی (Fatigue)

 

• متالوگرافی (در بزرگنمایی‌های بالا):
• تعیین اندازه دانه
• تعیین ساختار متالوگرافی در نمونه های مختلف
• بررسی مرزدانه‌ها حتی در حالت اچ نشده
• ارزیابی چگونگی حضور فازهای مختلف در ساختار، خصوصا فازهای رسوبی
• ارزیابی گرادیان ترکیب شیمیایی روی سطح نمونه‌ها در فواصل میکرو و نانومتری
• بررسی گسترش و مسیر انتشار ترک‌ها نسبت به اجزای ساختاری (مرزدانه ها، درون دانه، رسوبات، آخال‌ها و …) در نمونه‌ی پولیش و اچ شده

 

• ریخته‌گری و انجماد:
• بررسی ساختار دندریتی حاصل از انجماد
• بررسی پدیده‌ی جدایش فازی در حین انجماد
• بررسی ساختار کامپوزیت‌های ریختگی

 

• مهندسی سطح:
• شناسایی حفره‌ها
• بررسی ساختار پوشش‌ها
• تریبولوژی و بررسی سایش

 

• خوردگی:
• تشخیص نوع و مکانیزم خوردگی

علاوه بر موارد ذکر شده، SEM  کاربردهای بسیاری نیز در فناوری نانو دارد که از این جمله می توان اندازه‌گیری محدوده‌ی اندازه‌ی نانوذرات و بررسی مورفولوژی آن‌ها، بررسی ساختار نانوکامپوزیت‌ها، ساختار نانولوله‌ها، تغییرات نانوساختارها در عملیات مختلف، نانوالیاف، پوشش‌های نانوساختار، نانوساختارهای دارویی، نانوفیلترها، ساختار نانوفلاورها (Nano Flowers)، نمونه‌های بیولوژیک و بررسی پدیده ها و استحاله‌ها در مقیاس نانو را نام برد.

بیشتربدانید:میکروسکوپ الکترونی روبشی(SEM)

مزایای میکروسکوپ

امکان بررسی تقریبا تمامی انواع نمونه‌ها(چه هادی و چه غیرهادی)؛

عدم نیاز به نمونه‌های شفاف (به دلیل مکانیزم عمل که بر اساس برهم کنش پرتوی الکترونی با نمونه است)؛

امکان تصویربرداری در سه بعد X، Yو  Z

امکان برقراری ارتباط و تنوع نتایج با استفاده از آشکارسازهای مختلف؛

راحت بودن کار با دستگاه با وجود آموزش‌های مناسب و پیشرفت‌های کامپیوتری همراه با نرم‌افزارهای ویژه؛

سریع بودن کار با دستگاه؛

نیاز به آماده سازی اولیه کم برای اغلب نمونه‌ها.

 

محدودیت‌های میکروسکوپ

گران، بزرگ و نیاز به محیطی عاری از تداخل‌های الکتریکی، مغناطیسی و ارتعاشی؛

وضوح پایین، معمولا در بیشتر از چند ده نانومتر؛

سیاه- سفید بودن تصاویر به دلیل استفاده از پرتوی الکترونی (با اینحال در سیستم‌های مدرن که مجهز به نرم افزار آنالیز تصویر هستند می توان با ایجاد رنگ‌های مصنوعی(Pseudo-color) تصاویر نسبتا رنگی به دست آورد)؛

نیاز به خلأ بالا در سیستم؛

نیاز به آموزش ویژه و تجربه جهت دستیابی به نتایج عالی و تشخیص نتایج گمراه کننده (Artifacts).

 

نمونه های میکروسکوپ

در اکثر SEMها، نمونه‌ها بر روی یک نمونه گیر متصل به یک پایه نصب می‌شوند و به طور مستقیم یا پس از عبور از یک محفظه‌ی میانی، وارد محفظه‌ی اصلی می‌شوند. ابعاد نمونه با توجه به ابعاد هندسی محفظه و تجهیزات سخت افزاری عملیات روبش و آشکارسازی محدود می‌شود. این محدودیت ابعادی از جهت X،Y و Z وجود دارد که البته میزان این محدودیت به مدل دستگاه بستگی دارد. به دلیل محدودیت ابعادی نمونه‌ها معمولا نیاز به کوچک کردن نمونه‌های اصلی وجود دارد.

صلب بودن نمونه مورد مطالعه از دیگر خواص لازم است. جامد بودن شرط لازم برای صلب بودن است، اما شرط کافی نیست. با توجه به مکش بسیار شدیدی که در حین برقراری خلأ در محفظه وجود دارد، علاوه بر جامد بودن نمونه، خشک بودن و عدم خروج مواد فرار، رطوبت و انواع چربی از نمونه بسیار حائز اهمیت است. خروج این مواد از نمونه می تواند باعث آلوده شدن محفظه، منافذ و مجاری سیستم خلأ و تداخل در مسیر و پراکندگی پرتوهای الکترونی گردد.