مقدمه ای بر SEM

مقدمه ای بر SEM و برهم کنش پرتوی الکترونی با نمونه

شرکت در آزمون

برای شرکت در آزمون می بایست وارد سیستم شوید

امروزه روش های مختلفی جهت شناسایی و آنالیز مواد وجود دارد که یکی از معروف ترین آنها، روش های میکروسکوپی می باشد. در این روش ها می توان تصاویر بزرگنمایی شده از نمونه به دست آورد. میکروسکوپ الکترونی روبشی SEM 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 می تواند جهت بررسی ها مورد استفاده قرار گیرد. 

1-1- مقدمه
با استفاده از روش های میکروسکوپی، تصاویر با بزرگنمایی بالا از ماده به دست می آید تا بتوان جزئیات آن را با دقت مطالعه نمود. قدرت تفکیک تصاویر میکروسکوپی با توجه به نوع پرتوی مورد استفاده مشخص می شود. به عنوان مثال، با استفاده از میکروسکوپ های نوری، قدرت تفکیکی در حدود 1 میکرومتر یا حتی 200 نانومتر و با استفاده از میکروسکوپ های الکترونی، STM ، AFM و یونی با وضوح بالا در حدود یک نانومتر تا چند انگستروم قابل دسترسی است. در همین رابطه، دقت عمودی و افقی برخی از مهم ترین روش های میکروسکوپی در شکل 1 نشان داده شده است[1].

شکل 1 - طرحی که نشاندهنده ی وضوح عمودی و افقی روش های مختلف تصویربرداری است. ملاحظه می شود که بسیاری از روش ها خصوصا در محدوده ی  100-10 نانومتر هم پوشانی دارند. با اینحال این روش ها لزوما از قسمت یکسانی از نمونه تصویر تهیه نمی کنند. به عنوان مثال، SEM و TEMهر دو هم پوشانی زیادی دارند، ولی اولی از سطوح و دومی از داخل ماده تصویر تهیه می-کند[1].

1-2- میکروسکوپ های الکترونی
میکروسکوپ های الکترونی به خاطر محدودیت میکروسکوپ های نوری توسعه پیدا کرده اند. در میکروسکوپ نوری شاید بتوان با تغییر انحنای سطح عدسی‌ها(میزان تقعر و تحدب) و تعداد آنها بزگنمائی تصاویر را به هر مقدار زیاد کرد، اما به علت بلند بودن طول موج نور، عملا تصاویر در بزرگنمائی‌های بالای 2000 وضوح خود را از دست می‌دهند. منظور از وضوح یاحد تفکیک (resolution) کمترین فاصله بین دو نقطه‌ای است که بتوان آنها را از هم تفکیک کرد. میکروسکوپ های نوری معمولی، بزرگنمایی ماکزیمم، 1000 تا 2000 برابر و قدرت تفکیک 0.2 میکرون دارند که این باعث محدودیت استفاده از این دستگاه ها می شود. به عنوان مثال، برای دیدن ساختار سلول های آلی به بزرگنمایی 10000 برابر نیاز است که به وسیله ی میکروسکوپ نوری با طول موج امواج مرئی قابل دستیابی نیست.
در میکروسکوپ های الکترونی بجای نور از پرتوی الکترونی استفاده می‌شود. از آنجایی که طول موج الکترون می تواند بسیار کوتاه باشد، پس در میکروسکوپ های الکترونی می توان به بزرگنمائی بسیار بالا دست یافت (تا حد یک میلیون برابر در بعضی از میکروسکوپ های الکترونی). در واقع میکروسکوپ‌های الکترونی براساس قوانین امواج الکترومغناطیس کار می کنند و مانند تمام میکروسکوپ ها از لنزهای شیئ و چشمی تشکیل شده اند، با این تفاوت که در میکروسکوپ‌های الکترونی، به جای نور از شار الکترون (پرتوهای الکترونی) پرانرژی استفاده می گردد. علاوه بر این، لنزها نیز در این نوع میکروسکوپ‌ها از نوع لنزهای الکترومغناطیس می باشند که با لنزهای نوری متفاوت می باشند. از نگاه تاریخی، اولین نوع از میکروسکوپ های الکترونی ابداع شده، میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM=Transmission Electron Microscope) می‌باشد که مکانیزم عملکرد آن دقیقا مانند یک میکروسکوپ عبوری نوری است، با این تفاوت که در آن به جای نور از یک پرتوی الکترونی و به جای لنزهای نوری از لنزهای مغناطیسی استفاده می شود [2،3].

1-3- میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)
میکروسکوپ الکترونی روبشی که به آنScanning Elecron Microscope یا به اختصار SEM گویند، یکی از انواع بسیار معروف میکروسکوپ های الکترونی است که خصوصا کاربردهای بسیاری در فناوری نانو پیدا کرده است. نخستین تلاش ها در زمینه ی توسعه ی میکروسکوپ های روبشی به سال 1935 باز می¬گرددکه ماکس نول (Max Knoll) در آلمان پژوهش هایی در زمینه ی پدیده های الکترونیک نوری انجام داد و تصویری را بر اساس کانتراست کانالی الکترونی (electron chanelling contrast) از فولاد سیلیسیمی به دست آورد. مانفرد وان آردن (ManfredvonArdenne) تحقیقات بیشتری را بر روی اصول فیزیکی SEM و برهمکنش آن با نمونه انجام داد و توانست در سال 1938 با اضافه کردن سیم پیچ های روبشی به یک TEM، میکروسکوپ الکترونی عبوری ـ روبشی بسازد. با اینحال دستگاه او از نظر عملی مورد استقبال قرار نگرفت. استفاده از SEM برای مطالعه ی نمونه های ضخیم غیرشفاف اولین بار توسط ژورکین (Zworykin) و همکاران در سال 1942 در ایالات متحده ی آمریکا انجام شد. توسعه ی بیشتر SEM توسط پروفسور چارلز اُتلی (CharlesOatley) و همکارش گَری استوارت (GaryStewart) در دانشگاه کمبریج بریتانیا به انجام رسید و در سال 1965 برای اولین بار به صورت تجاری روانه ی بازار شد[4،5].

ساختSEM سبب شد تا محققان بتوانند نمونه ها را به سادگی و با وضوح بیشتر مطالعه کنند. بمباران نمونه با پرتوی الکترونی سبب می شود تا از نمونه الکترون ها و فوتون هایی خارج و به سمت آشکارسازها رها شوند که در آن قسمت تبدیل به سیگنال می شوند. حرکت پرتو بر روی نمونه مجموعه ای از سیگنال ها را فراهم می کند که بر این اساس میکروسکوپ می تواند تصویر متقابل از سطح نمونه را به صورت لحظه به لحظه بر صفحه  نمایش دهد. بنابراین مکانیزم عملکرد SEM با میکروسکوپ های نوری کاملا متفاوت است.
در ابتدا مزیت اصلی دستگاه SEM، تهیه ی تصاویر میکروسکوپی به طور مستقیم از نمونه های جامد با وضوح و قدرت تفکیک و تمرکز بهتر در مقایسه با میکروسکوپ های نوری بود. اما بعدها قدرت اجرایی و عملیاتی دستگاه توسعه یافته و به روش های تجزیه وتحلیل، نظیر اشعه ایکس برای تعیین ترکیب شیمیایی و کانال های الکترونی (electron channeling) جهت تشخیص وضعیت بلوری مجهز گردید. شکل 2 نمونه ای از یک SEM مرسوم را نشان می دهد.

شکل 2 - تصویری از یک دستگاه SEM امروزی [6].

1-4- برهم کنش نمونه و پرتوی الکترونی
اصول عملکرد SEM بر سه اصل استوار است که به صورت زنجیروار با هم در ارتباط هستند[5]:
1- برهم کنش پرتوی الکترونی با نمونه؛
2- امکان تولید و کنترل مشخصه های پرتوی الکترونی روبشگر در میدان های 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 می دهد. نتیجه ی آن، ساطع شدن پرتوهایی است که با کمک آشکارسازها دریافت و شناسایی می شوند و مشخصات ماده را آشکار می سازند. شکل 3 شماتیکی از پرتوهایی که از نمونه ساطع می شود را نشان می دهد[5]. نوع اطلاعاتی که از این طریق به دست می آید به برهمکنش پرتو و نمونه بستگی دارد. به همین دلیل لازم است جزئیات این برهمکنش را بررسی کنیم. موارد 2 و 3 در بخش های بعد شرح داده خواهند شد.

شکل 3 - برهمکنش پرتوی الکترونی و نمونه[7].

در SEM، پرتوهای الکترونی ورودی به نمونه معمولا حاوی الکترون هایی با انرژی 1 تا 50 الکترون ولت  هستند که هنگام برخورد با ماده، رفتارهای بسیار متفاوتی از خود نشان می دهند. در برهمکنش نمونه والکترون، الکترون می تواند[2]:
1- بی تأثیر بوده و از نمونه عبور نماید؛
2- به طور الاستیکی پراکنده شود تغییری در انرژی آن به وجود نیامده، اما جهت آن تغییر نماید؛
3- پراش یافته و انکسار یابد در یک جهت ترجیحی که توسط ساختار بلوری نمونه تعیین می شود، پخش گردد؛
4- به طور غیرالاستیکی پراکنده شود  در انرژی و جهت آن تغییر ایجاد ‌گردد؛
5- جذب شود.
در صورت اتفاق افتادن موارد 4 و 5، الکترون های ثانویه یا پرتوهای الکترومغناطیسی(اشعه ی X یا نور) منتشر می شود ویا اینکه حرارت آزاد می گردد.
کانتراست (contrast) قابل رویت در هر یک از موارد مزبور، به جز در مورد شماره یک، ممکن است ایجاد شود. معمولا در نمونه های غیربلوری، کانتراست از تاثیرات 2، 4 و یا 5 می باشد. مورد شماره 4 دلخواه نیست. چون هنگامی که انرژی الکترون تغییرمی کند، طول موج آن نیز تغییر نموده و در نتیجه فاصله ی کانونی عدسی ها تغییر پیدا می کند؛ یعنی سبب می شود لنزها عیب رنگی (کروماتیک) بروز دهند.

حالت 3 به طور عمده برای مقایسه و بررسی ساختارهای بلوری ورق های فلزی نازک یا ذرات رسوبی به کار می رود. این شیوه علاوه بر ایجاد کانتراست ساختاری و تمیز جهات ترجیحی پخش الکترون ها، اطلاعاتی نیز در مورد ساختار بلوری ارائه می دهد. بدین منظور می توان پراش الکترونی و الگوهای کیکوچی (Kikuchi) را ثبت نموده و تصاویر جداگانه ای با استفاده از میدان دید تاریک از پرتوهای پراکنده شده به دست آورد. برای حصول اطلاعات بیشتر، استفاده از میدان روشن و یا پرتوهای الکترونی عبور یافته مفید است[2].
اما عمده ترین برهمکنش ها و خصوصا آن مواردی که در SEM مطرح می باشند، موارد 2 و 4 می باشند که به طور دقیق تر عبارتند از[5]:
1- پراکندگی الاستیکی: تغییرجهت حرکت پرتوی الکترونی ضمن از دست دادن مقدار قابل اغماضی انرژی. پراکندگی الاستیکی عمدتا در برخورد پرتوی الکترونی با هسته ی اتم رخ می دهد و باعث انحراف قابل توجهی در مسیر پرتوی الکترونی ورودی به ماده می شود.
2- پراکندگی غیر الاستیکی: از دست دادن انرژی و تغییر قابل اغماض جهت حرکت پرتوی الکترونی. پراکندگی غیر الاستیکی از طریق دو مکانیزم اتفاق می افتد: (1) پراکندگی غیر الاستیکی در برخورد با الکترون های باندهای الکترونی اتم ماده و (2) پراکندگی غیر الاستیکی در برخورد با هسته ی اتم.
چندرسانه ای 1 نیز پراکندگی الاستیک و غیرالاستیک را نشان می دهد.در واقع، هدف برخورد الکترون های پرتو الکترونی ورودی، اتم های ماده است که خود شامل هسته و الکترون های اطراف آن می باشند. در اثر برخورد الاستیک پرتوی الکترونی ورودی با الکترون های اتم ماده، جهت حرکت آنها تغییر نموده و امکان برخوردهای بعدی فراهم می گردد. اگر پرتوی الکترونی ورودی با الکترون های اتم برخورد کند و به صورت غیرالاستیکی پراکنده شود، دو حالت وجود دارد. ممکن است پرتوی الکترونی با الکترون های لایه ی خارجی برخورد کند و انرژی پرتو به آن منتقل شود که باعث می شود الکترون آن اتم برانگیخته شود و از لایه ی الکترونی خارج گردد. طبق تعریف، انرژی الکترون خارج شده از اتم که به آن «الکترون ثانویه» گویند، معمولا حدود  50 الکترون ولت است. با اینحال 90% این الکترون ها انرژی کمتر از 15 الکترون ولت دارند (شکل 4). اگر عمق ایجاد الکترون های ثانویه کمتر از 10 نانومتر از سطح نمونه باشد، با توجه به اینکه انرژی سطحی جامدات حدود   2 تا 6 الکترون ولت  است، عملا خروج آنها به عنوان «پرتو الکترون های ثانویه» ( SE=Secondary Electrons)  از سطح امکان پذیر خواهد بود. اما اگر الکترون های ثانویه در عمقی بیش از 10 نانومتر از سطح ماده ایجاد شده باشند، با توجه به برخوردهای بی نهایتی که ممکن است در راه رسیدن به سطح، با الکترون ها و هسته های اتم ها داشته باشند، شانس بسیار ناچیزی برای خروج از سطح خواهند داشت. کانتراست موجود در تصاویر حاصل از الکترون های ثانویه ناشی از اختلاف در انرژی، تعداد و مسیر آنها می باشد[2،5]. در شکل 5 (الف) یک تصویر SE از سطح مقطع یک نمونه ی پودر نشان داده شده است[8].

شکل 4 – طیف الکترونی که نشاندهنده ی فراوانی نسبی الکترون های ثانویه (S)، اوژه (A) و برگشتی (B) بر حسب انرژی الکترون است. توجه شود که مقیاس انرژی، پیوسته نیست؛ E₀ به طور نمونه بسیار بیشتر از 50 الکترون ولت است[1].

شکل 5– تصویر (الف) SE و (ب)BSE از سطح مقطع یک ذره. SEبرای تصویربردای در حالت توپوگرافی و مورفولوژی و BSE برای کنتراست توزیع فازی مناسب است [8].

در حالت دوم پراکندگی غیرالاستیکی الکترون های پرتوی الکترونی ورودی، خطوط پرتوی X مشخصه (characteristic X-ray lines) تولید می شوند. این وضعیت وقتی رخ می دهد که جای خالی الکترون جدا شده از اتم با شرایط خاص به وسیله ی الکترون دیگر از لایه های بالا جایگزین شود. میزان انرژی از دست داده پرتوی الکترونی ورودی در برخورد غیرالاستیک با الکترون های اتم می تواند برابر با انرژی پیوند الکترون های لایه های K، L و M باشد و منجر به خروج الکترون  لایه های مذکور و تابش اشعه ی X مشخصه شود. همچنین ممکن است به دنبال خروج یک الکترون و جایگزینی جای خالی الکترون با الکترونی از یک تراز انرژی بالاتر، به جای خروج تفاوت انرژی ترازها به صورت فوتون، انرژی به یک الکترون دیگر انتقال پیدا کند و آن را از اتم خارج کند. این الکترون خروجی به «الکترون اوژه» (AE=Auger Electron)  معروف است.
در کنار پراکندگی غیرالاستیکی، پراکندگی های الاستیکی هم می توانند اتفاق بیفتند. با پراکندگی الاستیک شدید یک پرتوی الکترونی در واکنش با هسته ی اتم، به خوبی می توان امکان تغییر جهت بیش از 90 درجه در مسیر الکترون پرتوی الکترونی را متصور شد. چنین تغییر جهتی می تواند امکان بازگشت پرتو به سمت سطح را فراهم سازد. این الکترون های بازگشته از داخل نمونه را «الکترون های بازگشتی» (BSE=Back Scattered Electrons ) می نامند. بیشتر الکترون های بازگشتی حداقل 50 درصد انرژی الکترون های ورودی را دارند (شکل 4). جالب است که تغییر زاویه  در پراکندگی الاستیکی پرتوی الکترونی در برخورد با هسته ی اتم های سنگین، بیشتر از اتم های سبک است (شکل 6). با توجه به تغییر زاویه ی کمتر پرتوی الکترونی در پراکندگی الاستیکی از هسته با عدد اتمی کمتر، احتمال (یا فراوانی) خروج الکترون های بازگشتی از مواد دارای عدد اتمی کمتر (اتم های با هسته ی سبک تر) کمتر خواهد بود. به بیان دیگر، در اتم های با عدد اتمی کمتر، قبل از اینکه پرتوی الکترونی با زوایای بیشتر از 90 درجه پراکنده شود و فرصت بازگشت بیابد، به اعماق ماده نفوذ نموده و بخش عمده ای از آن جذب می شود. اما در اتم های با عدد اتمی بیشتر، امکان تغییر زاویه ی بیش از 90 درجه بیشتر است. در این شرایط، مقدار الکترون های بازگشتی بسیار بیشتر از زمانی است که پرتوی الکترونی با یک هسته ی سبک، به صورت الاستیک برخورد می کند. بنابراین مقدار الکترون های بازگشتی خارج شده از یک ماده به شدت متأثر از عدد اتمی ماده ای است که پرتوی الکترونی به آن وارد شده است. به بیان دقیق تر، در تصویر الکترون های برگشتی، فازهای حاوی عناصر سنگین، روشن تر و فازهای سبک تر تیره  تردیده می شوند[5]. شکل 5 (ب) نمونه ای از تصویر BSE از سطح مقطع یک ذره  را نشان می دهد[8]. اگر پرتوی ورودی با هسته ی اتم ماده برخورد کند و به صورت غیرالاستیکی پراکنده شود، پرتوی X ساطع می شود. شکل 7 خلاصه ای از انواع پراکندگی های الکترون ها در اثر برهمکنش پرتوی الکترونی با نمونه را نشان می دهد.

شکل 6–ارتباط بین ضریب پراکنده شدن الکترون ها و بازده ی الکترون های ثانویه با عدد اتمی مواد[2].

شکل 7 - خلاصه ای از برهم کنش الاستیکی و غیرالاستیکی پرتوی الکترونی ورودی و ماده[5].

با توجه به از دست رفتن انرژی در پراکندگی غیرالاستیک پرتوی الکترونی ورودی در برخورد با الکترون¬های اتم، احتمال خروج الکترون های ثانویه از عمق حداکثر 10 نانومتر وجود دارد. از سوی دیگر، در پراکندگی الاستیک پرتوی الکترونی ورودی با هسته ی اتم، مقدار از دست رفتن انرژی بسیار ناچیز و قابل چشم پوشی است. بنابراین عمق خروج الکترون های بازگشتی بیشتر و در حدود 2 میکرومتر می باشد. البته باید به خاطر داشت که در هر دو مورد، میزان ساطع شدن الکترون های ثانویه و بازگشتی، متأثر از انرژی پرتوی الکترونی ورودی و نوع ماده  است[5].

1-4-1- حجم اندرکنش
با توجه به مکانیزم های پراکندگی، می توان انتظار داشت که خروج پرتوی الکترون های ثانویه از عمق 10 نانومتری و پرتوی الکترون های برگشتی از عمق 2 میکرومتری اتفاق بیفتد. البته این اعداد بسته به شرایط پرتوی الکترونی ورودی و ماده متغیر است. به سادگی می توان تصور کرد که پرتوی الکترونی ورودی، به سطح ماده برخورد می کند و عمقی را تحت تأثیر قرار می دهد. بیان سطح و عمق در جمله ی قبل به وضوح حاکی از وجود یک حجم اندرکنشی (interaction volume) است.
شناخت حجم اندرکنشی کار پیچیده ای است که علت این پیچیدگی، تنوع و کثرت برخوردهایی است که ممکن است به وقوع بپیوندد. بهترین راه بررسی این حجم، استفاده از اصول ریاضی و آمار است. بر اساس محاسباتی که محققین به انجام رسانیده اند مشخص شده است که حجم اندرکنشی به صورت گلابی شکل است که در منطقه ی ورود پرتو به داخل ماده قابل تصور می باشد. این حجم در شکل 8 به صورت شماتیکی نشان داده شده است. خاطر نشان می شود که عمق و گستردگی برهم-کنش به شرایط پرتوی الکترونی و ماده بستگی دارد[5].

شکل 8- عمق نفوذ پدیده های مختلف ناشی از برهم کنش پرتوی الکترونی و نمونه[2].

1-5- بحث و نتیجه گیری
SEM از روش های پرکاربرد میکروسکوپی محسوب می شود. همانند دیگر میکروسکوپ های الکترونی، به دلیل استفاده از پرتوی الکترونی در SEM، حد تفکیک بسیار بالایی قابل دستیابی است.این میکروسکوپ از زمان اختراع آن با پیشرفت های چشمگیری همراه بوده است. اساس عملکرد SEM، برهمکنش پرتوی الکترونی با ماده است که نشر الکترون ها و فوتون ها از ماده را به همراه دارد. از جمله مهم ترین این پرتوها که برای بررسی ماده استفاده می شوند، الکترون های ثانویه (برای بررسی مورفولوژی و توپوگرافی) و الکترون های برگشتی (با هدف بررسی توزیع فازی) می باشند.