Nguyên lý, cấu tạo của Kính hiển vi điện tử quét SEM

Thứ bảy - 21/11/2020 03:04
Kính hiển vi điện tử quét (scanning electron microscope - SEM) sử dụng một chùng điện tử electron được hội tụ để quét trên bề mặt tạo ra một hình ảnh, các điện tử trong chùn tia tương tác với mẫu, sinh ra hàng loạt các tín hiệu và các tín hiệu đó có thể sử dụng để lấy thông tin về hình dạng và thành phần của bề mặt
Kính hiển vi điện tử quét đầu tiên được Mafred von Ardenne chế tạo vào năm 1937 với mục đích vượt qua Kính hiển vi điện tử truyền qua. Ông sử dụng nguồn điện có độ phân giải cao để quét một đường quét nhỏ bằng cách sử dụng một chùm điện tử tập trung vào đường quét. Ông cũng nhằm mục đích giảm thiểu các vấn đề của hình ảnh quang sai màu do Kính hiển vi điện tử truyền qua tạo ra.
Scanning Electron Microscope SEM
Scanning Electron Microscope SEM
  • Các nhà khoa học và tổ chức nghiên cứu như Công ty Dụng cụ Khoa học Cambridge, những người cuối cùng đã phát triển một Kính hiển vi điện tử quét được cấu tạo hoàn chỉnh vào năm 1965 và đặt tên nó là Stereoscan.
  • Kính hiển vi điện tử quét là gì? Nguyên lý, cấu tạo của kính hiển vi điện tử quét
  • Sự phát triển của kính hiển vi điện tử là do bước sóng của kính hiển vi ánh sáng không hiệu quả. kính hiển vi điện tử có bước sóng ngắn hơn so với kính hiển vi ánh sáng cho phép độ phân giải tốt hơn.
Scanning Electron Microscope SEM
  • Không giống như Kính hiển vi điện tử truyền qua sử dụng các điện tử truyền qua, Kính hiển vi điện tử quét sử dụng các điện tử phát ra.
  • Kính hiển vi điện tử quét hoạt động trên nguyên tắc ứng dụng động năng để tạo ra tín hiệu về sự tương tác của các electron. Các điện tử này là các điện tử thứ cấp, các điện tử tán xạ ngược và các điện tử tán xạ ngược nhiễu xạ được sử dụng để xem các nguyên tố và photon kết tinh. Các điện tử thứ cấp và bị tán xạ ngược được sử dụng để tạo ra hình ảnh. Các điện tử thứ cấp được phát ra từ mẫu vật đóng vai trò chính là phát hiện hình thái và địa hình của mẫu vật trong khi các điện tử tán xạ ngược thể hiện sự tương phản trong thành phần của các phần tử của mẫu vật.
Nguyên lý hoạt động của kính hiển vi điện tử quét

How does the Scanning Electron Microscope SEM work
Nguồn hình ảnh
  • Nguồn của các electron và thấu kính điện từ là từ đèn dây tóc vonfram được đặt trên đỉnh cột và nó tương tự như nguồn của Kính hiển vi điện tử truyền qua.
  • Các electron được tỏa ra sau khi nhiệt năng được tác dụng vào nguồn electron và chuyển động thẳng nhanh dần đều đến anode mang điện tích dương.
  • Chùm điện tử kích hoạt sự phát xạ các điện tử phân tán (Sơ cấp) ở mức năng lượng cao và các điện tử thứ cấp ở mức năng lượng thấp từ bề mặt mẫu vật. Chùm electron tương tác với mẫu vật để tạo ra tín hiệu cung cấp thông tin về địa hình bề mặt và thành phần của mẫu vật.
  • Mẫu không cần xử lý đặc biệt để nhìn rõ dưới kính hiển vi điện tử quét SEM, thậm chí có thể kiểm tra trực tiếp mẫu được làm khô trong không khí. Tuy nhiên, các mẫu vi sinh vật cần được cố định, khử nước và làm khô để duy trì các đặc điểm cấu trúc của tế bào và ngăn ngừa sự sụp đổ của tế bào khi tiếp xúc với chân không cao của kính hiển vi.
  • Các mẫu được gắn và phủ các phần tử kim loại nặng lớp mỏng để cho phép các điện tích phân tán theo không gian trên bề mặt của mẫu cho phép tạo ra hình ảnh tốt hơn, với độ rõ nét cao.
  • Quá trình quét bằng kính hiển vi này đạt được bằng cách làm nhỏ một chùm electron qua lại trên một phần mỏng của kính hiển vi. Khi các điện tử tiếp cận mẫu vật, bề mặt giải phóng một đám nhỏ các điện tử được gọi là các điện tử thứ cấp, sau đó bị giữ lại bởi một thiết bị phát hiện đặc biệt.
  • Khi các điện tử thứ cấp tiếp cận và đi vào bộ phát hiện, chúng đập vào chất tán quang (một vật liệu phát quang sẽ phát huỳnh quang khi bị hạt tích điện hoặc photon năng lượng cao tác động). Điều này phát ra các tia sáng nhấp nháy được biến đổi thành dòng điện bởi một bộ nhân quang, gửi tín hiệu đến ống tia âm cực. Điều này tạo ra một hình ảnh giống như một bức tranh truyền hình có thể được xem và chụp ảnh.
  • Số lượng các điện tử thứ cấp đi vào bộ phát hiện được xác định nhiều bởi bản chất của mẫu vật, tức là các bề mặt nhô lên nhận được số lượng lớn các điện tử, đi vào bộ phát hiện trong khi các bề mặt bị lõm có ít điện tử đến bề mặt hơn và do đó ít điện tử đi vào bộ phát hiện.
  • Do đó các bề mặt nhô cao sẽ xuất hiện sáng hơn trên màn hình trong khi các bề mặt bị lõm xuống có vẻ tối hơn.
Các bộ phận của Kính hiển vi điện tử quét (SEM)
Các thành phần chính của Kính hiển vi điện tử quét bao gồm;
  • Nguồn điện tử - Đây là nơi các điện tử được tạo ra dưới tác động nhiệt ở điện áp 1-40kV. các điện tử ngưng tụ thành một chùm tia được sử dụng để tạo ra hình ảnh ana và phân tích. Có ba loại nguồn electron có thể được sử dụng, đó là: Dây tóc vonfram, hexaboride Lantan và súng phát xạ trường (FEG)
  • Thấu kính - nó có một số thấu kính ngưng tụ tập trung chùm electron từ nguồn qua cột tạo thành một chùm electron hẹp tạo thành một điểm gọi là kích thước điểm.
  • Cuộn dây quét - chúng được sử dụng để làm chệch hướng chùm tia trên bề mặt mẫu vật.
  • Detector - Nó được tạo thành từ một số Detector có thể phân biệt các điện tử thứ cấp, các điện tử tán xạ ngược và các điện tử tán xạ ngược bị nhiễu xạ. Hoạt động của Detector phụ thuộc nhiều vào tốc độ điện áp, mật độ của mẫu vật.
  • Thiết bị hiển thị (thiết bị xuất dữ liệu)
  • Nguồn cấp
  • Hệ thống chân không
Giống như Kính hiển vi điện tử truyền qua, Kính hiển vi điện tử quét phải không bị rung và bị tác động dưới bất kỳ phần tử điện từ nào.
SEM image of Tradescantia pollen and stamens
Hình: Hình ảnh SEM của phấn hoa và nhị hoa Tradescantia

Low temperature scanning electron micrograph of soybean cyst nematode and its egg Magnified 1000 times
Hình: Ảnh hiển vi điện tử quét ở nhiệt độ thấp của tuyến trùng nang đậu tương và trứng của nó. Được phóng đại 1.000 lần

Scanning electron microscope image of a hederelloid from the Devonian of Michigan largest tube diameter is 0 75 mm
Hình: Kính hiển vi điện tử quét hình ảnh hederelloid từ kỷ Devon ở Michigan (đường kính ống lớn nhất là 0,75 mm)

Photoresist SEM micrograph 1995 SEM DSM 982 Gemini from Zeiss

Hình: Ảnh hiển vi SEM của nhà nhiếp ảnh (1995) SEM = DSM 982 Gemini từ Zeiss

Scanning Electron Micrograph of the surface of a kidney stone showing tetragonal crystals of Weddellite calcium oxalate dihydrate emerging from the amorphous central part of the stone

Hình: Hình ảnh hiển vi điện tử quét bề mặt của một viên sỏi thận cho thấy các tinh thể tứ giác của Weddellite (canxi oxalat dihydrat) nổi lên từ phần trung tâm vô định hình của sỏi

SEM image of stomata on the lower surface of a leaf
Hình: Hình ảnh SEM của khí khổng ở mặt dưới của lá


Các ứng dụng của Kính hiển vi điện tử quét (SEM)
  • Nó được sử dụng trong nhiều lĩnh vực bao gồm sử dụng trong công nghiệp, nghiên cứu khoa học nano, nghiên cứu y sinh, vi sinh
  • Được sử dụng để phân tích hóa học điểm trong Quang phổ tia X phân tán năng lượng.
  • Được sử dụng trong phân tích các thành phần mỹ phẩm có kích thước rất nhỏ.
  • Được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc sợi của vi sinh vật.
  • Được sử dụng để nghiên cứu địa hình của các yếu tố được sử dụng trong các ngành công nghiệp.
Ưu điểm của Kính hiển vi điện tử quét (SEM)
  • Chúng dễ vận hành và có giao diện thân thiện với người dùng.
  • Chúng được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp để phân tích bề mặt của các vật thể rắn.
  • Một số Kính hiển vi điện tử quét (SEM) hiện đại có thể tạo ra dữ liệu kỹ thuật số có thể di động được.
  • Dễ dàng thu thập dữ liệu từ Kính hiển vi điện tử quét (SEM) trong khoảng thời gian ngắn khoảng 5 phút.
Hạn chế
  • Chúng rất đắt
  • Chúng cồng kềnh để mang theo
  • Chúng phải được sử dụng trong phòng không bị rung và không có các phần tử điện từ
  • Chúng phải được duy trì với một điện áp phù hợp
  • Chúng phải được duy trì khi phụ kiện là hệ thống làm mát
Sự kết hợp các nguyên lý hoạt động của Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) đã hình thành nên Kính hiển vi điện tử quét-truyền (STEM). Kính hiển vi điện tử truyền qua quét (STEM), sử dụng chùm điện tử hội tụ để tập trung vào một đầu dò trên mẫu vật và sau đó đầu dò được quét trên bề mặt của nó, các tín hiệu thu thập, sau đó được thu thập như điểm đến điểm để tạo thành hình ảnh .

 

Tổng số điểm của bài viết là: 10 trong 2 đánh giá

Xếp hạng: 5 - 2 phiếu bầu
Click để đánh giá bài viết

  Ý kiến bạn đọc

Bạn đã không sử dụng Site, Bấm vào đây để duy trì trạng thái đăng nhập. Thời gian chờ: 60 giây