So sánh Kính hiển vi điện tử truyền qua với kính hiển vi điện tử quét

Thứ bảy - 21/11/2020 03:45
Tài liệu tham khảo về kính hiển vi điện tử tập trung vào sự khác biệt giữa kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và kính hiển vi điện tử quét (SEM)

Kính hiển vi điện tử đã nổi lên như một công cụ mạnh mẽ để xác định đặc tính của nhiều loại vật liệu. Tính linh hoạt và độ phân giải không gian cực cao của chúng khiến chúng trở thành một công cụ rất có giá trị cho nhiều ứng dụng. Hai loại kính hiển vi điện tử chính là kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và kính hiển vi điện tử quét (SEM). Ở đây, chúng tôi mô tả ngắn gọn những điểm giống và khác nhau của chúng.
 
So sánh Kính hiển vi điện tử truyền qua với kính hiển vi điện tử quét
Sự khác biệt giữa SEM và TEM

Sự khác biệt chính giữa SEM và TEM là SEM tạo ra một hình ảnh bằng cách phát hiện các điện tử bị phản xạ hoặc bị đánh bật, trong khi TEM sử dụng các điện tử truyền qua (các điện tử đang đi qua mẫu) để tạo ra hình ảnh. Do đó, TEM cung cấp thông tin có giá trị về cấu trúc bên trong của mẫu, chẳng hạn như cấu trúc tinh thể, hình thái và thông tin trạng thái ứng suất, trong khi SEM cung cấp thông tin về bề mặt của mẫu và thành phần của nó.

Nguyên lý làm việc của kính hiển vi điện tử quét và kính hiển vi điện tử truyền qua
Chúng ta hãy bắt đầu với những điểm tương đồng. Đối với cả hai kỹ thuật, các điện tử được sử dụng để thu nhận hình ảnh của các mẫu. Các thành phần chính của chúng giống nhau:

Một nguồn điện tử
Một loạt các thấu kính điện từ và tĩnh điện để điều khiển hình dạng và quỹ đạo của chùm tia điện tử
Khẩu độ điện tử
Tất cả các thành phần này được đặt bên trong một buồng có chân không cao.

Bây giờ cho sự khác biệt. SEMs sử dụng một tập hợp các cuộn dây cụ thể để quét chùm tia theo mô hình giống như raster và thu thập các điện tử phân tán.

Nguyên tắc của kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), như tên gọi, là sử dụng các điện tử được truyền qua, các điện tử đang đi qua mẫu trước khi chúng được thu thập. Do đó, TEM cung cấp thông tin vô giá về cấu trúc bên trong của mẫu, chẳng hạn như cấu trúc tinh thể, hình thái và thông tin trạng thái ứng suất, trong khi SEM cung cấp thông tin về bề mặt của mẫu và thành phần của nó.

Hơn nữa, một trong những khác biệt rõ rệt nhất giữa hai phương pháp là độ phân giải không gian tối ưu mà chúng có thể đạt được. Độ phân giải SEM được giới hạn ở ~ 0,5 nm, trong khi với sự phát triển gần đây trong TEM được hiệu chỉnh quang sai, hình ảnh có độ phân giải không gian thậm chí dưới 50 pm đã được báo cáo.

Kỹ thuật hiển vi điện tử nào là tốt nhất cho phân tích của bạn?
Tất cả điều này phụ thuộc vào loại phân tích bạn muốn thực hiện. Ví dụ: nếu bạn muốn lấy thông tin trên bề mặt mẫu, như độ nhám hoặc phát hiện ô nhiễm, thì bạn nên chọn SEM. Mặt khác, nếu bạn muốn biết cấu trúc tinh thể của mẫu của bạn là gì hoặc nếu bạn muốn tìm kiếm các khuyết tật hoặc tạp chất có thể có trong cấu trúc, thì sử dụng TEM là cách duy nhất để làm điều đó.

SEM cung cấp hình ảnh 3D của bề mặt mẫu, trong khi hình ảnh TEM là hình chiếu 2D của mẫu, trong một số trường hợp, việc giải thích kết quả khó khăn hơn cho người vận hành.

Do yêu cầu đối với các điện tử truyền qua, các mẫu TEM phải rất mỏng (thường nhỏ hơn 150 nm) và trong các trường hợp cần hình ảnh độ phân giải cao, thậm chí dưới 30 nm, trong khi đối với hình ảnh SEM, không có yêu cầu cụ thể như vậy.

Điều này cho thấy một điểm khác biệt chính giữa hai kỹ thuật: chuẩn bị mẫu. Mẫu SEM yêu cầu ít hoặc không cần nỗ lực chuẩn bị mẫu và có thể được chụp ảnh trực tiếp bằng cách gắn chúng trên một thanh nhôm.

Ngược lại, chuẩn bị mẫu TEM là một quy trình khá phức tạp và tẻ nhạt mà chỉ những người dùng được đào tạo và có kinh nghiệm mới có thể làm theo thành công. Các mẫu cần phải rất mỏng, càng phẳng càng tốt và kỹ thuật chuẩn bị không được tạo ra bất kỳ hiện vật nào (chẳng hạn như kết tủa hoặc amorphi hóa) vào mẫu. Nhiều phương pháp đã được phát triển, bao gồm đánh bóng điện, đánh bóng cơ học và phay chùm ion tập trung. Lưới và giá đỡ chuyên dụng được sử dụng để gắn các mẫu TEM.

SEM và TEM: Sự khác biệt trong vận hành
Hai hệ thống EM cũng khác nhau về cách chúng được vận hành. SEM thường sử dụng điện áp gia tốc lên đến 30 kV, trong khi người sử dụng TEM có thể đặt nó trong khoảng 60–300 kV.

Độ phóng đại mà TEM cung cấp cũng cao hơn nhiều so với SEM. Người dùng TEM có thể phóng đại mẫu của họ lên hơn 50 triệu lần, trong khi đối với SEM, điều này được giới hạn ở 1–2 triệu lần.

Tuy nhiên, trường nhìn tối đa (FOV) mà SEM có thể đạt được lớn hơn nhiều so với TEM, có nghĩa là người dùng TEM chỉ có thể hình ảnh một phần rất nhỏ của mẫu của họ. Tương tự, độ sâu trường ảnh của hệ thống SEM cao hơn nhiều so với hệ thống TEM.
Hình ảnh kính hiển vi điện tử của silicon. a) Ảnh SEM với SED cung cấp thông tin về hình thái của bề mặt, trong khi b) Ảnh TEM tiết lộ thông tin cấu trúc về mẫu bên trong.

Ngoài ra, cách hình ảnh được tạo ra ở hai hệ thống cũng khác nhau. Trong SEMs, các mẫu được định vị ở dưới cùng của cột điện tử, và các điện tử phân tán (phân tán ngược hoặc thứ cấp) được bắt bởi các máy dò điện tử. Sau đó, các bộ nhân quang được sử dụng để chuyển tín hiệu này thành tín hiệu điện áp, tín hiệu này được khuếch đại để tạo ra hình ảnh trên màn hình PC.

Trong kính hiển vi TEM, mẫu nằm ở giữa cột. Các điện tử truyền qua nó và qua một loạt thấu kính bên dưới mẫu (thấu kính trung gian và thấu kính máy chiếu). Hình ảnh được hiển thị trực tiếp trên màn hình huỳnh quang hoặc qua máy ảnh thiết bị tích điện (CCD) trên màn hình PC.

Tóm tắt những điểm khác biệt chính giữa SEM và TEM.

 
  SEM TEM
Type of electrons
  • Scattered, scanning electrons
  • Transmitted electrons
High tension
  • ~1–30 kV
  • ~60–300 kV
Specimen thickness
  • Any
  • Typically <150 nm
Type of info
  • 3D image of surface
  • 2D projection image of inner structure
Max. magnification
  • Up to ~1–2 million times
  • More than 50 million times
Max. FOV
  • Large
  • Limited
Optimal spatial resolution
  • ~0.5 nm
  • <50 pm
Image formation
  • Electrons are captured and counted by detectors, image on PC screen
  • Direct imaging on fluorescent screen or PC screen with CCD
Operation
  • Little or no sample preparation, easy to use
  • Laborious sample preparation, trained users required

Nói chung, TEM vận hành phức tạp hơn. Người dùng TEM cần được đào tạo chuyên sâu trước khi có thể vận hành chúng. Các quy trình đặc biệt cần được thực hiện trước mỗi lần sử dụng, bao gồm một số bước để đảm bảo rằng chùm điện tử được căn chỉnh hoàn hảo. Trong bảng trên, bạn có thể thấy tóm tắt về sự khác biệt chính giữa SEM và TEM.

Kết hợp công nghệ SEM và TEM

Có một kỹ thuật hiển vi điện tử nữa phải kể đến, đó là sự kết hợp giữa TEM và SEM, đó là kính hiển vi điện tử truyền qua quét (STEM). Nó có thể được áp dụng cho cả hai hệ thống, nhưng toàn bộ khả năng của nó sẽ được bộc lộ khi áp dụng cho một công cụ TEM. Hầu hết các TEM hiện đại có thể được chuyển sang “chế độ STEM” và người dùng chỉ cần thay đổi quy trình căn chỉnh của chúng. Ở chế độ STEM, chùm tia được hội tụ tinh vi và quét vùng mẫu (như SEM), trong khi hình ảnh được tạo ra bởi các điện tử truyền qua (như trong TEM).

Khi làm việc ở chế độ STEM, người dùng có thể tận dụng các khả năng của cả hai kỹ thuật. Họ có thể xem xét cấu trúc bên trong của các mẫu với khả năng phân giải rất cao (thậm chí cao hơn độ phân giải TEM), nhưng cũng sử dụng các tín hiệu khác như tia X và mất năng lượng điện tử. Những tín hiệu này có thể được sử dụng trong các kỹ thuật quang phổ: quang phổ tia X phân tán năng lượng (EDX) và quang phổ tổn thất năng lượng điện tử (EELS).

Tất nhiên, EDX cũng là một thực tế phổ biến trong các hệ thống SEM và được sử dụng để xác định thành phần hóa học của mẫu bằng cách phát hiện tia X đặc trưng phát ra từ vật liệu khi chúng bị bắn phá bằng các electron.

EELS chỉ có thể được thực hiện trong một hệ thống TEM làm việc ở chế độ STEM và cho phép điều tra thành phần nguyên tử và hóa học, các đặc tính điện tử và các phép đo độ dày cục bộ của vật liệu.
Các yếu tố quyết định khác khi chọn và mua kính hiển vi điện tử
Tốc độ
Hệ thống SEM để bàn yêu cầu chuẩn bị mẫu tối thiểu và yêu cầu chân không thoải mái và thể tích hút chân không nhỏ cho phép hệ thống trình bày hình ảnh nhanh hơn nhiều so với hệ thống mô hình sàn điển hình.

Hơn nữa, các SEM trên máy tính để bàn thường được vận hành bởi người sử dụng thông tin, loại bỏ thời gian cần một người điều hành chuyên dụng để thực hiện phân tích, chuẩn bị báo cáo và truyền đạt kết quả.

Ngoài các câu trả lời nhanh hơn, có giá trị vô hình đáng kể về tính tức thời của phân tích và khả năng của người dùng để điều tra theo thời gian thực đối với các quan sát.

Cuối cùng, trong một số ứng dụng, chẳng hạn như kiểm tra, sự chậm trễ lâu hơn mang lại một chi phí hữu hình bằng cách đặt nhiều công việc đang tiến hành vào rủi ro.

Các ứng dụng
Quy trình ứng dụng có được xác định rõ không? Nếu đúng như vậy và một SEM trên máy tính để bàn có thể cung cấp thông tin cần thiết, tại sao phải chi tiêu nhiều hơn? Mối quan tâm về các yêu cầu trong tương lai vượt quá khả năng của máy tính để bàn cần được đánh giá về độ chắc chắn và thời gian của các yêu cầu tiềm năng cũng như sự sẵn có của các nguồn lực bên ngoài cho các ứng dụng đòi hỏi nhiều hơn.

Ngay cả trong trường hợp các yêu cầu trong tương lai sẽ vượt quá khả năng của máy tính để bàn, khoản đầu tư ban đầu vào một SEM dành cho máy tính để bàn có thể tiếp tục mang lại lợi nhuận vì hệ thống đó được sử dụng để bổ sung cho hệ thống mô hình sàn trong tương lai.

Có lẽ trong khả năng sàng lọc hoặc để tiếp tục thực hiện các phân tích thông thường trong khi hệ thống mô hình sàn được áp dụng cho các ứng dụng đòi hỏi nhiều hơn.

Hệ thống máy tính để bàn cũng có thể là một cách tiếp cận khôn ngoan để biện minh cho một hệ thống lớn hơn, thiết lập giá trị của SEM trong khi cho phép đánh giá dựa trên kinh nghiệm về nhu cầu và chi phí của khả năng nâng cao hơn từ một nhà cung cấp bên ngoài.

Người dùng
Có bao nhiêu cá nhân sẽ sử dụng hệ thống? Người dùng có được đào tạo không? Nếu không, họ sẵn sàng đầu tư bao nhiêu thời gian cho việc đào tạo? Máy tính để bàn SEM vận hành đơn giản và cần ít hoặc không cần chuẩn bị mẫu. Lấy một hình ảnh có thể dễ dàng như nhấn một vài nút.

Những quy trình nâng cao hơn có thể được tiếp cận bởi những người dùng có nhu cầu cụ thể, những người sẵn sàng đầu tư một ít thời gian vào đào tạo. Nhìn chung, các yêu cầu về đào tạo người vận hành thấp hơn nhiều với hệ thống máy tính để bàn và bản thân hệ thống này mạnh mẽ hơn nhiều. Nó khó bị hỏng hơn và chi phí sửa chữa tiềm năng thấp hơn nhiều.

Lựa chọn giữa SEM và TEM
Từ mọi thứ chúng tôi đã đề cập, rõ ràng là không có kỹ thuật nào “tốt hơn”; tất cả phụ thuộc vào loại phân tích mà bạn yêu cầu. TEM là lựa chọn khi bạn muốn lấy thông tin từ cấu trúc bên trong, trong khi SEM được ưu tiên hơn khi yêu cầu thông tin bề mặt. Tất nhiên, các yếu tố quyết định chính là sự khác biệt lớn về giá giữa hai hệ thống, cũng như tính dễ sử dụng. TEM có thể mang lại khả năng phân giải và tính linh hoạt cao hơn cho người dùng, nhưng chúng đắt hơn và lớn hơn nhiều so với SEM và đòi hỏi nhiều nỗ lực hơn để thu thập và diễn giải kết quả.

Để khám phá thêm về SEM và xem nó có phù hợp với yêu cầu nghiên cứu của bạn hay không, bạn có thể xem qua hướng dẫn điện tử miễn phí của chúng tôi: Cách chọn Kính hiển vi điện tử quét. Hướng dẫn điện tử này nhằm hỗ trợ bạn trong việc lựa chọn hệ thống Kính hiển vi điện tử quét (SEM) phù hợp nhất cho nghiên cứu của bạn.

 

Tổng số điểm của bài viết là: 14 trong 3 đánh giá

Xếp hạng: 4.7 - 3 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