Giới thiệu chung về Scanning Electron Microscopy (SEM)

[C.H.V]

Scanning Electron Microscopy (SEM) được gọi là “kính hiển vi điện tử quét”.

- Nguyên tắc của SEM là sử dụng tia electron để kích thích bề mặt mẫu vật ở “từng điểm”, lấy tín hiệu và phân tích thông tin. Khi bề mặt mẫu được quét, rất nhiều điểm được lấy thông tin, và hình ảnh sẽ được hình thành.

- Thông thường kính hiển vi quang học, sẽ cho hình ảnh tổng thể của vật một lần. Còn SEM thì chỉ lấy thông tin ở từng điểm của vật, và sau đó dựng thành hình ảnh tổng thể.

- Các thông tin SEM thu được: tính gập gềnh của bề mặt (topography), thành phần nguyên tố và tính chất tinh thể của bề mặt mẫu.

Lịch sử phát triển

- Những năm đầu 1930, vì giới hạn vật lý của ánh sáng khi sử dụng kính hiển vi quang học (không thể nhìn thấy rõ vật có kích thước nhỏ hơn 200 nm), nên không thể nhìn thấy được các tế bào, các protein hay các phân tử nhỏ…


Ảnh 1. Giới hạn vật lý của ánh sáng ở khoảng 0.2 um

- Kính hiển vi điện tử truyền qua (transmission electron microscope, TEM) được phát triển sớm hơn SEM. Nguyên tắc của TEM giống như của kính hiển vi quang học, nhưng thay vì sử dụng ánh sáng thì TEM sử dụng tia electron để đi xuyên qua mẫu vật. TEM đầu tiên được chế tạo ở Đức vào năm 1931, do Max Knoll và Ernst Ruska.

- Sau đó SEM mới được chế tạo vào năm 1938 bởi Von Ardenne, và lần đầu tiên được đưa ra thị trường vào năm 1965.

Các thông tin mà SEM có thể cung cấp:

Topography (tính gập gềnh bề mặt): các đặc điểm của bề mặt (how it look), độ nhám ra sao, có thể biết được tính liên quan của các đặc điểm này đến tính chất của vật liệu.

Morphology (hình dạng): Hình dạng, kích thước hạt, cấu trúc của mẫu vật; tính liên quan của cấu trúc và tính chất vật liệu.


Ảnh 2. một ảnh SEM của kim cương. Có các tinh thể kim cương kích thước micro và tinh thể kim cương có kích thước nano.

Composition (Thành phần): thông tin thành phần nguyên tố và hợp chất; tính liên quan giữa thành phần và tính chất của vật liệu


Ảnh 3. Lập bản đồ nguyên tố trên bề mặt mẫu.

Crystallographic (mạng tinh thể): biết được tính chất tinh thể của mẫu, cũng như liên hệ giữa tính chất tinh thể và tính chất của vật liệu.


Ảnh 4. ảnh SEM cho thấy đơn tinh thể và đa tinh thể.


Ảnh 5. Máy SEM của Hitachi


Ảnh 6. Máy desktop mini SEM của PHENOM PRO.

(to be continue...)

[C.H.V]

So sánh giữa kính hiển vi quang học, TEM và SEM



Cấu trúc 3 kính hiển vi trên tương tự nhau, nhưng khác nhau:

- Kính hiển vi quang học: illumination source là nguồn ánh áng thấy được, condenser lens là các thấu kính hội tụ. Mẫu (specimen) được đặt trên đường đi của ánh sáng. Hình ảnh cuối cùng được nhìn thấy là hình ảnh xuyên qua của mẫu vật.

- Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM): illumination source là nguồn phát electron, thường ở nhiệt độ cao và điện thế cao để bắn ra electron, các condenser lens là các cuộn cảm từ trường, giúp định hướng đường đi của electron. Ở TEM, mẫu cũng được đặt trên đường đi của electron. Hình ảnh thu được cuối cùng hiện trên màng ảnh cảm quang, cũng là hình ảnh xuyên qua của mẫu vật.

- Kính hiển vi điện tử quét (SEM): TEM có nguồn phát electron tương tự SEM. Condenser lens cũng là các cuộn cảm giúp định hướng đường đi của electron. Nhưng mẫu được đặt ở cuối đường đi của electron, Khi electron ở năng lượng cao va chạm với mẫu vật sẽ phát sinh ra nhiều loại electron, trong số đó có “Secondary Electrons”, và đầu thu tín hiệu sẽ thu loại electron này và hình thành hình ảnh. Đây là điểm khác biệt chính của SEM so với kính hiển vi quang học và TEM.

[C.H.V]

Thế mạnh của SEM so với kính hiển vi quang học (OM, optical microscope)

Độ phóng đại (magnification):
OM từ 4 – 1400 (lần),
SEM từ 10 - 500K (lần).

Depth of Field (DOF): đây là khoảng cách giữa điểm gần nhất và xa nhất của vật mà kính hiển vi có thể nhìn thấy rõ.
DOF của OM: 0.5 mm,
SEM: là 30 mm.

Resolution: là kích thước nhỏ nhất có thể nhìn thấy rõ,
resolution của OM: 0.2 um
resolution của SEM: 1.5 nm.


Hình minh họa của depth of field.
Thế mạnh lớn của SEM là độ phóng đại lớn hơn rất nhiều so với kính hiển vi quang học, có thể thấy được những hình ảnh mà kính hiển vi không thấy được, do giới hạn ánh sáng của kính hiển vi quang học. SEM cho hình ảnh có cấu trúc 3D, có độ sâu khác nhau nhờ vào DOF lớn. SEM cho biết được thành phần nguyên tốc và thông tin tinh thể của mẫu. Chính vì vậy SEM là một công cụ rất mạnh trong các phòng thí nghiệm và trong công nghiệp.