Nguyên lý và cấu tạo của kính hiển vi điện tử quét
Kính hiển vi điện tử quét, tên đầy đủ là kính hiển vi điện tử quét, tiếng Anh là Scan electron microscope (SEM), là một dụng cụ quang học điện tử dùng để quan sát cấu trúc bề mặt của các vật thể.
1. Nguyên lý quét của kính hiển vi điện tử
Việc chế tạo kính hiển vi điện tử quét dựa trên sự tương tác của các điện tử với vật chất. Khi một chùm điện tử năng lượng cao của con người bắn phá bề mặt vật liệu, vùng kích thích tạo ra các điện tử thứ cấp, điện tử Auger, tia X đặc trưng và tia X liên tục, điện tử tán xạ ngược, điện tử truyền và bức xạ điện từ trong vùng tử ngoại nhìn thấy được. và các vùng hồng ngoại. . Đồng thời, các cặp electron-lỗ trống, dao động mạng tinh thể (phonon) và dao động electron (plasmon) cũng có thể được tạo ra. Ví dụ, tập hợp các điện tử thứ cấp và các điện tử tán xạ ngược có thể thu được thông tin về hình thái vi mô của vật liệu; việc thu thập tia X có thể thu được thông tin về thành phần hóa học của vật liệu. Kính hiển vi điện tử quét hoạt động bằng cách quét một mẫu với một chùm điện tử cực nhỏ, các điện tử thứ cấp kích thích trên bề mặt của mẫu. Các điện tử bậc nhất được máy dò thu thập, chuyển thành tín hiệu quang học bởi máy soi ở đó, sau đó được chuyển đổi thành tín hiệu điện bởi các ống nhân quang và bộ khuếch đại, điều khiển cường độ chùm điện tử trên màn hình photpho và hiển thị hình ảnh đã quét đồng bộ với chùm điện tử. Hình ảnh là hình ảnh ba chiều phản ánh cấu trúc bề mặt của mẫu vật.
2. Cấu tạo của kính hiển vi điện tử quét
(1) Ống kính
Nòng ống kính bao gồm súng điện tử, thấu kính ngưng tụ, vật kính và hệ thống quét. Vai trò của nó là tạo ra một chùm điện tử cực nhỏ (đường kính khoảng vài nanomet) quét bề mặt của mẫu trong khi kích thích các tín hiệu khác nhau.
(2) Hệ thống thu nhận và xử lý tín hiệu điện tử
Trong buồng mẫu, chùm điện tử quét tương tác với mẫu để tạo ra nhiều loại tín hiệu, bao gồm các điện tử thứ cấp, các điện tử tán xạ ngược, tia X, các điện tử hấp thụ, các điện tử Nga (Auger), v.v. Trong số các tín hiệu nêu trên, quan trọng nhất là các điện tử thứ cấp, là các điện tử ngoài cùng bị kích thích bởi các điện tử tới trong nguyên tử mẫu, và được tạo ra trong vùng dưới bề mặt mẫu từ vài nanomet đến hàng chục nanomet. Tốc độ phát sinh chủ yếu được xác định bởi hình thái và thành phần của mẫu. Hình ảnh kính hiển vi điện tử quét thường đề cập đến hình ảnh điện tử thứ cấp, là tín hiệu điện tử hữu ích nhất để nghiên cứu địa hình bề mặt của mẫu. Đầu dò của máy dò phát hiện các điện tử thứ cấp là máy soi. Khi các điện tử va vào ống soi, ánh sáng được tạo ra trong ống soi. Ánh sáng này được truyền qua ống ánh sáng đến ống nhân quang, ống này sẽ chuyển tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu dòng điện, sau đó được đưa qua Bộ khuếch đại tiền khuếch đại và khuếch đại video chuyển đổi tín hiệu hiện tại thành tín hiệu điện áp, cuối cùng được gửi đến lưới điện của ống hình.
(3) Hệ thống ghi và hiển thị tín hiệu điện tử
Hình ảnh kính hiển vi điện tử quét được hiển thị trên một ống tia âm cực (ống hình ảnh) và được ghi lại bởi một máy ảnh. Có hai loại ống hình ảnh, một loại dùng để quan sát và có độ phân giải thấp hơn và là loại ống phát sáng dài; ống còn lại được sử dụng để ghi ảnh và có độ phân giải cao hơn và là một ống phát sáng sau ngắn.
(4) Hệ thống chân không và hệ thống cung cấp điện
Hệ thống chân không của kính hiển vi điện tử quét bao gồm một bơm cơ học và một bơm khuếch tán dầu. Hệ thống cung cấp điện cung cấp công suất cụ thể theo yêu cầu của từng thành phần.
3. Mục đích của kính hiển vi điện tử quét
Chức năng cơ bản nhất của kính hiển vi điện tử quét là quan sát bề mặt của nhiều mẫu rắn khác nhau ở độ phân giải cao. Ảnh có độ sâu trường ảnh lớn là đặc điểm của các quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét, như: sinh học, thực vật học, địa chất, luyện kim,… Các quan sát có thể là bề mặt mẫu, bề mặt cắt hoặc mặt cắt. Các nhà luyện kim rất vui khi nhìn thấy trực tiếp các bề mặt nguyên sơ hoặc bị mài mòn. Dễ dàng nghiên cứu các bề mặt oxit, sự phát triển tinh thể hoặc các khuyết tật ăn mòn. Một mặt, nó có thể kiểm tra trực tiếp hơn cấu trúc mịn của giấy, vải dệt, gỗ tự nhiên hoặc gỗ đã qua xử lý và các nhà sinh vật học có thể sử dụng nó để nghiên cứu cấu trúc của các mẫu nhỏ, dễ vỡ. Ví dụ: hạt phấn hoa, tảo cát và côn trùng. Mặt khác, nó có thể chụp ảnh ba chiều tương ứng với bề mặt của mẫu. Kính hiển vi điện tử quét có nhiều ứng dụng trong nghiên cứu vật liệu rắn và có thể so sánh với các dụng cụ khác. Để mô tả đầy đủ các đặc tính của vật liệu rắn, hãy sử dụng kính hiển vi điện tử quét.
