1- شاخص‌های کلیدی در SEM

1-1- عمق میدان (Depth of Field)

عمق میدان بزرگ یکی از مزایای SEM است. عمق میدان فاصله‌ای است که می‌توان جسم را درون آن جابه‌جا کرد، بدون آن که چشم، تغییری در کیفیت تصویر آن تشخیص دهد و بتوان به طور همزمان تصویر واضحی از آن تهیه کرد.

چندرسانه‌ای 1: عمق میدان در میکروسکوپ الکترونی روبشی - عمق میدان فاصله‌ایست که اگر جسم درون آن جابه‎جا شود، چشم تغییری در کیفیت تصویر آن تشخیص ندهد، یعنی منطقه‎ای بر روی نمونه است که به طور متمرکز ظاهر می‎شود. عمق میدانی که توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی نشان داده می‎شود به دلیل زاویه واگرایی کوچک به دست آمده است.

در شکل 1، عمق میدان با "d'd مشخص شده است.

شکل 1– شماتیک ساده عمق میدان در یک لنز (نقص‌ها در نظر گرفته نشده‌اند)[1]

عمق میدان در SEMها، در بزرگنمایی‌های کمتر، بسیار بیشتر است. به طور مثال، عمق میدان در بزرگنمایی‌های زیر 20، حدود 2 میلیمتر است. به علاوه، در یک بزرگنمایی ثابت، عمق میدان یک SEM بیش از 100 برابر عمق میدان میکروسکوپ نوری است. شکل 2 به خوبی اثر عمق میدان بالای یک SEM را در تهیه تصویر نشان می‌دهد. جهت افزایش عمق میدان می‌توان از دو روش استفاده کرد: (1) کاهش اندازه روزنه نهایی با استفاده از روزنه‌های ریزتر (شکل 3) و (2) افزایش فاصله سطح نمونه با لنز نهایی که منجر به کاهش زاویه تصویرسازی می‌شود (شکل 4)[1]. چندرسانه‌ای 1 نیز تأثیر کاهش اندازه روزنه نهایی بر عمق میدان را نمایش می‌دهد.

شکل 2 – اثر عمق میدان در تهیه تصاویر در (الف) میکروسکوپ نوری و (ب) SEM . ملاحظه می‌شود که در SEM به دلیل عمق میدان بالاتر به تصاویر بسیار بهتری می‌توان دست یافت. ذرات از جنس آلیاژ آلومینیوم هستند که به روش انجماد سریع تولید شده‌اند [2].

شکل 3– اثر اندازه روزنه نهایی بر عمق میدان: روزنه کوچک‌تر (ب) عمق میدان بیشتری را نسبت به روزنه بزرگ‌تر (الف) فراهم می‌کند [3]. 

شکل 4– اثر فاصله سطح نمونه با لنز نهایی بر عمق میدان: فاصله کاری کمتر (الف) عمق میدان کمتری را نسبت به فاصله کاری بزرگ‌تر (ب) فراهم می‌کند [3]. 

2-1- قدرت تفکیک (Resolution)
طبق تعریف، قدرت تفکیک عبارت است از حداقل فاصله دو نقطه غیرمشابه (با خصوصیت تصویری متفاوت (Separate Features)) از نمونه که به صورت دو نقطه متفاوت (قابل تشخیص) بر روی تصویر دیده می‌شود. قدرت تفکیک درمیکروسکوپ‌ها با رابطه زیر بیان می‌شود:

که در آن λ طول موج پرتوی تصویرساز، μ ضریب شکست محیط تصویر و α زاویه تصویرسازی است. به کمک این رابطه به خوبی می‌توان قدرت تفکیک میکروسکوپ‌های نوری و الکترونی را مقایسه کرد. زاویه تصویرگیری در میکروسکوپ‌های الکترونی بسیار کمتر از میکروسکوپ‌های نوری است و از همه مهم‌تر طول موج پرتوهای الکترونی بسیار کمتر از پرتوهای نور مرئی است (طول موج فوتون‌های نور مرئی 390 تا 750 نانومتر و طول موج رایج در میکروسکوپ‌های الکترونی رایج کمتر از 0.06 نانومتر است. این مقدار با افزایش ولتاژ شتاب‌دهنده میکروسکوپ الکترونی کاهش پیدا می‌کند). با توجه به اثر بسیار بزرگ تفاوت طول موج پرتوهای نوری و الکترونی، اثر تغییرات ضریب شکست ناچیز خواهد بود. بنابراین قدرت تفکیک میکروسکوپ الکترونی بسیار بهتر از میکروسکوپ نوری است. لازم به ذکر است که قدرت تفکیک همواره از قطر پرتوی الکترونی ورودی بزرگ‌تر است [1،4،5]. الکترون‌های ثانویه دارای حد تفکیک بسیار بالایی هستند؛ علت این ویژگی این است فضایی که الکترون‌های ثانویه از آن خارج می‌شوند، تقریباً برابر با قطر پرتوی الکترونی اولیه است. به علت حد تفکیک کوچک‌تر الکترون‌های ثانویه، در بزرگنمایی‌های بسیار بالا تنها از تصاویر الکترون‌های ثانویه استفاده می‌شود [6].

3-1- بزرگنمایی (Magnification)
در میکروسکوپ‌های نوری، لنزها در مسیر پرتوهای عبوریافته یا منعکس شده از سطح نمونه قرار گرفته و با تغییر زاویه حرکت پرتو و به دنبال آن تغییر محل تقاطع پرتوها، منجر به بزرگنمایی می‌شوند. این موضوع در مورد لنز شیئی در میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) نیز صادق است. اما در SEM این طور نیست. نکته بسیار مهم و جالب در رابطه با مکانیزم بزرگنمایی در SEM این است که لنزها تنها مشخصات پرتوی الکترونی اولیه را تنظیم می‌کنند و بر مشخصات پرتوهای ساطع شده از نمونه تأثیری ندارند. از این‌رو می‌توان گفت که لنزها در بزرگنمایی تصاویر SEM تأثیر مستقیمی ندارند. با این وجود باید به خاطر داشت که قطر و سایر مشخصات پرتوهای ساطع شده از نمونه متأثر از پرتوی الکترونی اولیه است که توسط لنزهای تعبیه شده در ستون اپتیکی آماده‌سازی شده است.
مکانیزم بزرگنمایی در میکروسکوپ الکترونی، در واقع نتیجه یک نسبت هندسی بوده و بر اساس رابطه زیر قابل محاسبه است:

که در آن، بزرگنمایی عبارت است از نسبت طول خط تصویری CRT به طول خط تصویری روی نمونه (یا نسبت ضلع مربع تحت اثر پرتو (روی نمونه) به ضلع مربع CRT). با توجه به ثابت بودن مشخصات CRT به عنوان یک عامل سخت‌افزاری، با کاهش اندازه مربع تحت اثر پرتو (که به آن قاب تصویر (Frame Store) می‌گویند)، می‌توان بزرگنمایی را افزایش داد. بنابراین بزرگنمایی در SEM به وسیله جریان سیم پیچ‌های روبش x و y مشخص می‌شود. به عنوان مثال اگر پرتوی الکترونی، سطحی به اندازه 10 در 10 میکرومتر مربع را روی نمونه روبش کند و تصویر روی CRT، صد در 100 میلیمتر مربع باشد، بزرگنمایی خطی 10 هزار برابر خواهد بود. حال اگر بخواهیم بزرگنمایی خطی را به 100 هزار برابر برسانیم، با توجه به ثابت بودن سخت‌افزاری ابعاد CRT، باید سطح روبش شده توسط پرتوی الکترونی را به مربعی با اضلاعی به اندازه 0.1 میکرومتر کاهش دهیم. ممکن است به جای بزرگنمایی خطی از بزرگنمایی سطح و به جای استفاده از نسبت طول‌ها از نسبت مساحت 1 استفاده شود [1،7،8].

2- خصوصیات نمونه‌های SEM
در اکثر SEMها، نمونه‌ها بر روی یک نمونه‌گیر متصل به یک پایه نصب می‌شوند و به طور مستقیم یا پس از عبور از یک محفظه میانی، وارد محفظه اصلی می‌شوند. ابعاد نمونه با توجه به ابعاد هندسی محفظه و تجهیزات سخت‌افزاری عملیات روبش و آشکارسازی محدود می‌شود. این محدودیت ابعادی از جهت X، Y و Z وجود دارد که البته میزان این محدودیت به مدل دستگاه بستگی دارد. به دلیل محدودیت ابعادی نمونه‌ها معمولاً نیاز به کوچک کردن نمونه‌های اصلی وجود دارد.
صلب بودن نمونه مورد مطالعه از دیگر خواص لازم است. جامد بودن شرط لازم برای صلب بودن است، اما شرط کافی نیست. با توجه به مکش بسیار شدیدی که در حین برقراری خلأ در محفظه وجود دارد، علاوه بر جامد بودن نمونه، خشک بودن و عدم خروج مواد فرار، رطوبت و انواع چربی از نمونه بسیار حائز اهمیت است. خروج این مواد از نمونه می‌تواند باعث آلوده شدن محفظه، منافذ و مجاری سیستم خلأ و تداخل در مسیر و پراکندگی پرتوهای الکترونی شود [1].

3- آماده‌سازی نمونه‌های SEM
1-3- تمیزکردن
هرگونه آلودگی و ماده اضافی موجود روی نمونه بر پردازش با اشعه ایکس و الکترون و حصول تصویر مناسب تأثیر می‌گذارد. این لایه‌ها و ذرات مزاحم، علایم جعلی تولید کرده و نتایج را تغییر می‌دهند. برای تمیز کردن نمونه از حلال‌های آلی چون استون، اتانول و متانول یا مخلوطی از آن‌ها استفاده می‌شود.

2-3- ثابت کردن نمونه
برخی از نمونه‌ها به صورت پودری یا به صورت ترد (مانند دوده) هستند. اگر این نمونه‌ها در هنگام کار با SEM در محل نمونه‌گیر محکم نشوند، صدمات جدی به دستگاه و سیستم خلأ وارد می‌کنند. نمونه‌گیری از نمونه‌های پودری باید با دقت زیادی انجام شود. نمونه‌سازی با پودر معمولاً با استفاده از چسب‌های دوطرفه انجام می‌شود. این چسب‌ها از یک طرف به سطح نمونه‌گیر واسطه و از طرف دیگر با پودر تماس داده می‌شوند. برای پراکنده‌سازی خوب پودرها می‌توان از روش اولتراسونیک استفاده کرد.
نمونه‌ها در هنگام کار با میکروسکوپ باید کاملاً ثابت باشند که برای این منظور نمونه‌گیرهایی اختصاص داده شده است. اگر نتوان نمونه را در نمونه‌گیر جای داد، از انواع چسب‌های هادی مقاوم در برابر خلأ استفاده می‌شود.

3-3- برقراری اتصال الکتریکی
به دو علت نمونه یا حداقل سطح نمونه باید رسانای الکتریسیته باشد: (1) عملیات روبش الکترونی انجام گیرد و امکان حرکت الکترون‌های پرتوی الکترونی روی سطح فراهم شود و (2) پرتوهای الکترونی بازگشتی از نمونه در یک ناحیه تجمع نکنند. بدین ترتیب، باید سطح نمونه‌های SEM با نمونه‌گیر، پایه و ... یک مدار الکتریکی تشکیل دهند. پس اولاً سطح نمونه‌ها باید رسانا باشد و دوماً اتصال الکتریکی آن با نمونه‌گیر برقرار باشد. اگر رسانایی سطح نمونه به طور کامل برقرار نشود، الکترون‌ها تجمع کرده و این باعث شکسته شدن پرتوی الکترونی و تغییر مسیر الکترون‌ها می‌شود. پیامد نامطلوب این پدیده، سفید شدن قسمت‌هایی از تصویر است که در این صورت امکان تشخیص جزئیات تصویر در منطقه سفید شده وجود نخواهد داشت.

چندرسانه‌ای 2: رسانایی نمونه در میکروسکوپ الکترونی روبشی

این پدیده شارژ سطحی الکترون (Electron Surface Cahrging) نام دارد. نمونه‌هایی که در مانت غیرهادی (Mount) قرار گرفته‌اند نیز باید با محل نمونه‌گیر اتصال الکتریکی برقرار کنند. این کار با اتصال چسب رسانا، از نمونه داخل مانت به سطح زیرین انجام می‌شود. چندرسانه‌ای 2 تأثیر وجود لایه رسانا بر روی نمونه نارسانا را نمایش می‌دهد.
برای رسانا کردن سطح نمونه‌های نارسانا معمولاً از بخار فلزاتی چون طلا، نقره، پالادیم، پلاتین، اوسمیم، ایریدیم، تنگستن، کروم یا پوشش‌های کربنی استفاده می‌شود که به روش رسوب فیزیکی از فاز بخار (Physical Vapor Deposition) یا کندوپاش (Sputtering) بر سطح اعمال می‌شود. نمونه این دستگاه در شکل 5 مشاهده می‌شود. ضخامت پوشش ایجاد شده بسیار کم است و تأثیری بر موفولوژی سطحی نمونه ندارد. حداقل ضخامت پوشش به ناهمواری سطح بستگی داشته و از 5 آنگستروم برای سطوح میکروسکوپی تا 100 آنگستروم برای سطوح صاف و 1000 آنگستروم برای سطوح زبر و خشن متغیر است [1،4،7،9]. شکل 6 یک عنکبوت را نشان می‌دهد که با طلا پوشش داده شده تا برای بررسی با SEM آماده شود [7].

شکل 5– شمایی از دستگاه کندوپاش جهت پوشش‌دهی نمونه SEM ا[10]

شکل 6– عنکبوت پوشش داده شده با طلا جهت بررسی با SEM ا[7]

4-3- اچ کردن
هنگامی که از کانتراست عدد اتمی استفاده می‌شود، اچ کردن نیاز نیست چرا که اختلاف عدد اتمی خود باعث مشخص شدن فازها می‌شود. بدین صورت که فاز با عدد اتمی کمتر، تیره‌تر و فاز حاوی عناصر سنگین‌تر روشن‌تر ظاهر می‌شود. اچ کردن در هنگام استفاده از کانتراست توپوگرافی نیاز است تا بتوان پستی‌ها و بلندی‌های سطح را با اچ کردن نمایان کرد. برای این منظور می‌توان از اچ یونی یا الکترولیتی استفاده کرد [4].

4- کاربردها
SEM در مطالعات بسیاری از مواد نظیر فلزات، آلیاژها، مواد مغناطیسی، ابررساناها، نیمه‌رساناها، سرامیک‌ها، کامپوزیت‌ها، دوفلزی‌ها، پودرها، بلورهای یونی، پلیمرها، عایق‌ها، لاستیک‌ها و پلاستیک‌ها به کار برده می‌شود.

چندرسانه‌ای 3: میکروسکوپ الکترونی روبشی همراه با آنالیز قطبش (SEMPA) - یکی از کاربردهای میکروسکوپ الکترونی روبشی، استفاده از آن به همراه آنالیز قطبش است (SEMPA) که روشی برای مشاهده میکروساختارهای مغناطیسی است. در این روش نمونه فرومغناطیس تحت تابش الکترون با انرژی بالا، الکترون‎های ثانویه را نشر می‎دهد که از طریق قطبش نهان در اسپین‎های نمونه می‎توان به خواص مغناطیسی موضعی نمونه دست یافت. 

چندرسانه‌ای 4: کاربرد میکروسکوپ الکترونی روبشی در میکروسکوپ جریان القایی پرتو الکترونی - به علت تنوع سیگنال‌های حاصل از میکروسکوپ الکترونی روبشی، این دستگاه گستره وسیعی از کاربردها را داراست. یکی از آن‎ها در میکروسکوپ جریان القایی پرتو الکترونی (EBIC) است که در آن رفتار موضعی الکترون‎ها و حفره‎ها بررسی می‌شود. این تکنیک برای شناسایی ابزارها و ساختارهای نیمه‎رسانا مناسب است.

 این تحقیقات در شاخه‎های گوناگونی چون رشد بلور و دانه، انجماد، جهات دوقلویی و بلوری، شکست، بازیابی، تبلور مجدد، خستگی، خوردگی، اکسیداسیون، سایش، فرسایش، تغییرشکل مکانیکی، اتصالات الکتریکی، مغناطیس‌ها، اجزای نیمه‌رسانا، مدارهای الکترونی و پوشش‌دهی صورت می‌گیرد. با بررسی با SEM می‌توان اطلاعاتی در حوزه‌های مورفولوژی، توپوگرافی، ترکیب و کریستالوگرافی به دست آورد [4].
چندین نمونه از کاربردهای SEM عبارتند از [1،2،4،8]:

• شکست‌نگاری (Fractography)
1) ارزیابی کلی سطح شکست و تعیین عامل شروع شکست
2) تعیین مکانیزم شکست
3) بررسی شکست‌های ناشی از خستگی (Fatigue)

• متالوگرافی (در بزرگنمایی‌های بالا)
1) تعیین اندازه دانه
2) تعیین ساختار متالوگرافی در نمونه‌های مختلف
3) بررسی مرزدانه‌ها حتی در حالت اچ نشده
4) ارزیابی چگونگی حضور فازهای مختلف در ساختار، خصوصاً فازهای رسوبی
5) ارزیابی گرادیان ترکیب شیمیایی روی سطح نمونه‌ها در فواصل میکرو و نانومتری
6) بررسی گسترش و مسیر انتشار ترک‌ها نسبت به اجزای ساختاری (مرزدانه‌ها، درون دانه، رسوبات، آخال‌ها و ...) در نمونه پولیش و اچ شده

• ریخته‌گری و انجماد
1) بررسی ساختار دندریتی حاصل از انجماد
2) بررسی پدیده جدایش فازی در حین انجماد
3) بررسی ساختار کامپوزیت‌های ریختگی

• مهندسی سطح
1) شناسایی حفره‌ها
2) بررسی ساختار پوشش‌ها
3) تریبولوژی و بررسی سایش

• خوردگی
1) تشخیص نوع و مکانیزم خوردگی

علاوه بر موارد ذکر شده، SEM کاربردهای بسیاری نیز در فناوری نانو دارد که از این جمله می‌توان اندازه‌گیری محدوده اندازه نانوذرات و بررسی مورفولوژی آن‌ها، بررسی ساختار نانوکامپوزیت‌ها، ساختار نانولوله‌ها، تغییرات نانوساختارها در عملیات مختلف، نانوالیاف، پوشش‌های نانوساختار، نانوساختارهای دارویی، نانوفیلترها، ساختار نانوفلاورها (Nano Flowers)، نمونه‌های بیولوژیک و بررسی پدیده‌ها و استحاله‌ها در مقیاس نانو را نام برد [1].

5- مزایا [6،11،12]
• امکان بررسی تقریباً تمامی انواع نمونه‌ها چه هادی و چه غیرهادی

چندرسانه‌ای 5: میکروسکوپ الکترونی روبشی محیطی (ESEM)- میکروسکوپ الکترونی روبشی محیطی (ESEM) تکنیکی است که در آن، محیط پیرامون گازی امکان جدیدی از عملکرد و تصویربرداری را برای نمونه‎های خشک و تر و مایع و جامد و عایق و رسانا فراهم می‎کند. به عنوان مثال الکترون‌های ثانویه تولید شده با مولکول‌های آب برخورد کرده و سیگنال SE را به الکترود با ولتاژ مثبت تحویل می‌دهند. یون‌های آب با بار الکتریکی مثبت ایجاد شده، بارهای انباشته روی سطح نمونه عایق را خنثی می‎کند. 

• عدم نیاز به نمونه‌های شفاف (به دلیل مکانیزم عمل که بر اساس برهم‌کنش پرتوی الکترونی با نمونه است)
• امکان تصویربرداری در سه بعد X، Y و Z
• امکان برقراری ارتباط و تنوع نتایج با استفاده از آشکارسازهای مختلف
• راحت بودن کار با دستگاه با وجود آموزش‌های مناسب و پیشرفت‌های کامپیوتری همراه با نرم‌افزارهای ویژه
• سریع بودن کار با دستگاه
• نیاز به آماده‌سازی اولیه کم برای اغلب نمونه‌ها

6- محدودیت‌ها [6،11،12]
• گران، بزرگ و نیاز به محیطی عاری از تداخل‌های الکتریکی، مغناطیسی و ارتعاشی
• وضوح پایین، معمولاً در بیشتر از چند ده نانومتر
• سیاه-سفید بودن تصاویر به دلیل استفاده از پرتوی الکترونی (با این حال در سیستم‌های مدرن که مجهز به نرم‌افزار آنالیز تصویر هستند، می‌توان با ایجاد رنگ‌های مصنوعی (Pseudo-color) تصاویر نسبتاً رنگی به دست آورد)
• نیاز به خلأ بالا در سیستم
• نیاز به آموزش ویژه و تجربه جهت دستیابی به نتایج عالی و تشخیص نتایج گمراه‌کننده (Artifacts)

7- بحث و نتیجه‌گیری
عمق میدان بالا، حد تفکیک و بزرگنمایی زیاد، از مزایای SEM محسوب می‌شود. عمق میدان در SEM بیش از 100 برابر میکروسکوپ نوری است که می‌توان با کاهش اندازه روزنه نهایی و افزایش فاصله کاری آن را افزایش داد. حد تفکیک و بزرگنمایی بالای دستگاه نیز به علت استفاده از پرتوی الکترونی با قطر کم و طول موج کم است. نمونه‌های مورد مطالعه در دستگاه باید ابعاد مشخصی داشته باشند و صلب باشند. مهم‌ترین مراحل آماده‌سازی، تمیز کردن، ثابت کردن، برقراری اتصال الکتریکی و اچ کردن است. برقراری اتصال الکتریکی برای نمونه‌های نارسانا با ایجاد یک لایه پوشش نازک رسانا بر روی آن‌ها حاصل می‌شود. امروزه SEM با مزایای بسیاری که دارد به یکی از مهم‌ترین و رایج‌ترین دستگاه‌های شناسایی مواد تبدیل شده است.

در فیلم زیر مطالبی درباره عمق میدان، قدرت تفکیک، بزرگنمایی و مکانیزم تصویرسازی در SEM بیان شده است. بعد از آن، درباره مشخصات نمونه‌های مورد استفاده در SEM و اصول نمونه‌سازی در این میکروسکوپ توضیحاتی ارائه شده است.

در فیلم زیر نکات مربوط به آماده‌سازی مناسب نمونه برای به دست آمدن نتایج بهتر بیان شده و تصاویری از کاربردهای میکروسکوپ SEM در حوزه نانو نشان داده شده است.