Kính hiển vi điện tử quét SEM là một trong hai loại kính hiển vi điển tử được sử dụng phổ biến trong nghiên cứu khoa học. Loại kính hiển vi này có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm điện tử hẹp quét trên bề mặt mẫu và nằm trong nhóm các thiết bị phân tích vi cấu trúc vật rắn bằng chùm điện tử. Ở bài viết dưới đây, Bazo sẽ cùng bạn đọc tìm hiểu kỹ hơn về loại thiết bị quang học với đặc tính ưu việt này nhé!

Kính hiển vi điển tử quét SEM là gì?

Kính hiển vi điện tử quét SEM là gì?

Kính hiển vi điện tử quét (có tên tiếng anh là Scanning Electron Microscope, viết tắt là SEM), là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm điện tử – chùm các electron hẹp quét trên bề mặt mẫu.

Trong đó, việc tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật. Điều này có nghĩa là SEM cũng nằm trong nhóm các thiết bị phân tích vi cấu trúc vật rắn bằng chùm điện tử.

Hoạt động của SEM có thể được hình dung là cũng tương tự như việc dùng một chùm sáng chiếu trên bề mặt, và quan sát hình ảnh bề mặt bằng cách thu chùm sáng phản xạ. Và SEM hoạt động không đòi hỏi các mẫu phải mỏng như TEM.

Kính hiển vi điện tử quét đầu tiên được Mafred von Ardenne chế tạo năm 1937. 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. Và 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.

Có thể bạn cũng tìm đọc:

Những Điều Không Tưởng Và Thú Vị Của Kính Hiển Vi Giấy FOLDSCOPE

Dầu Soi Kính Hiển Vi Là Gì?

Cấu tạo của kính hiển vi điện tử quét 

  • Nguồn điện tử – 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. 
  • 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 – 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, có hoạt động  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.

Nguyên lý hoạt động và sự tạo ảnh của kính hiển vi điện tử quét

Trong cơ chế hoạt động của kính hiển vi điện tử quét, việc phát các chùm điện tử trong SEM cũng giống như việc tạo ra chùm điện tử trong kính hiển vi điện tử truyền qua, tức là điện tử được phát ra từ súng phóng điện tử, sau đó được tăng tốc. Song, thế tăng tốc của SEM thường chỉ từ 10 kV đến 50 kV vì sự hạn chế của thấu kính từ, việc hội tụ các chùm điện tử có bước sóng quá nhỏ vào một điểm kích thước nhỏ sẽ rất khó khăn.

Điện tử được phát ra, tăng tốc và hội tụ thành một chùm điện tử hẹp nhờ hệ thống thấu kính từ, sau đó quét trên bề mặt mẫu nhờ các cuộn quét tĩnh điện. Độ phân giải của SEM được xác định từ kích thước chùm điện tử hội tụ, mà kích thước của chùm điện tử này bị hạn chế bởi quang sai, chính vì thế mà SEM không thể đạt được độ phân giải tốt như TEM.

Ngoài ra, độ phân giải của SEM còn phụ thuộc vào tương tác giữa vật liệu tại bề mặt mẫu vật và điện tử. Khi điện tử tương tác với bề mặt mẫu vật, sẽ có các bức xạ phát ra, sự tạo ảnh trong SEM và các phép phân tích được thực hiện thông qua việc phân tích các bức xạ này. Các bức xạ chủ yếu gồm:

  • Điện tử thứ cấp (Secondary electrons): là chế độ ghi ảnh thông dụng nhất của kính hiển vi điện tử quét, chùm điện tử thứ cấp có năng lượng thấp (thường nhỏ hơn 50 eV) được ghi nhận bằng ống nhân quang nhấp nháy. Vì có năng lượng thấp chúng nên chủ yếu là các điện tử phát ra từ bề mặt mẫu với độ sâu chỉ vài nanomet, do vậy chúng tạo ra ảnh hai chiều của bề mặt mẫu.
  • Điện tử tán xạ ngược (Backscattered electrons): là chùm điện tử ban đầu khi tương tác với bề mặt mẫu bị bật ngược trở lại, do đó chúng thường có năng lượng cao. Sự tán xạ này phụ thuộc rất nhiều vào thành phần hóa học ở bề mặt mẫu, do đó ảnh điện tử tán xạ ngược rất hữu ích cho phân tích về độ tương phản thành phần hóa học.

Ưu, nhược điểm của kính hiển vi điện tử quét

Ưu điểm của SEM

  • Phân tích mà không cần phá hủy mẫu vật và có thể hoạt động ở chân không thấp.
  • Các thao tác điều khiển khá đơn giản nên nó rất dễ sử dụng, dễ vận hành và có giao diện thân thiện với người dùng.
  • Một số hiện đại có thể tạo ra dữ liệu kỹ thuật số có thể di động được.
  • Dễ dàng thu thập dữ liệu trong khoảng thời gian ngắn.
  • Giá thành của SEM thấp hơn rất nhiều so với TEM, vì thế SEM phổ biến hơn rất nhiều so với TEM.

Nhược điểm của SEM

  • Chi phí khá đắt (mặc dù rẻ hơn TEM).
  • Khá cồng kềnh để mang theo
  • Phải được sử dụng trong phòng không bị rung và không có các phần tử điện từ
  • Cần phải được duy trì với một điện áp phù hợp
  • Phải được duy trì khi phụ kiện là hệ thống làm mát

Một số phép phân tích trong kính hiển vi điện tử quét SEM

  • Huỳnh quang catốt (Cathodoluminesence): Là các ánh sáng phát ra do tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu. Phép phân tích này rất phổ biến và rất hữu ích cho việc phân tích các tính chất quang, điện của vật liệu.
  • Phân tích phổ tia X (X-ray microanalysis): Tương tác giữa điện tử với vật chất có thể sản sinh phổ tia X đặc trưng, rất hữu ích cho phân tích thành phần hóa học của vật liệu.
  • SEMPA (Kính hiển vi điện tử quét có phân tích phân cực, có tên tiếng anh là Scanning Electron Microscopy with Polarisation Analysis) là một chế độ ghi ảnh của SEM mà ở đó, các điện tử thứ cấp phát ra từ mẫu sẽ được ghi nhận nhờ một detector đặc biệt có thể tách các điện tử phân cực spin từ mẫu, do đó cho phép chụp lại ảnh cấu trúc từ của mẫu.
  • Một số kính hiển vi điện tử quét hoạt động ở chân không siêu cao có thể phân tích phổ điện tử Auger, rất hữu ích cho các phân tích tinh tế bề mặt.

Phân tích hình thái bề mặt của mẫu vật bằng kính hiển vi điển tử quét

Ứng dụng của kính hiển vi quét

  • 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.

Như vậy, qua bài viết trên, có thể thấy kính hiển vi điển tử quét đã trở thành một công cụ mạnh để khảo sát các tính chất bề mặt của vật liệu trong các khoa học vật lý cũng như khoa học sự sống. Và kính hiển vi điện tử quét SEM cũng đã trở nên quá phổ biến trong ngành công nghiệp bán dẫn, khảo sát vi cấu trúc các cấu kiện cực nhỏ, và nó là một thiết bị then chốt trong các công việc của công nghệ nano. 

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *