BAI TIEU LUAN NHOM 1(SEM)

Giới Thiệu Kính hiển vi điện tử quét tiếng Anh: Scanning Electron Microscope, thường viết tắt là SEM, là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặ

KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐỀ TÀI:

HIỂN VI ĐIỆN TỬ QUÉT (SEM)

TIỂU LUẬN MÔN HỌC CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VẬT LIỆU

Nguyễn Thị Thanh Kiều Bùi Thị Thùy Linh Nguyễn Thị Hồng Thủy

Tháng 2/2018

MỤC LỤC

1 Kính hiển vi điện tử quét SEM 1

1.1 Giới Thiệu 1

1.2 Lịch sử về kính hiển vi điện tử quét 2

1.3 Nguyên lý hoạt động và sự tạo ảnh trong SEM 3

1.4 Ưu điểm của kính hiển vi điện tử quét 11

2 Những cải tiến của SEM 13

2.1 Quang khắc chùm điện tử (Electron beam lithography) 13

2.2 Hệ chùm ion hội tụ (Focused ion beam) 14

3 Kết luận 14

TÀI LIỆU THAM KHẢO 16

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 Hình ảnh tổng quan của kính hiển vi điện tử quét (SEM) 1 Hình 2 Ảnh chụp mẫu tảo cát bằng kính hiển vi điện tử quét 2 Hình 3 Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử quét 3 Hình 4 Thiết bị kính hiển vi điện tử quét Jeol 5410 LV tại Trung tâm Khoa học Vật liệu, Đại học Quốc gia Hà Nội 6 Hình 5 Phát xạ tín hiệu điện tử thứ cấp (SE) và điện tử tán xạ ngược (BSE) từ bề mặt mẫu 7 Hình 6 Đặc tính của tín hiệu điện tử thứ cấp (SE) và điện tử tán xạ ngược (BSE) 7 Hình 7 Mẫu hạt BaCO 3 và TiO 2 với thế gia tốc: 3.0 kV và độ phóng đại: 50 nghìn lần 8 Hình 8 Một số hình ảnh chụp bằng SEM: Đầu kiến & Tóc 11

1 Kính hiển vi điện tử quét SEM

1.1 Giới Thiệu

Kính hiển vi điện tử quét (tiếng Anh: Scanning Electron Microscope,

thường 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 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 Có nghĩa là SEM cũng nằm trong nhóm các thiết bị phân tích vi cấu trúc vật rắn bằng chùm điện tử

SEM là một loại kính hiển vi điện tử sử dụng kỹ thuật quét chùm tia điện

tử hội tụ trên bề mặt mẫu vật để tạo ra hình ảnh

Các tín hiện điện tử tương tác với bề mặt mẫu, sản sinh ra những tín hiệu khác nhau, nhưng tín hiệu này sẽ cung cấp những thông tin sau:

- Hình thái bề mặt

- Cấu trúc thành phần

- Cấu trúc tinh thể

Hình 1 Hình ảnh tổng quan của kính hiển vi điện tử quét (SEM)

SEM được sử dụng như là một công cụ phục vụ cho công tác nghiên cứu, phát triển và quản lý chất lượng trong nhiều lĩnh vực khác nhau

Hình 2 Ảnh chụp mẫu tảo cát bằng kính hiển vi điện tử quét

1.2 Lịch sử về kính hiển vi điện tử quét

Kính hiển vi điện tử quét lần đầu tiên được phát triển bởi Zworykin vào năm 1942 là một thiết bị gồm một súng phóng điện tử theo chiều từ dưới lên, ba thấu kính tĩnh điện và hệ thống các cuộn quét điện từ đặt giữa thấu kính thứ hai

và thứ ba, và ghi nhận chùm điện tử thứ cấp bằng một ống nhân quang điện

Hình 3 Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử quét

Năm 1948, C W Oatley ở Đại học Cambridge (Vương quốc Anh) phát triển kính hiển vi điện tử quét trên mô hình này và công bố trong luận án tiến sĩ của D McMullan với chùm điện tử hẹp có độ phân giải đến 500 Angstrom Trên thực tế, kính hiển vi điện tử quét thương phẩm đầu tiên được sản xuất vào năm

1965 bởi Cambridge Scientific Instruments Mark I

1.3 Nguyên lý hoạt động và sự tạo ảnh trong SEM

Cấu tạo chính của SEM gồm cột kính (súng điện tử, tụ kính, vật kính), buồng mẫu và đầu dò tín hiệu điện tử Cột kính có chân không cao, áp suất 10-5-10-6 Torr đối với SEM thông thường và 10-8-10-9 Torr đối với SEM có độ phân giải cao (FE-SEM) Buồng mẫu có thể nằm ở hai chế độ chân không cao hoặc thấp Hệ thống bơm chân không, hệ thống điện, điện tử, hệ thống điều khiển và xử lý tín hiệu là những bộ phận đảm bảo cho sự làm việc liên tục của SEM

Kính hiển vi điện tử quét là thiết bị có khả năng quan sát bề mặt của mẫu vật, bao gồm: súng điện tử, tụ kính, buồng tiêu bản, hệ thống đầu dò điện tử, hệ thống khuếch đại - máy tính và màn hình để quan sát ảnh Chùm điện tử xuất phát từ súng điện tử đi qua tụ kính, rồi vật kính, sau đó chùm tia hội tụ và quét trên toàn bộ

bề mặt của mẫu, sự tương tác của chùm điện tử tới với bề mặt mẫu tạo ra các tia khác nhau (điện tử thứ cấp, điện tử tán xạ ngược, điện tử Auger, tia huỳnh quang catot, tia

X đặc trưng ) Hình ảnh hiển vi điện tử quét được phản ảnh lại bởi các điện tử thứ cấp và điện tử tán xạ ngược thu được nhờ các đầu dò gắn bên sườn của kính Tia X đặc trưng có khả năng phản ánh thành phần nguyên tố trong mẫu phân tích nhờ bộ phân tích phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS – Energy Dispersive X- ray Spectroscopy) Đặc trưng của SEM là các thông số: độ phóng đại M, độ phân giải d và điện áp gia tốc U

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 (có thể là phát xạ nhiệt, hay phát xạ trường ), sau đó được tăng tốc Tuy nhiên, thế tăng tốc của SEM thường chỉ từ 1 0 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 (cỡ vài trăm Angstrong đến vài nanomet) 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): Đây 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 chúng có năng lượng thấp 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): Điện tử tán xạ ngược 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 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 Ngoài ra, điện tử tán xạ ngược có thể dùng để ghi nhận ảnh nhiễu xạ điện tử tán xạ ngược, giúp cho việc phân tích cấu trúc tinh thể (chế độ phân cực điện tử) Ngoài ra, điện tử tán xạ ngược phụ thuộc vào các liên kết điện tại bề mặt mẫu nên có thể đem lại thông tin về các đômen sắt điện

• 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

Hình 4 Thiết bị kính hiển vi điện tử quét Jeol 5410 LV tại Trung tâm Khoa

họcVật liệu, Đại học Quốc gia Hà Nội

• 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 Các phép phân tích có thể là phổ tán sắc năng lượng tia X (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy - EDXS) hay phổ tán sắc bước sóng tia X (Wavelength Dispersive X-ray Spectroscopy

- WDXS) 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

• SEMPA (Kính hiển vi điện tử quét có phân tích phân cực, tiếng Anh:

ScanningElectron 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

Nguyên lý cơ bản về kính hiển vi điện tử quét (SEM)

✓ Tín hiệu sinh ra từ bề mặt mẫu

Khi chiếu xạ xuống bề mặt mẫu bằng chùm tia điện tử sẽ sinh ra các tín hiệu điện tử thứ cấp (SE), điện tử tán xạ ngược (BSE) và các tín hiệu khác

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) chủ yếu sử dụng tín hiệu SE và BSE để tạo nên hình ảnh

Hình 5 Phát xạ tín hiệu điện tử thứ cấp (SE) và điện tử tán xạ ngược (BSE) từ

bề mặt mẫu

Hình 6 Đặc tính của tín hiệu điện tử thứ cấp (SE) và điện tử tán xạ ngược

(BSE)

Hình 7 Mẫu hạt BaCO 3 và TiO 2 với thế gia tốc: 3.0 kV và độ phóng đại: 50

nghìn lần

✓ Lợi ích của thế gia tốc thấp (low kV)

Thu được tông tin rõ ràng về cấu trúc bề mặt mẫu vật bằng kỹ thuật sử dụng thế gia tốc thấp

✓ Sự khác biệt trong tán xạ điện tử trên bề mặt mẫu

✓ Thế gia tốc – Yếu tố căn bản để chụp được ảnh chất lượng cao

Cấu trúc và quy trình vận hành của kính hiển vi điện tử quét (SEM)

● Chùm tia điện tử được phát ra và gia tốc bởi một nguồn phát điện tử

● Thấu kính hội tụ điều khiển dòng đầu dò và góc phát xạ

● Vật kính hội tụ chùm tia trên bề mặt mẫu

● Đầu dò có chức năng thu tín hiệu điện tử phát xạ

Do vị trí phát xạ được dịch chuyển bởi bộ điều hướng nên mức độ phân bố cường độ phát xạ điện tử được thu và tạo ra hình ảnh

Các loại nguồn phát điện tử

Các loại thấu kính

1.4 Ưu điểm của kính hiển vi điện tử quét

❖ Ưu điểm

Mặc dù không thể có độ phân giải tốt như kính hiển vi điện tử truyền qua nhưng kính hiển vi điện tử quét lại có điểm mạnh là phân tích mà không cần phá hủy mẫu vật và có thể hoạt động ở chân không thấp Một điểm mạnh khác của SEM là các thao tác điều khiển đơn giản hơn rất nhiều so với TEM khiến cho nó rất dễ sử dụng Một điều khác là giá thành của SEM thấp hơn rất nhiều so với TEM, vì thế SEM phổ biến hơn rất nhiều so với TEM

Với ảnh phóng đại bằng phương pháp quét, không yêu cầu mẫu phải lát mỏng và phẳng nên hiển vi điện tử quét quan sát mặt rất mấp mô, chỗ cao thấy

rõ chỗ thấp cũng thấy rõ

SEM hoạt động trên nguyên tắc dùng một chùm điện tử hẹp chiếu quét trên bề mặt mẫu, điện tử sẽ tương tác với bề mặt mẫu đo và phát ra các bức xạ thứ cấp (điện tử thứ cấp điện tử tán xạ ngược ) và từ việc thu các bức xạ thứ cấp này, ta sẽ thu được hình ảnh vi cấu trúc tại bề mặt mẫu Có thể hiểu việc này một cách đơn giản là dùng đèn soi lên mặt một vật và nhìn ánh sáng phản xạ để biết tấm hình thù ra sao

Độ phóng đại của SEM không nằm chính ở thấu kính mà nằm ở kích

thước chùm điện tử và khả năng quét của chùm điện tử (chùm điện tử càng hẹp, bước quét càng bé thì độ phóng đại càng lớn) SEM hoạt động không đòi hỏi môi trường chân không quá cao (do động năng điện tử ở SEM không lớn như TEM) Do quan sát vi cấu trúc bề mặt nên SEM có thể quan sát trực tiếp mà không cần phá hủy hay xử lý mẫu (điều này đặc biệt có ý nghĩa cho việc quan sát các linh kiện, máy móc nhỏ hay mẫu sinh học )

Hình 8 Một số hình ảnh chụp bằng SEM: Đầu kiến & Tóc

Ngoài ra, hình ảnh SEM được nhuộm màu nhân tạo Màu có thể được

thực hiện bằng tay với phần mềm chỉnh sửa ảnh, hoặc bán tự động với phần mềm chuyên dụng sử dụng tính năng phát hiện hoặc phân khúc đối tượng Các hình ảnh màu nhân tạo làm cho hình ảnh dễ dàng hơn cho người không chuyên

môn để xem và hiểu các cấu trúc và bề mặt tiết lộ trong hiển vi

❖ Hạn chế của SEM

 Độ phân giải chưa tốt

 Khả năng giải ảnh không tốt bằng TEM

 SEM chỉ chụp được các mẫu dẫn điện

 SEM chỉ hiển thị hình ảnh vi cấu trúc bề mặt

2 Những cải tiến của SEM

Ở SEM, bạn cũng có được một phép phân tích hóa học tương tự như TEM, đó là phép phân tích phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) EDX ở SEM cũng có khả năng làm chức năng “mapping”, tức là vẽ ra phân bố các nguyên tố hóa học (thâm chí các thao tác làm còn đơn giản hơn cả TEM), nhưng một điều tất nhiên mà bạn luôn nhớ là “resolution” ở đây kém hơn TEM rất nhiều SEM không có phép phân tích EELS vì SEM không ghi nhận điện tử tán xạ không đàn hồi Nhưng những điều này không đáng nói bằng một số tính năng “mạnh” khác mà ta có thể làm từ SEM nếu đi kèm với những cải tiến

2.1 Quang khắc chùm điện tử (Electron beam lithography)

Quang khắc chùm điện tử là phương pháp “chạm khắc” để tạo ra các chi tiết có hình dạng kích thước nhỏ, ví dụ như các linh kiện điện tử… Để làm được như thế, người ta sẽ dùng một chất cản quang (photoresist) phủ lên các màng mỏng, sau đó sử dụng SEM để quét chùm điện tử, “vẽ” lên bề mặt cản quang hình ảnh các bản mẫu này (gọi là các pattern), giống như việc tạo hình trong TV Vùng bị quét chùm điện tử của cản quang sẽ bị thay đổi tính chất hóa học, có nghĩa là nó có thể bị rửa trôi (cản quang dương), hoặc trơ không bị rửa trôi (thì vùng không bị chiếu xạ sẽ bị rửa trôi) Cản quang còn lại (mang hình ảnh của chi tiết) sẽ đóng vai trò một “mặt nạ” để bảo vệ các chi tiết cần tạo trong quá trình ăn mòn Trên thực tế, công nghiệp bán dẫn hiện tại chưa dùng đến kỹ thuật EBL, mà chỉ mới dùng đến quang khắc bằng ánh sáng (photolithography) Ánh sáng dùng chiếu vào cản quang để gây biến đổi, và hình ảnh chi tiết được tạo ra nhờ mặt nạ Nhưng kỹ thuật photolithography chỉ cho phép tạo các chi tiết cực lớn (tới cỡ ngàn nanomet) do giới hạn nhiễu xạ của ánh sáng khả kiến Việc dùng điện tử thay cho ánh sáng cho phép tạo ra độ phân giải cực lớn tới vài nanomet (phổ biến hiện nay các hệ EBL công nghiệp có độ phân giải khoảng 20-50 nm, một số hệ “cực xịn” có thể cho phân giải tới 3 nm), và cho phép nhảy vọt trong công nghệ vật liệu EBL đắt tiền hơn photolithography rất nhiều, lâu

hơn, nhưng nó lại có độ chính xác cực cao, không cần tạo mặt nạ Các hệ EBL công nghiệp chưa phổ biến rộng rãi, và hệ EBL chính là được tạo ra từ SEM

2.2 Hệ chùm ion hội tụ (Focused ion beam)

FIB là một hệ “chạm khắc” trực tiếp để tạo các chi tiết như kiểu lithography, nhưng ở đây, không cần dùng cản quang mà dùng một chùm ion kim loại năng lượng cao bắn phá màng mỏng vật liệu Ở hệ FIB, người ta dùng 2 cột: một cột ion (thường dùng Ga) và một cột điện tử Ion Ga được điều khiển hội tụ và quét trên màng mỏng vật liệu để bắn phá các chi tiết không cần giữ Cột điện tử chính là một SEM để quan sát trực tiếp quá trình này Ngoài ra, FIB còn sử dụng một cột phún xạ các hơi kim loại để cho phép lắng đọng một số kim loại theo những hình dạng định trước Như ví dụ clip dưới đây mô tả việc tạo ra một nanopillar rất đơn giản bằng FIB

3 Kết luận

Kính hiển vi điện tử quét truyền qua là loại kính hiển vi điện tử có khả năng kết hợp cả hai tính năng quét và truyền qua, tức là có khả năng vừa phản ánh cầu trúc bên trong của mẫu đồng thời cũng có thể phản ánh được bề mặt, thành phần của mẫu vật Tuy nhiên, loại kính này thường dùng nguồn điện tử là nguồn phát xạ trường (field emission gun), chân không trong toàn bộ cột kính phải rất cao cỡ 10-9 – 10-10 Torr Loại kính này sử dụng chủ yếu trong nghiên cứu vật liệu, ít sử dụng đối với các tiêu bản sinh vật

Rõ ràng về mặt tạo ảnh, SEM thua xa TEM về khả năng phân giải, nhưng

ta cũng thấy rằng SEM có nhiều thế mạnh mà TEM không thể nào có nổi Kể từ khi “cỗ máy” SEM thương phẩm đầu tiên xuất hiện vào năm 1964, SEM đã trở thành một công cụ hiệu quả để khảo sát các tính chất bề mặt của vật liệu trong các khoa học vật lý cũng như khoa học sự sống SEM đã trở nên quá phổ biến trong ngành công nghiệp bán dẫn mà ở đó chúng được sử dụng để tạo ra (các thiết bị khắc chùm điện tử) và khảo sát vi cấu trúc các cấu kiện cực nhỏ, và nó