Исследование образцов методом сканирующей электронной микроскопии начинается не в момент съемки изображения, а раньше — с подготовки образца, выбора режимов и понимания, какой сигнал нужно получить. Один и тот же материал может выглядеть по-разному в зависимости от пробоподготовки, типа детектора, ускоряющего напряжения, рабочего расстояния и толщины проводящего слоя. Поэтому сканирующую электронную микроскопию важно рассматривать не как отдельный снимок, а как аналитическую цепочку: образец — подготовка — покрытие — режим съемки — детектор — интерпретация результата.
Об этом мы расскажем вам в этой статье.
Пробоподготовка: основа достоверного изображения
Метод сканирующей электронной микроскопии достаточно неприхотлив к исследуемым образцам, особенно проводящим. Но если речь идет о непроводящих материалах — керамике, полимерах, биологических объектах, композитах, — для получения достоверного результата требуется пробоподготовка.
Ошибки на этом этапе часто становятся причиной нестабильного изображения, зарядки поверхности, потери детализации или появления артефактов. Для таких образцов важно обеспечить надежную фиксацию на держателе, электрический контакт и, при необходимости, нанести тонкое проводящее покрытие.
Задача пробоподготовки — не изменить объект, а сохранить его структуру и сделать ее доступной для корректного исследования в сканирующем электронном микроскопе.
Рис. 1. Подготовка непроводящего образца к исследованию в СЭМ — образец приклеен на углеродный токопроводящий скотч и частично прикрыт им для лучшего стекания заряда.
Напыление образцов и выбор покрытия
Проводящее покрытие помогает снизить зарядку непроводящих образцов и получить более качественное изображение. Для этого применяют углеродное или металлическое напыление: например, золото, платину, палладий или их сплавы. Если лаборатория работает с разными типами образцов, удобным решением может быть комбинированная система напыления металлов и углерода, объединяющая несколько задач пробоподготовки в одном приборе.
Выбор покрытия зависит от задачи. Металлическое напыление часто используют для улучшения контраста и визуализации рельефа поверхности. Углеродное покрытие может быть предпочтительным, если необходим элементный анализ и важно минимизировать влияние покрытия.
Важна и толщина слоя. Слишком тонкое покрытие может ещё не быть проводящим, а слишком толстое — скрыть мелкие детали поверхности. Поэтому для качественного результата важны не только материал покрытия, но и воспроизводимость режима напыления.
Детекторы: разные сигналы — разные данные
Изображение в сканирующем электронном микроскопе формируется не как обычная фотография. Оно строится на основе сигналов, возникающих при взаимодействии электронного пучка с образцом. Всё многообразие сигналов показано на рисунке 2, остановимся подробнее на наиболее используемых в сканирующей электронной микроскопии.
Рис. 2. Взаимодействие электронного пучка с образцом
Вторичные электроны. Электроны пучка выбивают электроны из атомов образца. Если взаимодействие произошло вблизи поверхности, выбитый электрон вылетает из образца и регистрируется детектором. Такой электрон называется вторичным, а детектор — детектором вторичных электронов. Вторичные электроны несут информацию о рельефе, поэтому перепады высот на изображении будут более яркими, чем плоские участки.
Обратно-отражённые электроны. Электроны пучка рассеиваются на атомах образца. Чем выше атомный номер материала, тем выше вероятность, что электрон «развернётся» и вылетит обратно из образца. Такой электрон называется обратно-отражённым, а детектор — детектором обратно-отражённых электронов. На изображении более тяжёлые элементы выглядят ярче лёгких, что позволяет получить элементный контраст.
Рис. 3. Изображение образца олова на углероде в обратно-отраженных электронах
Рис. 4. Изображение образца олова на углероде во вторичных электронах
Рентгеновское излучение. Электроны пучка могут передавать часть энергии электронам атомов образца, переводя атомы в возбуждённое состояние. При возвращении в стационарное состояние происходит испускание характеристического рентгеновского излучения, индивидуального для каждого элемента. Детектируя это излучение, можно получить информацию об элементном составе образца. На этом принципе основана энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия.
На практике сигналы разных детекторов часто используют совместно: детектор вторичных электронов показывает форму и рельеф, детектор обратно-отражённых электронов помогает найти неоднородности состава, а энергодисперсионный спектрометр уточняет элементный состав выбранной области.
Рис. 5. Карта распределения элементов интегральной микросхемы
Режимы съемки в сканирующем электронном микроскопе
Даже при хорошей пробоподготовке итоговое изображение зависит от настроек микроскопа. На результат влияют ускоряющее напряжение, ток пучка, рабочее расстояние, скорость сканирования, увеличение, режим вакуума и выбранный детектор.
Чем выше ускоряющее напряжение, тем выше разрешение, но при этом может теряться информация о поверхности образца. С током пучка ситуация похожая: чем выше ток, тем больше сигнала получается от образца, в том числе для энергодисперсионной спектроскопии, но при этом может ухудшиться разрешение.
Чувствительные образцы, например биологические, нельзя исследовать при больших токах и ускоряющих напряжениях. Быстрое сканирование удобно для навигации, но для качественного изображения часто требуется большее время накопления сигнала.
Универсальных настроек для всех образцов не существует. Режимы подбираются под материал, задачу исследования и тип данных, которые необходимо получить.
Заключение
Качественное исследование методом сканирующей электронной микроскопии — это результат всей аналитической цепочки. На итог влияют пробоподготовка, материал и толщина покрытия, выбранный детектор, режимы съемки и условия эксплуатации оборудования.
Поэтому для стабильной работы лаборатории важны не только выбор микроскопа и системы пробоподготовки, но и регулярное сервисное сопровождение оборудования, которое помогает снижать эксплуатационные риски.