Kính hiển vi điện tử quét – Catốt phát quang (SEM-CL)

SEM-CL là gì?

Đầu dò phát quang catốt được gắn vào Kính hiển vi điện tử quét (SEM), Kính hiển vi phát xạ trường (FEM) hoặc Đầu dò vi điện tử (EPMA) có khả năng tạo ra hình ảnh phát quang catốt kỹ thuật số (CL) có độ phân giải cao của vật liệu phát quang. Cho dù detector CL này được gắn vào SEM, FEM hay EMPA, thì chế độ thu ảnh CL hoặc phổ CL này thường được gọi là SEM-CL.

Nguyên tắc cơ bản của SEM-CL

• Lý thuyết đằng sau việc tạo ra phản ứng phát quang bằng SEM-CL cũng giống như lý thuyết đối với thiết bị (Optical-CL) (xem lý thuyết CL).

Thiết bị SEM-CL – Nó hoạt động như thế nào?

• SEM-CL hoạt động theo cách tương tự như CL gắn ca-tốt nóng vào hệ thống quang học, tức là các electron được tạo ra bằng dây tóc nung nóng và được gia tốc đến cực dương. Tuy nhiên, trong SEM-CL có một cột dưới chân không cao (<10-5 Torr) trong đó:
• Các electron được gia tốc về phía cực dương dưới sự chênh lệch điện thế thường là 1-30 kV
• Dòng điện mẫu có thể dao động từ 1 pa đến 10 nA
• Các electron có thể được tập trung vào một chùm hẹp (5 nm đến 1 µm) có khả năng tạo ra phản ứng CL trên một diện tích nhỏ của mẫu.
• Nói chung, chùm tia điện tử được quét qua một diện tích lớn hơn của mẫu và phản ứng CL được ghi lại bằng hình ảnh kỹ thuật số từ detector CL (Hình 2). Có thể thu được hình ảnh CL trong phạm vi độ phóng đại (10-10.000x), nhưng độ phóng đại thấp nhất bị hạn chế bởi cấu hình cụ thể của hệ thống detector CL. Quy trình thu nhận hình ảnh khác nhau tùy thuộc vào thông tin được tìm kiếm. Các thủ tục thu nhận hình ảnh bao gồm:
  • Tổng CL (hình ảnh mức xám) cho toàn bộ dải quang phổ (~200-800 nm) – thường được sử dụng cho các đặc điểm chung về kết cấu và phân vùng hóa học.
  • Bộ sưu tập ba hình ảnh mức xám liên tiếp sử dụng loạt bộ lọc màu đỏ rồi xanh lục rồi xanh lam. Hình ảnh “màu thật” được tái tạo từ các hình ảnh R-G-B riêng biệt thông qua chương trình xử lý hình ảnh như Photoshop.
  • Bộ sưu tập đồng thời hình ảnh màu “sống” với hệ thống dò mảng chẳng hạn như hệ thống Gatan Chroma-CL (Hình 1.)
  • Với việc bổ sung detector quang phổ, có thể thu thập bản quét bước sóng so với cường độ tương đối của CL của một vật liệu nhất định. Phổ CL có thể được cải thiện khi bổ sung một giai đoạn lạnh cho mẫu. Trong nhiều trường hợp, các đỉnh riêng lẻ có thể liên quan đến một đặc điểm cấu trúc nội tại trong vật liệu hoặc một nguyên tố vi lượng cụ thể. Một trong những vấn đề cần cân nhắc ảnh hưởng đến chất lượng của ảnh SEM-CL là sự tồn tại của hiện tượng lân quang trong một số khoáng chất hoạt tính CL quan trọng.
  • Hiện tượng lân quang là sự phát tín hiệu CL liên tục trong một khoảng thời gian ngắn nhưng đáng kể (>10-8 giây) sau khi năng lượng đầu vào ngừng hoạt động. Do đó, khi các tia điện tử quét qua một mẫu, các khoáng chất lân quang tiếp tục phát ra ánh sáng dẫn đến hiệu ứng sọc trên hình ảnh. Các khoáng chất canxit, đôlômit và apatit thể hiện hiện tượng lân quang này.
  • Có thể cải thiện hình ảnh của khoáng chất lân quang bằng cách tăng hiệu chỉnh thời gian chết, nhưng điều này có thể làm tăng đáng kể thời gian thu nhận hình ảnh của ảnh CL.
  • Một chiến lược khác là sử dụng một phần quang phổ không biểu hiện lân quang. Ví dụ, do phần bước sóng cao hơn của quang phổ thể hiện lượng lân quang đáng kể nhất trong canxit, nên phần bước sóng xanh-UV thấp hơn đã được sử dụng để tạo ảnh phân vùng CL (Reed và Milliken, 2003).
  • Việc sử dụng máy quang phổ cho phép xem bán định lượng nguyên nhân và lượng CL. Chúng có thể liên quan đến các khiếm khuyết bên trong hoặc các chất kích hoạt bên ngoài, nhưng độ lớn của tín hiệu chưa được định lượng. Độ phân giải quang phổ có thể được cải thiện đáng kể bằng cách sử dụng giai đoạn lạnh.

Các ứng dụng

• Nghiên cứu quá trình xi măng hóa và thành tạo trong đá trầm tích
• Nguồn gốc của vật liệu mảnh vụn trong đá trầm tích và đá siêu trầm tích
• Chi tiết về cấu trúc bên trong của hóa thạch
• Tính năng tăng trưởng / hòa tan trong khoáng sản đá lửa và biến chất
• Cơ chế biến dạng trong đá biến chất.
• ự phân biệt các thế hệ khác nhau của cùng một loại khoáng chất do sự khác biệt về lượng vi lượng của các nguyên tố kích hoạt. Ví dụ, sa thạch có thể bao gồm nhiều loại hạt thạch anh từ các khu vực nguồn khác nhau, nhiều thế hệ xi măng thạch anh và mạch thạch anh cắt ngang – tất cả đều có tín hiệu CL khác nhau (Hình 2). Mặt khác, những khác biệt về phát quang này không thể được phát hiện bằng hình ảnh SEI, hình ảnh BSE (do các hạt có cùng số nguyên tử trung bình, Z) hoặc phân tích EDS (các nguyên tố vi lượng dưới giới hạn phát hiện, khoảng 0,1 wt%) (Xem hình 3a và 3b).

		Kính hiển vi điện tử quét dòng Normal SEM Kính hiển vi điện tử quét độ phóng đại từ 10X đến 500,000X Kính hiển vi điện tử quét FE SEM

Điểm mạnh và hạn chế của SEM-CL

Điểm mạnh của việc thu nhận ảnh CL với SEM-CL so với Quang học-CL bao gồm:

• Độ phân giải không gian tốt hơn
• Cải thiện kiểm soát hiện tại
• Tạo ảnh CL màu của mẫu bằng các bộ lọc hoặc bộ dò thích hợp
• Kiểm tra các phản ứng UV hoặc IR CL ngoài những phản ứng thu được với Quang-CL.

Các hạn chế của việc thu nhận ảnh CL với SEM-CL so với Quang học-CL bao gồm:

• Cần thiết phải có một thiết bị chùm tia điện tử, tức là SEM, FEM hoặc EMPA
• Thời gian máy thường đắt hơn
• Lớp phủ dẫn điện cần thiết trên mẫu
• Sự hấp thụ phi tuyến của các bộ lọc RGB và những thách thức trong việc tái hòa nhập màu thích hợp
• Các vấn đề phát quang của các khoáng chất phát thải CL quan trọng như khoáng vật cacbonat và apatit.