Ứng dụng & công dụng thực tiễn của kính hiển vi điện tử quét

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) được sử dụng trong một số ứng dụng công nghiệp, thương mại và nghiên cứu. Từ các quy trình chế tạo tiên tiến đến các ứng dụng pháp y, có rất nhiều ứng dụng thực tế đa dạng cho SEM hiện đại.

Cách thức hoạt động của kính hiển vi điện từ quét SEM

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) sử dụng các chùm điện tử hội tụ để hiển thị hình ảnh ba chiều có độ phân giải cao. Những hình ảnh này cung cấp thông tin về:

• Địa hình
• Hình thái học
• Thành phần

Biểu diễn sơ đồ của SEM được thể hiện trong Hình 1. Các điện tử được tạo ra ở đầu cột bởi nguồn điện tử. Sau đó, chúng được tăng tốc xuống cột dưới chân không, giúp ngăn chặn bất kỳ nguyên tử và phân tử nào có trong cột tương tác với chùm điện tử và đảm bảo hình ảnh có chất lượng tốt.

Thấu kính điện từ được sử dụng để kiểm soát đường đi của các electron. Tụ điện xác định kích thước của chùm tia điện tử (xác định độ phân giải), trong khi vai trò chính của vật kính là tập trung chùm tia vào mẫu. Các cuộn quét được sử dụng để quét chùm tia lên mẫu. Trong nhiều trường hợp, khẩu độ được kết hợp với thấu kính để kiểm soát kích thước của chùm tia.

Các loại điện tử khác nhau được phát ra từ các mẫu khi tương tác với chùm điện tử. Một đầu dò điện tử tán xạ ngược (BSE) được đặt phía trên mẫu để giúp phát hiện các điện tử tán xạ ngược. Hình ảnh hiển thị thông tin tương phản giữa các khu vực có thành phần hóa học khác nhau vì các nguyên tố nặng hơn (số nguyên tử cao) sẽ xuất hiện sáng hơn. Đầu dò điện tử thứ cấp (SE) được đặt ở một bên của buồng điện tử, ở một góc, để tăng hiệu quả phát hiện các điện tử thứ cấp có thể cung cấp thông tin bề mặt chi tiết hơn.

Kính hiển vi điện tử khác với kính hiển vi quang học thế nào?

(So sánh kính hiển vi điện tử và kính hiển vi quang học)

• Sự khác biệt chính giữa kính hiển vi điện tử và quang học nằm ngay trong cái tên. SEM sử dụng chùm electron chứ không phải chùm ánh sáng. Một nguồn điện tử nằm ở trên cùng của kính hiển vi phát ra một chùm điện tử tập trung cao độ.

Trong SEM, có ba loại nguồn điện tử khác nhau:

• Dây tóc nhiệt điện tử – Một dây tóc Vonfram bên trong kính hiển vi được nung nóng cho đến khi nó phát ra các electron. Dây tóc vonfram hoạt động ở nhiệt độ nóng trắng, nghĩa là nó dần dần bay hơi theo thời gian và cuối cùng bị đứt, có thể làm nhiễm bẩn phần trên của cột điện tử. Tuổi thọ trung bình của nguồn Vonfram là khoảng 100 giờ, tùy thuộc vào chân không.
• Súng phát xạ trường (FEG) – Tạo ra một điện trường mạnh kéo các electron ra khỏi nguyên tử của chúng. Đây thường là lựa chọn phổ biến hơn trong SEM vì nó tạo ra hình ảnh có độ phân giải cao, tuy nhiên, nó yêu cầu thiết kế chân không cao.
• Cathode Xeri Hexaborua (CeB6) – cung cấp độ sáng gấp mười lần so với Vonfram, nghĩa là tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu tốt hơn và độ phân giải tốt hơn. Nguồn CeB6 thường cung cấp tuổi thọ cao hơn mười lăm lần so với Vonfram: hơn 1500 giờ. Nguồn CeB6 được sử dụng trong tất cả các thiết bị Phenom SEM để bàn.

Ứng dụng của kính hiển vi điện tử quét SEM

• SEM có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp, thương mại và nghiên cứu.

Khoa học vật liệu

• SEM được sử dụng trong khoa học vật liệu để nghiên cứu, kiểm soát chất lượng và phân tích lỗi.
• Trong khoa học vật liệu hiện đại, các nghiên cứu về ống nano và sợi nano, chất siêu dẫn nhiệt độ cao, kiến trúc xốp và độ bền của hợp kim, tất cả đều phụ thuộc rất nhiều vào việc sử dụng SEM để nghiên cứu và điều tra.
• Trên thực tế, gần như bất kỳ ngành khoa học vật liệu nào, từ hàng không vũ trụ và hóa học đến điện tử và sử dụng năng lượng, chỉ có thể thực hiện được với sự trợ giúp của SEM.

Dây  cho cảm biến khí

• Các nhà nghiên cứu đang khám phá những cách mới để sử dụng dây nano làm cảm biến khí bằng cách cải tiến các phương pháp chế tạo hiện có và phát triển các phương pháp mới. Kính hiển vi điện tử cực kỳ quan trọng trong việc giúp mô tả đặc điểm của các dây nano và hiểu được hành vi cảm nhận khí của chúng.

Kiểm tra bán dẫn

• Hiệu suất đáng tin cậy của chất bán dẫn đòi hỏi thông tin địa hình chính xác. Hình ảnh ba chiều có độ phân giải cao do SEM tạo ra cung cấp phép đo nhanh chóng, chính xác về thành phần của chất bán dẫn.
• Trên thực tế, trong hầu hết các quy trình sản xuất wafer, SEM là một trong ba công cụ kiểm soát chất lượng thiết yếu được sử dụng. Trong trường hợp các bài kiểm tra kiểm soát chất lượng lặp đi lặp lại hàng ngày, màn hình lớn hơn (19 inch) đã được chứng minh là làm giảm sự mệt mỏi về thị giác cho người kiểm tra.

Lắp ráp vi mạch

• Sản xuất vi mạch ngày càng dựa vào SEM để giúp hiểu rõ hơn về hiệu quả của các phương pháp sản xuất và chế tạo mới. Với quy mô và vật liệu ngày càng nhỏ hơn, cũng như tiềm năng của các polyme tự lắp ráp phức tạp, khả năng ba chiều, độ phân giải cao của SEM là vô giá đối với thiết kế và sản xuất vi mạch.
• Khi Internet of Things (IoT) trở nên phổ biến hơn trong cuộc sống hàng ngày của người tiêu dùng và nhà sản xuất, SEM sẽ tiếp tục đóng một vai trò quan trọng trong việc thiết kế chipset công suất thấp, chi phí thấp cho máy tính phi truyền thống và thiết bị nối mạng.

Điều tra Pháp y

• Các cuộc điều tra hình sự và pháp y khác sử dụng SEM để khám phá bằng chứng và thu được thông tin chi tiết hơn nữa về pháp y. Sử dụng bao gồm:
  • Phân tích tàn dư súng
  • Kiểm tra đồ trang sức
  • So sánh đánh dấu đầu dòng
  • Phân tích chữ viết tay và bản in
  • Kiểm tra tính xác thực của tiền giấy.
  • Phân tích hạt sơn và sợi
  • Phân tích dây tóc bóng đèn trong sự cố giao thông
• Vì SEM cung cấp khả năng kiểm tra nhiều loại vật liệu ở độ phóng đại cao và thấp mà không làm mất đi độ sâu của tiêu điểm, nên việc sử dụng chúng trong khoa học pháp y giúp đưa ra kết luận, xác định nguồn gốc vật liệu và đóng góp vào bằng chứng trong các vấn đề hình sự và pháp lý . Thiết bị Phenom GSR để bàn được thiết kế đặc biệt để phân tích dư lượng súng bắn tự động.

Sinh học

• Trong khoa học sinh học, SEM có thể được sử dụng trên mọi thứ từ côn trùng và mô động vật đến vi khuẩn và vi rút. Sử dụng bao gồm:
  • Đo lường tác động của biến đổi khí hậu của các loài.
  • Xác định vi khuẩn mới và các chủng độc lực
  • Thử nghiệm tiêm chủng
  • Phát hiện loài mới
  • Làm việc trong lĩnh vực di truyền học

Lấy mẫu đất và đá

• Lấy mẫu địa chất bằng kính hiển vi điện tử quét có thể xác định quá trình phong hóa và hình thái của mẫu. Hình ảnh điện tử tán xạ ngược có thể được sử dụng để xác định sự khác biệt về thành phần, trong khi thành phần của các nguyên tố có thể được cung cấp bằng phân tích vi mô. Sử dụng hợp lệ bao gồm:
  • Xác định các công cụ và đồ tạo tác sớm của con người
  • Đo lường chất lượng đất cho nông nghiệp và nông nghiệp
  • Xác định tuổi trong khảo cổ
  • Bằng chứng pháp y là chất lượng đất, chất độc, v.v.

Y học

• Nói chung, SEM được sử dụng trong khoa học y tế để so sánh các mẫu máu và mô nhằm xác định nguyên nhân gây bệnh và đo lường tác động của các phương pháp điều trị đối với bệnh nhân (đồng thời góp phần thiết kế các phương pháp điều trị mới). Sử dụng phổ biến bao gồm:
  • Xác định bệnh và virus
  • Thử nghiệm vắc-xin và thuốc mới
  • So sánh các mẫu mô giữa các bệnh nhân trong nhóm kiểm soát và thử nghiệm
  • Xét nghiệm mẫu trong suốt tuổi thọ của bệnh nhân

Nghệ thuật

• Không phải tất cả các ứng dụng SEM đều thực tế. Ảnh vi mô do SEM tạo ra đã được sử dụng để tạo ra các tác phẩm nghệ thuật kỹ thuật số. Hình ảnh ba chiều có độ phân giải cao của nhiều chất liệu khác nhau tạo ra nhiều phong cảnh đa dạng, chủ thể hình ảnh vừa xa lạ vừa quen thuộc.

Một công cụ hữu ích

• Trong các lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng công nghiệp, ngày càng có nhiều sự tập trung vào kiểm soát chất lượng ở quy mô cực nhỏ. Đạt được hình ảnh có độ phân giải cao bằng kính hiển vi điện tử quét có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc về nhiều lĩnh vực, làm cho SEM trở thành công cụ không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực.
• Cần trợ giúp để tìm đúng thiết bị kính hiển vi điện tử cho ứng dụng của bạn? Liên hệ với ATA Scientific ngay hôm nay để được tư vấn miễn phí và khám phá các công cụ phù hợp cho dự án của bạn.

Bài viết khác

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

Kính hiển vi điện tử quét (SEM)