Podle čeho volit skenovací elektronový mikroskop

V posledních letech nachází elektronová mikroskopie uplatnění ve stále více oborech. Pro každý vzorek existuje kombinace nejlepších nastavení, která je třeba použít, k optimalizaci výsledků analýzy. Dále jsou rozebrána tato nastavení a všechny jejich hlavní aspekty, které je třeba vzít v úvahu při snímkování a vysvětlíme si trochu fyziky a matematiky za nimi. Projdeme hlavní parametry a součásti skenovacího elektronového mikroskopu s důrazem na to, jak ovlivní výsledky analýzy a jak získat nejlepší možné výsledky na základě vaší aplikace.

1.1 Zvětšení

Moderní definice zvětšení je poměr mezi dvěma měřeními, jinak řečeno poměr mezi velikostí vzorku na snímku a skutečnou velikostí vzorku. Ačkoli vzorek nezmění svou velikost, může být obraz vytištěn v nekonečném počtu různých velikostí (zvětšení). Ovšem při ukládání digitálních obrázků s jinou velikostí (rozlišením) dochází ke zkreslení hodnoty zvětšení. Zvětšení je tedy relativní číslo a ve vědecké oblasti není prakticky využitelné. Vědci raději používají parametr popisující velikost skutečně zobrazené oblasti (zorné pole – field of view = FOV, či měřítko) v kombinaci s informací, jak je tento obraz ostrý (rozlišení v nanometrech). Zároveň přístroje s nejvyšším dosahovaným zvětšením vám nezaručují, že uvidíte více detailů při tomto zvětšení. Záleží totiž na kvalitě zobrazovacích prvků a konkrétním nastavení, které určují výslednou rozlišovací schopnost (kvalitu přístroje/dat).

1.2 Rozlišení

V mikroskopii je rozlišení definováno jako minimální vzdálenost mezi dvěma objekty, která stále umožňuje pozorovateli rozlišit je jako samostatné entity.

S průměrným rozlišením stolních elektronových mikroskopů, které je snadno nižší než 10 nm, a s investičními náklady podobnými špičkovým optickým mikroskopům, povedou stolní skenovací elektronové mikroskopy k revoluci v průmyslu a k přeměně výrobních standardů na novou úroveň miniaturizace.
Je důležité si uvědomit, že hodnota rozlišení je limitní hodnotou mikroskopu a nepředstavuje velikost nejmenšího prvku, který lze kvalitně nasnímat. Dobré výsledky lze očekávat při 5-10tinásobku rozlišení, tedy při rozlišení 10 nm pro zobrazení a měření vzorků s průměrnou velikostí 50-100 nm. Menší prvky budou vypadat rozmazaně a k získání lepších výsledků bude třeba zařízení s lepším rozlišením.
Snímky ze SEM jsou uloženy v obrazovém souboru (např. JPEG, TIFF) s uživatelsky definovaným počtem pixelů, tj. rozlišení snímku. Více pixelů vede k delší době snímání, při kterém mohou být vzorky ovlivněny jak nabíjením, tak degradovány elektronovým paprskem.

1.3 Zdroje elektronů

Zdroj elektronů (nebo též katoda či filament) v podobě wolframového vlákna, hexaboridových katod či elektronových trysek je jedním z nejdůležitějších modulů SEM. Jeho účelem je poskytnout stabilní paprsek elektronů. Tyto zdroje elektronů se liší v proudu (počtu elektronů za čas), životnosti, dopadové ploše (spot size) a stabilitě emitovaného paprsku. Nejprve si objasníme význam jednotlivých parametrů zdrojů a následně si je porovnáme.
Jasnost zdroje
Jasnost je definována jako proud v paprsku na jednotku plochy na prostorový úhel. Čím více proudu/elektronů je k dispozici v malé velikosti bodu, tím lépe lze dosáhnout obrázků s vysokým rozlišením (kvalitou obrazu a nízkým poměrem signálu a šumu) při velkém zvětšení. Jas se lineárně zvyšuje s urychlovacím napětím (je 10x větší při 10 kV oproti 1 kV). Velikost dopadové plochy (spot size) elektronového paprsku může být zmenšena pro zlepšení rozlišení, ale od určitého okamžiku omezuje rozlišení nízký poměr signálu a šumu způsobený malou proudovou hustotou a tím nekvalitním obrazem. SEMy s jasnějším zdrojem elektronů mohou dosáhnout při stejném poměru signálu a šumu menší dopadové plochy a tím i lepšího rozlišení, jak je uvedeno na snímcích níže.

Rozsah energií elektronů

Vyšší teplota zdroje u wolframových vláken oproti CeB6 vede k širší distribuci energií elektronů (W 2,5 eV vs. 1 eV pro CeB₆). Takové elektrony je následně složitější zaostřit do stejného místa, proto je kvalita snímků z CeB₆ systému vyšší obzvláště při nižších urychlovacích napětích.

Životnost zdroje

Oproti krátké živostnosti, nízké ceně a náhlému prasknutí wolframových vláken vydrží ostatní zdroje elektronů pracovat déle a blížící se konec životnosti zdroje je indikován dostatečně dopředu snížením jasnosti zdroje. CeB₆ katody ani Schottkyho trysky nepraskají, což je užitečné zejména při používání elektronového mikroskopu pro dlouhé automatizované analýzy bez přítomnosti obsluhy. Navíc servisně jsou výměny zdrojů řešeny servisním technikem a není tak třeba mít odborně vyškoleného zaměstnance na pravidelnou výměnu prasklých wolframových vláken. Z ekonomického hlediska vychází náklady podobně s tím rozdílem, že prémiové zdroje elektronů přináší značné výhody z hlediska kvality snímků, rychlosti snímání a bezstarostném užívání – více informací k ekonomickému srovnání naleznete v tomto Phenom blogu.

Stabilita emisního proudu

Stabilita emisního proudu je klíčovým požadavkem pro termionické zdroje (W, LaB₆ a CeB₆). Současná stabilita termionických zdrojů je obvykle lepší než 1 % efektivní hodnoty. Měření stability vzorkovacího proudu zdroje CeB₆ v mikroskopu Phenom ukazují, že fluktuace proudu v paprsku je asi 0,3 % během prvních 5 hodin od zapnutí zdroje a je 0,2 % mezi 5. a 15. hodinou po zapnutí zdroje. Kromě toho stabilita vakua u zdroje nemá významný vliv na emisní proud zdroje CeB₆. Na základě praktických zkušeností lze říci, že následné ladění paprsku ať již pomocí source tilt či stigmace je velmi zřídka používané oproti každodennímu ladění u wolframových vláken, což urychluje rutinní práci obsluhy.

Popis jednotlivý zdrojů

Wolframové katody jsou vlákna ohnutá tak, aby se zmenšila velikost vyzařovací plochy. Obvykle se zahřívají na teplotu 2200-2700 °C pro dosažení vysoké proudové hustoty. Při 2500 °C je praktická hodnota proudové hustoty 3 A cm^-2. Životnost wolframových katod, která se může měnit mezi 40 a 200 hodinami, je omezena odpařováním katodového materiálu, což vede k jeho ztenčování a náhlému prasknutí vlákna v průběhu snímání. Aby se zabránilo nadměrné oxidaci, udržuje se u zdroje vakuum 10^-3 Pa.
Katody z hexaboridových krystalů (CeB₆ a LaB6) jsou tyčinky s plochým hrotem a typicky se zahřívají na nižší teplotu než u wolframu – 1100-1700 °C, protože výstupní práce elektronů u těchto krystalů je nižší (2,7 eV pro LaB₆ a 2,5 eV pro CeB₆ vs. 4,5 eV pro W). To přináší vyšší proudovou hustotu než u wolframové katody a to v rozmezí 20-50 A cm^-2. Tento zdroj je tedy typicky desetkrát jasnější a také jeho životnost je obvykle 10krát vyšší než u wolframových vláken. Nicméně, je potřeba udržovat lepší vakuum u katody (<10^-4 Pa), aby se zabránilo její oxidaci. Výkon hexaboridových katod silně závisí na vakuu a teplotě. Studie ukazují, že katody CeB₆ jsou méně ovlivněny kontaminací uhlíkatými materiály než katody LaB₆, dále mají nižší provozní teplotu (1500 °C) i nižší rychlost odparu materiálu v porovnání s LaB₆ a tak je jejich životnost delší (viz tabulka níže).
Podrobnější srovnání výhod CeB₆ oproti wolframové katodě je dostupné na blogu Phenomu.

Elektronové trysky (z anglického field emission gun FEG) existují dvou druhů:

1. Schottkyho typu
2. Studené zdroje

Z praktického hlediska jsou nejčastěji používané trysky Schottkyho typu díky jejich stabilitě, oxidační odolnosti a tím i delší životnosti. Oproti ostatním zdrojům elektronů nabízí řádově větší proudové hustoty a užší rozsah energií emitovaných elektronů, což vede k výrazně lepší kvalitě obrazu u SEMů s FEG zdrojem. Více informací včetně užitečných praktických tipů pro užívání FESEM (field emission SEM) se můžete dočíst v angličtině např. na tomto blogu Phenomu.

1.4 Urychlovací napětí

Urychlovací napětí vypovídá o energii elektronů a určuje tak, jaký druh interakce bude mít paprsek se vzorkem. Obecně platí, že vysoké napětí odpovídá vyšší penetraci pod povrch vzorku nebo také většímu interakčnímu objemu. Chemické složení vzorku má také vliv na velikost interakčního objemu: lehké prvky mají méně elektronů a jejich energie je nižší. To vede k menší četnosti srážek/interakcí s elektrony z elektronového paprsku, který proto může proniknout hlouběji do vzorku oproti vzorkům obsahujícím těžší prvky. U stolních přístrojů jsou obvykle detekovány tři druhy signálů: zpětně odražené elektrony (BSE), sekundární elektrony (SE) a charakteristické rentgenové paprsky.
Účinek urychlovacího napětí při zobrazování BSE a SE je srovnatelný: nízká napětí umožňují zobrazení povrchu vzorku; vysoká napětí poskytují více informací o vrstvě pod povrchem. To lze vizualizovat na obrázcích níže, kde nízká napětí způsobují, že kontaminace povrchu vzorku je jasně rozpoznatelná, zatímco vyšší napětí odhaluje strukturu pod vrstvou kontaminace.

Navíc u vysokých urychlovacích napětí dochází k potlačení vlivu chromatické aberace což byl důvod, proč se dříve při snímání na SEM využívalo nejvyšší možné napětí, aby se zlepšilo rozlišení obrazu. Například Phenom Pro má nejvyšší rozlišení při 10-12 kV, což je nižší než maximálně dostupných 15 kV (20 kV v případě upgradu).
Při výběru vhodného urychlovacího napětí je také velmi důležitá povaha vzorku. Biologické vzorky, některé polymery a mnoho dalších (většinou organických) vzorků jsou mimořádně citlivé na vysoké energie elektronů. Tuto citlivost dále zvyšuje skutečnost, že vzorek uvnitř SEM je ve vakuu. To je hlavní důvod, proč se vývojáři SEM zaměřují na zlepšování rozlišení při nižším urychlovacím napětí, které umožňuje snímání i u nejcitlivějších vzorků.
Naopak pro prvkovou analýzu pomocí energiově disperzního spektroskopického (EDS) detektoru se upřednostňuje co nejvyšší urychlovací napětí, které generuje více charakteristických rentgenových paprsků. Více informací k lokálnímu prvkovému složení naleznete zde.

1.5 Velikost dopadové plochy a hustota náboje

Pro optimální nastavení velikosti dopadové plochy a hustoty náboje je třeba komplexních znalostí o mnoha parametrech (navíc vzájemně provázaných). Mezi čtyři nejdůležitější parametry elektronového paprsku patří urychlovací napětí, úhel dopadu, proud a velikost dopadové plochy. Podrobnější vysvětlení vzájemných vztahů těchto parametrů je nad rámec tohoto textu. Pro dosažení dostatečné experimentální přesnosti je třeba volit optimálně tyto parametry a to zejména s ohledem buď na nejlepší možné rozlišení nebo na vysoký kontrast snímků (poměr signálu a šumu). Nejlepšího rozlišení je dosaženo při nejmenší dopadové ploše paprsku (spot size) naproti tomu pokud není potřeba snímků při největším zvětšení, tak je výhodné spot size zvětšit pro zvýšení proudu a získání „ostřejších“ a kontrastnějších snímků.

Rastrovací elektronový mikroskop je fascinující nástroj s velkým množstvím aplikací. Nicméně je velmi důležité, aby měl uživatel jasnou představu, jaký typ analýzy má udělat – a jak různá nastavení dopadové plochy, proudu v paprsku a urychlovacích napětí podstatně ovlivní kvalitu získaných dat a snímků. Stolní rastrovací elektronové mikroskopy řady Phenom vám pomůžou urychlit hledání optimálních nastavení tím, že nabízí pouze několik předem optimalizovaných nastavení, která odpovídají jednotlivým typům analýz. Vám tak odpadá zdlouhavé hledání v nekonečném množství možných nastavení, mezi kterými se nejste pomalu ani schopni rozhodnou, které je lepší.

1.6 Rozšiřitelnost

Rastrovací elektronové mikroskopy mohou být vybaveny velkým množstvím různých detektorů a příslušenství určených pro různé typy analýz či ulehčující analýzy neideálních vzorků jako například:

• Mrazící držák umožňuje snímat i vzorky s vysokým obsahem vlhkosti
• EDS detektor poskytuje prvkové složení
• Držáky pro testování chování vzorků při aplikaci tažného napětí.
• Motorizovaný posun a naklápění, aj.

1.7 Ovládání a doba k získání snímku

Elektronová mikroskopie se stala ekonomicky dostupnou, což vede k změně a zjednodušení ovladatelnosti těchto přístrojů tak, aby s nimi mohl pracovat téměř kterýkoliv uživatel. SEMy obsahují citlivé elektronické součástky a jsou citlivé na kontaminaci. Zkrácením času expozice vnitřního prostředí vnější atmosféře pomáhá udržet SEM déle v optimálním provozu, to platí zejména pro životnost zdroje elektronů, které tak vydrží pracovat déle.
Určení výšky vzorku je také velmi důležité při práci se SEM: pokud je vzorek příliš nízko, tak signál a následně rozlišení a kvalita obrazu bude nižší. Pokud je ale vzorek zasunut příliš vysoko, tak může dojít ke srážce s detektorem a jeho poškození. Chytrý způsob vkládání vzorků do komory v již optimální pracovní vzdálenosti používaný všemi modely řady Phenom tomuto brání a tak se nemusíte bát o poškození mikroskopu neodbornou či nepozornou obsluhou. Navíc je tato jedna pracovní vzdálenost optimalizovaná pro BSD i SED a kromě Phenom XL též pro EDS detektor.
Jednoduchost ovládání určuje kolik času zabere nastavení a snímání požadovaných snímků či dat. Jednoduše ovladatelné mikroskopy s krátkou dobou evakuace mohou zajistit první snímky za 1-2 minuty, což významně šetří čas obsluhy. Dalším faktorem mohou být dostupné SW aplikace pro automatizaci snímání a vyhodnocování obrazových dat. Výše uvedené parametry (krátký čas k prvnímu snímku, jednoduchá obsluha a dostatek SW) splňují stolní rastrovací elektronové mikroskopy Phenom, o jejichž vývoji a vlastnostech se můžete krátce dočíst zde.
Tento návod je inspirován anglickým originálem, který je ke stažení pod tímto blogem Phenomu: Buying a scanning electron microscope: how to select the right SEM.