Scanning Electron Microscope

مجهر المسح الإلكتروني

 Scanning Electron Microscope

يعمل هذا المجهر عن طريق إحداث تيار من الإلكترونات ذات طافة عالية  (من 0.5 إلى 40Kev  ) و توجيهها لتصتدم بالعينة التي يتم دراستها, هذا التيار ناتج عن فرق جهد مصطنع و يوجه بعدسات إلكترونية,

و العدسات الإلكترونية هي عبارة عن سلك موصل للكهرباء, يكون فيه تيار يؤثر مجاله على مسار التيار الرئيسي الذي يصطدم بالعينة, و يتم ضخ الهواء الذي بداخله إلى10^-10 barلإزالة الهواء من داخل المجهر حتى يعمل بشكل صحيح. يتميز المجهر الالكتروني الماسح بقدرته على تصوير السطوح بدرجة عالية من الدقة و يمكن رؤية المادة بوضوح حتى مسافة 10 نانو متر, و الذي يمكننا من رؤية العينة بهذه الدقة هو الطول الموجي الصغير للإلكترونات ذات الطاقة العالية, فطولها الموجي أصغر بكثير من الطول الموجي للضوء المرئي, وانعكاس هذه الإلكترونات على مادة حساسة لها يظهر صورة مفصلة لسطح الغينة. 

العينة(Sample) 

يتميز المجهر الإلكتروني الماسح بأنه لا تحتاج العينات فيه إلى كثير من التجهيز وبالأخص المواد الموصلة للكهرباء, يمكن إضافة أفلام دقيقة فوق السطوح العازلة بعدة تقنيات (Sputtering, Vacuum Evaporation) , هناك بعض المواد التي تحتاج تجهيزات خاصة بها مثل البودرة, فبطبيعتها المواد المطحونة أو الموجودة على شكل البودرة تتكتل لوحدها لتخفيض طاقتها الكيميائية, فهي كباقي المواد تميل لخفض طاقتها, ويمكن حل هذه المشكلة بعمل بسيط جدا مثل إضافة بعض الأسيتون إلى العينة لتخفيض طاقتها دون تكتلها.

ألإلكترونات الثانوية(Secondary Electrons) :

هي المصدر الرئيسي للمعلومات و الصور الناجمة عن سطح العينة, و قد تكون أهم ما يميز المجهر الإلكتروني. و هي مصدر الصور المكبرة الدقيقة و الواضحة لسطوح العينات. تتكون الإلكترونات الثانوية من إلكترونات ذات طاقة منخفضة(>0.5 Kev)  اصطدمت بسطح العينة و فقدت معظم طاقتها الحركية, و هي تخترق سطوح العينات فقط, ولا تدخل إلى أعمق من ذلك داخل العينة.

الإلكترونات المرتدة   :(Back Scattered Electrons)

و هي الإلكترونات التي تخترق إلى أعماق العينة و تكون ذات طاقة عالية حتى بعد اصتدامهاا بالعينة, و تقدم معلومات عن ما يوجد بقلب المادة حيث كلما كانت الذرات أثقل(رقمها الذري أكبر) كانت صورتها أوضح

  

المبادئ الأساسية للمجهر الإلكتروني الماسح

كما ذكرنا سابقا يتميز المجهر الإلكتروني الماسح بقوة تكبير عالية جدا تصل إلى أكثر من نصف مليون مرة، و يرجع السبب في ذلك الى استخدام أشعاع الكتروني عبارة عن حزمة من الإلكترونات Electron Beam عالية الطاقة ذات طول موجي قصير جدا في حدود 0.0068 nm لذا نجد أن قوة التمييز Resolution لهذا المجهر تصل إلى أقل من 0.5 nm و قوة التمييز يقصد بها قدرة المجهر على التمييز "التفريق" بين جسمين دقيقين متقاربين بحيث يظهران منفصلين، و هذا يعتمد على الطول الموجي المستخدم، و للمقارنة دعنا نتذكر المجهر الضوئي، المجهر الذي يستخدم الضوء الصناعي أو الطبيعي ما هي حدود قدرة تمييزه؟ طبعا قدرة تمييز هذا المجهر محدودة بالطول الموجي لضوء و عليه ستكون قدرة تميزه محكومة بالأطوال الموجية لطيف المرئي إي ما بين 400 nm إلى 700 nm و بالتالي فإن قوة تمييزه في حدود 0.2 ميكرومتر، و لكن الطول الموجي لحزمة الإلكترونات المستخدمة في المجهر الإلكتروني كما ذكرنا سابقا هي 0.0068 nm فقط مما يجعله ذا قوة تمييز فائقة جدا.

تعتمد نظرية عمل المجهر الإلكتروني الماسح على استخدام حزمة اليكترونية عالية الطاقة تصطدم بسطح العينة عاموديا بسطح العينة المدرسة، و من ثم جمع الإشارات Signalsالمنعكسة و الصادرة من العينة بإستخدم الكواشف المختلفة Detectors ، و في ما يلي سنقدم شرحا مبسطا لكيفية عمل هذا المجهر:

أولاً: يتم أنتاج الإلكترونات عن طريق الانبعاث الحراري و ذلك عن طريقة فتيلة Filament تسخين تصنع عادة من التنجستين، و يطبق على هذه الفتيلة جهد تعجيل تتفاوت قيمته ما بين 0.1 V إلى 30 V .

ثانيا: تمر حزمة الإلكترونات خلال عامود المجهر microscope columnالمفًرغ و يتم تركيز هذه الحزمة بواسطة مجموعة من العدسات الكهرومغناطيسية electromagnetic lenses على طوال هذا العمود.

ثالثاً: تعمل فتحات التحكم apertures الموجودة على طول عمود المجهر على التحكم في عرض حزمة الإلكترونات و ذلك بحجز الإلكترونات المتشتتة و المنحرفة عن مسار الحزمة.

رابعاً: تصطدم الحزمة الإلكترونية بسطح العينة و التي تكون داخل حيز مغلق و مفرغ تماما يسمى غرفة المجهر الإلكتروني الماسح SEM chamber حيث تتفاعل interaction هذه الحزمة مع سطح العينة ، و ينتج عن هذا التفاعل عدد من الإنبعاثات " الإشارات" signals من أهم هذا الإنبعاثات أو الإشارات و التي تستخدم في إنتاج صور أسطح العينات، إشارتان هما انبعاث الإلكترونات الثانوية SecondaryElectrons و يرمز لها اختصارا SE و انبعاث إلكترونات الاستطارة الخلفية Backscattered Electron و يرمز لها اختصار BSE ، و أيضا هناك الأشعة السينية X-rays المنبعثة من العينة و لها أهمية كبيرة في دراسة ما هية عناصر العينة و كذلك نسبها، مما يعطي معلومات وافيه عن العينة المدروسة، و يجدر الإشارة هنا إلى أن كل إشارة من هذه الإشارات تنبعث من مستوى معين بالنسبة لسطح العينة و تشكل نسبة معينة من عملية التفاعل بين الحزمة الإلكترونية الساقطة و سطح العينة و تسمى عملية التفاعل هذه باسم حجم التفاعل Interaction volume و الذي يبين الحيز ثلاثي الإبعاد لمدى التفاعل بين الحزمة الإلكترونية و العينة و كذلك مستوى و حجم كل إشارة من إشارات الانبعاث كما هو موضح في الشكل أدناه.

خامسا: يتم تجميع كل إشارة بواسطة الكاشف الخاص بها، حيث يتم بعد ذلك تحليل هذه الإشارات و معالجتها و من ثم يتم إظهارها كصور بالنسبة للإشارتين SE و BSE أو كطيف تحليلي للأشعة السينية Spectrum للأشعة السينية 

شكل توضيحي مبسط  يبين الأقسام الرئيسية للمجهر الإلكتروني الماسح  

تحضير العينة :

نعلم أن الزجاج مادة غير موصله للكهرباء بالتالي عند سقوط حزمة من الالكترونات على العينة الغير موصله بالكهرباء مثل الزجاج ، فانه يؤدي إلى تجمع كبير من الالكترونات و حصول على صورة رديئة ، لذا لابد من تفريغ الالكترونات الزائدة و يتم ذلك باستخدام جهاز ( Coating ) ، بحيث تثبت أولاً عينه الزجاج على القرص المعدني الخاص بواسطة الإسمنت الكربوني الموصل للكهرباء و يكون سطح عينة الزجاج مستو تقريباً ، بعدها يتم عمل غطاء كربوني للعينة بالكامل ( Coating ) .

وهناك طريقه أخرى أكثر دقه ، و هي استخدام بودرة السيليكا ، بحيث تأخذ العينة و توضع كمية مناسبة من بودرة السيليكا عليها و تضغط بالمكبس الحراري ، ثم تجلخ و تنعم حتى تظهر عينه الزجاج على السطح ، نقوم بعدها بعمل خط بواسطة سائل الفضة من العينة حتى قاعدة التثبيت حتى يتم تفريغ الالكترونات الزائدة .

و هذه صور عينات بالميكروسكوب الالكتروني الماسح