Kính hiển vi điện tử quét – SEM : Nguyên lý, cấu tạo, ưu điểm

Tìm hiểu về kính hiển vi điện tử quét – SEM

Kính hiển vi điện tử  là gì?

Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope – SEM) là một loại kính hiển vi sử dụng chùm điện tử để quét bề mặt mẫu, thay vì sử dụng ánh sáng như kính hiển vi quang học. SEM tạo ra hình ảnh có độ phân giải cao bằng cách ghi nhận các tín hiệu điện tử phản xạ và phát xạ từ mẫu, cho phép quan sát chi tiết bề mặt vật liệu với độ phóng đại rất lớn (từ vài chục đến trăm nghìn lần đến hàng triệu lần).

Tại sao phải dùng SEM?

Mắt thuờng của chúng ta có thể nhìn thấy được kích thuớc nhỏ nhất của 1 vật là khoảng 100micromet~ 0.1mm (là kích thước của sợi tóc hay độ dày của màng polymer).

Để quan sát những vật nhỏ hơn nữa (vi khuẩn) có thể dùng kính hiển vi quang học, có độ phân giải khoảng 1500-2000 lần. Vì sự giới hạn về độ phân giải nên khi nghiên cứu về thế giới vi mô, nên sử dụng kính hiển vi điện tử quét là giải pháp tối ưu, độ phân giải cao cho phép hiển thị hình ảnh 3 chiều sắc nét.

Nguyên lý của kính hiển vi điện tử quét

Kính hiển vi điện tử  (Scanning Electron Microscope – SEM) hoạt động dựa trên nguyên lý sử dụng chùm điện tử để quét bề mặt mẫu và thu nhận tín hiệu phản xạ để tạo ra hình ảnh có độ phân giải cao.

Bằng việc chiếu xạ mẫu bởi chùm tia điện tử được tạo ra bởi súng Electron được gia tốc bởi điện áp cao trong chân không, tạo ra các electron thứ cấp (Secondary electrons), electron tán xạ ngược (Backscattered electrons), tia X đặc trưng và các tín hiệu khác. Kính hiển vi điện tử SEM chủ yếu thu nhận xử lý dữ liệu từ tín hiệu điện tử thứ cấp và điện tử tán xạ ngược và chuyển đổi thình hình ảnh có độ phóng đại cao, hiển thị chi tiết cấu trúc bề mặt.

Các electron thứ cấp được tạo ra gần bề mặt mẫu nên hình ảnh SE được tạo bởi kính hiển vi điện tử quét phản ánh cấu trúc địa hình mẫu.

Các electrons tán xạ ngược được sinh ra từ tương tác đàn hồi giữa chùm điện tử tới và các nguyên tử nằm sâu trong mẫu làm thay đổi quỹ đạo electron. Do đó, hình ảnh được cung cấp bởi các tia tán xạ ngược BSE mang thông tin về sự phân bố thành phần trên bề mặt mẫu thể hiện thông qua sự tương phản và màu sắc.

Cấu tạo của kính hiển vi điện tử quét

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) có cấu tạo gồm các bộ phận chính sau:

Hệ thống phát xạ điện tử (Electron Gun)

Là chùm phát nguồn điện tử thường có 2 loại chính

• Súng phát xạ nhiệt (Thermionic Emission Gun – TEG): Chùm electron được tạo bởi quá trình nung nóng dây tóc Vonfram hoặc Lantan Hexaborua (LaB₆)
• Súng phát xạ trường (Field Emission Gun – FEG): được phát ra từ bề mặt đầu kim sắc bén bằng tinh thể Vonfram (W) do có điện trường mạnh tác dụng (anode)

Hệ thấu kính điện tử (Electromagnetic Lenses)

• Thấu kính hội tụ (Condenser lens): Điều chỉnh hướng, đường kính và độ tụ của chùm tia điện tử
• Vật kính (Objective lens): Hội tụ chùm tia thành điểm nhỏ trên bề mặt mẫu, quyết định độ phân giải của ảnh

Buồng chứa mẫu (Sample chamber)

• Khu vực đặt mẫu, có thể điều vị trí theo góc X,Y,Z và góc nghiêng
• Mẫu có thể được phủ một lớp dẫn điện mỏng bằng vàng hoặc carbon nếu mẫu không dẫn điện
• Có hệ thống chân không để tránh tán xạ điện tử do không khí

Hệ thống đầu dò tín hiệu (Detector)

• Máy dò điện tử thứ cấp: chụp ảnh điện tử thứ cấp và cung cấp thông tin trên bề mặt mẫu vật.
• Máy dò điện tử tán xạ ngược: được lắp bên dưới vật kính và cung cấp thông tin sâu bên trong mẫu.
• Máy dò tia X: Cho biết nguyên tố có trong mẫu dựa trên phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX)

Ưu điểm của kính hiển vi điện tử quét

Kính hiển vi điện tử  (SEM) có nhiều ưu điểm vượt trội so với kính hiển vi quang học, đặc biệt trong việc quan sát chi tiết bề mặt mẫu ở cấp độ nano.

• Độ phân giải cao: SEM có độ phân giải tốt hơn kính hiển vi quang học, có thể đạt 1 – 10 nm, trong khi kính hiển vi quang học bị giới hạn ở khoảng 200 nm do bước sóng ánh sáng. Có thể ứng dụng để quan sát cấu trúc vi mô của vật liệu, tế bào, vi khuẩn, bề mặt vi mạch,…
• SEM có độ phóng đại từ 10x – 1.000.000x, cao hơn rất nhiều so với kính hiển vi quang học ( tối đa 2000x) có thể kiểm tra chi tiết siêu nhỏ như bề mặt kim loại, màng sinh học, vi điện tử,…
• SEM có độ sâu trường ảnh cao, giúp hình ảnh sắc nét hơn ngay cả khi bề mặt mẫu có nhiều độ cao khác nhau. Khả năng quan sát bề mặt 3D của vật liệu mà không cần cắt mẫu.
• Sử dụng tín hiệu điện tử thứ cấp (SE) SEM có thể tạo ra hình ảnh bề mặt với độ sắc nét cao, thể hiện rõ các đặc tính hình thái vi mô.
• Có thể phân tích thành phần hóa học: Khi kết hợp với phổ tán xạ tia X (EDS/EDX), kính hiển vi điện tử  có thể xác định thành phần hóa học của mẫu mà không cần xử lý phức tạp.
• Không yêu cầu mẫu quá mỏng: Khác với kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), SEM không cần mẫu cực mỏng, giúp dễ dàng quan sát vật liệu nguyên vẹn hơn.
• Hình ảnh có thể được xử lý số hóa: Hình ảnh SEM có thể được phân tích, đo đạc kích thước, tạo mô hình 3D bằng phần mềm chuyên

Để biết thêm về tính năng máy và quy trình thử nghiệm, cũng như sử dụng dịch vu đo mẫu trên kính hiển vị điện tử quét SEM, vui lòng liên hệ với chúng tôi để được hỗ trợ trực tiếp.