
Тингтинг Z
Mar 4, 2023
В области материаловедения крайне важно понимать микроструктурные и морфологические особенности материалов. Микроскопия сыграла значительную роль в этом отношении, и с развитием технологий были разработаны различные типы микроскопов. Среди них наиболее широко используются сканирующая электронная микроскопия (СЭМ), просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) и сканирующая электронная микроскопия с полевой эмиссией (FESEM). Хотя эти методы имеют сходство, они различаются по принципам работы, разрешению и требованиям к подготовке образцов. Целью данной статьи является предоставление всестороннего обзора этих методов, их принципов и их применения.
В чем разница между SEM, TEM, FESEM?
В области материаловедения крайне важно понимать микроструктурные и морфологические особенности материалов. Микроскопия сыграла значительную роль в этом отношении, и с развитием технологий были разработаны различные типы микроскопов. Среди них наиболее широко используются сканирующая электронная микроскопия (СЭМ), просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) и сканирующая электронная микроскопия с полевой эмиссией (FESEM). Хотя эти методы имеют сходство, они различаются по принципам работы, разрешению и требованиям к подготовке образцов. Целью данной статьи является предоставление всестороннего обзора этих методов, их принципов и их применения.
Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ)
Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) — широко используемый метод визуализации поверхности материалов. СЭМ работает путем сканирования сфокусированного электронного пучка по поверхности образца и обнаружения вторичных электронов, испускаемых образцом. Вторичные электроны обнаруживаются детектором, который преобразует сигнал в изображение. СЭМ — это неразрушающий метод визуализации, который может обеспечить получение изображений высокого разрешения поверхности широкого спектра материалов, включая металлы, керамику, полимеры и биологические материалы.
SEM работает в условиях высокого вакуума, и образцы должны быть проводящими или покрытыми проводящим материалом, таким как золото или углерод. Электронный луч, используемый в SEM, имеет высокую энергию, обычно от 5 до 30 кэВ, что позволяет глубже проникать в образец. Разрешение SEM зависит от нескольких факторов, включая энергию электронного луча, размер электронного пятна и расстояние между образцом и детектором. Типичное разрешение SEM находится в диапазоне от нескольких нанометров до десятков нанометров.
Изображения, полученные с помощью СЭМ, могут предоставить информацию о морфологии поверхности, топографии и составе образца. Помимо визуализации, СЭМ также может использоваться для элементного анализа с использованием энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (ЭДС) или дисперсионной рентгеновской спектроскопии по длине волны (ДСВ). ЭДС и ДСВ — это методы, используемые для определения элементного состава образца путем измерения рентгеновских лучей, испускаемых при бомбардировке образца высокоэнергетическим электронным пучком.
Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ)
Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) — это мощный метод визуализации микроструктуры материалов с высоким разрешением. ПЭМ работает путем пропускания сфокусированного электронного пучка через тонкий образец и обнаружения электронов, проходящих через образец. Электроны, проходящие через образец, фокусируются на флуоресцентном экране или детекторе, который создает изображение.
TEM работает в условиях высокого вакуума, и образцы должны быть достаточно тонкими, чтобы электроны могли проходить через них. Подготовка образцов для TEM требует истончения образца до толщины в несколько нанометров с использованием таких методов, как ионное травление, химическое травление или механическая полировка. TEM может обеспечить получение изображений микроструктуры широкого спектра материалов с высоким разрешением, включая металлы, керамику, полимеры и биологические материалы.
Разрешение TEM определяется длиной волны электронов, используемых в пучке. Длина волны электронов намного короче, чем длина волны видимого света, что позволяет получать изображения с гораздо более высоким разрешением. Типичное разрешение TEM находится в диапазоне от нескольких десятых долей нанометра до нескольких нанометров.
Изображения, полученные с помощью ПЭМ, могут предоставить информацию о микроструктуре, кристаллической структуре и дефектах образца. Помимо визуализации, ПЭМ также может использоваться для элементного анализа с использованием энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (ЭДС) или спектроскопии потери энергии электронами (ЭПЭЛС). ЭДС и ЭПЭЛС — это методы, используемые для определения элементного состава образца путем измерения рентгеновских лучей или электронов, испускаемых при бомбардировке образца высокоэнергетическим электронным пучком.
Автоэмиссионная сканирующая электронная микроскопия (FESEM)
Сканирующая электронная микроскопия с полевой эмиссией (FESEM) — это тип SEM, который обеспечивает более высокое разрешение изображения, чем обычный SEM. FESEM работает, фокусируя электронный луч на небольшой площади поверхности образца и обнаруживая вторичные электроны, испускаемые образцом. Вторичные электроны обнаруживаются детектором, который преобразует сигнал в изображение. FESEM работает в условиях высокого вакуума, и образцы должны быть проводящими или покрытыми проводящим материалом, таким как золото или углерод.
FESEM использует источник электронов с полевой эмиссией, который производит высокоинтенсивный электронный пучок с очень малым размером электронного пятна. Это позволяет получать изображения с более высоким разрешением, чем обычный SEM. Типичное разрешение FESEM находится в диапазоне от нескольких нанометров до десятков нанометров.
Изображения, полученные с помощью FESEM, могут предоставить информацию о морфологии поверхности, топографии и составе образца. Помимо визуализации, FESEM также может использоваться для элементного анализа с использованием энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS) или дисперсионной рентгеновской спектроскопии по длине волны (WDS), аналогичной SEM.
Различия между SEM, TEM и FESEM
Хотя SEM, TEM и FESEM имеют некоторые сходства, они различаются по принципам работы, разрешению и требованиям к подготовке образцов. SEM обеспечивает получение изображений с высоким разрешением поверхности широкого спектра материалов, в то время как TEM обеспечивает получение изображений с высоким разрешением микроструктуры материалов. FESEM обеспечивает получение изображений с более высоким разрешением, чем обычный SEM, но по-прежнему фокусируется на получении изображений поверхности, а не микроструктуры. Разрешение SEM и FESEM обычно находится в диапазоне от нескольких нанометров до десятков нанометров, в то время как TEM обеспечивает получение изображений с более высоким разрешением в диапазоне от нескольких десятых долей нанометра до нескольких нанометров.
Требования к подготовке образцов также различаются в зависимости от методики. Для SEM и FESEM требуются проводящие или покрытые образцы, в то время как для TEM требуются тонкие образцы, пропускающие электроны. Подготовка образцов для SEM и FESEM обычно занимает меньше времени, чем для TEM, которая требует более тщательной подготовки образцов, например, истончения образца до толщины в несколько нанометров.
Применение SEM, TEM и FESEM
Приложения SEM, TEM и FESEM широко распространены и разнообразны, охватывая широкий спектр областей, включая материаловедение, биологию, химию и физику. SEM обычно используется для визуализации поверхности материалов, включая металлы, керамику, полимеры и биологические материалы. Он также используется для элементного анализа с использованием EDS или WDS. SEM используется в различных областях, включая металлургию, полупроводниковую промышленность и судебную экспертизу.
TEM используется для получения изображений микроструктуры материалов с высоким разрешением, включая металлы, керамику, полимеры и биологические материалы. Он также используется для элементного анализа с использованием EDS или EELS. TEM широко используется в материаловедении, физике конденсированных сред и биологии.
FESEM используется для получения изображений поверхности материалов с высоким разрешением, включая металлы, керамику, полимеры и биологические материалы. Он также используется для элементного анализа с использованием EDS или WDS. FESEM обычно используется в материаловедении, полупроводниковой промышленности и нанотехнологиях.
Заключение
В заключение, SEM, TEM и FESEM являются мощными методами визуализации микроструктуры и морфологии материалов. Каждый метод имеет свои преимущества и ограничения, а выбор метода зависит от конкретного применения и требуемой информации. С развитием технологий эти методы продолжают развиваться, обеспечивая еще более высокое разрешение изображений и более продвинутые аналитические возможности.