Kính hiển vi điện tử quét

Đầu thế kỷ XX, con người đã đi sâu vào tự nhiên ngoài tầm quan sát được. Lovenhuc là người đột phá, ông đã ghép hai thấu kính lại với nhau để tạo thành chiếc kính hiển vi đầu tiên, giúp khám phá ra vi trùng. Sau gần 100 năm, kính hiển vi quang học ban đầu có độ phóng đại 100 lần, ngày nay đã phóng đại được 1000 lần và lý thuyết về kính hiển vi quang học cho biết mức độ phóng đại đã đạt đến giới hạn tối đa. Bên cạnh đó, công nghệ nano là một bước tiến bộ vượt bậc trong lịch sử khoa học của nhân loại. Công nghệ tiên tiến này đã góp phần mở ra những cơ hội mới thúc đẩy sự phát triển của nhiều lĩnh vực khác nhau trong đời sống từ y học, hóa học, bảo vệ môi trường đến sự phát triển về kinh tế và xa hơn là nâng cao chất lượng cuộc sống con người. Để nghiên cứu cấu trúc của các vật liệu có kích thước hiển vi phải có những phương pháp và công cụ hiện đại như TG, TGA, XRD, SEM, TEM, STM... mới đáp ứng về khoa học kỹ thuật. Nghiên cứu bề mặt vật liệu bằng hình ảnh từ kính hiển vi điện tử quét (SEM) tỏ ra rất hiệu quả và tiết kiệm chi phí. Mức độ phóng đại của kính hiển vi điện tử quét có thể lên đến vài trăm ngàn đến một triệu lần.

MỤC LỤC

Mở đầu 1

1 Lịch sử về kính hiển vi điện tử quét 1

2 Sự tương tác của điện tử phóng trong kính hiển vi điện tử quét và mẫu 2

3 Cấu tạo của kính hiển vi điện tử quét 5

3.1 Súng phóng điện 6

3.2 Hệ thống các thấu kính từ 9

3.3 Hệ thống chân không 12

4 Nguyên lý hoạt động của kính hiển vi điện tử quét 17

5 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng ảnh SEM 18

5.1 Nguồn điện tử 18

5.2 Độ sâu trường 18

5.3 Độ phân giải 18

5.4 Ảnh hưởng của kích thước khe vật kính lên độ phân giải và độ sâu trường: 19

5.5 Ảnh hưởng của khoảng cách giữa vật kính và mẫu (Working distance - WD) lên độ phân giải và độ sâu trường: 19

6 Ưu điểm của kính hiển vi điện tử quét 20

7 Kết luận 21

Tài liệu tham khảo 21

Mở đầu

Đầu thế kỷ XX, con người đã đi sâu vào tự nhiên ngoài tầm quan sát được.Lovenhuc là người đột phá, ông đã ghép hai thấu kính lại với nhau để tạo thành chiếckính hiển vi đầu tiên, giúp khám phá ra vi trùng Sau gần 100 năm, kính hiển vi quanghọc ban đầu có độ phóng đại 100 lần, ngày nay đã phóng đại được 1000 lần và lýthuyết về kính hiển vi quang học cho biết mức độ phóng đại đã đạt đến giới hạn tối đa

Bên cạnh đó, công nghệ nano là một bước tiến bộ vượt bậc trong lịch sử khoahọc của nhân loại Công nghệ tiên tiến này đã góp phần mở ra những cơ hội mới thúcđẩy sự phát triển của nhiều lĩnh vực khác nhau trong đời sống từ y học, hóa học, bảo

vệ môi trường đến sự phát triển về kinh tế và xa hơn là nâng cao chất lượng cuộc sốngcon người Để nghiên cứu cấu trúc của các vật liệu có kích thước hiển vi phải cónhững phương pháp và công cụ hiện đại như TG, TGA, XRD, SEM, TEM, STM mới đáp ứng về khoa học kỹ thuật Nghiên cứu bề mặt vật liệu bằng hình ảnh từ kínhhiển vi điện tử quét (SEM) tỏ ra rất hiệu quả và tiết kiệm chi phí Mức độ phóng đạicủa kính hiển vi điện tử quét có thể lên đến vài trăm ngàn đến một triệu lần

1 Lịch sử về kính hiển vi điện tử quét

Kính hiển vi điện tử quét (tiếng Anh: Scanning Electron Microscope, thường viết tắt là SEM), là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao

của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm điện tử (chùm các electron) hẹp quéttrên bề mặt mẫu Việc tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện thông qua việc ghi nhận vàphân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật Năm

1926, Ruska nhà khoa học Đức đã chế tạo ra kính hiển vi điện tử quét hoạt động trênnguyên tắc quét điện tử trên bề mặt mẫu, thu tín hiệu và phóng đại trên màn hình ốngtia điện tử như ở màn hình tivi Sau đó được phát triển bởi Zworykin vào năm 1942 làmột thiết bị gồm một súng phóng điện tử theo chiều từ dưới lên, ba thấu kính tĩnh điện

và hệ thống các cuộn quét điện từ đặt giữa thấu kính thứ hai và thứ ba, và ghi nhậnchùm điện tử thứ cấp bằng một ống nhân quang điện

Hình 1.1 Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử quét.

Năm 1948, C W Oatley ở Đại học Cambridge (nước Anh) đã phát triển kínhhiển vi điện tử quét trên mô hình này và công bố trong luận án tiến sĩ của D.McMullan với chùm điện tử hẹp có độ phân giải đến 500 Angstrom Trên thực tế, kínhhiển vi điện tử quét thương phẩm đầu tiên được sản xuất vào năm 1965 bởi CambridgeScientific Instruments Mark I

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) ra đời và nhanh tróng trở nên phổ biến hơnTEM do: rẻ tiền hơn nhiều, không phải xử lý mẫu phức tạp như TEM, không đòi hỏichân không cao, không phá hủy mẫu Nhưng chất lượng không cao như TEM

Độ phân giải của siêu kính hiển vi điện tử quét là khá cao Nó có thể chi tiết ởkích thước 1,5-3 nm

2 Sự tương tác của điện tử phóng trong kính hiển vi điện tử quét và mẫu

Khi các điện tử được cung cấp lên năng lượng cao (khoảng vài trăm keV) vàđược hội tụ vào mẫu phân tích, chúng sẽ tán xạ, hoặc tán xạ ngược (đàn hồi hoặckhông đàn hồi) sẽ tạo ra nhiều loại tương tác làm nguồn cho nhiều loại tín hiệu như X-ray, điện tử Auger, hoặc các bức xạ có bước sóng trong vùng khả kiến

Hình 2.1 Sự tương tác của điện tử và mẫu

Các loại tín hiệu bức xạ bao gồm: điện tử thứ cấp, điện tử tán xạ ngược (BSE),các đặc tính của X-ray, ánh sáng huỳnh quang catốt (cathodoluminescence), dòng dẫncủa mẫu, và các điện tử truyền qua Trong đó, điện tử thứ cấp thông dụng với đa số cácmáy SEM

Điện tử chỉ có thể truyền qua mẫu trong trường hợp mẫu đủ mỏng Chúng chính

là các điện tử tới bị tán xạ đàn hồi hoặc không đàn hồi trong khi xuyên vào mẫu vàgiảm số lượng khi tích chiều dày và khối lượng mẫu tăng Cường độ I của các điện tửtruyền qua theo chiều dày được cho bởi biểu thức:

I=I0

Trong đó: I0 là cường độ của dòng điện tử tới, là hệ số hấp thụ của mẫu, và làmật độ mẫu Cường độ của điện tử truyền qua mẫu tinh thể phụ thuộc vào định hướngcủa tinh thể, cường độ sẽ thay đổi mạnh khi điều kiện nhiễu xạ bị thay đổi

Điện tử thứ cấp: Đây là chế độ ghi ảnh thông dụng nhất của kính hiển vi điện tửquét Điện tử thứ cấp sinh ra do sự tán xạ không đàn hồi giữa các điện tử tới với cácđiện tử của mẫu gần bề mặt Chùm điện tử thứ cấp có năng lượng thấp (thường nhỏhơn 50 eV) được ghi nhận bằng ống nhân quang nhấp nháy Vì chúng có năng lượngthấp nên chủ yếu là các điện tử phát ra từ bề mặt mẫu với độ sâu chỉ vài nanomet, dovậy chúng tạo ra ảnh hai chiều của bề mặt mẫu.

Điện tử tán xạ ngược: Điện tử tán xạ ngược là chùm điện tử ban đầu khi tươngtác đàn hồi với bề mặt mẫu bị bật ngược trở lại, do đó chúng thường có năng lượngcao (lớn hơn 50 eV) bao gồm cả điện tử Auger Sự tán xạ này phụ thuộc rất nhiều vàovào số nguyên tử Z của các nguyên tố vật liệu mẫu, cũng như hình thái bề mặt mẫu.Nguyên tố mẫu có số nguyên tử Z càng cao thì khả năng tán xa ngược càng lớn, do đóhình ảnh thu được càng sáng Ảnh điện tử tán xạ ngược rất hữu ích cho phân tích về độtương phản thành phần hóa học Ngoài ra, ảnh nhiễu xạ điện tử tán xạ ngược còn giúpcho việc phân tích cấu trúc tinh thể (chế độ phân cực điện tử)

Điện tử Auger là điện tử sinh ra từ điện tử ở lớp ngoài do nhận năng lượng từquá trình chuyển điện tử từ lớp ngoài vào ô trống của lớp trong đã bị mất electron

Tia X phát ra từ mẫu: Sự tương tác giữa điện tử với vật chất có thể sản sinhphổ tia X đặc trưng, rất hữu ích cho phân tích thành phần hóa học của vật liệu Cácphép phân tích có thể là phổ tán sắc năng lượng tia X (Energy Dispersive X-raySpectroscopy - EDXS) hay phổ tán sắc bước sóng tia X (Wavelength Dispersive X-raySpectroscopy - WDXS)

Huỳnh quang catot: Là các ánh sáng phát ra do tương tác của chùm điện tử với

bề mặt mẫu Phép phân tích này rất phổ biến và rất hữu ích cho việc phân tích các tínhchất quang, điện của vật liệu

Nếu gọi dòng chùm điện tử tới là I0, dòng tán xạ ngược là IBSE, dòng điện tử thứcấp là ISE, và dòng điện truyền qua mẫu xuống đất là ISC, theo định luật dòng Kirchoff:

I0 = IBSE +ISE + ISC (2.2) Khi I0 tăng thì các dòng còn lại cũng gia tăng theo

Hiệu suất tán xạ ngược η được xem như là tỷ số giữa số điện tử tán xạ ngượcvới số điện tử tới, và được tính bằng công thức:

η = IBSE/I0 (2.3) Hiệu suất của điện tử thứ cấp được tính:

δ =ISE/I0 (2.4)Trong mẫu, các điện tử bức xạ sẽ thoát ra từ những vùng khác nhau:

Hình 2.2 Độ sâu của electron có thể thoát ra do tác động của bức xạ

3 Cấu tạo của kính hiển vi điện tử quét

Hình 3.1 Cấu tạo máy hiển vi điện tử quét

Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống thấu kính từ của kính hiển vi điện tử quét.

3.1 Súng phóng điện

Súng điện tử thường hoạt động trong khoảng từ 0 đến 30 kV, đôi khi 60 kV tùythuộc thiết bị Việc phát các chùm điện tử trong SEM cũng giống như việc tạo ra chùmđiện tử trong các thiết bị quang học điện tử khác, tức là điện tử được phát ra từ súngphóng điện tử (có thể là phát xạ nhiệt, hay phát xạ trường nóng hoặc lạnh), sau đóđược tăng tốc

Súng phát xạ nhiệt điện tử (A thermionic electron gun): Khi nung nóng một vậtliệu dẫn điện đến điểm mà các điện tử ở lớp quỹ đạo ngoài cùng có đủ năng lượng vượtqua được hàng rào thế năng và thoát ra ngoài, chùm điện tử sẽ được sinh ra Có hai loạivật liệu chính làm nguồn nhiệt là cuộn dây tungsten (W) và lanthanum hexaboride (LaB6),chúng hoạt động trong môi trường chân không cao ~10-5 và ~10-7 torr

Cuộn catot tungsten thường được sử dụng cho phát xạ nhiệt của súng phóngđiện tử do nó có giá thành rẻ Đường kính cuộn khá nhỏ khoảng 0,1 mm, và được uốn

cong thành hình chữ V Cuộn có độ nóng chảy cao và áp suất bay hơi thấp Để đảmbảo cho nguồn phóng điện tử ổn định, nhiệt độ cuộn tungsten phải đạt khoảng 30000C.Tuy nhiên cuộn dây tungsten cũng có những hạn chế là nhiệt độ hoạt động khá caokhoảng 2700 K, và phải thường xuyên thay mới do sự bay hơi.

Điện tử khi thoát ra khỏi cuộn dây sẽ có năng lượng là:

E = k.TVới k là hằng số Boltzmann (8,617398.10-5 eV/K); T là nhiệt độ của cuộn dây(2700K), Vậy năng lượng điện tử phát xạ là khoảng 0,23 eV

Lanthanum hexaboride (LaB6) hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn cuộn dâytungsten, và do đó nó có công suất phát xạ cao hơn Tuy nhiên cuộn dây LaB6 cần phải

có chân không cao hơn tungsten mới có thể hoạt động ổn định và kéo dài tuổi thọ

Một số vật liệu và thông số để làm nguồn nhiệt như sau:

Hình 3.3 Sơ đồ súng phát xạ nhiệt điện tử

Ta thấy súng phát xạ điện tử ngoài hai bộ phận chính là catot và anot, còn cóống trụ Wehnelt Công dụng chính của ống trụ Wehnelt là dồn các điện tử vào thành

“chùm” ở trung tâm Ban đầu các điện tử thoát ra theo mọi hướng khác nhau từ cuộndây catot, ống trụ Wehnelt được phân cực âm (từ -200V đến -300V) và bố trí xungquanh cuộn dây tạo ra trường tĩnh điện đẩy, tập trung các điện tử vào giữa

Thế gia tốc được chọn từ 10-1000 kV Tăng dòng chạy qua cụộn dây cho tớikhi đầu uốn cong của cuộn dây phát xạ cực đại (đạt bão hòa) Khi phát xạ điện tử, cầnphải điều chỉnh thế để chùm phát xạ điện tử càng cao càng tốt nhưng phải đảm bảo độbền của cuộn dây

Có hai yếu tố ảnh hưởng đến súng phát xạ nhiệt điện tử:

Dòng điện của cuộn dây: Dòng điện này điều khiển nhiệt độ của cuộn dây, do

đó nó tạo ra số lượng điện tử bức xạ hay dòng bức xạ Điều cần đạt được là phải tạo ramột số lượng lớn điện tử bức xạ trong một đoạn nhỏ của cuộn dây, đây chính là lúccuộn dây phát xạ bão hòa, tức là khi này dù có tiếp tục tăng dòng điện cuộn dây cũngkhông thể phát xạ thêm điện tử

Thế gia tốc: Thế gia tốc điều khiển kích thước vùng phát xạ điện tử của cuộndây, do vậy nó ảnh hưởng tới cả kích thước nguồn phát xạ và dòng phát xạ Nếu thếquá cao, sẽ không có vùng nào của cuộn dây bức xạ, thường gọi là bị “pinched off”.Mục tiêu chính của việc điều chỉnh thế là nhằm thay đổi độ sáng của chùm điện tử

Hình 3.4 Cuộn đây Wehnelt trong máy SEM JEOL-6480LV

Nguồn phát xạ trường: Gồm một điện trường mạnh (105 - 108 V/cm) đặt giữaanot và catot

Catốt T là một mũi nhọn sắc (thường làm bằng tungsten), bán kính mũi nhỏ hơn

100 nm Hiệu điện thế V1 giữa mũi T và anốt thứ 1 (FA) tạo nên một điện trường, tâptrung vào mũi nhọn để tạo thuận lợi cho việc phát xạ điện tử Hiệu điện thế V0 giữamũi dò T và anốt thứ hai (SA – được nối đất), để gia tốc các điện tử, hiệu thế này đượcgọi là thế gia tốc (accelerating voltage) Thế gia tốc càng lớn, các điện tử càng chuyểnđộng nhanh xuống hệ thống thấu kính từ, và năng lượng càng cao

Hình 3.5 Sơ đồ nguồn phát xạ trường

Gồm: mũi phát xạ T, anot thứ nhất FA, anot thứ hai SA Thế giữa mũi phát xạ T vàanot thứ nhất là ~ 3000V V0 là thế gia tốc

3.2 Hệ thống các thấu kính từ

Sau khi rời khỏi anốt, chùm điện tử bị phân kỳ nên phải dùng hệ thống các thấukính từ để hội tụ chúng thành một điểm trên bề mặt mẫu trong cột chân không (< 10-3Pa)

Trong từ trường, các điện tử chuyển động và chịu tác động bởi lực từ:

Với V là vận tốc của điện tử, B là từ trường Lực này gây cho điện tử chuyểnđộng theo hướng vuông góc với trục kính và xoắn ốc theo trục chùm như sau:

Hình 3.6 Sự chuyển động của điện tử trong thấu kính từ.

Kính hội tụ (condenser): Hoạt động giống như một thấu kính đơn Khi gia

tăng dòng qua thấu kính hội tụ, thì tiêu cự của nó giảm và sự phân kỳ tăng

Hình 3.7 Sơ đồ kính hội tụ, khe vào và khe ra của chùm điện tử

Hình 3.8 Sự thay đổi dòng điện trong thấu kính hội tụ làm cho tiêu cự của chùm điện

tử bị thay đổi

Đường kính chùm điện tử tại điểm dò phụ thuộc vào dòng của chùm điện tử(được điều chỉnh qua kính hội tụ) và vật liệu chế tạo cuộn dây phát xạ điện tử Đườngkính này có thể đạt tới ~ 6nm với nguồn phát xạ nhiệt tungsten thông thường và ~ 3

nm đối với nguồn phát xạ trường khi yêu cầu cường độ lớn

Hình 3.9 Mối liên hệ giữa đường kính chùm điện tử và dòng chùm điện tử

Tungsten có kích thước lớn nhất, phát xạ trường và LaB6 có kích thước nhỏ hơn

tử, đều sử dụng hai loại bơm là bơm cơ học (bơm quay dầu) và bơm khuếch tán

Chùm điện tử phải hoạt động trong điều kiện chân không cao vì các lý do sauđây:

- Tạo quãng đường tự do trung bình của điện tử lớn hơn chiều dài ống điện tử.Thông thường áp suất chân không thích hợp khoảng 10-4 torr (<0.1 Pa)

- Tránh phóng điện hồ quang giữa catot (cuộn dây) và anốt do thế giữa chúngrất cao Khả năng cách điện của không khí phụ thuộc vào khá lớn vào áp suất Để duytrì điện thế 20 kV giữa bộ phận Wehnelt và anot ở áp suất 10-4 torr thì khoảng cáchgiữa chúng khoảng 2 mm, nếu thế cao hơn thì chân không phải cao hơn

- Hạn chế việc va chạm giữa các điện tử trong chùm với các phân tử còn sót lạitrong buồng Vì việc va chạm có thể làm tán xạ chùm điện tử hay làm bay hơi cácphân tử hữu cơ (ví dụ như dầu chân không) làm nhiễm bẩn buồng chân không

- Bảo vệ cuộn dây catot không bị oxi hóa

- Trong chân không các tia X mềm (soft X ray như B-kα) không bị mất mát do) không bị mất mát dohấp thu khi truyền đi

Trong hầu hết các kính hiển vi điện tử đều dùng bơm quay dầu và bơm khuếchtán dầu Khi cần chân không siêu cao thì bơm phân tử turbo được thay cho bơmkhuếch tán

Bơm quay dầu hút buồng chân không tới ~ 10-3 torr, thì mở van bơm khuếchtán để hút chân không cao hơn ~ 10-6 torr

Hình 3.11 Sơ đồ hệ bơm chân không

(1) van ngăn cách súng điện tử;

(2) cửa sổ ngăn giữa máy quang phổ và buồng chân không;

(3) nút thay mẫu;

(4) bể chân không ballast tank;

(5) bơm quay dầu;

(D) bơm khuếch tán dầu

Hình 3.12 Sơ đồ hoạt động của hệ chân không

Ban đầu bơm quay dầu 1 (sơ cấp 1) hoạt động, hút khí theo đường màu xanh vàlục Khi áp suất khoảng 1 torr, cửa van mở ra cho bơm khuếch tán hoạt động, hút theođường màu đỏ, và bơm 1 đóng Bơm khuếch tán được hỗ trợ bởi bơm cơ 2 Bể chânkhông (ballast tank) dùng để chứa khí trong thời gian ngắn khi bơm 1 và 2 tắt đi

Bơm quay dầu:

Tùy theo cấu tạo, có thể chia loại bơm quay dầu thành nhiều kiểu: rotor – lá gạt,stator – lá gạt, van trượt

Bơm stator – lá gạt (bơm cơ):

Cấu tạo: Bơm gồm có một hình trụ rỗng (stator) và một hình trụ đặc (rotor) Haihình trụ này đặt lệch tâm nhau và luôn tiếp xúc nhau ở điểm F Stator có hai lỗ: lỗ hútkhí và lỗ tỏa khí Lá gạt C-D nằm dọc đường kính rotor và luôn luôn tiếp xúc vớithành (phía trong) của stator nhờ lò xo nén.

Hình 3.13 Sơ đồ bơm stator – lá gạt

Hoạt động: Khi rotor quay theo chiều kim đồng hồ thì thể tích vùng hút khí tănglên, do đó áp suất trong thể tích cần hút nối với bơm giảm

Khi lá gạt A đạt đến lỗ hút khí như hình 3.12, thì vùng khí trở thành vùngtruyền Khi lá gạt B đạt đến lỗ tỏa khí, thì vùng truyền trở thành vùng tỏa khí và khí sẽthoát ra ngoài Qúa trình được lăp lại cho đến khi các phân tử không khí trong buồngchân không bị hút gần hết