BAI TIEU LUAN NHOM 1(SEM)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐỀ TÀI: HIỂN VI ĐIỆN TỬ QUÉT (SEM) TIỂU LUẬN MƠN HỌC CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VẬT LIỆU Tên sinh viên : Nguyễn Thị Vân Anh Nguyễn Thị Thanh Kiều Bùi Thị Thùy Linh Nguyễn Thị Hồng Thủy Lớp : Đại học hóa học LTCQ (DLB16HH201) Mơn : Các phương pháp phân tích vật liệu Tháng 2/2018 MỤC LỤC Kính hiển vi điện tử quét SEM 1.1 Giới Thiệu 1.2 Lịch sử kính hiển vi điện tử quét 1.3 Nguyên lý hoạt động tạo ảnh SEM 1.4 Ưu điểm kính hiển vi điện tử quét 11 Những cải tiến SEM 13 2.1 Quang khắc chùm điện tử (Electron beam lithography) 13 2.2 Hệ chùm ion hội tụ (Focused ion beam) 14 Kết luận 14 TÀI LIỆU THAM KHẢO 16 i DANH MỤC HÌNH Hình Hình ảnh tổng quan kính hiển vi điện tử quét (SEM) Hình Ảnh chụp mẫu tảo cát kính hiển vi điện tử quét Hình Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử quét Hình Thiết bị kính hiển vi điện tử quét Jeol 5410 LV Trung tâm Khoa học Vật liệu, Đại học Quốc gia Hà Nội Hình Phát xạ tín hiệu điện tử thứ cấp (SE) điện tử tán xạ ngược (BSE) từ bề mặt mẫu .7 Hình Đặc tính tín hiệu điện tử thứ cấp (SE) điện tử tán xạ ngược (BSE) Hình Mẫu hạt BaCO3 TiO2 với gia tốc: 3.0 kV độ phóng đại: 50 nghìn lần Hình Một số hình ảnh chụp SEM: Đầu kiến & Tóc 11 ii Nhóm Tiểu luận: Hiển vi điện tử quét SEM Kính hiển vi điện tử quét SEM 1.1 Giới Thiệu Kính hiển vi điện tử quét (tiếng Anh: Scanning Electron Microscope, thường viết tắt SEM), loại kính hiển vi điện tử tạo ảnh với độ phân giải cao bề mặt mẫu vật cách sử dụng chùm điện tử (chùm electron) hẹp quét bề mặt mẫu Việc tạo ảnh mẫu vật thực thông qua việc ghi nhận phân tích xạ phát từ tương tác chùm điện tử với bề mặt mẫu vật Có nghĩa SEM nằm nhóm thiết bị phân tích vi cấu trúc vật rắn chùm điện tử SEM loại kính hiển vi điện tử sử dụng kỹ thuật quét chùm tia điện tử hội tụ bề mặt mẫu vật để tạo hình ảnh Các tín điện tử tương tác với bề mặt mẫu, sản sinh tín hiệu khác nhau, tín hiệu cung cấp thơng tin sau: - Hình thái bề mặt - Cấu trúc thành phần - Cấu trúc tinh thể Hình Hình ảnh tổng quan kính hiển vi điện tử quét (SEM) Nhóm Tiểu luận: Hiển vi điện tử quét SEM SEM sử dụng công cụ phục vụ cho công tác nghiên cứu, phát triển quản lý chất lượng nhiều lĩnh vực khác Hình Ảnh chụp mẫu tảo cát kính hiển vi điện tử quét 1.2 Lịch sử kính hiển vi điện tử quét Kính hiển vi điện tử quét lần phát triển Zworykin vào năm 1942 thiết bị gồm súng phóng điện tử theo chiều từ lên, ba thấu kính tĩnh điện hệ thống cuộn quét điện từ đặt thấu kính thứ hai thứ ba, ghi nhận chùm điện tử thứ cấp ống nhân quang điện Nhóm Tiểu luận: Hiển vi điện tử qt SEM Hình Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử quét Năm 1948, C W Oatley Đại học Cambridge (Vương quốc Anh) phát triển kính hiển vi điện tử qt mơ hình cơng bố luận án tiến sĩ D McMullan với chùm điện tử hẹp có độ phân giải đến 500 Angstrom Trên thực tế, kính hiển vi điện tử quét thương phẩm sản xuất vào năm 1965 Cambridge Scientific Instruments Mark I 1.3 Nguyên lý hoạt động tạo ảnh SEM Cấu tạo SEM gồm cột kính (súng điện tử, tụ kính, vật kính), buồng mẫu đầu dò tín hiệu điện tử Cột kính có chân khơng cao, áp suất 10-5-10-6 Torr SEM thông thường 10-8-10-9 Torr SEM có độ phân giải cao (FESEM) Buồng mẫu nằm hai chế độ chân khơng cao thấp Hệ thống bơm chân không, hệ thống điện, điện tử, hệ thống điều khiển xử lý tín hiệu phận đảm bảo cho làm việc liên tục SEM Nhóm Tiểu luận: Hiển vi điện tử quét SEM Kính hiển vi điện tử quét thiết bị có khả quan sát bề mặt mẫu vật, bao gồm: súng điện tử, tụ kính, buồng tiêu bản, hệ thống đầu dò điện tử, hệ thống khuếch đại - máy tính hình để quan sát ảnh Chùm điện tử xuất phát từ súng điện tử qua tụ kính, vật kính, sau chùm tia hội tụ qt toàn bề mặt mẫu, tương tác chùm điện tử tới với bề mặt mẫu tạo tia khác (điện tử thứ cấp, điện tử tán xạ ngược, điện tử Auger, tia huỳnh quang catot, tia X đặc trưng ) Hình ảnh hiển vi điện tử quét phản ảnh lại điện tử thứ cấp điện tử tán xạ ngược thu nhờ đầu dò gắn bên sườn kính Tia X đặc trưng có khả phản ánh thành phần nguyên tố mẫu phân tích nhờ phân tích phổ tán sắc lượng tia X (EDS – Energy Dispersive X- ray Spectroscopy) Đặc trưng SEM thơng số: độ phóng đại M, độ phân giải d điện áp gia tốc U Việc phát chùm điện tử SEM giống việc tạo chùm điện tử kính hiển vi điện tử truyền qua, tức điện tử phát từ súng phóng điện tử (có thể phát xạ nhiệt, hay phát xạ trường ), sau tăng tốc Tuy nhiên, tăng tốc SEM thường từ kV đến 50 kV hạn chế thấu kính từ, việc hội tụ chùm điện tử có bước sóng q nhỏ vào điểm kích thước nhỏ khó khăn Điện tử phát ra, tăng tốc hội tụ thành chùm điện tử hẹp (cỡ vài trăm Angstrong đến vài nanomet) nhờ hệ thống thấu kính từ, sau qt bề mặt mẫu nhờ cuộn quét tĩnh điện Độ phân giải SEM xác định từ kích thước chùm điện tử hội tụ, mà kích thước chùm điện tử bị hạn chế quang sai, mà SEM đạt độ phân giải tốt TEM Ngồi ra, độ phân giải SEM phụ thuộc vào tương tác vật liệu bề mặt mẫu vật điện tử Khi điện tử tương tác với bề mặt mẫu vật, có xạ phát ra, tạo ảnh SEM phép phân tích thực thơng qua việc phân tích xạ Các xạ chủ yếu gồm: Nhóm Tiểu luận: Hiển vi điện tử quét SEM • Điện tử thứ cấp (Secondary electrons): Đây chế độ ghi ảnh thơng dụng kính hiển vi điện tử quét, chùm điện tử thứ cấp có lượng thấp (thường nhỏ 50 eV) ghi nhận ống nhân quang nhấp nháy Vì chúng có lượng thấp nên chủ yếu điện tử phát từ bề mặt mẫu với độ sâu vài nanomet, chúng tạo ảnh hai chiều bề mặt mẫu • Điện tử tán xạ ngược (Backscattered electrons): Điện tử tán xạ ngược chùm điện tử ban đầu tương tác với bề mặt mẫu bị bật ngược trở lại, chúng thường có lượng cao Sự tán xạ phụ thuộc nhiều vào vào thành phần hóa học bề mặt mẫu, ảnh điện tử tán xạ ngược hữu ích cho phân tích độ tương phản thành phần hóa học Ngồi ra, điện tử tán xạ ngược dùng để ghi nhận ảnh nhiễu xạ điện tử tán xạ ngược, giúp cho việc phân tích cấu trúc tinh thể (chế độ phân cực điện tử) Ngoài ra, điện tử tán xạ ngược phụ thuộc vào liên kết điện bề mặt mẫu nên đem lại thông tin đômen sắt điện • Huỳnh quang catốt (Cathodoluminesence): Là ánh sáng phát tương tác chùm điện tử với bề mặt mẫu Phép phân tích phổ biến hữu ích cho việc phân tích tính chất quang, điện vật liệu Nhóm Tiểu luận: Hiển vi điện tử quét SEM Hình Thiết bị kính hiển vi điện tử quét Jeol 5410 LV Trung tâm Khoa họcVật liệu, Đại học Quốc gia Hà Nội • Phân tích phổ tia X (X-ray microanalysis): Tương tác điện tử với vật chất sản sinh phổ tia X đặc trưng, hữu ích cho phân tích thành phần hóa học vật liệu Các phép phân tích phổ tán sắc lượng tia X (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy - EDXS) hay phổ tán sắc bước sóng tia X (Wavelength Dispersive X-ray Spectroscopy - WDXS) Một số kính hiển vi điện tử qt hoạt động chân khơng siêu cao phân tích phổ điện tử Auger, hữu ích cho phân tích tinh tế bề mặt • SEMPA (Kính hiển vi điện tử qt có phân tích phân cực, tiếng Anh: ScanningElectron Microscopy with Polarisation Analysis) chế độ ghi ảnh SEM mà đó, điện tử thứ cấp phát từ mẫu ghi nhận nhờ detector đặc biệt tách điện tử phân cực spin từ mẫu, cho phép chụp lại ảnh cấu trúc từ mẫu Nhóm Tiểu luận: Hiển vi điện tử quét SEM Nguyên lý kính hiển vi điện tử quét (SEM) ✓ Tín hiệu sinh từ bề mặt mẫu Khi chiếu xạ xuống bề mặt mẫu chùm tia điện tử sinh tín hiệu điện tử thứ cấp (SE), điện tử tán xạ ngược (BSE) tín hiệu khác Kính hiển vi điện tử quét (SEM) chủ yếu sử dụng tín hiệu SE BSE để tạo nên hình ảnh Hình Phát xạ tín hiệu điện tử thứ cấp (SE) điện tử tán xạ ngược (BSE) từ bề mặt mẫu Hình Đặc tính tín hiệu điện tử thứ cấp (SE) điện tử tán xạ ngược (BSE) Nhóm Tiểu luận: Hiển vi điện tử quét SEM Hình Mẫu hạt BaCO3 TiO2 với gia tốc: 3.0 kV độ phóng đại: 50 nghìn lần ✓ Lợi ích gia tốc thấp (low kV) Thu tông tin rõ ràng cấu trúc bề mặt mẫu vật kỹ thuật sử dụng gia tốc thấp Nhóm Tiểu luận: Hiển vi điện tử quét SEM ✓ Sự khác biệt tán xạ điện tử bề mặt mẫu ✓ Thế gia tốc – Yếu tố để chụp ảnh chất lượng cao Nhóm Tiểu luận: Hiển vi điện tử quét SEM Cấu trúc quy trình vận hành kính hiển vi điện tử quét (SEM) ● Chùm tia điện tử phát gia tốc nguồn phát điện tử ● Thấu kính hội tụ điều khiển dòng đầu dò góc phát xạ ● Vật kính hội tụ chùm tia bề mặt mẫu ● Đầu dò có chức thu tín hiệu điện tử phát xạ Do vị trí phát xạ dịch chuyển điều hướng nên mức độ phân bố cường độ phát xạ điện tử thu tạo hình ảnh Các loại nguồn phát điện tử 10 Nhóm Tiểu luận: Hiển vi điện tử quét SEM Các loại thấu kính 1.4 Ưu điểm kính hiển vi điện tử quét ❖ Ưu điểm Mặc dù có độ phân giải tốt kính hiển vi điện tử truyền qua kính hiển vi điện tử quét lại có điểm mạnh phân tích mà khơng cần phá hủy mẫu vật hoạt động chân không thấp Một điểm mạnh khác SEM thao tác điều khiển đơn giản nhiều so với TEM khiến cho dễ sử dụng Một điều khác giá thành SEM thấp nhiều so với TEM, SEM phổ biến nhiều so với TEM Với ảnh phóng đại phương pháp quét, không yêu cầu mẫu phải lát mỏng phẳng nên hiển vi điện tử quét quan sát mặt mấp mô, chỗ cao thấy rõ chỗ thấp thấy rõ SEM hoạt động nguyên tắc dùng chùm điện tử hẹp chiếu quét bề mặt mẫu, điện tử tương tác với bề mặt mẫu đo phát xạ thứ cấp (điện tử thứ cấp điện tử tán xạ ngược ) từ việc thu xạ thứ cấp này, ta thu hình ảnh vi cấu trúc bề mặt mẫu Có thể hiểu việc cách đơn giản dùng đèn soi lên mặt vật nhìn ánh sáng phản xạ để biết hình thù 11 Nhóm Tiểu luận: Hiển vi điện tử qt SEM Độ phóng đại SEM khơng nằm thấu kính mà nằm kích thước chùm điện tử khả quét chùm điện tử (chùm điện tử hẹp, bước quét bé độ phóng đại lớn) SEM hoạt động khơng đòi hỏi mơi trường chân khơng q cao (do động điện tử SEM không lớn TEM) Do quan sát vi cấu trúc bề mặt nên SEM quan sát trực tiếp mà không cần phá hủy hay xử lý mẫu (điều đặc biệt có ý nghĩa cho việc quan sát linh kiện, máy móc nhỏ hay mẫu sinh học ) Hình Một số hình ảnh chụp SEM: Đầu kiến & Tóc Ngồi ra, hình ảnh SEM nhuộm màu nhân tạo Màu thực tay với phần mềm chỉnh sửa ảnh, bán tự động với phần mềm chuyên dụng sử dụng tính phát phân khúc đối tượng Các hình ảnh màu nhân tạo làm cho hình ảnh dễ dàng cho người khơng chun môn để xem hiểu cấu trúc bề mặt tiết lộ hiển vi ❖ Hạn chế SEM  Độ phân giải chưa tốt  Khả giải ảnh không tốt TEM  SEM chụp mẫu dẫn điện  SEM hiển thị hình ảnh vi cấu trúc bề mặt 12 Nhóm Tiểu luận: Hiển vi điện tử quét SEM Những cải tiến SEM Ở SEM, bạn có phép phân tích hóa học tương tự TEM, phép phân tích phổ tán sắc lượng tia X (EDX) EDX SEM có khả làm chức “mapping”, tức vẽ phân bố ngun tố hóa học (thâm chí thao tác làm đơn giản TEM), điều tất nhiên mà bạn nhớ “resolution” TEM nhiều SEM khơng có phép phân tích EELS SEM khơng ghi nhận điện tử tán xạ không đàn hồi Nhưng điều không đáng nói số tính “mạnh” khác mà ta làm từ SEM kèm với cải tiến 2.1 Quang khắc chùm điện tử (Electron beam lithography) Quang khắc chùm điện tử phương pháp “chạm khắc” để tạo chi tiết có hình dạng kích thước nhỏ, ví dụ linh kiện điện tử… Để làm thế, người ta dùng chất cản quang (photoresist) phủ lên màng mỏng, sau sử dụng SEM để quét chùm điện tử, “vẽ” lên bề mặt cản quang hình ảnh mẫu (gọi pattern), giống việc tạo hình TV Vùng bị quét chùm điện tử cản quang bị thay đổi tính chất hóa học, có nghĩa bị rửa trơi (cản quang dương), trơ khơng bị rửa trơi (thì vùng không bị chiếu xạ bị rửa trôi) Cản quang lại (mang hình ảnh chi tiết) đóng vai trò “mặt nạ” để bảo vệ chi tiết cần tạo q trình ăn mòn Trên thực tế, công nghiệp bán dẫn chưa dùng đến kỹ thuật EBL, mà dùng đến quang khắc ánh sáng (photolithography) Ánh sáng dùng chiếu vào cản quang để gây biến đổi, hình ảnh chi tiết tạo nhờ mặt nạ Nhưng kỹ thuật photolithography cho phép tạo chi tiết cực lớn (tới cỡ ngàn nanomet) giới hạn nhiễu xạ ánh sáng khả kiến Việc dùng điện tử thay cho ánh sáng cho phép tạo độ phân giải cực lớn tới vài nanomet (phổ biến hệ EBL cơng nghiệp có độ phân giải khoảng 20-50 nm, số hệ “cực xịn” cho phân giải tới nm), cho phép nhảy vọt công nghệ vật liệu EBL đắt tiền photolithography nhiều, lâu 13 Nhóm Tiểu luận: Hiển vi điện tử quét SEM hơn, lại có độ xác cực cao, không cần tạo mặt nạ Các hệ EBL công nghiệp chưa phổ biến rộng rãi, hệ EBL tạo từ SEM 2.2 Hệ chùm ion hội tụ (Focused ion beam) FIB hệ “chạm khắc” trực tiếp để tạo chi tiết kiểu lithography, đây, không cần dùng cản quang mà dùng chùm ion kim loại lượng cao bắn phá màng mỏng vật liệu Ở hệ FIB, người ta dùng cột: cột ion (thường dùng Ga) cột điện tử Ion Ga điều khiển hội tụ quét màng mỏng vật liệu để bắn phá chi tiết không cần giữ Cột điện tử SEM để quan sát trực tiếp trình Ngồi ra, FIB sử dụng cột phún xạ kim loại phép lắng đọng số kim loại theo hình dạng định trước Như ví dụ clip mơ tả việc tạo nanopillar đơn giản FIB Kết luận Kính hiển vi điện tử quét truyền qua loại kính hiển vi điện tử có khả kết hợp hai tính quét truyền qua, tức có khả vừa phản ánh cầu trúc bên mẫu đồng thời phản ánh bề mặt, thành phần mẫu vật Tuy nhiên, loại kính thường dùng nguồn điện tử nguồn phát xạ trường (field emission gun), chân không tồn cột kính phải cao cỡ 10-9 – 10-10 Torr Loại kính sử dụng chủ yếu nghiên cứu vật liệu, sử dụng tiêu sinh vật Rõ ràng mặt tạo ảnh, SEM thua xa TEM khả phân giải, ta thấy SEM có nhiều mạnh mà TEM khơng thể có Kể từ “cỗ máy” SEM thương phẩm xuất vào năm 1964, SEM trở thành công cụ hiệu để khảo sát tính chất bề mặt vật liệu khoa học vật lý khoa học sống SEM trở nên phổ biến ngành cơng nghiệp bán dẫn mà chúng sử dụng để tạo (các thiết bị khắc chùm điện tử) khảo sát vi cấu trúc cấu kiện cực nhỏ, 14 Nhóm Tiểu luận: Hiển vi điện tử quét SEM trở thành thiết bị then chốt công việc mang tính chất “khẩn cấp” cơng nghệ nano Có thể nói “Kính hiển vi điện tử qt tiến tới thách thức kỷ” Với điều kiện sở vật chất, kinh tế trình độ nhân lực Việt Nam việc trang bị rộng rãi thiết bị hoàn toàn khả thi tầm kiểm sốt Ở nước ta, kính hiển vi điện tử thiết bị q hiếm, đắt tiền, có đơn vị trang bị đồng kính hiển vi điện tử, thiết bị chuẩn bị mẫu người có kỹ vận hành khai thác tính kính Do vậy, số đơn vị trang bị kính không khai thác khai thác bị hạn chế, gây tình trạng lãng phí lớn thiết bị Hiển vi điện tử phương pháp nghiên cứu tương đối phức tạp có nhiều kỹ thuật khác nhau, tùy thuộc vào đối tượng mục đích nghiên cứu, thiết bị phụ trợ hóa chất chun dụng Vì vậy, người sử dụng kính hiển vi điện tử nghiên cứu y sinh phải am hiểu siêu cấu trúc tế bào, sinh hóa, vi sinh, miễn dịch, kiến thức chuyên ngành mà cần phải hiểu kỹ thuật chuẩn bị mẫu, khai thác thơng tin từ hình ảnh kiến thức định vật lý, hóa học Mỗi người cần nghiên cứu phương pháp hiển vi điện tử phải biết điều kiện cần chuẩn bị mẫu, chế độ quan sát kính, thông tin cần khai thác Sau nhận hình ảnh hiển vi điện tử phải biết cách xử lý để làm bật mục đích nghiên cứu 15 Nhóm Tiểu luận: Hiển vi điện tử quét SEM TÀI LIỆU THAM KHẢO https://vi.wikipedia.org/wiki/K%C3%ADnh_hi%E1%BB%83n_vi_%C4 %91i%E1%BB%87n_t%E1%BB%AD#cite_note-1 Nanophotonics- Paras N Prasas http://www.impe-qn.org.vn/impeqn/vn/portal/InfoDetail.jsp?area=58&cat=1064&ID=2074 16