Kính hiển vi điện tử quét (Sacnning Electron Microscope, 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 hẹp quét trên bề mặt mẫu. Việc tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện thong qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu. Hiện nay, kính hiển vi điện tử quét (HVĐTQ) là một công cụ hữu dụng cho việc nghiên cứu ảnh vi hình thái bề mặt vật liệu.
Nguyên tắc hoạt động: Nguồn phát điện tử phát ra chùm tia điện tử có năng lượng lớn được hội tụ nhờ thấu kính hội tụ thứ nhất rồi sau đó đi qua cuộn quét. Cuộn quét có tác dụng điều khiển chùm tia điện tử qua thấu kính hội tụ thứ hai tới quét trên bề mặt mẫu cần nghiên cứu giống như sự quét hình trong vô tuyến truyền hình. Nhờ hai thấu kính hội tụ liên tiếp mà chùm điện tử hội tụ trên mẫu có kích thước rất nhỏ cỡ 5 nm.
Khi chùm tia điện tử đến đập vào bề mặt mẫu thì từ bề mặt mẫu sẽ phát ra các điện tử thứ cấp, tia X, điện tử Auger, điện tử tán xạ ngược… Các bức xạ này tương ứng với nhiều tín hiệu, mỗi tín hiệu nói lên đặc điểm nào đó của mẫu ở chỗ điện tử chiếu đến. Ví dụ số điện tử thứ cấp phát ra phụ thuộc vào độ lồi lõm bề mặt mẫu, số điện tử tán xạ ngược phát ra phụ thuộc vào nguyên tử số Z, bước sóng tia X phụ thuộc vào nguyên tố có trong vật liệu làm mẫu…
Độ phóng đại của HVĐTQ thông thường từ vài nghìn lần đến vài trăm nghìn lần, năng suất phân giải phụ thuộc vào đường kính của chùm tia điện tử tiêu tụ chiếu lên mẫu. Với súng điện tử thông thường (sợi đốt là đây vonfram
uốn hình chữ V) năng suất phân giải là 5 nm đối với kiểu ảnh điện tử thứ cấp. Như vậy chỉ thấy được những chi tiết thô trong công nghệ nano. Những HVĐTQ loại tốt có súng điện tử phát xạ trường (FEG – Field Emission Gun) kích thước chùm tia điện tử chiếu vào mẫu nhỏ hơn 0,2 nm, có thể lắp theo bộ nhiễu xạ điện tử tán xạ ngược nhờ đó quan sát được những hạt cỡ 1 nm và theo dõi được các sắp xếp nguyên tử trong các hạt nano đó.
Hình 2.3:Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử quét
Cần chú ý rằng ở HVĐTQ có dùng các thấu kính nhưng chỉ tập trung chùm điện tử thành diện nhỏ chiếu lên mẫu mà không dùng thấu kính để khuyếch đại. Với ảnh phóng đại bằng phương pháp quét, không có yêu cầu mẫu phải là dát mỏng và phẳng nên hiển vị điện tử quét cho phép quan sát bề mặt rất mấp mô, chỗ cao hay chỗ thấp cũng thấy rõ.
Kính HVĐTQ có ưu điểm nổi bật là mẫu phân tích có thể đưa trực tiếp vào thiết bị mà không cần phải phá hủy.Điều đó đảm bảo giữ nguyên trạng của
mẫu.Một ưu điểm nữa là kính HVĐTQ có thể hoạt động ở chân không thấp. Tuy chỉ là công cụ nghiên cứu bề mặt (nghiên cứu lớp bên ngoài của vật) và độ phân giảibị hạn chế bởi khả năng hội tụ chùm tia điện tử nhưng với ưu thế dễ sử dụng và giá thành thấp hơn nhiều so với TEM nên SEM được sử dụng phổ biến hơn.
Ảnh SEM của mẫu bột Y2O3:2% Ho3+được ghi trên hệ đo Hitachi S-4800 tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung Ương.