Kỹ thuật hiển vi điện tử quét cho phép quan sát và đánh giá các đặc trưng của các vật liệu trong khoảng kích thước từ nm tới µm.
Hình 2.3: Các tín hiệu nhận được từ mẫu.
Cấu tạo của một kính hiển vi điện tử quét, gồm một số bộ phận chính sau: nguồn phát điện tử, các thấu kính điện từ, cuộn quét điều khiển chùm tia điện tử lên bề mặt mẫu, buồng đặt mẫu, các đầu thu tín hiệu, hệ thống hiển thị và lưu trữ số liệu. Các điện tử phát ra từ ống phóng điện từ được gia tốc với điện thế thường dưới 30 kV qua hệ thống thấu kính điện từ thành chùm tia điện tử hội tụ lên bề mặt mẫu. Nhờ cuộn quét, chùm tia điện tử sẽ quét lên bề mặt mẫu và tương tác với các nguyên tử của mẫu. Tín hiệu phát ra từ bề mặt mẫu là điện tử thứ cấp (SE), điện tử tán xạ ngược (BSE), các tia X đặc trưng (hình 2.2). Các tia này mang một thông tin đặc trưng của mẫu nghiên cứu và được thu nhận bởi các đầu thu. Đầu thu biến đổi thành tín hiệu điện, khuếch đại và đưa vào bộ phận xử lý để hiển thị ảnh lên màn hình.
Các tín hiệu thu được từ các vùng phát xạ riêng (có thể tích khác nhau) trong mẫu và được dùng để đánh giá nhiều đặc trưng của mẫu (hình thái học bề mặt, tinh thể học, thành phần, v.v).
Hai loại tín hiệu điện tử được quan tâm nhiều nhất để tạo ảnh hiển vi điện tử quét là SE và BSE. Các điện tử thứ cấp là những điện tử thoát từ bề mặt mẫu có năng lượng thấp (thường < 50 eV). Hiệu suất phát xạ SE lớn vì một điện tử tới có thể phát ra nhiều SE. Khi điện tử có năng lượng lớn tới mẫu, chúng sẽ lần lượt tương tác với các nguyên tử trong mẫu.
Nếu các điện tử trong nguyên tử của mẫu nhận được năng lượng lớn hơn công thoát chúng sẽ phá vỡ liên kết và thoát ra ngoài. Các điện tử tán xạ ngược là những điện tử thu nhận được khi chùm điện tử đâm sâu vào mẫu trước khi quay trở lại bề mặt mẫu và tán xạ ngược.
Hình 2.4: Ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường Hitachi S-4800.
Thiết bị Hitachi S-4800 hiện có tại Viện khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (hình 2.4) là loại kính sử dụng súng điện tử phát xạ cathode trường lạnh và hệ thấu kính điện từ tiên tiến có khả năng tách riêng các tín hiệu SE đơn thuần hoặc trộn các hiệu SE và BSE với độ phân giải cao. Các đặc trưng hình thái, kích thước hạt của một số mẫu trong luận văn được khảo sát chủ yếu trên thiết bị này.