میکروسکوپ SEM جلسه 3

میکروسکوپ SEM جلسه 3Reviewed by جلالی on Sep 3Rating:

sem 3

میکروسکوپ SEM

جلسه 3
3-1- جزء سوم SEM: سیستم روبشگر


پس از اینکه یک پرتوی موازی با قطر مناسب تولید شد، نوبت به مرحله ی روبش می رسد. عملی که در این مرحله صورت می گیرد، زاویه گرفتن یا همان کج کردن پرتوی ساطع شده از لنزها است تا بدین ترتیب امکان انجام فرایند روبش سطح فراهم گردد. این روبش به صورت نقطه به نقطه انجام می شود تا یک خط روبش شکل گیرد و این فرایند خط به خط ادامه پیدا می کند.
علاوه بر امکان کج کردن پرتو در دو جهت، یک سیستم روبش باید از قابلیت های کنترلی مناسبی برخوردار باشد تا امکان پردازش نتایج حاصل از روبش پرتو امکان پذیر باشد. پردازش موفق نتایج روبش الکترونی، تنها در سایه ی نظم در روبش امکان پذیر است که خود نتیجه ی کنترل مناسب سیستم روبش بر زوایای کج شدن پرتو می باشد.
به منظور کج کردن پرتوی الکترونی از دو سیم پیچ روبشی (scan coil) استفاده می شود که هر دو با اعمال میدان های مغناطیسی عمود بر محور اپتیکی، پرتوی الکترونی را به سمت مناسب کج می کنند. اولین سیم پیچ، زاویه ی مناسب با محور اپتیکی را ایجاد می کند و دومی آن را به سمت محور اپتیکی برمی گرداند. این عمل به نحوی انجام می شود که پرتو بتواند از روزنه ی ورودی لنز نهایی وارد منطقه-ی داخلی لنز نهایی شود (سیستم پیماشگر قبل از لنز نهایی قرار دارد). در این منطقه، قطر پرتو به طور مؤثر کاهش یافته و با ادامه  دادن به مسیر خود، از محور اپتیکی زاویه می گیرد. اگر تنها یک مرحله ی کج کردن پرتو وجود داشت، با زاویه گرفتن پرتو و دور شدن آن از محور اپتیکی، امکان ورود آن از روزنه ی ورودی لنز نهایی وجود نداشت و اگر هم درصدی از پرتو می توانست به آن وارد شود، علاوه بر بازده ی ناچیز عبور پرتو، کنترلی بر امتداد پرتو و زاویه ی نهایی آن وجود نداشت. اما با استفاده از طراحی دو مرحله ای سیم پیچ های روبشی، علاوه بر تعیین دقیق و نهایی زاویه ی کج شدن پرتو، قبل از ورود به لنز نهایی، بازده ی ورود پرتو به لنز نهایی بسیار بالا خواهد بود. در شکل 1 شماتیک کار سیم پیچ های روبش نشان داده شده است. در تصویر کوچک بالایی واقع در سمت چپ شکل می بینیم که یک ولتاژ دندانه اره ای به جفت سیم پیچ هایI1-I1و I2-I2 اعمال می شود. میدان های مغناطیسی تولید شده توسط سیم پیچ ها، نیرویی اعمال می کنند که پرتوی الکترونی را از چپ به راست و در امتداد خطی که درپایین روی نمونه رسم شده است، منحرف می کند. میدان های مغناطیسی متغیر در جفت سیم پیچ های f1-f1و f2-f2 انحراف های کوچک تری را از نقطه ی 1 به ´1 و به´´1که با جزئیات در تصویر کوچک A نشان داده شده است، تولید می کنند. بنابراین پرتوی الکترونی به طور مکرر، پهنای نمونه را از چپ به راست و با الگوی شبکه ای روبش می کند که نهایتا کل سطح قاب r×r روی نمونه را در بر می گیرد[1،2]. چندرسانه ای 1 نیز نحوه ی روبش پرتوی الکترونی بر روی سطح را نمایش می دهد.

 

filereader.php?p1=main_ec6ef230f1828039e
شکل 1–سیستم روبش دو مرحله ای SEM. وقتی سیم پیچ های روبشی بالایی (I1-I1)، پرتوی الکترونی را تحت زاویه ی θ منحرف می کنند، سیم پیچ های روبش پایینی (I2-I2)آن را تحت زاویه ی 2θ برمی گرداند و الکترون ها به ترتیب در امتداد خط نشان داده شده، به نمونه برخورد می کنند. تصویر کوچک بالایی در سمت چپ شکل، ولتاژی دندانه ای را نشان می دهد که جریان عبوری از سیم پیچ های روبش I  را کنترل می کند. تصویر کوچک پایینی در سمت چپ شکل، دنباله ی نقاط روی نمونه برای مسیرهای الکترونی مختلف 1، 2، 3، 4 و 5 در امتداد میکروسکوپ را نشان می دهد. سیمپیچ های روبش f1-f1 و f2-f2 انحراف پرتو برای دنباله ی نقاط 1، ´1 و ´´1 را موجب می¬شوند (جزئیات در شکل تکمیلی A) از [2].


3-2- جزء چهارم SEM: آشکارسازها


پرتوی الکترونی تولید شده در تفنگ الکترونی با طی مسیری بسیار پیچیده از میان لنزهای متمرکز کننده، سیم پیچ های روبشی و لنز نهایی آماده سازی می شود. پرتوی نهایی به گونه ای است که نهایتا دارای قطر مناسب، توزیع تراکمی خوب و حتی الامکان متقارن و دایره ای باشد. این پرتو روی سطح روبش می شود و با برخورد آن به هر واحد از سطح نمونه، واکنش متقابل پرتوی الکترونی و ماده رخ می دهد که موجب گسیل پرتو های خاصی می گردد. برای تصویر سازی، نیاز به جمع آوری این پرتوها و ترجمه ی آنها به یک تصویر دیجیتال عموما دو بعدی است.

می توان یک فضای بزرگ (به صورت یک نیم کره را در بالای نمونه متصور شد که پرتوهای خروجی از نمونه در آن انتشار می یابند. بنابراین اگر بخواهیم از تمامی این پرتوهای خروجی استفاده کنیم، باید تمامی این فضا پوشیده از آشکارسازها باشد که این حداقل از نظر طراحی فیزیکی دستگاه امکان پذیر نیست. بنابراین جمع آوری و آشکارسازی پرتوها کار مشکلی بوده و به طور کلی بخش کوچکی از این پرتوها برای ساخت تصویر مورد استفاده قرار می گیرند. از اینرو، برای اینکه بتوان از مقدار ناچیز پرتو جمع آوری شده، تصویر ساخت، نیاز به یک تقویت کننده ی بسیار قوی است. در این بخش انواع آشکارسازهای مورد استفاده در SEMشرح داده می شوند[3].


3-2-1- آشکارساز اورهارت- تورنلی (E-T (Everhart-Thornley


تصویر شماتیکی از این آشکارساز در شکل 2 نشان داده شده است.جزء اصلی این آشکارسازها، یک جرقه زن (Scintillator) است. ماده ی تشکیل دهنده ی این جرقه زن به گونه ای است که در صورت اصابت یک الکترون پر انرژی، شروع به ساطع کردن نور می کند که البته شدت نور ساطع شده، متأثر از مقدار الکترون برخورد کرده به سطح جرقه زن می باشد. نور تولید شده پس از عبور از داخل یک هدایتگر نور (Light pipe)، وارد قسمت تقویت  کننده ی نور (Photomultiplier) می-شود. در اکثر جرقه زن ها، حداقل انرژی لازم برای الکترون اصابت کننده، 10 تا 15 کیلو الکترون ولت است که البته اگر انرژی الکترون اصابت کرده از این مقدار کمتر باشد، جرقه زنی انجام نشده و نور ساطع نمی¬گردد.در عمل، اگر گستره ی انرژی پرتو الکترونی ورودی عمدتا بیش از 20 الکترون ولت باشد، بخش عمده ای از پرتوی الکترونی بازگشت یافته از نمونه، قدرت جرقه زنی را دارد. با اینحال، معمولا الکترون های پرتوی ثانویه بسیار کم انرژی تر از ارقام مذکور هستند و بنابراین به آشکارساز این الکترون ها، ولتاژ مثبتی معادل با 12 کیلو ولت اعمال می شود. در اثر این ولتاژ، الکترون ها قبل از برخورد به جرقه زن شتاب می گیرند و با انرژی کافی به آن برخورد نموده و نور تولید می کنند. جرقه زن توسط یک شبکه ی فلزی که به آن «شبکه ی فاراده» گفته می شود، احاطه شده است. این شبکه  فلزی در ولتاژی بین 50- تا 250+ ولت نگه داشته می شود که به آن «ولتاژ جمع کننده» گفته می شود. وجود شبکه ی فلزی با قابلیت تغییر ولتاژ در یک بازه ی حدود 300 ولتی می تواند دو تأثیر مهم داشته باشد: (1) از تأثیرگذاری ولتاژ بسیار بالای جرقه زن (12000 ولت جهت شتاب دهی به الکترون های ثانویه) بر پرتوی الکترونی جلوگیری کند و (2) منجر به جذب انتخابی (ثانویه یا برگشتی) پرتوی الکترونی نمونه، به سمت جرقه زن شود. لذا با اینکه عموما آشکارساز به طور دقیق مقابل نمونه قرار نمی گیرد، اما از بازده ی جذب مناسبی برخوردار است.چندرسانه ای 2 عملکرد آشکارسازی E-T را نمایش می دهد.

 

 
filereader.php?p1=main_1d665b9b1467944c1
شکل 2–آشکارساز اورهارت- تورنلی[1].

هرچند که در آشکارساز E-T مقداری از الکترون های برگشتی نیز جمع آوری می شوند، اما بازده ی این کار بسیار کم است. بر این اساس، همه ی میکروسکوپ های الکترونی به انواع آشکارسازهای مخصوص پرتوی الکترونی برگشتی مجهز هستند که در ادامه توضیح داده می شود[1].
3-2-2- آشکارسازهای نیمه هادی


اساس کار آشکارسازهای نیمه هادی یا همان آشکارسازهای حالت جامد (Solid State Detectors)، ایجاد تعداد بسیار زوج های «الکترون- حفره»، با ورود یک الکترون پر انرژی به یک ماده ی نیمه هادی است. در این شرایط، اگر دو الکترود به دو طرف قطعه ی نیمه هادی وصل شده و توسط یک مدار خارجی اختلاف پتانسیلی بین دو الکترود ایجاد شود، آنگاه الکترون های آزاد به سمت الکترود مثبت جذب می شوند و همزمان با این پدیده حفره ها نیز در جهت عکس الکترون ها حرکت خواهند کرد. لذا جریانی به وجود می آید که در مدار خارجی قابل مشاهده است. اگر جریان مذکور به نحوی مناسب تقویت شود، می تواند به صورت یک سیگنال تصویری درآید.

در این نوع آشکارساز، هر چه انرژی الکترون برخورد کننده بیشتر باشد، تعداد جفت های «الکترون- حفره» بیشتر و در نتیجه جریان ایجاد شده نیز قوی تر خواهد بود. به بیان دیگر، آشکارسازهای مذکور به مقدار انرژی الکترون های ورودی حساس هستند و به همین دلیل نمی توانند برای الکترون های کم-انرژی ثانویه مفید باشند. اثر الکترون های ثانویه در آشکارساز E-T نیز، با وجود انجام عملیات شتاب دهی، بسیار ناچیز و مستلزم حساسیت بسیار بالای آشکارساز می باشد. لذا آشکارسازهای نیمه هادی عموما در آشکارسازی الکترون های برگشتی مورد استفاده قرار می گیرند.
طرحی از آشکارسازهای نیمه هادی در شکل 3 نشان داده شده است. در این آشکارسازها می توان از تراشه های نیمه هادی دایره ای شکل با قطر 25 میلیمتر یا حتی بیشتر استفاده نمود. این تراشه ها که وسط آنها روزنه ای برای عبور پرتو اولیه وجود دارد، معمولا در انتهای ستون، در بالای نمونه و در نزدیک ترین جای ممکن نسبت به نمونه کار گذاشته می شوند. در چنین شرایطی، زاویه ی فضایی شکل گرفته در حین جمع آوری الکترون های برگشتی بسیار نزدیک به نیم کره خواهد بود و از این نظر، آشکارسازهای نیمه هادی از بازده ی بالاتری نسبت به آشکارسازهای E-T برخوردارند. علاوه بر این، هزینه ی ساخت و نگهداری آشکارسازهای نیمه هادی بسیار پایین تر از آشکارسازهای E-T است، زیرا اصلی ترین قطعه ی موردنیاز آن تنها یک تراشه ی نیمه هادی است. معایب آشکارسازهای نیمه هادی، نیاز به انرژی تحریک بالا و نیز موضوع کیفیت و سرعت پایین تقویت کننده های مورد استفاده برای آنهاست[1،4]. در چندرسانه ای 2، نحوه ی عملکرد این آشکارساز نمایش داده شده است.

 
filereader.php?p1=main_7bc3ca68769437ce9
شکل 3–شماتیک آشکارساز نیمه هادی: (الف) محل قرار گرفتن، (ب) جزئیات عملکرد و اجزای آشکارساز[1].
3-2-3- آشکارسازهای رابینسون

ساختار آشکارسازهای رابینسون بسیار شبیه به آشکارسازهای E-T بوده و مشابه آنها از بخش های اصلی: جرقه زن (معمولا از جنس پلاستیک)، هدایتگر نوری و تقویت کننده ی نوری تشکیل شده است. سطح آشکارگرهای مذکور، بسیار وسیع تر از آشکارسازهای حالت جامد است و اندازه ی نسبتا بزرگ این نوع آشکارسازها منجر به محدود کردن فاصله ی کاری شده و معمولا جلوی رسیدن پرتوی X به آشکارساز آنالیزگر را می گیرد (آشکارساز آنالیزگر، آنالیز شیمیایی نمونه را به عهده دارد). بنابراین معمولا برای انجام آنالیز نیاز به دور کردن آشکارساز مذکور از امتداد ستون است. مزیت آشکارساز مورد بحث (مشابه آنچه در رابطه با آشکارساز E-T گفته شد)، زمان پاسخ کوتاه آن است که تهیه ی تصاویر BSE در مد تلوزیون نیز امکان پذیر می سازد. آشکارساز رابینسون معمولا در بررسی نمونه های بیولوژیکی و به طور کلی غیرصلب (در میکروسکوپ های الکترونی روبشی محیطی (ESEM: Environmental Scanning Electron Microscope) مورد استفاده قرار می گیرد. در شکل4 یک نوع آشکارساز رابینسون ساده نشان داده شده است[1].
 
filereader.php?p1=main_13207e3d5722030f6
شکل 4–شماتیک آشکارساز رابینسون ساده [4].

3-2-4- آشکارسازهای درون لنزی (Through the Lens (TTL) detectors)


آشکارسازهای درون لنزی که شماتیک ساده ای از آنها در شکل 5 آورده شده است، بیشتر در میکروسکوپ های الکترونی روبشی مجهز به تفنگ های الکترونی پرقدرت نشر میدانی به کار می روند. در این میکروسکوپ ها، لنز نهایی دارای میدان مغناطیسی بسیار قوی است و خطای کروی در آن به حداقل خود رسانده خواهد شد (انواع خطاها در بخش های بعد شرح داده خواهند شد).
روش عملکرد این آشکارساز به این صورت است که بخش عمده ای از پرتوهای ثانویه ی ساطع شده از سوی نمونه، تحت اثر میدان مغناطیسی بسیار قوی لنز نهایی شروع به حرکت مارپیچ به سمت بالا (داخل ستون) نموده و به یک آشکارساز از نوع جرقه زن- هدایتگر نوری و تقویت کننده ی نوری که در داخل لنز کار گذاشته شده است، برخورد می کنند. این سیستم بازده ی بسیار بالایی در جمع آوری پرتوهای ثانویه دارد، اما فاصله ی کاری درآن نسبتا کم است که خود منجر به محدودیت هایی در شکل و اندازه ی نمونه می شود[1].

 

 
filereader.php?p1=main_ed92eff813a02a31a
شکل 5–شماتیک آشکارسازهای درون  لنزی (TTL) از [1].

3-3- بحث و نتیجه گیری


وظیفه ی سیستم روبشگر، حرکت دادن پرتوی الکترونی بر روی سطح نمونه است که توسط دو سیم-پیچ انجام می شود. علت استفاده از دو سیم پیچ به جای یک سیم پیچ، دستیابی به کنترل، دقت و بازده ی بالاتر است.
برای دریافت و ترجمه ی پرتوهای گسیل شده از نمونه از آشکارسازها استفاده می شود. علاوه بر این، تقویت پرتوهای دریافت شده، جهت دستیابی به تصویری با کیفیت بهتر، به وسیله ی تقویت کننده ها انجام می شود.آشکارساز اورهارت- تورنلیE-Tکه رایج ترین آشکارساز است، بیشتر برای کار با الکترون های ثانویه استفاده می شود و از دیگر آشکارسازهایی چون نوع نیمه هادی، رابینسون و درون لنزی برای الکترون های برگشتی استفاده می شود. آشکارساز E-Tو رابینسونبر مبنای سیستم جرقه زن و تقویت کننده عمل می کنند، در حالیکه اساس عملکرد آشکارساز نیمه هادی، زوج های الکترون- حفره و جریان حاصل از آنها می باشد.



سایتی به وسعت همه چیز که در اون سعی میکنم تجربیات و مطالب در خور توجه رو که دوستشون دارم قرار بدم و امیدوارم با پیشنهادات و انتقادات خودتون من رو راهنمایی کنید. با تشکر


پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دوست داری سایت خودتو داشته باشی همین الان این کار رو بکن
امتیاز دهید:
به این صفحه

به این سایت
برای محبوب کردن سایت روی 1+ کلیک کنید