Những ứng dụng thực tiễn của kính hiển vi điện tử quét – ADTechnology

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) được sử dụng trong một số ứng dụng công nghiệp, thương mại và nghiên cứu. Từ các quy trình chế tạo tiên tiến đến các ứng dụng pháp y, có rất nhiều ứng dụng thực tế khác nhau cho SEM.

Kính SEMS hoạt động thế nào ?

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) sử dụng chùm electron hội tụ để hiển thị hình ảnh ba chiều, có độ phân giải cao. Những hình ảnh này cung cấp thông tin về:

• Địa hình
• Hình thái học
• Thành phần

Sơ đồ biểu diễn SEM được thể hiện trong Hình 1. Các electron được tạo ra ở đỉnh cột bởi nguồn electron. Sau đó, chúng được tăng tốc xuống cột trong điều kiện chân không, giúp ngăn chặn bất kỳ nguyên tử và phân tử nào có trong cột tương tác với chùm điện tử và đảm bảo chất lượng hình ảnh tốt.

Hình 1: Hình thể hiện các thành phần của kính SEM

Thấu kính điện từ được sử dụng để điều khiển đường đi của các electron. Bộ ngưng tụ xác định kích thước của chùm điện tử (xác định độ phân giải), trong khi vai trò chính của vật kính là hội tụ chùm tia lên mẫu. Cuộn quét được sử dụng để quét chùm tia lên mẫu. Trong nhiều trường hợp, khẩu độ được kết hợp với thấu kính để kiểm soát kích thước của chùm tia.

Các loại electron khác nhau được phát ra từ các mẫu khi tương tác với chùm electron. Một máy dò điện tử tán xạ ngược BackScattered Electron (BSE) được đặt phía trên mẫu để giúp phát hiện các điện tử bị tán xạ ngược . Hình ảnh hiển thị thông tin tương phản giữa các khu vực có thành phần hóa học khác nhau vì các nguyên tố nặng hơn (số nguyên tử cao) sẽ sáng hơn. Một máy dò điện tử thứ cấp (SE) được đặt ở bên cạnh buồng điện tử, theo một góc, để tăng hiệu quả phát hiện các điện tử thứ cấp có thể cung cấp thông tin bề mặt chi tiết hơn.

Kính hiển vi điện tử khác mới kính hiển vi quang học như thế nào ?

Sự khác biệt chính giữa kính hiển vi điện tử và quang học nằm ngay trong tên gọi. SEM được sử dụng một chùm tia electron chứ không phải một chùm ánh sáng. Một nguồn điện từ được đặt trên đỉnh kính hiển vi phát ra một chùm điện tử tập trung cao độ.

Trong kính SEM, có ba loại nguồn electron khác nhau:

• Thermionic filament – Một dây tóc Vonfram được đặt bên trong kính hiển vi đồng thời được đốt nóng cho đến khi nó phát ra các electron. Một dây tóc bằng Vonfram hoạt động ở nhiệt độ nóng trắng, có nghĩa là nó bay hơi dần theo thời gian và cuối cùng bị đứt có thể làm ô nhiễm phần trên của cột điện tử. Tuổi thọ của trung bình của nguồn Tungsten là khoảng 100 giờ, đồng thời còn tùy thuộc vào chân không.
• Súng phát xạ trường (FEG) – Tạo ra một điện trường mạnh kéo các electron ra khỏi nguyên tử của chúng. Đây thường là lựa chọn thông thường khá phổ biến hơn trong SEM do nó cho ra hình ảnh có độ phân giải cao, tuy nhiên nó có yêu cầu thiết kế chân không và thường đi kèm với giá thành cao.
• Cực âm Cerium Hexaboride (CeB6) – cung cấp độ sáng gập mười lần so với Vonfram có nghĩa là tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu tốt hơn và độ phân giải tốt hơn. Nguồn CeB6 thường cung cấp nhiều hơn 15 lần tuổi thọ của Vonfram: hơn 1500+ giờ. Nguồn CeB6 thường được sử dụng trong tất cả các dòng thiết bị SEM.

Các ứng dụng của kính SEM

SEM có thể được sử dụng trong đa dạng ngành nghề trong nhiều ứng dụng công nghiệp, thương mại và nghiên cứu.

Nghiên cứu vật liệu

SEM được sử dụng trong khoa học vật liệu nhằm mục đích nghiên cứu, kiểm soát chất lượng và phân tích lỗi.

Trong khoa học vật liệu hiện đại, các nghiên cứu về ống nano và sợi nano, các chất siêu dẫn ở nhiệt độ cao, cấu trúc mê hoặc và hợp kim, tất cả đều dựa vào việc sử dụng SEM cho việc nghiên cứu.

Trên thực tế, bất kỳ ngành khoa học vật liệu nào, từ hàng không vũ trụ đến lĩnh vực hóa học cho tới điện tử và sử dụng năng lượng, đều chỉ có thể thực hiện được với sự trợ giúp của kính SEM.

Dây điện có kích cỡ nano cho cảm biến khí

Các nhà nghiên cứu đang khám phá những phương pháp mới để sử dụng dây nano có thể được tích hợp trên các cảm biến khí bằng cách cải tiến các phương pháp chế tạo hiện có và phát triển các phương pháp mới. Kính hiển vi điện tử là cực kỳ quan trọng trong việc xác định các đặc điểm của các dây nano và hiểu được các tính chất của chúng trên các cảm biến khí.

Kiểm tra chất bán dẫn

Để tăng hiệu suất của chất bán dẫn yêu cầu thông tin chính xác về cấu trúc địa hình. Hình ảnh 3 chiều có độ phân giải cao do SEM tạo ra cung cấp phép đo chính xác, nhanh chóng, về thành phần của chất bán dẫn.

Trên thực tế, trong tất cả các quy trình sản xuất Wafer, kính SEM là một trong 3 công cụ thiết yếu được sử dụng. Trong trường hợp các bài kiểm tra kiểm soát chất lượng lặp đi lặp lại hàng ngày, màn hình lớn hơn (19 inches) đã được chứng minh làm giảm việc mỏi của thị giác cho các thanh tra viên.

Sản xuất vi mạch

Sản xuất vi mạch ngày càng dựa vào SEM nhằm giúp hiểu rõ hơn về hiệu quả của các phương pháp sản xuất và các phương pháp chế tạo mới. Với quy mô và vật liệu ngày càng nhỏ, cũng như tiềm năng của các polymer tự lắp ráp phức tạp, độ phân giải cao, khả năng chứa 3 chiều của kính SEM là vô giá trong việc thiết kế và sản xuất vi mạch.

Như Internet of Things (IoT) dần trở lên phổ biến hơn trong cuộc sống hằng ngày của người tiêu dùng và nhà sản xuất, SEM sẽ tiếp tục đóng vai trò vô cùng quan trọng trong việc thiết kế các chipset chi phí thấp, tiêu tốn ít năng lượng cho các máy tính phi truyền thống và các thiết bị kết nối mạng.

Nghiên cứu pháp y

Các điều tra có liên quan tới hình sự và pháp y có sử dụng SEM trong việc khám phá các bằng chứng đồng thời tìm ra các thông tin chi tiết về pháp y.

Một số ứng dụng trên SEM

• Phân tích dư lượng súng
• Kiểm tra đồ trang sức
• So sánh các dấu gạch đầu dòng
• Phân tích chữ viết tay và chứ in
• Kiểm tra tính xác thực của tờ tiền.
• Phân tích hạt sơn và sợi
• Phân tích dây tóc bóng đèn trong các sự cố giao thông

Do SEM cung cấp khả năng kiểm tra nhiều loại vật liệu ở độ phóng đại cao và thấp mà không làm mất độ sâu của tiêu điểm, việc sử dụng chúng trong việc nghiên cứu khoa học pháp y giúp đưa ra kết luận, xác định nguồn gốc vật liệu và đóng góp vào dữ liệu bằng chứng phục vụ cho các vấn đề liên quan đến hình sự và pháp y. Thiết bị Phenom GSR để bàn được thiết kế đặc biệt cho việc phân tích dư lượng súng bắn tự động.

Khoa học sinh học

Trong lĩnh vực khoa học sinh học, kính SEM có thể được sử dụng trong việc nghiên cứu bất cứ thứ gì từ côn trùng và mô động vật cho tới vi khuẩn hoặc virút.

Một số phương pháp được sử dụng bao gồm:

• Đo đạc khả năng ảnh hưởng biến đổi khí hậu tới các loài.
• Xác định vi khuẩn mới và các chúng độc lực
• Kiểm tra tiêm chủng
• Khám phá các loài mới
• Làm việc trong lĩnh vực di truyền học

Phục vụ nghiên cứu mẫu đất và đá

Nghiên cứu các mẫu địa chất bằng việc sử dụng kính hiển vi điện tử quét có thể xác định các quá trình phong hóa và hình thái của các mẫu. Hình ảnh điện tử tán xạ ngược có thể được sử dụng để xác định sự khác biệt về thành phần, trong khi các thành phần có thể được cung cấp bởi phân tích vi mô. Các mục đích sử dụng bao gồm:

• Nhận biết các công cụ và các đồ tạo tác ban đầu của con người
• Đo lường chất lượng đất cho canh tác và nông nghiệp
• Xác định niên đại của các di tích lịch sử
• Bằng chứng pháp y là chất lượng đất hoặc độc tố.

Y học

Nói chung, kính SEM được sử dụng nghiên cứu y học trong việc phân tích so sánh các mẫu máu và mô trong việc xác định nguyên nhân gây bệnh và đo lường tác động của phương pháp điều trị đối với bệnh nhân (đồng thời góp phần trong việc thiết kế các liệu pháp điều trị mới). Sử dụng phổ biến bao gồm:

• Xác định bệnh và virút
• Kiểm tra thử nghiệm tiêm chủng thuốc mới
• So sánh các mẫu mô giữa các bệnh nhân trong nhóm và nhóm kiểm tra
• Thử nghiệm mẫu trong suốt thời gian sống của bệnh nhân

Nghệ thuật

Không hẳn tất cả ứng dụng của kính SEM đều thực tế. Các ảnh của kính hiển vi SEM đều được sử dụng để tạo ra các tác phẩm nghệ thuật kĩ thuật số. Các hình ảnh có độ phân giải cao với cấu trúc ba chiều bằng nhiều chất liệu khác nhau tạo nên nhiều tác phẩm đa dạng, về chủ thể ảnh vừa xa lạ vừa quen thuộc.