Kính hiển vi điện tử quét (Scanning electron microscopy/SEM)

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) là một loại kính hiển vi sử dụng chùm electron tập trung để quét bề mặt mẫu vật và tạo ra hình ảnh. Khác với kính hiển vi quang học sử dụng ánh sáng, SEM sử dụng electron, cho phép độ phân giải cao hơn nhiều, tiết lộ các chi tiết bề mặt ở mức nanomet. Việc sử dụng chùm electron cho phép SEM đạt được độ phóng đại và độ sâu trường ảnh lớn hơn đáng kể so với kính hiển vi quang học, tạo ra hình ảnh ba chiều rõ nét về bề mặt mẫu.

Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của SEM dựa trên sự tương tác giữa chùm electron và mẫu vật. Quá trình này bao gồm các bước sau:

Nguồn electron: Một súng phóng electron (thường là dây tóc vonfram hoặc nguồn phát xạ trường) tạo ra một chùm electron. Nguồn phát xạ trường thường được ưa chuộng hơn do chúng tạo ra chùm electron có độ sáng cao hơn và tuổi thọ dài hơn.
Hệ thống thấu kính: Hệ thống thấu kính điện tử (thấu kính tụ điện và thấu kính vật kính) hội tụ chùm electron thành một chùm nhỏ và tập trung trên bề mặt mẫu. Hệ thống này kiểm soát kích thước và cường độ của chùm electron, ảnh hưởng trực tiếp đến độ phân giải và độ sâu trường ảnh.
Quét chùm tia: Cuộn dây quét điều khiển chùm electron quét theo kiểu raster trên bề mặt mẫu. Quá trình quét này đồng bộ với màn hình hiển thị để tạo ra hình ảnh.
Tương tác electron-mẫu: Khi chùm electron tương tác với mẫu, nó tạo ra nhiều loại tín hiệu, bao gồm electron thứ cấp (SE), electron tán xạ ngược (BSE), tia X đặc trưng và electron Auger. Mỗi loại tín hiệu mang thông tin khác nhau về mẫu vật.
Đầu dò: Các đầu dò khác nhau được sử dụng để thu thập các tín hiệu khác nhau. Đầu dò Everhart-Thornley thường được sử dụng để thu thập electron thứ cấp, cung cấp thông tin về hình thái bề mặt. Đầu dò electron tán xạ ngược cung cấp thông tin về thành phần của mẫu. Tia X đặc trưng được phân tích bằng phổ kế năng lượng phân tán tia X (EDS) để xác định thành phần nguyên tố của mẫu.
Khuếch đại tín hiệu: Các tín hiệu được phát hiện được khuếch đại và chuyển đổi thành tín hiệu điện.
Hiển thị hình ảnh: Tín hiệu điện được sử dụng để điều chỉnh cường độ của chùm electron trên màn hình hiển thị, tạo ra hình ảnh của bề mặt mẫu. Cường độ tín hiệu tại mỗi điểm trên mẫu tương ứng với độ sáng của điểm tương ứng trên màn hình.

Độ phóng đại và độ phân giải

SEM có thể đạt độ phóng đại lên đến hàng trăm nghìn lần, với độ phân giải điển hình trong khoảng vài nanomet. Độ phân giải của SEM bị giới hạn bởi kích thước của chùm electron và hiện tượng tán xạ electron trong mẫu vật. Kích thước điểm hội tụ nhỏ hơn cho phép phân giải cao hơn, nhưng cũng làm giảm cường độ tín hiệu.

Ưu điểm của SEM

SEM sở hữu nhiều ưu điểm so với các kỹ thuật hiển vi khác:

Độ phân giải cao: Cho phép quan sát các chi tiết bề mặt ở mức nanomet, vượt trội so với kính hiển vi quang học.
Độ sâu trường ảnh lớn: Tạo ra hình ảnh ba chiều rõ nét, giúp dễ dàng quan sát các cấu trúc phức tạp. Độ sâu trường ảnh lớn là một lợi thế đáng kể so với kính hiển vi quang học, đặc biệt là khi quan sát các mẫu có bề mặt gồ ghề.
Đa dạng mẫu: Có thể phân tích nhiều loại mẫu vật, bao gồm cả vật liệu dẫn điện và không dẫn điện (sau khi được phủ một lớp mỏng kim loại như vàng hoặc bạch kim).

Nhược điểm của SEM

Mặc dù có nhiều ưu điểm, SEM cũng có một số nhược điểm cần lưu ý:

Môi trường chân không: Mẫu vật phải được đặt trong môi trường chân không cao để tránh tán xạ electron bởi các phân tử khí. Điều này hạn chế việc phân tích mẫu vật sống hoặc chứa chất lỏng dễ bay hơi. Tuy nhiên, các kỹ thuật SEM môi trường (ESEM) đang được phát triển để khắc phục hạn chế này.
Chuẩn bị mẫu: Một số mẫu vật cần được xử lý và phủ kim loại trước khi quan sát, đặc biệt là các mẫu không dẫn điện. Quá trình chuẩn bị mẫu có thể gây ra hiện vật và ảnh hưởng đến kết quả phân tích.
Chi phí: SEM là thiết bị đắt tiền và yêu cầu vận hành chuyên nghiệp. Chi phí bảo trì và vận hành cũng khá cao.

Ứng dụng của SEM

SEM được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm:

Khoa học vật liệu: Nghiên cứu cấu trúc và tính chất của vật liệu, phân tích khuyết tật, đánh giá độ bền và tính tương thích của vật liệu.
Sinh học: Quan sát tế bào, vi khuẩn, virus và các cấu trúc sinh học khác. SEM cho phép hình dung hình thái bề mặt và cấu trúc 3D của các mẫu sinh học.
Y học: Chẩn đoán bệnh và nghiên cứu mô bệnh học, phân tích cấu trúc mô và tế bào.
Kỹ thuật: Kiểm tra chất lượng và phân tích lỗi sản phẩm, phân tích sự mài mòn và ăn mòn.
Địa chất: Nghiên cứu khoáng vật và đá, xác định thành phần và cấu trúc của đá.
Pháp y: Phân tích bằng chứng, xác định cấu trúc và thành phần của các vật liệu pháp y.
Công nghiệp bán dẫn: Kiểm tra chất lượng và phân tích lỗi của các linh kiện điện tử.

So sánh với kính hiển vi truyền qua (TEM)

Đặc điểm	SEM	TEM
Chùm tia	Quét bề mặt	Truyền qua mẫu
Hình ảnh	Bề mặt	Cấu trúc bên trong
Độ phân giải	Vài nanomet	Dưới nanomet (đạt đến mức độ phân giải nguyên tử)
Độ dày mẫu	Không giới hạn	Rất mỏng (khoảng vài trăm nanomet)
Thông tin	Hình thái, thành phần bề mặt	Cấu trúc tinh thể, thành phần

Các loại tín hiệu trong SEM

Như đã đề cập, tương tác giữa chùm electron và mẫu vật tạo ra nhiều loại tín hiệu khác nhau, mỗi loại mang thông tin riêng biệt. Dưới đây là một số tín hiệu quan trọng:

Electron thứ cấp (SE): Đây là tín hiệu phổ biến nhất được sử dụng trong SEM. SE là các electron năng lượng thấp (<50 eV) bị bắn ra khỏi bề mặt mẫu bởi chùm electron chính. Do năng lượng thấp, SE chỉ thoát ra từ một lớp rất mỏng trên bề mặt mẫu, cung cấp thông tin chi tiết về hình thái bề mặt.
Electron tán xạ ngược (BSE): BSE là các electron từ chùm tia chính bị tán xạ ngược lại bởi các nguyên tử trong mẫu. Số lượng BSE phụ thuộc vào số hiệu nguyên tử của nguyên tố trong mẫu. Nguyên tố nặng hơn sẽ tán xạ nhiều BSE hơn, tạo ra vùng sáng hơn trên ảnh. Do đó, BSE cung cấp thông tin về thành phần của mẫu.
Tia X đặc trưng: Khi chùm electron chính bắn ra electron ở lớp vỏ trong của nguyên tử trong mẫu, electron ở lớp vỏ ngoài sẽ chuyển xuống lớp trống, đồng thời phát ra tia X có năng lượng đặc trưng cho nguyên tố đó. Phân tích phổ tia X năng lượng phân tán (EDS) cho phép xác định thành phần nguyên tố của mẫu.
Electron Auger: Tương tự như tia X đặc trưng, electron Auger cũng được tạo ra khi electron ở lớp vỏ trong bị bắn ra. Tuy nhiên, thay vì phát ra tia X, năng lượng được truyền cho một electron khác, được gọi là electron Auger. Phổ Auger cung cấp thông tin về thành phần nguyên tố bề mặt của mẫu.
Cathodoluminescence (CL): Một số vật liệu phát ra ánh sáng khi bị chùm electron kích thích. Tín hiệu CL cung cấp thông tin về các tính chất quang học và điện tử của vật liệu.

Chuẩn bị mẫu cho SEM

Chuẩn bị mẫu là một bước quan trọng để đảm bảo chất lượng hình ảnh SEM. Các bước chuẩn bị mẫu có thể bao gồm:

Cắt và đánh bóng: Mẫu vật cần được cắt và đánh bóng để tạo ra bề mặt phẳng và mịn, giúp cải thiện chất lượng hình ảnh.
Vệ sinh: Loại bỏ bụi bẩn và các chất bẩn khác trên bề mặt mẫu bằng các phương pháp như siêu âm hoặc rửa bằng dung môi.
Phủ kim loại: Mẫu vật không dẫn điện cần được phủ một lớp mỏng kim loại (ví dụ: vàng, bạch kim, hoặc carbon) để ngăn ngừa tích điện và cải thiện chất lượng hình ảnh. Lớp phủ kim loại cũng giúp tăng cường tín hiệu electron thứ cấp.
Sấy khô: Đảm bảo mẫu vật hoàn toàn khô để tránh bay hơi trong môi trường chân không. Đối với mẫu sinh học, có thể cần sử dụng phương pháp sấy điểm tới hạn để tránh làm biến dạng mẫu.

Các kỹ thuật SEM nâng cao

SEM môi trường (ESEM): Cho phép quan sát mẫu vật trong môi trường áp suất thấp, phù hợp cho mẫu vật ẩm hoặc chứa chất lỏng dễ bay hơi.
SEM chùm ion tập trung (FIB-SEM): Kết hợp SEM với chùm ion tập trung để cắt và tạo hình mẫu vật ở mức nanomet, cho phép phân tích 3D và tạo mẫu TEM.
SEM độ phân giải thấp (LVSEM): Hoạt động ở điện áp thấp hơn, giảm thiểu hư hại cho mẫu vật nhạy cảm với chùm electron. LVSEM thường được sử dụng để quan sát mẫu vật không dẫn điện mà không cần phủ kim loại.

Tóm tắt về Kính hiển vi điện tử quét

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) là một công cụ mạnh mẽ cho phép quan sát chi tiết bề mặt vật liệu ở mức nanomet. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc quét chùm electron tập trung trên bề mặt mẫu và thu thập các tín hiệu phát ra, chẳng hạn như electron thứ cấp (SE) và electron tán xạ ngược (BSE). SE cung cấp thông tin về hình thái bề mặt, trong khi BSE cho biết về thành phần của mẫu. Nhờ sử dụng electron thay vì ánh sáng, SEM đạt được độ phân giải vượt trội so với kính hiển vi quang học.

Độ phóng đại của SEM có thể lên đến hàng trăm nghìn lần, với độ phân giải điển hình vài nanomet. Ưu điểm nổi bật của SEM bao gồm độ phân giải cao, độ sâu trường ảnh lớn và khả năng phân tích đa dạng mẫu vật. Tuy nhiên, SEM cũng có một số hạn chế. Mẫu vật phải được đặt trong môi trường chân không cao, và một số mẫu cần được xử lý và phủ kim loại trước khi quan sát. Việc chuẩn bị mẫu đúng cách là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng hình ảnh.

Có nhiều loại tín hiệu được tạo ra khi chùm electron tương tác với mẫu vật, mỗi loại mang thông tin riêng biệt. Ví dụ, phân tích phổ tia X năng lượng phân tán (EDS) cho phép xác định thành phần nguyên tố của mẫu dựa trên tia X đặc trưng được phát ra. Ngoài ra, các kỹ thuật SEM nâng cao như SEM môi trường (ESEM) và SEM chùm ion tập trung (FIB-SEM) mở rộng khả năng ứng dụng của SEM cho các loại mẫu và mục đích nghiên cứu khác nhau. Hiểu rõ nguyên lý hoạt động và các loại tín hiệu trong SEM là then chốt để phân tích và diễn giải hình ảnh một cách chính xác.

Tài liệu tham khảo:

Goldstein, J. I., Newbury, D. E., Michael, J. R., Ritchie, N. W. M., Scott, J. H. J., & Joy, D. C. (2017). Scanning electron microscopy and X-ray microanalysis. Springer.
Reimer, L. (1998). Scanning electron microscopy: Physics of image formation and microanalysis. Springer.

Câu hỏi và Giải đáp

Sự khác biệt chính giữa SEM và kính hiển vi truyền qua (TEM) là gì?

Trả lời: Sự khác biệt chính nằm ở cách tương tác của chùm electron với mẫu vật. SEM sử dụng chùm electron quét bề mặt mẫu và thu thập tín hiệu phát ra từ bề mặt, tạo ra hình ảnh về hình thái và thành phần bề mặt. TEM thì sử dụng chùm electron truyền qua mẫu vật mỏng, tạo ra hình ảnh về cấu trúc bên trong. Do đó, TEM có độ phân giải cao hơn SEM, cho phép quan sát các chi tiết ở mức nguyên tử, nhưng yêu cầu mẫu vật phải rất mỏng.

Tại sao cần phủ kim loại lên mẫu vật không dẫn điện khi quan sát bằng SEM?

Trả lời: Mẫu vật không dẫn điện khi bị chùm electron chiếu vào sẽ tích điện, gây ra hiện tượng nhiễu loạn đường đi của electron và làm giảm chất lượng hình ảnh. Phủ một lớp mỏng kim loại dẫn điện (như vàng hoặc bạch kim) lên bề mặt mẫu sẽ giúp dẫn điện tích đi, ngăn ngừa hiện tượng tích điện và cải thiện độ phân giải cũng như độ nét của hình ảnh.

Electron thứ cấp (SE) và electron tán xạ ngược (BSE) cung cấp những thông tin gì về mẫu vật?

Trả lời: SE là electron năng lượng thấp bị bắn ra từ bề mặt mẫu bởi chùm electron chính. Do năng lượng thấp, SE chỉ thoát ra từ một lớp rất mỏng trên bề mặt, cung cấp thông tin chi tiết về hình thái bề mặt. BSE là electron từ chùm tia chính bị tán xạ ngược lại bởi các nguyên tử trong mẫu. Số lượng BSE phụ thuộc vào số hiệu nguyên tử, do đó BSE cung cấp thông tin về thành phần của mẫu. Vùng có nguyên tố nặng hơn sẽ sáng hơn trong ảnh BSE.

Độ phân giải của SEM bị ảnh hưởng bởi những yếu tố nào?

Trả lời: Độ phân giải của SEM phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm:

Kích thước chùm electron: Chùm electron càng nhỏ, độ phân giải càng cao.
Điện áp gia tốc: Điện áp gia tốc cao hơn cho phép tạo ra chùm electron nhỏ hơn, tăng độ phân giải. Tuy nhiên, điện áp cao cũng có thể gây hư hại cho mẫu.
Dòng chùm electron: Dòng chùm electron lớn hơn tăng cường độ tín hiệu nhưng cũng làm giảm độ phân giải.
Khoảng cách làm việc (working distance): Khoảng cách giữa vật kính và mẫu vật. Khoảng cách làm việc ngắn hơn cho độ phân giải tốt hơn nhưng giảm độ sâu trường ảnh.
Chất lượng hệ thống thấu kính: Hệ thống thấu kính chất lượng cao giúp hội tụ chùm electron tốt hơn, cải thiện độ phân giải.

SEM môi trường (ESEM) có ưu điểm gì so với SEM truyền thống?

Trả lời: ESEM cho phép quan sát mẫu vật trong môi trường áp suất thấp, chứ không phải chân không cao như SEM truyền thống. Điều này cho phép quan sát các mẫu vật ẩm, chứa chất lỏng dễ bay hơi, hoặc các mẫu vật không ổn định trong chân không cao mà không cần phải xử lý phức tạp. ESEM mở rộng khả năng ứng dụng của SEM cho nhiều loại mẫu vật khác nhau, đặc biệt là trong lĩnh vực khoa học sự sống.

Một số điều thú vị về Kính hiển vi điện tử quét

Hình ảnh SEM không có màu sắc thực: Các hình ảnh SEM mà chúng ta thường thấy đều là ảnh đen trắng. Màu sắc được thêm vào sau đó để làm nổi bật các đặc điểm hoặc phân biệt các vùng khác nhau trên mẫu. Màu sắc trong ảnh SEM không phản ánh màu sắc thực của mẫu.
SEM có thể tạo ra ảnh 3D: Nhờ độ sâu trường ảnh lớn, SEM có khả năng tạo ra ảnh có hiệu ứng 3D rõ nét, giúp hình dung hình thái bề mặt một cách trực quan hơn. Kỹ thuật chụp ảnh lập thể (stereo imaging) bằng cách nghiêng mẫu một góc nhỏ giữa các lần chụp cho phép tạo ra ảnh 3D thực sự.
Con côn trùng đầu tiên được quan sát bằng SEM: Một trong những hình ảnh SEM đầu tiên được công bố là hình ảnh của một con côn trùng. Hình ảnh này đã gây ấn tượng mạnh mẽ về khả năng phóng đại và độ chi tiết của SEM.
SEM có thể được sử dụng để phân tích các tác phẩm nghệ thuật: SEM được ứng dụng trong việc phân tích các tác phẩm nghệ thuật và cổ vật để xác định thành phần vật liệu, kỹ thuật chế tạo, và thậm chí phát hiện các dấu vết làm giả.
Mẫu vật cần được dẫn điện: Đối với hầu hết các SEM truyền thống, mẫu vật cần phải dẫn điện để tránh hiện tượng tích điện, gây nhiễu hình ảnh. Do đó, các mẫu không dẫn điện thường được phủ một lớp mỏng kim loại như vàng hoặc bạch kim trước khi quan sát. Tuy nhiên, SEM môi trường (ESEM) cho phép quan sát mẫu không dẫn điện mà không cần phủ kim loại.
Kích thước của SEM khá lớn: Một hệ thống SEM hoàn chỉnh có thể chiếm diện tích cả một căn phòng, bao gồm cột kính hiển vi, hệ thống bơm chân không, máy tính điều khiển, và các thiết bị phụ trợ khác.
SEM có thể được sử dụng để tạo ra các cấu trúc nano: Chùm ion tập trung (FIB) kết hợp với SEM không chỉ dùng để phân tích mà còn có thể được sử dụng để chế tạo các cấu trúc nano với độ chính xác cao.