ELEKTRONSKA VRSTIČNA MIKROSKOPIJA PRI POVIŠANEM TLAKU (ESEM)
Tonica Bončina	STROKOVNI ČLANEK
Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojni{tvo, Smetanova 17, 2000 Maribor
povzetek
Okoljski vrsti~ni elektronski mikroskop (ESEM) je razli~ica klasi~nega visokovakuumskega mikroskopa. Pomembne dopolnitve ESEM-ov so pri vakuumskem sistemu, zaslonkah in detektorjih. Vakuumski sistem ima dodatno rotacijsko ~rpalko, ki lo~eno vakuumira kolono mikroskopa in komoro ter omogo~a dodajanje dodatnega plina ali vodne pare v komoro. Zna~ilne pa so še posebne reducirne zaslonke PLA (angl. Pressure Limiting Aperature), ki razmejujejo obmo~je z visokim vakuumom v koloni in obmo~je z nizkim vakuumom v komori, ter detektorji, ki delujejo tudi v plinskem okolju.
ESEM-i so se uveljavili predvsem za materiale, ki niso zgolj neprevodni, temve~ tudi ob~utljivi za visoki vakuum. To so predvsem vlažni, mehki, porozni, hitro hlapljivi vzorci ter lahko topljivi vzorci pri sobni temperaturi. V ESEM-u lahko opazujemo tudi dinami~ne in-situ procese, kot so hidratacija, oksidacija, taljenje, žarjenje, delovanje razli~nih raztopin na vzorce itd.
Slabost ESEM-a je, da ne omogo~a visoko lo~ljivih slik. Dodatni plin (vodna para), ki sicer inducira dodatne sekundarne okoljske elektrone, po drugi strani povzro~i razpršitev primarnega elektronskega curka.
Ključne besede: okoljski vrsti~ni elektronski mikroskop, sekundarni okoljski elektroni, plinski detektor za sekundarne elektrone, reducirna zaslonka (PLA)
The environmental scanning electron microscopy (ESEM)
ABSTRACT
The environmental scanning electron microscope (ESEM) is a variant of a classical high-vacuum electron microscope. In comparison to classical SEM it possesses several attachements and improvements. It has a special vacuum system with an additional vacuum pump that separately pumps the electron column and specimen chamber, and accessories for introducing different gases, including water vapour, into the specimen chamber. Pressure-limiting-apertures separate the high-vacuum electron column and the low-vacuum specimen chamber. Special detectors were developed, able to operate in a gaseous environment.
ESEM finds its application especially in the field of non-conductive materials being sensitive for high vacuum. To this group belong wet, porous, soft, highly volatile and highly soluble samples. ESEM can be also used for observation of dynamical in-situ processes, such as hydratization, oxidation, melting, annealing, etc.
An important disadvantage presents the disability for obtaining high-resolution images. This can be attributed to additional gas that causes scattering of the electron beam, although it also induces secondary »environmental« electrons, which are required for imaging.
Keywords: environmental scanning electron microscope (ESEM), secondary environmental electrons, gaseous detector for secondary electrons (GSED), pressure-limiting-aperture (PLA)
1 UVOD
Vrstični elektronski mikroskop (SEM) je eden izmed najpomembnejših in najpogosteje uporabljenih inštrumentov za karakterizacijo materialov. Številne
prednosti, kot so raznovrstni signali, preprosta priprava vzorcev, široko območje povečav z odlično globinsko ostrino in dobro ločljivostjo ter enostavna tvorba slike in interpretacija rezultatov, so spodbudile uporabo vrstične elektronske mikroskopije tako za anorganske kot tudi za organske vzorce.
V sem nastane elektronski curek s termično ali poljsko emisijo in se nato fokusira na vzorec z uporabo elektromagnetnih polj. Premer osnovnega curka, ki je pospešen skozi elektronsko puško v komoro mikroskopa na vzorec, zmanjšajo kondenzorske in objektivne leče. Naloga zaslonk je zmanjšanje ali povečanje premera elektronskega curka. Boljšo ločljivost dobimo z manjšim premerom curka in v nekaterih primerih z manjšo delovno razdaljo.
Elektroni v curku, ki imajo podobno energijo in smer, reagirajo z atomi v vzorcu in povzročijo nastanek različnih signalov. Elektroni primarnega curka, ki se elastično sipajo na vzorcu in izhajajo iz njega, so odbiti elektroni (BSE, angl. Backscattered Electrons). Te elektrone detektiramo z detektorjem za trdno snov (solid-state detector), ki je občutljiv samo za elektrone z večjo energijo. Namreč njihova povprečna energija je mnogo večja od energije sekundarnih elektronov in zato je tudi interakcijski volumen, iz katerega dobimo signal, večji.
Intenziteta BSE-signala je funkcija:
-	povprečnega vrstnega števila elementov v vzorcu;
-	kota med vhodnim curkom in vzorcem, kar
omogoča topografski kontrast.
Sekundarni elektroni (SE) imajo navadno manjše energije (od 2 eV do 5 eV). Izraz »sekundarni« pomeni, da ti elektroni niso del osnovnega curka, ampak signal, ki nastane v vzorcu pri prenosu energije curka na vzorec. Signal SE nastane tako pri vhodu osnovnega elektronskega curka kot pri izhajanju odbitih elektronih iz vzorca. Globina, iz katere izhajajo sekundarni elektroni, je od 5 nm do 50 nm.
Način priprave vzorcev lahko povežemo z delitvijo vrstičnih elektronskih mikroskopov glede na tlak v komori:
1.	visokovakuumski mikroskop (okoli 10-5 mbar)
2.	nizkovakuumski mikroskop (do 20 mbar)
Za opazovanje vzorcev v visokovakuumskem mikroskopu morajo biti le-ti suhi in čisti, skratka primerni za visoki vakuum. Poleg tega morajo biti električno prevodni. Če so neprevodni, je treba napariti zelo tanko plast ogljika ali napršiti zelo tanko plast kovine (Au, Al, Ag, Pd, Pt...). S tem se izogne-
mo elektri~nemu nabijanju povr{ine vzorca, ki je pogosto vzrok za nejasne svetle ali temne lise, ~rte ali druge nepravilnosti, kot sta npr. slika brez globinske ostrine ali drsenje celotne slike.
Napredek vrsti~nih elektronskih mikroskopov pred dobrimi dvajsetimi leti je {el tudi v smeri pove~anja tlaka oziroma zmanj{anje vakuuma v komori. Namre~ vi{ji tlak in dodani plin v komori ustvarita razmere, kjer ni presežka elektronov na preiskovani povr{ini vzorca oziroma se povr{ina sproti razelektri. v takih razmerah lahko opazujemo mastne, mokre vzorce ali celo živa bitja. Opazujemo lahko tudi in-situ procese, npr. segrevanje in žarjenje pri visokih temperaturah, strjevanje, korozijo, kristalizacijo, taljenje itd. Prednost takih mikroskopov je, da ne potrebujejo posebne priprave povr{ine vzorcev.
2 RAZVOJ NIZKOVAKUUMSKEGA MIKROSKOPA
Okoljski vrsti~ni elektronski mikroskop, imenovan tudi ESEM (angl. Environmental Scanning Electron Microscope), omogo~a delo pri ve~jih tlakih oziroma pri dosti slab{em vakuumu, kot je v klasi~nih elektronskih vrsti~nih mikroskopih. Njegov razvoj se je za~el v Avstraliji na Faculty of Applied Science, New South Wales [1,2], v sodelovanju s proizvajalcem mikroskopov ElectroScan. Ukvarjali so se z raziskavami mokre in umazane ov~je volne. Vzorce take volne ni bilo mogo~e analizirati brez dodatne priprave, ki pa je vplivala na osnovne lastnosti volne. Podjetje ElectroScan je kasneje kupil Philips Electron Optics, ki je nato pre{el v last FEI Company.
Glavni elementi mikroskopa, ki omogo~a opazovanje mokrih vzorcev, so posebne zaslonke, ki
razmejujejo podro~je elektronske kolone z visokim vakuumom in komore z nizkim vakuumom. Pomemben je tudi vakuumski sistem z dodatno rotacijsko ~rpalko in sistemom za dodajanje vodne pare ali drugih plinov ter detektorji, ki delujejo tudi v plinskem okolju.
3 VAKUUMSKI SISTEM
Sodobni ESEM-i imajo vakuumski sistem sestavljen iz turbomolekularne ~rpalke, ki ima kapaciteto okoli 250 L/s, ter dveh rotacijskih ~rpalk, medtem ko imajo visoko lo~ljivi elektronski mikroskopi na poljsko emisijo {e dve dodatni ionsko-getrski ~rpalki za ultravisoki vakuum (okoli 8 ■ 10-10 mbar). Dodaten vakuumski sistem omogo~a lo~eno vakuumiranje kolone in komore ter kontrolirano vpihovanje vodne pare in dodatnega plina v komoro (slika 1b).
Velikost tlaka v komori se spreminja z dodajanjem plina oziroma z dalj{im vakuumiranjem. Navadno se uporablja plin, ki se lahko dobro ionizira. Najpogosteje se uporablja vodna para. Seveda pa vodne molekule, atomi, drobni delci ne smejo prehajati v elektronsko kolono, kar prepre~ujejo posebne t. i. PLA-zaslonke (angl. Pressure Limiting Aperature).
Vse elektronske kolone, ne glede na vrsto mikroskopa, so ob~utljive za stopnjo vakuuma. Plin v koloni lahko vpliva na emisijo elektronov ali celo povzro~i po{kodbe in uni~enje izvira elektronov. Namre~ za pospe{evanje elektronskega curka se uporablja zelo visoka napetost, ki lahko povzro~i ionizacijo prisotnega plina, s tem pa razelektrenje ali celo elektri~ni oblok. Prav tako plin v koloni vpliva na tvorbo in sevanje elektronskega curka, kar lahko mo~no poslab{a ali celo onemogo~i nastanek slike.
(a)
(b)
SPODNJI DEL KOl.ONE
14 'mhu-
dodaini plin vodna para
Slika 1: a) Sistem PLA-zaslonk vgrajenih na konico elektronske kolone, b) vakuumski sistem ESEM-a [1] VAKUUMIST 31 (2011)2
Mejnik pri razvoju ESEM-ov je bil torej sistem za lo~evanje obmo~ja elektronske kolone in komore ter vakuumski sistem, ki omogo~a lo~eno vakuumiranje kolone in komore. Nosilec ve~ina patentov s tega podro~jaje G. D. Danilatos [3,4].
Osnovi del PLA-zaslonk je sistem enostavnih diskov z majhno luknjico na sredini. Pri tem je pomembno, da so luknjice tako majhne, da skoraj ni difuzijskih procesov med obmo~jem z visokim in nizkim tlakom. Glede na to je tudi najve~ji dovoljeni tlak v komori povezan z velikostjo odprtine PLA-za-slonke. Standardna premera odprtine zaslonk in vidnega polja na vzorcu sta 500 pm in 1000 pm. Za PLA-zaslonko z odprtino 1000 pm je omejitev tlaka okoli 7 mbar.
Medtem ko so imeli prvi ESEM-i PLA-zaslonke vgrajene v spodnji del elektronske kolone (slika 1a), imajo novejši mikroskopi posebne lo~ene nastavke v obliki zaslonk, ki jih dodatno namestimo. Te lo~ene zaslonke se razlikujejo po obliki glede na na~rtovane razmere v komori ter na vrsto na~rtovanega eksperimenta. Tako ima PLA-zaslonka za mikrokemi~no EDS-analizo podaljšan konus, ki ga nastavimo tik nad površino preiskovanega vzorca. Tako zagotovimo, da je pot elektronskega curka zaš~itena skoraj do površine vzorca in da je vpliv trkov s plinskimi molekulami ~im manjši. Mikrokemi~na EDS-analiza v ESEM-u je mogo~a samo z uporabo višjih pospeševalnih napetosti, kjer dobimo dovolj mo~an signal rentgenskega sevanja. Namre~ molekule vodne pare tvorijo dodatne »okoljske« sekundarne elektrone, ne oja~ajo pa rentgenskega signala.
Specifi~nost ESEM-a je tudi, da omogo~a opazovanje površine vzorcev pri povišanih temperaturah (do 1500 °C). V takih primerih potrebujemo posebno zaš~itno zaslonko iz kerami~nega materiala, ki zavaruje elektronsko kolono pred toplotnim sevanjem.
Tlak v komori ESEM-a je mogo~e pove~ati do 20 mbar in se s tem grobo približati atmosferskim (okoljskim) razmeram. Visokovakuumski mikroskopi imajo tlak v komori okoli 1 ■ 10-5 mbar.
Kljub povišanemu tlaku in visoki relativni vlažnosti v komori pa se zaradi delovanja elektronskega curka, ki lokalno segreva vzorec, ta za~ne izsuševati in spreminjati prvotno obliko in strukturo. Da bi ohranili vzorce v prvotni obliki, je treba dose~i 100-odstotno relativno vlažnost, ki pa je odvisna od tlaka in temperature (slika 2). Pri sobni temperaturi bi tako morali za analizo uporabljati tlak okoli 20 mbar. V takih razmerah je koli~ina vodne pare v komori prevelika, kar mo~no vpliva na lo~ljivost slike. Za ustrezno kvaliteto slik se navadno uporablja tlak do 7 mbar.
Za analiziranje mokrih vzorcev je zato standardna oprema ESEM-a posebna ohlajevalna enota, imenovana Peltierjeva mizica. Omogo~a nastavitev in nadzor temperature vzorca v temperaturnem obmo~ju od -20 °C do 50 °C. Najpogostejša praksa za biološke in medicinske vzorce, ki jih ne želimo popolnima zamrzniti, zagotoviti pa želimo kvalitetno sliko, je podhlajevanje na temperaturo 2-5 °C in tlak v komori okoli 5 mbar.
Za preskuse v vro~em je potrebna žarilna enota -vodno hlajena mizica, ki omogo~a segrevanje vzorcev do 1500 °C ter in-situ opazovanje žarilnih procesov.
4 NAČIN DETEKCIJE ELEKTRONOV V ESEM-U
Sekundarni elektroni zagotavljajo najve~jo mogo~o lo~ljivost v sem, vendar klasi~ni Everhart-Thorn-leyjev detektor (ET), ki ima pozitivno prednapetost, ne deluje v plinskem okolju ESEM-a. Ker so nekateri deli detektorja (scintilator, fotopomnoževalka) izpostavljeni visoki napetosti, je visoki vakuum za delovanje detektorja obvezen. V plinskem okolju se lahko pojavi elektri~ni oblok, ki prepre~i tvorbo slike ali celo poškoduje detektor.
Posebej za ESEM-e je G. D. Danilatos [3,4] razvil prvi detektor za okoljske sekundarne elektrone (ESD). Kasneje so razvili še plinski detektor za sekundarne elektrone (GSED). Taki detektorji niso ob~utljivi za
Slika 2: Relativna vlažnost v odvisnosti od tlaka in tempe- Slika 3: Nastanek dodatnih okoljskih sekundarnih elektronov
rature [1] 16
in pozitivnih ionov v ESEM-u [1]
svetlobo in toploto, kar je pomembno pri žarilnih procesih v mikroskopu.
Pri detektiranju elektronov ima pomembno vlogo dodani plin v komoro mikroskopa. Sekundarni elektroni, ki nastanejo pri interakciji primarnega elektronskega curka z atomi vzorca, trkajo z molekulami vode (ali drugega plina). Pri tem nastajajo dodatni t. i. okoljski sekundarni elektroni, ki jih privlači pozitivno nabiti ESD-detektor. Nastajajo pa tudi pozitivni ioni, ki se gibljejo v nasprotni smeri proti površini vzorca in povzročijo nevtralizacijo površine (slika 3). Ta proces prepreči lokalno elektronsko nabijanje površine, ki je posledica interakcije s primarnimi elektroni.
5 UPORABA ESEM-A
Želja po raziskovanju številnih vrst materialov z vrstičnim elektronskim mikroskopom je pripeljala do več različnih načinov mikroskopiranja, ki pa niso ustrezni za vse vrste materialov.
Najpogosteje se uporablja metoda predhodne pre-paracije površine z naparevanjem ogljika ali naprše-vanjem čistih kovin, kot so zlato, platina in paladij.
Slabost prekrivanja površine s sicer zelo tanko plastjo je, da spremenimo originalno površino. To je posebej moteče pri visoko ločljivi mikroskopiji in pri mikro-kemični analizi, saj v tem primeru deluje dodatna plast kot nečistoča vzorca. Ta metoda se je dobro uveljavila za kompaktne, trdne in neprevodne materiale, primerne za visoki vakuum.
Razvoj visoko ločljivih vrstičnih elektronskih mikroskopov (HRSEM) z izvirom na poljsko emisijo, kjer je lateralna ločljivost SEM okoli 1 nm, je omogočil mikroskopiranje z zelo majhnimi pospeševalnimi napetostmi (od 0,5 kV do 5 kV). Zaradi majhnega toka elektronov je tudi lokalno nabijanje minimalno in naprševanje tanke plasti ni potrebno. Rezultat je visoko ločljiva slika tudi za neprevodne, a trdne materiale. Razkrijejo se podrobnosti na površini vzorcev, ki so bile prej skrite našim očem.
Omejitve pri bioloških vzorcih so ostale, saj jih je treba še zmeraj podhlajevati s tekočim dušikom zunaj komore ali s posebno zamrzovalno enoto (Cryo stage) v komori. Številni biologi so prepričani, da tak postopek spremeni osnovno strukturo mehkih tkiv podobno kot kemična fiksacija z osmijevim tetraoksidom.
Tretjo možnost raziskovanja neprevodnih, mehkih, poroznih in mokrih materialov je ponudil razvoj ESEM-ov. Uveljavili so se predvsem na področju pre-hrambne in kemične industrije, forenzičnih raziskav, rutinskih preiskav polimernih in gradbenih materialov ter pri spremljanju in-situ procesov, kjer druge tehnike odpovedo. Slabost ESEM-a je, da se elektronski curek razprši po komori in povzroči fluorescenčno sevanje s celotne površine vzorca. posledica je slaba ločljivost slik. V večini primerov je smiselna uporaba manjših povečav do 15 000-krat.
Na sliki 4a je SEM-posnetek prelomne površine polimera, napršene z zlatom in analizirane v visokem
Slika 4: Primerjava SEM-posnetkov krhke prelomne površine polimera: a) napršene z zlatom, tlak v komori 1 - IG-5 mbar, b) vzorec brez predhodne priprave, tlak v komori 1,3G mbar. Fotografiji sta bili posneti na Univerzi v Mariboru, Fakulteti za strojništvo, mikroskop Quanta 3D.
Slika 5: SEM-posnetek dela pajka pri tlaku 3 mbar v komori. Fotografija je bila posneta na Univerzi v Mariboru, Fakulteti za strojništvo, mikroskop Quanta 3D.
vakuumu (1 ■ 10-5 mbar). Na sliki 4b pa je povr{ina vzorca brez predhodne priprave pri povi{anem tlaku 1,3 mbar v komori. Slika 4a ima ve~ji kontrast in ve~jo lo~ljivost brez zna~ilnih ~rt, ki nastajajo zaradi elektri~nega nabijanja povr{ine. Slika 4b prikazuje originalno povr{ino brez dodatne priprave, a z manj-{im kontrastom in manj{o lo~ljivostjo.
Konstantno vakuumiranje in dodajanje majhnega deleža vodne pare je tudi eden od na~inov preparacije vlažnih vzorcev (slika 5). Med po~asnim izsu{eva-njem slika ni stabilna, a ko je proces kon~an je mogo~e zagotoviti kvalitetno sliko.
Uporaba žarilne enote v komori ESEM-a zahteva posebne varnostne ukrepe za prepre~itev po{kodb delov mikroskopa. Vzorec za žarjenje namestimo v poseben kerami~en lon~ek, ki ima na vrhu luknjico, skozi katero prehaja elektronski curek. Za detekcijo se uporablja GSED-detektor, ki je name{~en na konico kolone tik nad vzorcem. Uporaba drugih detektorjev ni mogo~a, saj so ob~utljivi za svetlobo, ki jo oddajajo žarjeni vzorci. Prav tako pri visokih temperaturah ni mogo~a EDS-analiza, saj so deli detektorja ob~utljivi
za povi{ane temperature. Med delom je treba detektor celo izvle~i iz komore.
Na sliki 6 sta dva izbrana SEM-posnetka poskusa segrevanja tankega traku, litega na vrte~e kolo, iz zlitine Cu z 0,15 % Zr. Zlitina je bila segreta nad temperaturo tali{~a do 1500 °C in nato postopoma ohlajena do 9 °C. Na pali~astih oksidih so se tvorile kapljice taline, ki so se pri strjevanju izoblikovale v dendrite. Tlak v komori med poskusom je bil od 4 mbar do 6 mbar. Komoro je bilo treba konstantno prepihovati z vodno paro.
Primerov uporabe ESEM-ov je veliko v pre-hrambni industriji, za katero so zna~ilni ob~utljivi, mehki in porozni, pogosto vlažni ali zamrznjeni izdelki, ki so praviloma neprevodni in ob~utljivi za visoki vakuum. Primer ohlajanja in segrevanja kakavovega masla je na sliki 7. Struktura kakavovega masla je mo~no odvisna od temperature in ima pri nizkih temperaturah celo ve~ kristalnih oblik. Spreminjanje povr{ine masla je z uporabo Peltierjeve ohlajevalne mizice mogo~e opazovati v dolo~enem temperaturnem obmo~ju.
Slika 6: SEM-posnetka tankega traku, litega na vrteče kolo, zlitine Cu z masnim deležem Zr 0,15 %: a) kapljica taline po segrevanju zlitine nad temperaturo tališča 1400 °C, b) v trdnem stanju po postopnem ohlajanju na temperaturo 46 °C. Fotografiji sta bili posneti na Research Institute for Electron Microscopy, TU Graz, mikroskop Quanta FEG.
Slika 7: SEM-posnetka kakavovega masla, podhlajenega na 0 °C in nato počasi segretega do 50 °C: a) kakavovo maslo v kristalni obliki pri temperaturi 2 °C; b) topljenje masla in izločanje vodnih kapljic pri temperaturi 50 °C. Fotografiji sta bili posneti na Research Institute for Electron Microscopy, TU Graz, mikroskop Quanta FEG.
6 SKLEP
ESEM-i so omogo~ili nov na~in raziskovanja materialov, ki so neprevodni, celo mokri ali ob~utljivi za visoki vakuum. Pri tej metodi ni potrebna dodatna priprava povr{ine. To pomeni, da analiziramo originalno izhodno povr{ino vzorcev. ESEM-i so nadgradnja raziskav s svetlobnimi mikroskopi glede velikosti pove~av, ohranjajo pa odlo~ilno prednost, saj kljub dodanim plinom v komoro mikroskopa omogo~ajo mikrokemi~no EDS-analizo. Uveljavili so se pri biolo{kih, medicinskih, polimernih in gradbenih materialih, predvsem pa v prehrambni in farmacevtski industriji ter za forenzi~ne preiskave. Slabost teh
mikroskopov pa je, da ne omogo~ajo tako visoke lo~ljivosti kot klasi~ni visokovakuumski mikroskopi. Razvoj ESEM-ov je v zadnjih letih zastal oziroma se je osredinil na okoljske visoko lo~ljive presevne elektronske mikroskope.
7 LITERATURA
[1]	Philips Electron Optics: Enviromental scanning electron microscopy, An Introduction to ESEM, Robert Johnson Associated, 1996
[2]	G. D. Danilatos, Scanning, 3 (1980), 215-217
[3]	G. D. Danilatos, Method and apparatus for an atmospheric scanning electron microscope, U. S. Patent No. 4,596,928 (1984)
[4]	J. F. Mancuso, W. B. Maxwell, G. D. Danilatos, Secondary electron detector for use in a gaseous atmosphere, U. S. Patent No. 4,785,182 (1987)