مجهر إلكتروني ماسح

تُظهر صورة حبيبات حبوب اللقاح التي تم التقاطها على مجهر إلكتروني ماسح.

المجهر الإلكتروني الماسح هونوع من أنواع المجاهر الإلكترونية التي تنتج صور عينة عن طريق مسح ذلك مع شعاع مركز من الإلكترونات. تتفاعل الإلكترونات مع الذرات في العينة، وتنتج إشارات مختلفة تحتوي على معلومات حول تضاريس السطح وتكوينه. يتم مسح شعاع الإلكترون بشكل عام باستخدام المسح النقطي ويتم الجمع بين مسقط الشعاع مع الإشارة لإنتاج صورة. سيم يمكن تحقيق فصل أفضل من 1 نانومتر. ويمكن مشاهدة العينات في فراغ عالي، في فراغ منخفض، في ظروف رطبة (في المجهر الإلكتروني الماسح البيئي)، وفي مجموعة واسعة من درجات الحرارة المنخفضة جدًا أوالمرتفعة. إذا أسلوب المجهر الإلكتروني الماسح الأكثر شيوعا هوالكشف عن الإلكترونات الثانوية المنبعثة من ذرات مثارة بواسطة شعاع الإلكترون. يعتمد عدد الإلكترونات الثانوية التي يمكن اكتشافها، من بين أمور أخرى، على تضاريس العينة. عن طريق مسح العينة وجمع الإلكترونات الثانوية التي تنبعث باستخدام كاشف خاص، يتم إنشاء صورة عرض تضاريس السطح.

في الأجهزة التناظرية، يتم مسح شعاع الإلكترونات عبر العينة في المسح النقطي بواسطة لفائف المسح الضوئي. ويشبه نمط المسح النقطي الناتج عن ذلك النمط المستعمل في أنبوب أشعة الكاثود لنظام التلفزيون بحيث تقوم الإلكترونات بالتالي:

1. تجتاح السطح خطيا في الاتجاه السيني.

2. تعود إلى نقطة البداية.

3. تتجه في اتجاه محور الصادات بواسطة أداة قياسية.

التاريخ

قدم ماكمولان سرداً لتاريخ المجهر الإلكتروني الماسح. على الرغم من حتى ماكس كنول ابتكر صورةً أبعادها 50 ملم تُظهر تباين القنوات باستخدام ماسح شعاع الإلكترون، إلا حتى مانفريد فون آردنهومن كان اخترع عام 1937 ميكروسكوباً حقيقياً بدرجة تكبير عالية، عن طريق مسح نقطية صغيرة جداً بشعاع إلكتروني دقيق الهجريز. طبّق آردين مبدأ المسح ليس فقط للحصول على التكبير فحسب بل أيضاً للتخلص عن قصد من الزيغ اللوني. كما ناقش أساليب الكشف المتنوعة وإمكانيات ونظريات المجهر الإلكتروني الماسح، مه بناء أول مجهرإلكتروني ماسح عالي التكبير. كما قدّمت أعمال أخرى نفّذتها مجموعة فلاديمير زوريكين، تلتها مجموعات عمل في كامبريدج في عقد الخمسينيات وأوائل عقد الستينيات، بقيادة تشارلز أوتالي، أدت جميعها في نهاية الأمر إلى ترويج أول أداة في السوق بواسطة شركة كامبريدج للأدوات الفهمية باسم "ستيريوسكان" عام 1965، وقد تمّ تسليمها إلى شركة دوبونت.

المبادئ والقدرات

تنتج الإشارات التي يستخدمها المجهر الإلكتروني الماسح لإنتاج صورة عن تفاعلات الشعاع الإلكتروني مع الذرات على أعماق مختلفة داخل العينة. تُنتج أنواع مختلفة من الإشارات تتضمن الإلكترونات الثانوية (إس إي) والإلكترونات المنعكسة أوالمبعثرة المرتدة (بي إس إي)، والأشعة السينية المميزة والضوء (التوهج الكاثودي) (سي إل)، والتيار الممتص (تيار العينة)، والإلكترونات المنقولة. تُعد أجهزة الكشف الإلكترونية الثانوية معدات قياسية في جميع المجاهر الإلكترونية الماسحة، ولكن من النادر حتىقد يكون لآلة واحدة أجهزة كشف لجميع الإشارات المحتملة الأخرى.

تحتوي الإلكترونات الثانوية على طاقات منخفضة للغاية بقيمة 50 إلكترون فولط، ما يحد من متوسط مسارها الحر في المادة الصلبة. ونتيجةً لذلك، لا تستطيع الإلكترونات الثانوية سوى الهروب من النانومترات القليلة العلوية لسطح العينة. تميل الإشارة الصادرة عن الإلكترونات الثانوية إلى حتى تكون موضعية للغاية عند نقطة تأثير شعاع الإلكترون الأولي، ما يجعل من الممكن جمع صور لسطح العينة بدقة أقل من 1 نانومتر. الإلكترونات المبعثرة المرتدة (بي إس إي) هي إلكترونات شعاعية تنعكس من العينة عن طريق الانتثار المرن. إنها تظهر من مواقع أعمق داخل العينة، ومن ثم فإن دقة الصور بالإلكترونات المبعثرة المرتدة أقل من دقة الصور بالإلكترونات الثانوية. ومع ذلك، غالبًا ما تُستخدم الإلكترونات المبعثرة المرتدة في المجهر الإلكتروني الماسح التحليلي، إلى جانب الأطياف المصنوعة من الأشعة السينية المميزة، لأن شدة إشارة الإلكترونات المبعثرة المرتدة ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالعدد الذري (Z) للعينة. قد توفر الصور بالإلكترونات المبعثرة المرتدة معلومات حول توزيع العناصر المتنوعة في العينة، لا عن تماثلها. في العينات التي تتكون في الغالب من عناصر خفيفة، مثل العينات البيولوجية، يمكن للتصوير بالإلكترونات المبعثرة المرتدة حتى يصور وسمات مناعية بالمضى الغرواني بقطرخمسة أوعشرة نانومتر، والتي سيكون من الصعب أوالمحال اكتشافها في صور الإلكترونات الثانوية. تنبعث الأشعة السينية المميزة عندما يزيل شعاعُ الإلكترون غلافَ التكافؤ الداخلي من العينة، ما يتسبب بإلكترون بمستوى طاقة أعلى لملء الغلاف وإطلاق الطاقة. يمكن قياس الطاقة أوالطول الموجي لهذه الأشعة السينية المميزة بواسطة مطيافية تشتت الطاقة بالأشعة السينية أومطيافية تشتت طول الموجة بالأشعة السينية، وتُستخدم لتحديد العناصر في العينة وقياس وفرتها وتحديد توزيعها.

نظرًا إلى شعاع الإلكترون الضيق جدًا، تتمتع الصور المجهرية للمجهر الإلكتروني الماسح بعمق كبير في المجال، ما يعطي مظهرًا مميزًا ثلاثي الأبعاد مفيدًا لفهم البنية السطحية للعينة. يتجلى ذلك في صورة مجهرية لحبيبات لقاح المشروحة أعلاه. هناك مجموعة واسعة من التكبيرات ممكنة، منعشرة مرات تقريبًا (ما يعادل عدسة يدوية قوية تقريبًا) إلى أكثر من 500,000 مرة، أي نحو250 ضعف حد التكبير لأفضل المجاهر الضوئية.

تحليل الحقن الشعاعي لأشباه الموصلات

إن طبيعة مِسبار المجهر الإلكتروني الماسح، الإلكترونات النشطة، تجعله مناسبًا بشكلٍ فريد لفحص الخصائص البصرية والإلكترونية لمواد أشباه الموصلات. يفترض أن تحقن الإلكترونات عالية الطاقة من شعاع المجهر الإلكتروني الماسح حاملاتِ الشحن في أشباه الموصلات. ومن ثم ستفقد إلكترونات الشعاع الطاقة عن طريق تعزيز الإلكترونات من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل، تاركةً ثقوبًا وراءها.

في مادة فجوة الحزمة المباشرة، تؤدي إعادة هجريب أزواج الثقوب الإلكترونية هذه إلى التوهج الكاثودي؛ إذا كانت العينة تحتوي على حقل كهربائي داخلي، مثل الموجود في وصلة بّي إذا (وصلة الموجب والسالب)، فإن حقن حزمة المجهر الإلكتروني الماسح للحاملات يتسبب بتدفق التيار المستحث بشعاع الإلكترون (إي بي آي سي). يُشار إلى التوهج الكاثودي وَإي بي آي سي بتقنيات «حقن الشعاع»، وهي مسابير قوية جدًا للسلوك الإلكتروني الضوئي لأشباه الموصلات، وخاصةً لدراسة الميزات والعيوب النانوية.

مراجع

^ McMullan, D. (2006). "Scanning electron microscopy 1928–1965". Scanning. 17 (3): 175–185. doi:10.1002/sca.4950170309. PMC 2496789. مؤرشف من الأصل في 14 مايو2019.
^ McMullan, D. (1988). "Von Ardenne and the scanning electron microscope". Proc Roy Microsc Soc. 23: 283–288.
^ Knoll, Max (1935). "Aufladepotentiel und Sekundäremission elektronenbestrahlter Körper". Zeitschrift für technische Physik. 16: 467–475.
^ von Ardenne M. Improvements in electron microscopes. GB 511204 , convention date (Germany) 18 February 1937
^ von Ardenne, Manfred (1938). "Das Elektronen-Rastermikroskop. Theoretische Grundlagen". Zeitschrift für Physik (باللغة الألمانية). 109 (9–10): 553–572. Bibcode:1938ZPhy..109..553V. doi:10.1007/BF01341584.
^ von Ardenne, Manfred (1938). "Das Elektronen-Rastermikroskop. Praktische Ausführung". Zeitschrift für technische Physik (باللغة الألمانية). 19: 407–416.
^ Zworykin VA, Hillier J, Snyder RL (1942) A scanning electron microscope. ASTM Bull 117, 15–23.
^ McMullan, D. (1953). "An improved scanning electron microscope for opaque specimens". Proceedings of the IEE – Part II: Power Engineering. 100 (75): 245–256. doi:10.1049/pi-2.1953.0095.
^ Oatley CW, Nixon WC, Pease RFW (1965) Scanning electron microscopy. Adv Electronics Electron Phys 21, 181–247.
^ Smith KCA, Oatley, CW (1955). "The scanning electron microscope and its fields of application". British Journal of Applied Physics. 6 (11): 391–399. Bibcode:1955BJAP....6..391S. doi:10.1088/0508-3443/6/11/304. صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفون (link)
^ Wells OC (1957) The construction of a scanning electron microscope and its application to the study of fibres. PhD Dissertation, Cambridge University.
↑ Suzuki, E. (2002). "High-resolution scanning electron microscopy of immunogold-labelled cells by the use of thin plasma coating of osmium". Journal of Microscopy. 208 (3): 153–157. doi:10.1046/j.1365-2818.2002.01082.x.