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掃描式電子顯微鏡(SEM)和穿透式電子顯微鏡(TEM)如何選擇?

勀傑科技團隊 譯

電子顯微鏡已經成為檢測各種材料上的有力工具,多功能性和高解析度使其成為許多應用中非常有價值的工具。其中又可分為穿透式電子顯微鏡(transmission electron microscope, TEM)和掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM),在本篇文章中,將簡要描述他們的相似點和相異之處。

掃描式電子顯微鏡 (SEM) 與 穿透式電子顯微鏡(TEM) 的運作原理

掃描式電子顯微鏡(SEM)和穿透式電子顯微鏡(TEM)這兩種設備都使用電子來獲取樣品的成像。他們的主要組成部分是相同的而這些組件都處於高真空中

  • 電子訊號源
  • 透過電磁和靜電透鏡控制電子束的形狀和軌跡
  • 光闌

兩種設備的差異則在於SEM是使用一組特定的線圈,以光柵樣式掃描樣品並收集散射的電子,偵測器位於上方;而TEM是使用透射電子,讓電子穿透過樣品,再由下方偵測器收集訊號。因此SEM提供了樣品表面及其組成成分的資訊,而TEM提供了樣品的內部結構,如晶體結構,形態和應力狀態的資訊。SEM的解析度約0.5奈米,而TEM的解析度甚至小於50皮米(1皮米=10-12米)。

哪一種電子顯微鏡更適合做為分析使用?

這完全取決於操作員想要執行的分析類型。例如,如果操作員想獲取樣品的表面資訊,如粗糙度或污染物檢測,則應選擇掃描式電子顯微鏡(SEM)。另一方面,如果想知道樣品的晶體結構是什麼,或者想尋找可能存在的結構缺陷或雜質,那麼使用穿透式電子顯微鏡(TEM)是唯一的方法。

SEM提供樣品表面的3D成像,而TEM成像是樣品的2D投影。由於透射電子的要求,TEM的樣品必須非常薄,通常低於150奈米,若是在需要高解析度成像的情況下,甚至需要低於30奈米,而對於SEM成像,沒有這樣的特定要求。

掃描式電子顯微鏡(SEM)與穿透式電子顯微鏡(TEM)的樣品製備

掃描式電子顯微鏡(SEM)的樣品製備程序很少或甚至不需要。相比之下,穿透式電子顯微鏡(TEM)的樣品製備是一個相當複雜繁瑣的過程,只有經過培訓和有經驗的使用者才能成功完成,樣品需要非常薄且平坦,並且製備技術不能對樣品產生任何偽像(例如沉澱或非晶化),目前已經開發了許多方法,包括電拋光、機械拋光和聚焦離子束刻蝕,以及專用於承載TEM樣品的銅網支架。

掃描式電子顯微鏡(SEM)與穿透式電子顯微鏡(TEM)的使用差異

加速電壓在掃描式電子顯微鏡(SEM)通常最高使用到30kV,而穿透式電子顯微鏡(TEM)可以將其設置在60-300kV的範圍內。與SEM相比,TEM提供的放大倍率也相當高,TEM可以將樣品放大5000萬倍以上,而對於SEM來說,限制在1~2百萬倍之間。然而 SEM可以實現的視場(field of view, FOV)遠大於TEM,使用者可以只對樣品的一小部分進行成像,而SEM的景深也遠高於TEM。

圖為矽的電子顯微鏡成像。(a)SEM的SED成像模式,提供有關表面形態的信息,而 (b) TEM成像顯示有關內部樣品的結構信息。

此外,兩者成像的方式也不同,在 SEM 中,樣品位於電子束的底部,散射電子(或二次電子)被偵測器捕獲,並使用光電倍增管將該信號轉換為電壓信號,該信號被放大以在 PC 螢幕上創建成像。在 TEM中,樣品位於電子束的中間,傳輸的電子穿過樣品並由下方的透鏡(中間透鏡和投影透鏡),成像直接顯示在螢光幕上或通過電荷耦合器件。

掃描式電子顯微鏡 (SEM) 和穿透式電子顯微鏡 (TEM) 的主要差異

掃描式電子顯微鏡(SEM)穿透式電子顯微鏡(TEM)
電子種類二次電子、背向散射電子穿透電子束
加速電壓1~30 kV60~300 kV
樣品厚度無限制建議小於150 nm
資訊種類3D表面成像2D內部構造投影
最大放大高達1~2百萬倍多於5千萬倍
視場有限
最佳空間解析度約0.5 nm小於50 pm
成像原理電子被偵測器收集, 成像在電腦螢幕上使用 CCD 在螢光幕或電腦螢幕上直接成像
操作員容易操作使用, 少量或不需樣品前製備受過培訓才能操作, 繁瑣的樣品前製備

結合掃描式電子顯微鏡 (SEM)和穿透式電子顯微鏡(TEM)的技術- STEM

還有一種電子顯微鏡技術結合穿透式電子顯微鏡(TEM)和掃描式電子顯微鏡(SEM),即掃描透射電子顯微鏡(scanning transmission electron microscopy, STEM)。現今大多數TEM可以直接切換到STEM模式,使用者只需要改變其對準程序,在STEM模式下,電子束會被精準的並「掃描」樣品表面(如SEM),而成像由透射電子產生(如TEM)。

在STEM模式下,使用者可以利用這兩種技術,除了能以非常高的解析度(甚至高於 TEM 解析度)查看樣品的內部結構,也可以搜集以下訊號:

1.X射線能量散布分析儀:

能量色散 X 射線光譜 (energy-dispersive X-ray spectroscopy, EDS or EDX) ,能透過檢測樣品被電子觸發時激發的X射線來識別樣品的組成元素。

2.電子能量損失光譜:

電子能量損失光譜 (electron energy loss spectroscopy, EELS),只能在以STEM模式運作的TEM系統中實現,它使得能夠研究材料的原子和化學組成、電子性質,以及局部厚度的測量。。

選擇掃描式電子顯微鏡(SEM)的考量因素

成像速度

桌上型掃描式電子顯微鏡(SEM)需要最少的樣品製備,且其真空要求較低、腔室體積較小等因素,使得系統能夠比一般落地款機型成像更快。

此外,桌上型SEM 因操作簡易能快速上手,通常直接由需要資訊的人員進行操作,這樣可以減少專門操作員執行分析、準備報告和傳達結果所需的時間。在某些應用中,越長的延遲會帶來風險與成本,分析的即時性以及能快速反應檢測結果的能力具有相當大的價值。

檢測需求評估

檢測需求是否明確定義?如果桌上型SEM就可以提供所需的資訊,為什麼要花更多的錢購買其他儀器?若擔憂未來會有超出桌上型SEM功能外的需求,可從潛在需求預計發生的時間點,以及針對要求更高的應用層面是否有其它外部資源可協助來進行評估。

就算未來發現桌上型SEM已無法滿足所需,這項初始投資還是可以繼續提供回饋,而落地款SEM或是TEM則做為更高解析度的應用。桌上型SEM作為入門款機型,也同時提供經驗以做為更高階功能和預算衡量的評估依據。

操作與維護

有多少人將使用該系統?用戶是否經過培訓?如果沒有,使用單位願意在培訓上投入多少時間?桌上型SEM 操作簡單,幾乎不需要樣品製備,對於操作人員的培訓要求不高,而且系統本身也更加耐操,其潛在維修成本要低得多;而落地款機型則需要投入更多時間與維護成本,通常需要專人來執行操作。

在掃描式電子顯微鏡 (SEM)與穿透式電子顯微鏡(TEM)做出選擇

主要的決定因素是兩個系統之間的巨大價格差異以及易用性,穿透式電子顯微鏡(TEM)可為用戶提供更高的解析能力和多功能性,但卻比掃描式電子顯微鏡(SEM)更昂貴且佔地空間更大,並且需要更多操作技巧與樣品前製備才能獲得滿意的結果。

從上述的比較來看,顯然沒有「比較好」的技術,取決於檢測樣品的類型與想要得到的資訊,當想從內部結構中獲取信息時,TEM 是首選,而當需要表面信息時,則首選 SEM。

期望本篇文章有讓您更了解SEM與TEM間的差異,勀傑科技獨家代理美國大廠Thermo Fisher Phenom桌上型SEM

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