Cốt lõi của hình ảnh của kính quét (SEM) nằm trong "cuộc trò chuyện" năng động của chùm electron với mẫu, một quá trình đạt được thông qua tương tác điện tử-vật chất, cuối cùng chuyển đổi hình dạng vi mô thành hình ảnh trực quan.

Tạo và tập trung chùm electron

Súng điện tử là nguồn gốc của chùm tia điện tử và loại của chúng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng hình ảnh. Súng điện tử phát nhiệt tạo ra các electron bằng cách làm nóng dây vonfram, trong khi súng điện tử phát từ trường sử dụng điện trường mạnh để rút electron trực tiếp từ kim loại, có thể tạo thành các đốm siêu nhỏ có đường kính chỉ 0,4-2 nanomet, mang lại độ phân giải gần với quy mô nguyên tử. Sau khi chùm tia điện tử được tập trung qua ống kính điện từ hai giai đoạn, trên bề mặt mẫu hình thành điểm quét nano, điện áp tăng tốc (0,1-30kV) xác định năng lượng điện tử, điện áp cao có thể xuyên qua mẫu dày hơn, điện áp thấp tăng cường độ nhạy bề mặt.

Cơ chế "đối thoại" giữa điện tử và mẫu

Khi chùm electron bắn phá bề mặt mẫu, hai loại tương tác chính xảy ra:

Tán xạ đàn hồi: Một electron thay đổi hướng sau khi va chạm với hạt nhân nguyên tử nhưng mất năng lượng rất nhỏ, tạo ra electron tán xạ ngược (BSE). Sản lượng của nó có liên quan tích cực đến số nguyên tử, do đó hình ảnh BSE có thể phản ánh sự phân bố thành phần của mẫu, chẳng hạn như trạng thái phân tán của các hạt kim loại trong ma trận polymer.

Tán xạ không đàn hồi: Sự va chạm của các electron với các electron bên ngoài nguyên tử dẫn đến mất năng lượng, kích thích các electron thứ cấp (SE) và tia X đặc trưng. Năng lượng SE rất thấp (1-15eV), chỉ từ 5-10nm bề mặt của mẫu, là tín hiệu cốt lõi của hình ảnh bề mặt; Các tia X đặc trưng mang thông tin đặc trưng của các yếu tố và có thể thực hiện phân tích định lượng thành phần vi vùng thông qua máy quang phổ năng lượng (EDS).

Thu thập tín hiệu và xây dựng lại hình ảnh

Một mảng các máy dò được cấu hình phía trên mẫu thu được tín hiệu tán xạ trong thời gian thực. Máy dò SE thường được đặt phía trên mặt mẫu để tăng hiệu quả thu thập; Máy dò BSE được lắp đặt ở góc cao hơn để tăng cường độ tương phản thành phần. Máy tính điều khiển đồng bộ quỹ đạo quét chùm tia điện tử với thu thập tín hiệu, chuyển đổi cường độ tín hiệu của mỗi điểm quét thành giá trị thang xám và cuối cùng ghép thành hình ảnh có độ phân giải cao. Ví dụ, khi quan sát vật liệu điện cực pin lithium, SEM có thể đồng thời trình bày hình dạng nứt (hình ảnh SE) của các hạt hoạt động so với phân phối chất dẫn (hình ảnh BSE), cung cấp dữ liệu hai chiều để phân tích lỗi.

Sự cần thiết của môi trường chân không

Phòng mẫu cần duy trì chân không cao (10⁻³-10⁻Pa) để tránh suy giảm tín hiệu do va chạm giữa chùm electron và phân tử khí. Đối với các mẫu sinh học chứa nước hoặc vật liệu không dẫn điện, cần sử dụng kính quét môi trường (ESEM) hoặc xử lý mạ (ví dụ: phun vàng, phun carbon) để cân bằng chất lượng tín hiệu với tính toàn vẹn của mẫu.

Hình ảnh động và mở rộng đa phương thức

SEM hiện đại đã vượt qua giới hạn hình ảnh tĩnh. Quá trình thay đổi pha của vật liệu có thể được quan sát trong thời gian thực thông qua bàn sưởi/làm mát tại chỗ; Kết hợp với nhiễu xạ tán xạ ngược điện tử (EBSD), thông tin định hướng tinh thể có sẵn đồng bộ; Kết hợp với quang phổ Raman cho phép mô tả ba chiều hình dạng - thành phần - cấu trúc. Những sự kết hợp công nghệ này làm cho SEM trở thành "con mắt vi mô" trong các lĩnh vực như khoa học vật liệu, y sinh và nhiều hơn nữa.