Eğitimler

15
Eki

Taramalı Elektron Mikroskobu (Scanning Elektron Microscope – SEM)

SEM, odaklanmış bir elektron demeti ile numune yüzeyini tarayarak görüntü elde eden bir elektron mikroskobu türüdür. Elektronlar numunedeki atomlarla etkileşerek numune yüzeyindeki topografi ve kompozisyon hakkında bilgiler içeren farklı sinyaller üretir. Elektron demeti raster (hücresel) tarama düzeni ile yüzeyi tarar ve demetin konumu, algılanan sinyalle eşleştirilerek görüntü oluşturulur.

SEM ile 1 nanometreden daha yüksek çözünürlüğe ulaşılabilir. Standart SEM cihazları yüksek vakumda, kuru ve iletken yüzeyleri incelemek için uygundur. Ancak düşük vakumda, nemli koşullarda, çok düşük sıcaklıklardan yüksek sıcaklıklara değişen koşullarda çalışabilen, çevresel taramalı elektron mikroskobu gibi özelleşmiş cihazlar da mevcuttur.

sem-     sem-

SEM’de görüntü oluşturmak için en çok, elektron demeti tarafından uyarılan numune atomlarının yaydığı ikincil elektronlardan faydalanılır. Numunenin farklı bölgelerinden kopan ikincil elektronların sayısındaki değişim öncelikle demetin yüzeyle buluşma açısına, yani yüzeyin topografisine bağlıdır.

sem-  sem-

İkincil elektronların yanında geri saçılan elektronlar, karakteristik X-ışınları, ışık (katot ışını), numune akımı ve aktarılan elektronlarla da numuneden çeşitli sinyaller elde edilerek amaca uygun topografi ve kompozisyon analizleri yapılır.

Avantajlar – Dezavantajlar

 Avantajları                                                                                                 Dezavantajları

Çözme Gücü                                                                                           – Vakum

Çözme Derinliği                                                                                      İletken numune

Büyütme                                                                                                   Bakım masrafları yüksek ($300K)

 

Tarihçe

SEM’in erken tarihi McMullan tarafından aktarılmıştır. İlk elektromanyetik lens 1926’da Hans Busch tarafından geliştirdi. Bir takım başarısız denemelerin ardından 1931’te Alman fizikçi Ernst Ruska ve elektrik mühendisi Max Knoll X400 büyütme gücüne sahip bir elektron mikroskobu prototipi oluşturdular. Bu cihaz elektron mikroskobunun temel prensiplerini ortaya koydu.

1933’te ise Ruska ışık mikroskobu ile elde edilebilen çözünürlüğü aşan bir elektron mikroskobu üretti. Daha sonra, Knoll elektron demeti taraması kullanarak 50 mm objektif alan genişliğine sahip, kanallama kontrastı gösteren bir fotoğraf çekti. Tüm bu gelişmelerin ardından, 1937’de, Manfred von Ardenne, daraltılmış ve iyi odaklanmış bir elektron demeti ile çok küçük bir alanı tarayarak, yüksek çözünürlüklü gerçek bir taramalı elektron mikroskobu icat etmeyi başardı.

Ardenne, tarama prensibini hem yüksek büyütmeye ulaşmak için, hem de elektron mikroskobunun doğasında bulunan kromatik sapıncı engellemek için uygulamıştır. Ayrıca farklı görüntüleme modları ve SEM teorisi ile ilgili çalışmalar yapmıştır. SEM cihazları yıllar içinde Zworykin grubu ve Charles Oatley yönetimindeki Cambridge grubu tarafından geliştirilmeye devam etmiş ve ilk ticari cihaz “Stereoscan” adı ile 1965 yılında Cambridge Scientific Instrument Company tarafından DuPont firmasına satılmıştır.

Çalışma Prensibi

Yüksek enerjili demet elektronları, numune atomlarının dış yörünge elektronları ile elastik olmayan girişimi sonucunda düşük enerjili Auger elektronları oluşur. Bu elektronlar numune yüzeyi hakkında bilgi taşır ve Auger Spektroskopisinin (bir atomun, aynı atom arasında bir elektron emisyon ile atomdaki boşlukları doldurması olayı) çalışma prensibini oluşturur.

sem-

Yine yörünge elektronları ile olan girişimler sonucunda yörüngelerinden atılan veya enerjisi azalan demet elektronları numune yüzeyine doğru hareket ederek yüzeyde toplanırlar. Bu elektronlar “ikincil elektron” olarak tanımlanır.

İkincil elektronlar numune odasında bulunan sintilatörde (bir yüklü parçacık uyarılmasında gözle görünür ışık yayan kristal veya maddelerdir.) toplanarak ikincil elektron görüntüsü sinyaline çevrilir. İkincil elektronlar numune yüzeyinin 10 nm veya daha düşük derinlikten geldiği için numunenin yüksek çözünürlüğe sahip topografik görüntüsünün elde edilmesinde kullanılır.

Uygulama Alanları

  • Doğal kaynakların morfolojisini (malzemenin yapı ve biçimini inceleyen ve özel fiziksel özelliklerini araştıran bilim dalı) ve mineralojisini (minerallerin geometrik şekillerini, içyapılarını, fiziksel-kimyasal özelliklerini ve bunlar arasındaki ilişkileri ve yasaları, ayrıca endüstriyel kullanımlarını ve uygulamalarını inceleyen bir bilim dalı) araştırma uygulamaları,
  • Minerallerin ya da taşların kimyasal kompozisyonunun saptanması,
  • İmal edilen bileşenlerin rutin analizler sonucunda kalite standartlarına ve dayanıklılık gereksinimlerine uyup uymadığının araştırılması,
  • Malzemelerin sahip olduğu kusurların ve aşınma özelliklerinin saptanması,
  • Ateşli silah artıkları gibi kriminal kanıtların incelenmesi ve toksikoloji,
  • İlaç bileşenlerinin parçacık boyutu ve morfolojisinin incelenmesi,
  • Malzemelerin yüzey özellikleri, korozyon dayanımları, kaplama kalınlığı, parçacık boyutu ve morfolojisi gibi özelliklerin belirlenmesinde kullanılır.

Ayrıca bu cihaz; malzeme bilimi, kimya ve eczacılık, adli tıp, jeoloji, diş hekimliği, inşaat sektörlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır.

Yazar: Aslı TÜRKAY (Makine Teknolojileri Kulübü)