Skenovací elektronové
mikroskopy

Představte si, že jste sami v neznámém temném pokoji a máte po ruce jen malou ruční svítilnu. Můžete začít prohledávat pokoj tak, že budete úzkým paprskem světla systematicky přejíždět ze strany na stranu, a přitom postupovat od shora dolů. Tímto způsobem jste schopni prohledat celý pokoj, zapamatovat si, co vidíte v každém bodě, a vytvořit si obraz předmětů ve své paměti. Na podobném principu funguje skenovací elektronový mikroskop. Místo svítilny však používá elektronový paprsek, oči jsou nahrazeny nejrůznějšími detektory a paměť zastupuje počítač.

Z velké části se SEM podobá TEMu – i zde najdeme vakuum, výkonnou elektroniku, ovládací software, elektrostatické a elektromagnetické čočky. Ty se však v tomto případě nachází pouze v prostoru nad vzorkem a slouží k zaostření svazku elektronů do malého bodu. Elektronový svazek následně skenuje po vzorku v pravoúhlé mřížce a nejrůznější detektory zaznamenávají interakce elektronů s každým bodem vzorku. Tyto interakce jsou u SEMu v principu stejné jako u TEMu, nicméně kvůli relativně velkým rozměrům a tloušťce vzorku vydávají signály ve zcela jiném poměru a intenzitě. Sekundární a zpětně odražené elektrony zde tvoří mnohem silnější a důležitější signál, naopak prošlé elektrony jsou v tomto případě téměř nebo zcela zanedbatelné.

V kostce: Hlavní rozdíly mezi SEMem a TEMem:

• V SEMu je obraz tvořen hlavně s pomocí sekundárních a zpětně odražených elektronů. V TEMu je obraz primárně tvořen na základě elektronů, které prošly vzorkem.
• Namísto širokého svazku v TEMu jsou v SEMu elektrony soustředěny do malého bodu (vzorek je jím následně skenován bod po bodu, řádek po řádku).
• Vzorek v TEMu musí být extrémně tenký (maximálně stovky nanometrů), v SEMu naopak může být výrazně větší (až desítky centimetrů).
• TEM poskytuje vyšší rozlišení než SEM.
• SEM pracuje s nižším urychlovacím napětím (1 000-30 000 V u SEMu vs. 60 000-300 000 V u TEMu).
• SEM nevyžaduje tak kvalitní vakuum (10e^-4 Pa vs 10e^-6 Pa).
• Obecně můžeme říct, že rozměry SEMů jsou menší. Na druhou stranu existují i stolní TEMy.
• SEMy bývají levnější.

V případě SEMu je tvorba obrazu založená na vzájemném působení elektronů svazku s povrchovou vrstvou vzorku. Elektronový svazek postupně skenuje (neboli rastruje) vzorek bod po bodu, řádek po řádku a v každém jednotlivé pozici způsobuje řadu interakcí. Interakce tvoří signál, který nám poskytuje informace o tom, jak vzorek vypadá, nebo z čeho se skládá.

SEM se používá všude tam, kde je vyžadována informace o povrchu vzorku. Nachází uplatnění v biologii, ale také v materiálovém výzkumu nebo při vývoji a výrobě polovodičových součástek. Jediný požadavek na vzorek je, aby snesl bombardování elektrony a umístění do vakua.

Mnoho vzorků může být vloženo do komory mikroskopu bez jakékoliv přípravy. Pokud však vzorek obsahuje velké množství vody nebo těkavých látek, je ve většině případů nutné je odstranit sušícím procesem, nebo vitrifikovat pomocí zamrazení.

Nevodivé vzorky se při bombardování elektrony nabíjejí, a proto na ně musí být nejdříve nanesena tenká vodivá vrstva (asi 10 nm), např. zlato nebo platina. Vcelku však není příprava vzorků pro SEM tak náročná, jako je tomu v případě TEMu.

Ve většině případů probíhá pozorování vzorků za pokojové teploty. Existují však i techniky, při kterých se vzorek záměrně zahřívá, nebo naopak velmi prudce zmrazuje.

Doposud jsme se bavili o zobrazování pomocí elektronů. Elektrony však nejsou jediné částice, které je možné urychlovat a využívat je k pozorování mikrosvěta. Existují skenovací elektronové mikroskopy, které vedle elektronového svazku využívají i fokusovaný iontový svazek. Tyto přístroje označujeme zkratkou FIB-SEM (Focused Ion Beam - Scanning Electron Microscope).

FIB-SEM má oproti klasickému SEMu jednu velkou výhodu – jelikož jsou ionty výrazně těžší než elektrony (urychlením získají mnohem větší kinetickou energii), můžeme s tímto přístrojem vzorky řezat a opracovávat je. A to vše přímo v komoře mikroskopu a v řádu jednotek nanometrů až stovek mikrometrů krychlových. FIB-SEM se používá jako samostatný analytický přístroj s integrovanou přípravou vzorků, nebo jako prostředek k výrobě tenkých lamel pro následnou analýzu v TEMu.