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Scanning electron microscope

Image of pollen grains taken on a SEM shows the characteristic depth of field of SEM micrographs M. von Ardenne's first SEM SEM with opened sample chamber Analog type SEM A scan...

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Image of pollen grains taken on a SEM shows the characteristic depth of field of SEM micrographs
M. von Ardenne's first SEM
SEM with opened sample chamber
Analog type SEM

A scanning electron microscope (SEM) is a type of electron microscope that produces images of a sample by scanning the surface with a focused beam of electrons. The electrons interact with atoms in the sample, producing various signals that contain information about the surface topography and composition. The electron beam is scanned in a raster scan pattern, and the position of the beam is combined with the intensity of the detected signal to produce an image. In the most common SEM mode, secondary electrons emitted by atoms excited by the electron beam are detected using a secondary electron detector (Everhart–Thornley detector). The number of secondary electrons that can be detected, and thus the signal intensity, depends, among other things, on specimen topography. Some SEMs can achieve resolutions better than 1 nanometer.

Specimens are observed in high vacuum in a conventional SEM, or in low vacuum or wet conditions in a variable pressure or environmental SEM, and at a wide range of cryogenic or elevated temperatures with specialized instruments.[1]

History

McMullan ha presentado un relato de la historia temprana de la microscopía electrónica de barrido. [ 2 ] [ 3 ] Aunque Max Knoll produjo una foto con un  ancho de campo de objeto de 50 mm que mostraba contraste de canalización mediante el uso de un escáner de haz de electrones, [ 4 ] fue Manfred von Ardenne quien en 1937 inventó [ 5 ] un microscopio con alta resolución al escanear una trama muy pequeña con un haz de electrones desmagnificado y finamente enfocado. En el mismo año, Cecil E. Hall también completó la construcción del primer microscopio de emisión en América del Norte, solo dos años después de que su supervisor, EF Burton en la Universidad de Toronto, se lo encargara. [ 6 ] Ardenne aplicó el escaneo del haz de electrones en un intento de superar la resolución del microscopio electrónico de transmisión (TEM), así como de mitigar problemas sustanciales con la aberración cromática inherente a la imagen real en el TEM. Además, analizó los diversos modos de detección, posibilidades y teoría del SEM, [ 7 ] junto con la construcción del primer SEM de alta resolución. [ 8 ] El grupo de Zworykin informó sobre trabajos posteriores , [ 9 ] seguidos por los grupos de Cambridge en las décadas de 1950 y principios de 1960, [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] dirigidos por Charles Oatley , todo lo cual finalmente condujo a la comercialización del primer instrumento comercial por parte de Cambridge Scientific Instrument Company como el "Stereoscan" en 1965, que fue entregado a DuPont .

Principios y capacidades

fuente de electrones emisor Schottky
Volumen de interacción electrón-materia y tipos de señal generada

The signals used by an SEM to make an image result from interactions between the electron beam and atoms at various depths within the sample. Various types of signals are produced including secondary electrons (SE), reflected or back-scattered electrons (BSE), characteristic X-rays and light (cathodoluminescence) (CL), absorbed current (specimen current) and transmitted electrons.[14] Secondary electron imaging and back-scattered electron detectors are standard approaches in an SEM[15], but additional detectors may be used to capture additional signals. For instance, emitted X-rays can be detected by energy dispersive X-ray spectrometry.[16]

Secondary electrons have very low energies on the order of 50 eV, which limits their mean free path in solid matter. Consequently, SEs can only escape from the top few nanometers of the surface of a sample. The signal from secondary electrons tends to be highly localized at the point of impact of the primary electron beam, making it possible to collect images of the sample surface with a resolution of below 1 nm. Back-scattered electrons (BSE) are beam electrons that are reflected from the sample by elastic scattering. Since they have much higher energy than SEs, they emerge from deeper locations within the specimen and, consequently, the resolution of BSE images is less than SE images. However, BSE are often used in analytical SEM, along with the spectra made from the characteristic X-rays, because the intensity of the BSE signal is strongly related to the atomic number (Z) of the specimen. BSE images can provide information about the distribution, but not the identity, of different elements in the sample. In samples predominantly composed of light elements, such as biological specimens, BSE imaging can image colloidal goldimmuno-labels of 5 or 10 nm diameter, which would otherwise be difficult or impossible to detect in secondary electron images.[17] Characteristic X-rays are emitted when the electron beam removes an inner shell electron from the sample, causing a higher-energy electron to fill the shell and release energy. The energy or wavelength of these characteristic X-rays can be measured by Energy-dispersive X-ray spectroscopy or Wavelength-dispersive X-ray spectroscopy and used to identify and measure the abundance of elements in the sample and map their distribution.

Due to the very narrow electron beam, SEM micrographs have a large depth of field yielding a characteristic three-dimensional appearance useful for understanding the surface structure of a sample.[18] This is exemplified by the micrograph of pollen shown above. A wide range of magnifications is possible, from about 10 times (about equivalent to that of a powerful hand-lens) to more than 500,000 times, about 250 times the magnification limit of the best light microscopes.

Sample preparation

A spider sputter-coated in gold, having been prepared for viewing with an SEM
Low-voltage micrograph (300 V) of distribution of adhesive droplets on a Post-it note. No conductive coating was applied: such a coating would alter this fragile specimen.

SEM samples have to be small enough to fit on the sample stage, secured with a conductive paint. The relatively low vacuum (0.076 to 20 torr) of Variable-Pressure and Environmental SEM obviates the need for cleaning, even those with water or oily films, allowing observation in a natural state. Preparation is identical to the steps used in light microscopy polished samples. SEM techniques can be used to examine integrated circuit condition and attachment points. Foreshortening is achieved by tilting any specimen. Sputter coating is used to apply a thin coating of metal, or metal alloy, to nonconductive specimens.[19] Conductive materials in current use for specimen coating include gold, gold/palladium alloy, platinum, iridium, tungsten, chromium, osmium.[17]. An alternative to coating for some biological samples is to increase the bulk conductivity of the material by impregnation with osmium using variants of the OTO staining method (O-osmium tetroxide, T-thiocarbohydrazide, O-osmium).[20][21]

Biological samples

Since the SEM specimen chamber is under high vacuum, a SEM specimen must be completely dry or cryogenically cooled.[22] Hard, dry materials such as wood, bone, feathers, dried insects, or shells (including egg shells[23]) can be examined with little further treatment, but living cells and tissues and whole, soft-bodied organisms require chemical fixation to preserve and stabilize their structure.

Fixation is usually performed by incubation in a solution of a buffered chemical fixative, such as glutaraldehyde, sometimes in combination with formaldehyde[22][24][25] and other fixatives,[26] and optionally followed by postfixation with osmium tetroxide.[22] The fixed tissue is then dehydrated. Because air-drying causes collapse and shrinkage, this is commonly achieved by replacement of water in the cells with organic solvents such as ethanol or acetone, and replacement of these solvents in turn with a transitional fluid such as liquid carbon dioxide by critical point drying.[27] The carbon dioxide is finally removed while in a supercritical state, so that no gas–liquid interface is present within the sample during drying.

The dry specimen is usually mounted on a specimen stub using an adhesive such as epoxy resin or electrically conductive double-sided adhesive tape, and sputter-coated with gold or gold/palladium alloy before examination in the microscope. Samples may be sectioned (with a microtome) if information about the organism's internal ultrastructure is to be exposed for imaging.

If the SEM is equipped with a cold stage for cryo microscopy, cryofixation may be used and low-temperature scanning electron microscopy performed on the cryogenically fixed specimens.[22] Cryo-fixed specimens may be cryo-fractured under vacuum in a special apparatus to reveal internal structure, sputter-coated and transferred onto the SEM cryo-stage while still frozen.[28] Low-temperature scanning electron microscopy (LT-SEM) is also applicable to the imaging of temperature-sensitive materials such as ice[29][30] and fats.[31]

Freeze-fracturing, freeze-etch or freeze-and-break is a preparation method particularly useful for examining lipid membranes and their incorporated proteins in "face on" view. The preparation method reveals the proteins embedded in the lipid bilayer.

Materials

According to Goldstein et al, "There are many ways to section the samples, including blade sawing, wire sawing, abrasive cutting, fracturing (best for more brittle materials), shearing, spark erosion, and microtomy. The surface to be prepared for microstructural analysis is polished using a graded sequence of abrasive materials. Ceramic and geological samples, like metals, may require etching to permit microstructural features to be imaged or analyzed in the SEM." However, the electron beam path from the specimen surface to ground must remain unbroken to ensure the specimen does not act like an electron mirror when sufficient charge builds up equal to that of the incident beam, which is referred to as "charging." According to Goldstein et al, "The best and simplest way to overcome charging problems is to deposit a thin metal layer on the surface of the sample." This is achieved via vacuum evaporation coating or sputter coating. For elements with atomic numbers 8 through 20, only carbon, aluminum and chromium are suitable coating materials.[19]:539–545,648–669

FIB is analogous to SEM, but with the use of positively charged ions instead of electrons. Besides imaging, FIB can be used for precision cutting, etching, or depositing conductive materials on the sample surface.[19]:553

Scanning process and image formation

Schematic of an SEM

The SEM consists of an electron column, with the electron gun, electron lenses and vacuum pumps, plus a control console, with viewing screen and electron beam controls. The electron gun generates and accelerates electrons between 0.1 to 30 keV. Electron lenses focus the electron beam to less than 10 nm at the sample, where it interacts with the specimen to a depth of about 1 micrometre, generating signals used for point by point imaging. Deflection coils sweep the electron beam across the specimen in a raster scan fashion, with the backscattered and secondary electrons collected by the electron detector, forming an image that can be processed and displayed digitally. Sharpness and feature visibility are controlled by electron probe size, electron probe current, electron probe convergence angle and electron beam accelerating voltage. According to Goldstein et al, "Most older SEMs use tungsten or LaB6thermionic emitters, but, increasingly, new microscopes are equipped with cold, thermal, or Schottly field emission sources because these provide enhanced performance, reliability, and lifetime."[19]:21–60

Mecanismos de emisión de electrones secundarios, electrones retrodispersados ​​y rayos X característicos de los átomos de la muestra.
Serie de imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) a baja temperatura para un cristal de nieve . Los cristales se capturan, almacenan y recubren con platino mediante pulverización catódica a temperaturas criogénicas para su posterior análisis.

Aumento

La magnificación en un microscopio electrónico de barrido (MEB) se puede controlar en un rango de aproximadamente 6 órdenes de magnitud, desde 10 hasta 3.000.000 de veces. [ 32 ] El cambio de magnificación se logra ajustando la longitud del escaneo en la muestra; una mayor magnificación requiere un área de muestra o píxel menor . [ 19 ] : 108–113

Detección de electrones secundarios

El modo de imagen más común recoge electrones secundarios de baja energía (<50 eV) que se emiten desde las bandas de conducción o valencia de los átomos de la muestra mediante interacciones de dispersión inelástica con los electrones del haz. Debido a su baja energía, estos electrones se originan a pocos nanómetros por debajo de la superficie de la muestra. [ 18 ] Los electrones son detectados por un detector Everhart-Thornley . [ 33 ] Según Goldstein et al., «El desarrollo del detector ET proporcionó el primer uso eficiente de la rica señal de electrones secundarios/retrodispersados ​​con un gran ángulo sólido de recolección, alta ganancia de amplificación, bajo ruido y un rendimiento robusto y de bajo mantenimiento». Se emite luz cuando un electrón energético incide sobre un material centelleador , que se conduce a través de una guía de luz a un fotomultiplicador , el cual proporciona alta ganancia, poca degradación del ruido, gran ancho de banda y una rápida velocidad de respuesta. [ 19 ] : 128–129

Detección de electrones retrodispersados

Comparación de técnicas SEM: Arriba: análisis de electrones retrodispersados ​​– composición Abajo: análisis de electrones secundarios – topografía  

Backscattered electrons (BSE) consist of high-energy electrons originating in the electron beam, that are reflected or back-scattered out of the specimen interaction volume by elastic scattering interactions with specimen atoms. Since heavy elements (high atomic number) backscatter electrons more strongly than light elements (low atomic number), and thus appear brighter in the image, BSEs are used to detect contrast between areas with different chemical compositions.[18] According to Goldstein et al, "When the E-T detector is biased negatively, only backscattered electrons are detected. All secondary electrons are rejected, including those that are emitted from the specimen in the direction of the E-T detector within the line-of-sight solid angle for direct geometric collection. Dedicated backscattered electron detectors are designed to greatly increase the solid angle of collection." These include the Passive Scintillator Backscattered Electron Detectors, the Backscattered-to-Secondary Electron Conversion Detector, and the Solid State Diode Detector.[19]:129–133

Backscattered electrons can also be used to form an electron backscatter diffraction (EBSD) image that can be used to determine the crystallographic structure of the specimen.[19]:10

Beam-injection analysis of semiconductors

Voltage contrast and charge collection SEM microscopy are used to characterize the electrical performance of integrated circuits and semiconductor devices. Charge collection uses the currents or voltages induced in the specimen by the electron beam. Electron beam induced current (EBIC) is used to study Schottky barriers, diffused, and ion-implanted p-n junctions.[19]:546

Cathodoluminescence

Color cathodoluminescence overlay on SEM image of an InGaN polycrystal. The blue and green channels represent real colors, the red channel corresponds to UV emission.

La catodoluminiscencia puede utilizarse para detectar impurezas en minerales o la presencia de un exceso de pares electrón-hueco en semiconductores. [ 19 ] : 16 . La catodoluminiscencia , la emisión de luz cuando los átomos excitados por electrones de alta energía regresan a su estado fundamental, es análoga a la fluorescencia inducida por UV , y algunos materiales como el sulfuro de zinc y algunos colorantes fluorescentes, exhiben ambos fenómenos. Durante las últimas décadas, la catodoluminiscencia se experimentó más comúnmente como la emisión de luz de la superficie interna del tubo de rayos catódicos en televisores y monitores CRT de computadora. En el SEM, los detectores CL recogen toda la luz emitida por la muestra o pueden analizar las longitudes de onda emitidas por la muestra y mostrar un espectro de emisión o una imagen de la distribución de la catodoluminiscencia emitida por la muestra en color real.

microanálisis de rayos X

Los rayos X característicos producidos por la interacción de los electrones con la muestra también pueden detectarse en un microscopio electrónico de barrido (SEM) equipado para espectroscopia de rayos X de energía dispersiva o espectroscopia de rayos X de longitud de onda dispersiva . El análisis de las señales de rayos X puede utilizarse para mapear la distribución y estimar la abundancia de elementos en la muestra. [ 19 ] : 297–353

Técnicas complementarias

Numerosos estudios de investigación basados ​​en SEM se complementan con técnicas a nanoescala como la microscopía de fuerza atómica (AFM) y sus modos de imagen eléctrica. Estos métodos proporcionan información que va más allá de la morfología superficial. Por ejemplo, la AFM permite analizar la topografía superficial de la muestra a escala nanométrica mediante una punta afilada en modo de contacto o de golpeteo. La AFM conductiva (C-AFM) permite mapear la conductividad eléctrica local, lo que resulta útil para estudiar materiales de conmutación resistiva y semiconductores. La microscopía de fuerza de sonda Kelvin (KPFM) mide las variaciones del potencial superficial, lo que es valioso para analizar las distribuciones de carga en materiales electrónicos o fotovoltaicos. Al utilizarse junto con SEM, estas técnicas ofrecen una comprensión integral de las propiedades estructurales y funcionales de los materiales.

Resolución del SEM

Un vídeo que ilustra el rango de aumento práctico típico de un microscopio electrónico de barrido diseñado para muestras biológicas. El vídeo comienza con un aumento de 25×, aproximadamente 6 mm en todo el campo de visión, y aumenta hasta 12000×, aproximadamente 12 μm en todo el campo de visión. Los objetos esféricos son microesferas de vidrio con un diámetro de 10 μm, similar al de un glóbulo rojo .  

A SEM is not a camera and the detector is not continuously image-forming like a CCD array or film. Unlike in an optical system, the resolution is not limited by the diffraction limit, fineness of lenses or mirrors or detector array resolution. The focusing optics can be large and coarse, and the SE detector is fist-sized and simply detects current. Instead, the spatial resolution of the SEM depends on the size of the electron spot, which in turn depends on both the wavelength of the electrons and the electron-optical system that produces the scanning beam. The resolution is also limited by the size of the interaction volume, the volume of specimen material that interacts with the electron beam. The spot size and the interaction volume are both large compared to the distances between atoms, so the resolution of the SEM is not high enough to image individual atoms, as is possible with a transmission electron microscope (TEM). The SEM has compensating advantages, though, including the ability to image a comparatively large area of the specimen; the ability to image bulk materials (not just thin films or foils); and the variety of analytical modes available for measuring the composition and properties of the specimen. Depending on the instrument, the resolution can fall somewhere between less than 1 nm and 20 nm. As of 2009, The world's highest resolution conventional (≤30 kV) SEM can reach a point resolution of 0.4 nm using a secondary electron detector.[34]

Environmental SEM

Conventional SEM requires samples to be imaged under vacuum, because a gas atmosphere rapidly spreads and attenuates electron beams. As a consequence, samples that produce a significant amount of vapour, e.g. wet biological samples or oil-bearing rock, must be either dried or cryogenically frozen. Processes involving phase transitions, such as the drying of adhesives or melting of alloys, liquid transport, chemical reactions, and solid-air-gas systems, in general cannot be observed with conventional high-vacuum SEM. In environmental SEM (ESEM), the chamber is evacuated of air, but water vapor is retained near its saturation pressure, and the residual pressure remains relatively high. This allows the analysis of samples containing water or other volatile substances. With ESEM, observations of living insects have been possible.[35]

El primer desarrollo comercial del ESEM a finales de la década de 1980 [ 36 ] [ 37 ] permitió observar muestras en entornos gaseosos de baja presión (por ejemplo, 1–50 Torr o 0,1–6,7  kPa) y alta humedad relativa (hasta el 100%). Esto fue posible gracias al desarrollo de un detector de electrones secundarios [ 38 ] [ 39 ] capaz de operar en presencia de vapor de agua y al uso de aperturas limitadoras de presión con bombeo diferencial en la trayectoria del haz de electrones para separar la región de vacío (alrededor del cañón y las lentes) de la cámara de muestras. Los primeros ESEM comerciales fueron producidos por ElectroScan Corporation en EE. UU. en 1988. ElectroScan fue adquirida por Philips (que posteriormente vendió su división de óptica electrónica a FEI Company) en 1996. [ 40 ]

La ESEM es especialmente útil para materiales no metálicos y biológicos, ya que no requiere recubrimiento con carbono ni oro. Los plásticos y elastómeros sin recubrimiento pueden examinarse de forma rutinaria, al igual que las muestras biológicas sin recubrimiento. Esto resulta útil porque el recubrimiento puede ser difícil de eliminar, puede ocultar pequeñas características en la superficie de la muestra y puede reducir el valor de los resultados obtenidos. El análisis de rayos X es difícil con un recubrimiento de metal pesado, por lo que los recubrimientos de carbono se utilizan habitualmente en los microscopios electrónicos de barrido (SEM) convencionales; sin embargo, la ESEM permite realizar microanálisis de rayos X en muestras no conductoras sin recubrimiento. No obstante, se introducen algunos artefactos específicos de la ESEM en el análisis de rayos X. La ESEM puede ser la técnica preferida para la microscopía electrónica de muestras únicas procedentes de procesos penales o civiles, donde el análisis forense puede requerir la repetición por parte de varios expertos. Es posible estudiar muestras en fase líquida con ESEM o con otros métodos de microscopía electrónica en fase líquida . [ 41 ]

Microscopía electrónica de barrido por transmisión y espectroscopia de pérdida de energía

El SEM también puede utilizarse en modo de transmisión incorporando un detector adecuado debajo de una sección delgada de la muestra. [ 42 ] Existen detectores para campo claro, campo oscuro, así como detectores segmentados para campo oscuro anular de ángulo medio a alto . A pesar de las diferencias en la instrumentación, esta técnica se sigue denominando comúnmente microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM) .

Desde 2016, ha habido un creciente interés en el uso de SEM en modo de transmisión para espectroscopia de pérdida de energía de electrones (EELS) . Iniciado por Hitachi y el grupo Gauvin en la Universidad McGill, [ 43 ] ahora es posible el mapeo elemental de muestras delgadas mediante SEM-EELS, junto con una reducción del daño por haz en materiales litiados debido a la menor energía del haz que reduce el daño por efecto de rebote. En 2025, científicos del MIT demostraron que el análisis EELS de muestras delgadas es posible en cualquier SEM modificado en el rango de energía de 1 a 20 keV. [ 44 ]

Microscopía electrónica de barrido en ciencias forenses

El microscopio electrónico de barrido (MEB) se utiliza con frecuencia en la ciencia forense para el análisis ampliado de elementos microscópicos como diatomeas y residuos de disparos . Dado que el MEB no daña la muestra, permite analizar la evidencia sin alterarla. El MEB emite un haz de electrones de alta energía que rebotan en la muestra sin modificarla ni destruirla. Esto resulta muy útil para el análisis de diatomeas. Cuando una persona muere ahogada, inhala el agua, lo que provoca que las diatomeas presentes en ella entren en el torrente sanguíneo, el cerebro, los riñones y otros órganos. Estas diatomeas pueden ampliarse con el MEB para determinar su tipo, lo que ayuda a comprender cómo y dónde falleció la persona. Mediante las imágenes obtenidas con el MEB, los científicos forenses pueden comparar los tipos de diatomeas para confirmar el cuerpo de agua en el que murió la persona. [ 45 ]

El análisis de residuos de disparo (GSR) se puede realizar con diversos instrumentos analíticos, [ 46 ] pero el SEM es una técnica común para analizar compuestos inorgánicos debido a su capacidad para analizar con precisión los diferentes tipos de elementos (principalmente metales) mediante sus tres detectores: detector de electrones retrodispersados, detector de electrones secundarios y detector de rayos X. Los GSR se pueden recolectar de la escena del crimen, la víctima o el tirador y analizarse con el SEM. Esto permite a los científicos determinar la proximidad o el contacto con el arma de fuego disparada. [ 46 ]

Color en SEM

Los microscopios electrónicos no producen imágenes en color de forma natural. Un detector de electrones secundarios produce un único valor por píxel que corresponde al número de electrones recibidos por el detector durante el breve periodo de tiempo en que el haz se dirige a la  posición del píxel (x, y). Para cada píxel, este valor único se representa mediante un nivel de gris, formando una imagen monocromática. [ 47 ] Sin embargo, se pueden utilizar varios métodos para obtener imágenes de microscopía electrónica en color. [ 48 ]

Falso color mediante un único detector

  • En imágenes compositivas de superficies planas (típicamente BSE):

La forma más sencilla de obtener color es reemplazar cada nivel de gris con un color arbitrario, utilizando una tabla de consulta de colores . Este método se conoce como imagen de falso color y puede ayudar a distinguir fases de la muestra con propiedades o composición similares. [ 49 ]

  • En imágenes de superficies texturizadas:

Como alternativa a simplemente reemplazar cada nivel de gris por un color, una muestra observada mediante un haz oblicuo permite a los investigadores crear una imagen topográfica aproximada (véase la sección «Representación 3D fotométrica a partir de una sola imagen SEM» ). Dicha topografía puede procesarse posteriormente con algoritmos de representación 3D para obtener una representación más natural de la textura de la superficie.

coloración de imágenes SEM

Con frecuencia, las imágenes SEM publicadas se colorean artificialmente. [ 49 ] Esto puede hacerse por motivos estéticos, para aclarar la estructura o para dar una apariencia realista a la muestra y, por lo general, no aporta información adicional sobre el espécimen. [ 50 ]

El coloreado puede realizarse manualmente con software de edición fotográfica o de forma semiautomática con software especializado que utiliza detección de características o segmentación orientada a objetos. [ 51 ]

Alternativamente, cuando se dispone de información adicional de otros detectores como EDX , EBSD , ECCI o catodoluminiscencia , se puede combinar como canal(es) de color para proporcionar información detallada del material en una sola imagen de alta resolución. [ 52 ]

El color se construye utilizando múltiples detectores de electrones.

En algunas configuraciones se recopila más información por píxel, a menudo mediante el uso de múltiples detectores. [ 53 ]

Como ejemplo común, se superponen detectores de electrones secundarios y retrodispersados, y se asigna un color a cada una de las imágenes capturadas por cada detector, [ 54 ] [ 55 ] obteniendo como resultado una imagen de color combinada donde los colores se relacionan con la densidad de los componentes. Este método se conoce como microscopía electrónica de barrido de color dependiente de la densidad (DDC-SEM). Las micrografías producidas por DDC-SEM conservan la información topográfica, que es mejor capturada por el detector de electrones secundarios, y la combinan con la información sobre la densidad, obtenida por el detector de electrones retrodispersados. [ 56 ] [ 57 ]

Señales analíticas basadas en fotones generados

La medición de la energía de los fotones emitidos por la muestra es un método común para obtener capacidades analíticas. Ejemplos de ello son los detectores de espectroscopia de rayos X de energía dispersiva (EDS) utilizados en el análisis elemental [ 19 ] : 355–381 y los sistemas de microscopía de catodoluminiscencia (CL) que analizan la intensidad y el espectro de la luminiscencia inducida por electrones en (por ejemplo) muestras geológicas. En los sistemas SEM que utilizan estos detectores, es común codificar por colores estas señales adicionales y superponerlas en una sola imagen de color, de modo que las diferencias en la distribución de los diversos componentes de la muestra puedan verse claramente y compararse. Opcionalmente, la imagen estándar de electrones secundarios puede fusionarse con uno o más canales de composición, de modo que se pueda comparar la estructura y composición de la muestra. Dichas imágenes pueden generarse manteniendo la integridad total de los datos de la señal original, que no se modifican de ninguna manera.

3D en SEM

A diferencia de los microscopios de sonda de barrido (SPM) , los microscopios electrónicos de barrido (SEM) no generan imágenes 3D de forma natural. Sin embargo, se pueden obtener datos 3D utilizando un SEM mediante métodos como la estereoscopia .

Reconstrucción 3D SEM a partir de un par estéreo

  • photogrammetry is the most metrologically accurate method to bring the third dimension to SEM images.[49] Contrary to photometric methods (next paragraph), photogrammetry calculates absolute heights using triangulation methods. The drawbacks are that it works only if there is a minimum texture, and it requires two images to be acquired from two different angles, which implies the use of a tilt stage. (Photogrammetry is a software operation that calculates the shift (or "disparity") for each pixel, between the left image and the right image of the same pair. Such disparity reflects the local height).

Photometric 3D SEM reconstruction from a four-quadrant detector by "shape from shading"

This method typically uses a four-quadrant BSE detector (alternatively for one manufacturer, a 3-segment detector). The microscope produces four images of the same specimen at the same time, so no tilt of the sample is required. The method gives metrological 3D dimensions as far as the slope of the specimen remains reasonable.[49] Most SEM manufacturers now (2018) offer such a built-in or optional four-quadrant BSE detector, together with proprietary software to calculate a 3D image in real time.[59]

Other approaches use more sophisticated (and sometimes GPU-intensive) methods like the optimal estimation algorithm and offer much better results[60] at the cost of high demands on computing power.

In all instances, this approach works by integration of the slope, so vertical slopes and overhangs are ignored; for instance, if an entire sphere lies on a flat, little more than the upper hemisphere is seen emerging above the flat, resulting in wrong altitude of the sphere apex. The prominence of this effect depends on the angle of the BSE detectors with respect to the sample, but these detectors are usually situated around (and close to) the electron beam, so this effect is very common.

Photometric 3D rendering from a single SEM image

This method requires an SEM image obtained in oblique low angle lighting. The grey-level is then interpreted as the slope, and the slope integrated to restore the specimen topography. This method is interesting for visual enhancement and the detection of the shape and position of objects; however the vertical heights cannot usually be calibrated, contrary to other methods such as photogrammetry.[49]

Other types of 3D SEM reconstruction

  • Inverse reconstruction using electron-material interactive models[61][62]
  • Multi-Resolution reconstruction using single 2D File: High-quality 3D imaging may be an ultimate solution for revealing the complexities of any porous media, but acquiring them is costly and time-consuming. High-quality 2D SEM images, on the other hand, are widely available. Recently, a novel three-step, multiscale, multiresolution reconstruction method is presented that directly uses 2D images in order to develop 3D models. This method, based on a Shannon Entropy and conditional simulation, can be used for most of the available stationary materials and can build various stochastic 3D models just using a few thin sections.[63][64][65]
  • Ion-abrasion SEM (IA-SEM) is a method of nanoscale 3D imaging that uses a focused beam of gallium to repeatedly abrade the specimen surface 20 nanometres at a time. Each exposed surface is then scanned to compile a 3D image.[66][67]

Applications of 3D SEM

One possible application is measuring the roughness of ice crystals. This method can combine variable-pressure environmental SEM and the 3D capabilities of the SEM to measure roughness on individual ice crystal facets, convert it into a computer model and run further statistical analysis on the model.[68] Other measurements include fractal dimension, examining fracture surface of metals, characterization of materials, corrosion measurement, and dimensional measurements at the nano scale (step height, volume, angle, flatness, bearing ratio, coplanarity, etc.).

SEM is also used by art conservationists to discern threats to paintings' surface stability due to aging, such as the formations of complexes of zinc ions with fatty acids.[69] Forensic scientists use SEM to detect art forgeries.

The following are examples of images taken using an SEM.

See also

References

  1. ↑Stokes, Debbie J. (2008). Principles and Practice of Variable Pressure Environmental Scanning Electron Microscopy (VP-ESEM). Chichester: John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-75874-8.
  2. ↑McMullan, D. (2006). "Scanning electron microscopy 1928–1965". Scanning. 17 (3): 175–185. doi:10.1002/sca.4950170309. PMC 2496789.
  3. ↑McMullan, D. (1988). "Von Ardenne and the scanning electron microscope". Proc Roy Microsc Soc. 23: 283–288.
  4. ↑Knoll, Max (1935). "Aufladepotentiel und Sekundäremission elektronenbestrahlter Körper". Zeitschrift für Technische Physik. 16: 467–475.
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  8. ^ Von Ardenne, Manfred (1938). "Das Elektronen-Rastermikroskop. Praktische Ausführung". Zeitschrift für Technische Physik (en alemán). 19 : 407–416 .
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General
  • HowStuffWorks – How Scanning Electron Microscopes Work
  • Learn to use an SEM – An online learning environment for people wanting to use an SEM. Provided by Microscopy Australia
  • Virtual SEM – sparkler – an interactive simulation of a scanning electron microscope (SEM)
  • Multichannel color SEM imaging –and with BSE
  • Video on the scanning electron microscope, Karlsruhe University of Applied Sciences
  • Animations and explanations on various types of microscopes including electron microscopes (Université Paris Sud)
History
  • Environmental Scanning Electron Microscope (ESEM) history
Images
  • Rippel Electron Microscope Facility Archived 19 March 2007 at the Wayback Machine Many dozens of (mostly biological) SEM images from Dartmouth College.
  • Lanthanoid staining SEM images from Research Institute of Eye Diseases, Moscow.