Microscopia elettronica a scansione

La microscopia elettronica a scansione (SEM) acronimo di Scanning Electron Microscopy  è una tecnica versatile utilizzata per ottenere immagini ad alta risoluzione e informazioni dettagliate sulla superficie dei campioni che utilizza gli elettroni al posto della luce.

La microscopia elettronica a scansione offre una profondità di campo molto maggiore e ingrandimenti maggiori rispetto alla microscopia ottica. Questo aspetto, combinato con la possibilità di condurre analisi utilizzando metodi spettroscopici, la rende uno strumento di ricerca molto potente.

Gli utilizzi della microscopia elettronica a scansione spaziano dalla scienza dei materiali nell’ambito delle indagini su nanotubi e nanofibre, superconduttori ad alta temperatura, materiali mesoporosi e resistenza delle leghe, alla misurazione rapida e accurata della composizione di semiconduttori fino all’analisi forense nell’analisi dei residui di sparo, delle particelle e delle fibre di vernice e dell’autenticità delle banconote.

Principio della microscopia elettronica a scansione

Il primo microscopio elettronico a scansione fu inizialmente realizzato da Mafred von Ardenne nel 1937 con l’obiettivo di superare il microscopio elettronico a trasmissione. A differenza del microscopio elettronico a trasmissione che utilizza gli elettroni trasmessi, il microscopio elettronico a scansione utilizza gli elettroni emessi.

immagine
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Nella microscopia elettronica a scansione, gli elettroni accelerati dall’alta tensione vengono focalizzati sul campione. Questo fascio focalizzato di elettroni scansiona la superficie del campione nel corso della quale si verificano varie interferenze tra l’elettrone e gli atomi del campione. I segnali risultanti da questa interferenza vengono raccolti da appositi sensori.

I segnali passano attraverso gli amplificatori di segnale e vengono quindi trasferiti allo schermo di un tubo a raggi catodici ottenendosi così un’immagine della superficie. Nei sistemi moderni, i segnali ottenuti dai sensori vengono convertiti in segnali digitali e trasferiti al monitor. Nei dispositivi di ultima generazione si  espande l’area di utilizzo combinando potere di separazione, profondità di fuoco e imaging.

Microscopio elettronico a scansione

Il microscopio elettronico a scansione è costituito da tre parti principali: colonna ottica, camera del campione e imaging. La sorgente degli elettroni proviene generalmente da lampade a filamento di tungsteno o esaboruro di lantanio che, a seguito di riscaldamento, a temperature tali che gli elettroni guadagnano energia sufficiente a superare l’energia di estrazione del materiale.

SEM
SEM

La sorgente degli elettroni è posta nella parte superiore della colonna e gli elettroni prodotti vengono accelerati attraverso la colonna a una tensione di accelerazione specifica tra 1 keV e 30 keV.

Le lenti e le aperture del condensatore agiscono per ridurre il diametro del fascio. L’ultima lente nella colonna è la lente dell’obiettivo, che focalizza il raggio sulla superficie del campione. Il diametro del fascio in un SEM può variare da valori inferiori a 1 nanometro fino a 20 nanometri, a seconda del tipo di cannone elettronico, della tensione di accelerazione e della configurazione della lente.

Interazione campione-elettrone

Quando il fascio di elettroni colpisce la superficie del campione, penetra nel campione fino a una profondità di pochi micron, prima di interagire con gli atomi nel campione. L’entità del volume di interazione dipende dalla tensione di accelerazione degli elettroni primari e dalla densità del materiale. Materiali a bassa densità facilitano un volume di interazione a goccia mentre i campioni composti da elementi più pesanti hanno un volume di interazione emisferico.

interazione
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Quando gli elettroni colpiscono la superficie del campione la radiazione elettromagnetica interagisce con la nuvola elettronica degli atomi che costituiscono i diversi materiali provocando emissione di elettroni.

Si verifica una interazione di tipo coulombiano che provoca il fenomeno dello scattering dovuto a diffusione e diffrazione in cui gli elettroni sono diffusi a causa dell’interazione coulombiana delle cariche. Molti segnali vengono generati come risultato dell’interazione del fascio di elettroni con il campione e segnali più utilizzati nella microscopia elettronica a scansione sono gli elettroni secondari, gli elettroni retrodiffusi e i raggi X tipici degli elementi che compongono il materiale.

A  causa dell’interferenza tra gli elettroni in entrata e gli elettroni degli orbitali atomici di cui è composto il campione, gli elettroni del fascio che vengono espulsi dall’orbita o la cui energia diminuisce, si spostano verso la superficie del campione. Questi elettroni sono chiamati elettroni secondari che vengono raccolti nello scintillatore nella camera del campione e convertiti in un segnale di immagine dell’elettrone secondario.

Il fascio di elettroni sul campione crea anche interferenze elastiche con gli atomi del campione. Durante questa interferenza elastica, il fascio di elettroni incidente viene deviato dalla forza di attrazione dei nuclei degli atomi del campione e si verifica la retrodiffusione. Questi elettroni dispersi sono definiti come elettroni retrodiffusi e forniscono informazioni sugli strati inferiori del campione

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