دليل تحضير العينات لتحليل SEM/EDS

يمسح المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) العينة تحت التفريغ بحزمة إلكترونية مركّزة. لذا يجب أن تستوفي العينة أربعة شروط أساسية: أن تكون متوافقة مع التفريغ (خالية من الماء الحر أو المذيبات أو المكونات المتطايرة)، وموصلة بما يكفي لتبديد الشحنة التي تودعها الحزمة، ومثبتة ميكانيكياً بإحكام على حاملها، وغير قادرة على تلويث الحجرة أو الكواشف. والإخلال بأي من هذه النقاط يُضعف جودة الصورة ودقة بيانات EDS فوراً.

يعادل SEM ذو الضغط المتغير (VP) تراكم الشحنة بإدخال غاز بضغط منخفض إلى الحجرة، مما يتيح فحص البوليمرات والسيراميك والعينات البيولوجية دون طلاء. والمقابل هو فقدان طفيف في الدقة ومعدل عدّ EDS، ولذلك يبقى الطلاء الموصل الطريق الأكثر موثوقية للتصوير بتكبير عالٍ أو للتحليل العنصري الدقيق. وينبغي تحديد المسار المناسب وفق هدف التحليل قبل تسليم العينة.

تُثبَّت القطع الصلبة على حوامل من الألومنيوم بشريط كربوني موصل مزدوج الوجه أو بطلاء فضي أو كربوني. الشريط سريع ونظيف، لكن ضعف التلامس في القطع السميكة أو غير المنتظمة يؤدي إلى الشحن؛ ويحل ذلك جسر رقيق من الطلاء الموصل يمتد من حافة العينة إلى الحامل. ويجب ألا توضع العينة تحت التفريغ قبل تبخر مذيب الطلاء بالكامل. أما القطع المسامية أو الهشة فيمنحها التغليف في الإيبوكسي ثم التلميع سطحاً مستوياً وتثبيتاً آمناً في آن واحد.

المساحيق هي الفئة الأكثر عرضة للتحضير الخاطئ. فالطبقة السميكة المكوّمة على الشريط الكربوني تنتج جسيمات متراكبة وعناقيد منجرفة في الصورة، وفي EDS يلوّث كربون الشريط الإشارة. والنهج الصحيح هو نثر المسحوق بتفرّق شديد ثم إزالة الجسيمات السائبة بالهواء المضغوط أو بنقرة خفيفة. وللمساحيق النانوية يتيح التشتيت بالموجات فوق الصوتية في الإيثانول أو الإيزوبروبانول ثم تجفيف قطرة واحدة على رقاقة سيليكون أو ألومنيوم ملمّع تصوير الجسيمات المنفردة.

تُطلى العينات غير الموصلة أو ضعيفة التوصيل التي تُفحص في وضع التفريغ العالي بالرش المهبطي بفيلم معدني أو كربوني بسماكة بضعة نانومترات. يعطي الذهب والذهب-بالاديوم أفلاماً دقيقة الحبيبات ذات عائد عالٍ من الإلكترونات الثانوية، وهما الخيار القياسي لتصوير المورفولوجيا. وتتراوح السماكة المعتادة بين 5 و15 نانومتراً؛ فالأفلام الأسمك تطمس تفاصيل السطح الدقيقة، وعند التكبير العالي تصبح البنية الحبيبية للطلاء نفسه مرئية.

إذا كان تحليل EDS مخططاً له، يتغير الاختيار. فخطوط L وM للذهب تتداخل مع عدة عناصر، لا سيما الفوسفور والكبريت والزركونيوم، وتشوّه النتائج الكمية. ويُفضَّل عندئذٍ الطلاء الكربوني: تبقى إشارته في منطقة الطاقة المنخفضة من الطيف ولا تتداخل مع العناصر المعدنية. غير أن الطلاء الكربوني لا يصلح عندما يلزم قياس محتوى الكربون في العينة نفسها؛ ويُنظر حينها في وضع الضغط المتغير أو فيلم رقيق جداً من الكروم أو الإيريديوم.

يجب أن تكون العينة جافة تماماً قبل الطلاء، وأن يوجد بعده مسار موصل من العينة إلى الحامل. وتُحفظ العينات المطلية في علب مغلقة بعيداً عن الرطوبة. وإذا كانت العينة نفسها ستُفحص لاحقاً بطرق أخرى مثل رامان أو XRD، فينبغي تقييم التأثير المحتمل للطلاء على تلك التحليلات مسبقاً.

يتطلب التحليل الكمي الموثوق بمطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDS) سطحاً مستوياً ملمّعاً. فعلى الأسطح الخشنة تمتص نتوءات العينة نفسها الأشعة السينية قبل وصولها إلى الكاشف، وتُقدَّر العناصر الخفيفة بأقل من قيمتها بشكل منهجي. والمسار القياسي هو القطع المعدنوغرافي ثم الصقل والتلميع بمعلق الماس؛ ويجب بعد ذلك إزالة بقايا التلميع مثل السيليكا أو الألومينا بعناية، وإلا ظهرت في الطيف قمم للسيليكون والألومنيوم لا تنتمي إلى العينة.

تولّد الحزمة الإلكترونية «حجم تفاعل» تحت السطح يمتد من نحو ميكرومتر واحد إلى عدة ميكرومترات تبعاً لجهد التسريع وكثافة المادة. وعند 20 كيلوفولت في مصفوفة خفيفة يبلغ هذا الحجم عدة ميكرومترات، لذا يحتوي طيف EDS لطلاء أرق من ميكرومتر واحد حتماً على إشارة من الركيزة. وللأفلام الرقيقة والجسيمات الصغيرة يقلّص خفض جهد التسريع إلى 5–10 كيلوفولت الحجم المحلَّل، على حساب الحد من إثارة خطوط K عالية الطاقة.

على أسطح الكسر غير المنتظمة أو المساحيق ينبغي اعتبار EDS شبه كمي فقط. ولمثل هذه العينات يُستحسن استخدام الخرائط العنصرية والتحليلات النقطية لإظهار الفروق النسبية بين المناطق لا النسب المطلقة، مع ذكر هذا القيد صراحة في التقرير.

يظهر الشحن على شكل بقع ساطعة وخطوط وانجراف في الصورة، وسببه عادة طلاء غير كافٍ أو انقطاع المسار الموصل بين العينة والحامل أو جهد تسريع مرتفع جداً. أما انبعاث الغازات فيتجلى في تفريغ لا يبلغ قيمته المستهدفة وصورة تتدهور مع الوقت؛ ومصادره الرئيسية العينات الرطبة والإيبوكسي غير مكتمل المعالجة والأسطح الدهنية. ويمنع تجفيف العينات طوال الليل في مجفف تفريغي أو فرن منخفض الحرارة قبل التحليل معظم هذه المشكلات.

التلوث هو المشكلة الكبرى الثالثة. فالأسطح الملموسة باليد المجردة تُظهر قمم الصوديوم والكلور والكربون، والأسطح الملمّعة سيئة التنظيف تُظهر السيليكون والألومنيوم، والمناطق المتروكة تحت الحزمة لفترات طويلة تراكم الكربون. ويجب دائماً التعامل مع العينات بقفازات نظيفة وملاقط ونقلها في حاويات مغلقة، وإتمام الصور العامة وقياسات EDS قبل مسح أي منطقة بتكبير عالٍ لوقت طويل.

يبدأ تقرير SEM/EDS الجيد بطلب جيد: منشأ العينة، تركيبها المتوقع، ما إذا كانت موصلة، أي محتوى من الرطوبة أو المواد المتطايرة، والسؤال الفعلي المطلوب الإجابة عنه (المورفولوجيا، السماكة، التركيب، سبب الفشل). تحدد هذه التفاصيل مسار التحضير وتجنّب الطلاء غير الضروري أو الفحص في الوضع الخاطئ. وتخطط NAKTEM تحضير العينة مع التحليل وتوثّق في التقرير الطلاء وجهد التسريع ومسافة العمل المستخدمة.