راهنمای آماده‌سازی نمونه برای SEM/EDS

میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) نمونه را در خلأ با باریکهٔ متمرکز الکترون روبش می‌کند. از این رو نمونه باید چهار شرط اساسی را برآورده کند: سازگار با خلأ باشد (عاری از آب آزاد، حلال یا اجزای فرّار)، آن‌قدر رسانا باشد که بار ناشی از باریکه را تخلیه کند، به‌طور مکانیکی روی نگهدارنده محکم باشد و محفظه یا آشکارسازها را آلوده نکند. برآورده نشدن هر یک از این شرایط، بلافاصله کیفیت تصویر و دقت داده‌های EDS را کاهش می‌دهد.

SEM با فشار متغیر (VP) با وارد کردن گاز با فشار کم به محفظه، انباشت بار را خنثی می‌کند و امکان بررسی پلیمرها، سرامیک‌ها و نمونه‌های زیستی را بدون پوشش فراهم می‌سازد. بهای این کار، افت اندکی در وضوح و نرخ شمارش EDS است؛ بنابراین برای تصویربرداری با بزرگ‌نمایی بالا یا آنالیز عنصری دقیق، پوشش رسانا همچنان مطمئن‌ترین راه است. انتخاب مسیر باید بر اساس هدف آنالیز و پیش از تحویل نمونه انجام شود.

قطعات جامد با نوار کربنی رسانای دو طرفه یا رنگ نقره/کربن روی پایه‌های آلومینیومی نصب می‌شوند. نوار سریع و تمیز است، اما در قطعات ضخیم یا نامنظم، تماس ضعیف به شارژ شدن می‌انجامد؛ یک پل نازک از رنگ رسانا از لبهٔ نمونه تا پایه این مشکل را برطرف می‌کند. تا زمانی که حلال رنگ به‌طور کامل تبخیر نشده، نمونه نباید در خلأ قرار گیرد. برای قطعات متخلخل یا شکننده، مانت کردن در اپوکسی و سپس پولیش، هم سطحی صاف و هم نصبی مطمئن فراهم می‌کند.

پودرها بیش از هر گروه دیگری نادرست آماده می‌شوند. لایهٔ ضخیمی از پودر که روی نوار کربنی انباشته شده، در تصویر ذرات روی‌هم‌افتاده و خوشه‌های متحرک ایجاد می‌کند و در EDS کربن نوار وارد سیگنال می‌شود. روش درست آن است که پودر را بسیار رقیق بپاشید و سپس ذرات شل را با هوای فشرده یا ضربهٔ ملایم جدا کنید. برای نانوپودرها، پراکنش فراصوتی در اتانول یا ایزوپروپانول و خشک کردن یک قطره روی ویفر سیلیکونی یا آلومینیوم پولیش‌شده، تصویربرداری از ذرات منفرد را ممکن می‌سازد.

نمونه‌های نارسانا یا کم‌رسانا که در حالت خلأ بالا بررسی می‌شوند، با کندوپاش (sputter) با فیلم فلزی یا کربنی به ضخامت چند نانومتر پوشش داده می‌شوند. طلا و طلا-پالادیم فیلم‌هایی ریزدانه با بازده بالای الکترون ثانویه می‌دهند و انتخاب استاندارد برای تصویربرداری مورفولوژی هستند. ضخامت معمول بین ۵ تا ۱۵ نانومتر است؛ فیلم‌های ضخیم‌تر جزئیات ریز سطح را می‌پوشانند و در بزرگ‌نمایی بالا ساختار دانه‌ای خود پوشش نمایان می‌شود.

اگر آنالیز EDS در نظر باشد، انتخاب تغییر می‌کند. خطوط L و M طلا با چند عنصر، به‌ویژه فسفر، گوگرد و زیرکونیوم، هم‌پوشانی دارند و نتایج کمّی را مخدوش می‌کنند. در این حالت پوشش کربنی ترجیح داده می‌شود: سیگنال آن در ناحیهٔ کم‌انرژی طیف می‌ماند و با عناصر فلزی تداخل ندارد. اما وقتی محتوای کربن خود نمونه باید اندازه‌گیری شود، پوشش کربنی نیز مناسب نیست؛ در این موارد حالت فشار متغیر یا فیلم بسیار نازک کروم یا ایریدیوم بررسی می‌شود.

نمونه باید پیش از پوشش‌دهی کاملاً خشک باشد و پس از آن مسیر رسانایی از نمونه تا پایه وجود داشته باشد. نمونه‌های پوشش‌داده‌شده باید در جعبه‌های دربسته و دور از رطوبت نگهداری شوند. اگر قرار است همان نمونه بعداً با روش‌های دیگری مانند رامان یا XRD بررسی شود، تأثیر احتمالی پوشش بر آن آنالیزها باید از پیش ارزیابی شود.

آنالیز کمّی قابل اعتماد با طیف‌سنجی پراش انرژی پرتو ایکس (EDS) به سطحی صاف و پولیش‌شده نیاز دارد. در سطوح زبر، پرتوهای ایکس پیش از رسیدن به آشکارساز توسط برجستگی‌های خود نمونه جذب می‌شوند و عناصر سبک به‌طور سیستماتیک کمتر از مقدار واقعی گزارش می‌شوند. برش متالوگرافی، سنباده‌زنی و پولیش با سوسپانسیون الماس مسیر استاندارد است؛ سپس باقی‌ماندهٔ پولیش مانند سیلیکا یا آلومینا باید به‌دقت پاک شود، وگرنه پیک‌های سیلیسیم و آلومینیومی که متعلق به نمونه نیستند در طیف ظاهر می‌شوند.

باریکهٔ الکترون در زیر سطح «حجم برهم‌کنشی» ایجاد می‌کند که بسته به ولتاژ شتاب‌دهنده و چگالی ماده از حدود یک تا چند میکرومتر گسترش می‌یابد. در ۲۰ کیلوولت و در زمینهٔ سبک، این حجم به چند میکرومتر می‌رسد؛ بنابراین طیف EDS پوششی نازک‌تر از یک میکرومتر ناگزیر سیگنال زیرلایه را نیز در بر دارد. برای فیلم‌های نازک و ذرات کوچک، کاهش ولتاژ شتاب‌دهنده به ۵ تا ۱۰ کیلوولت حجم تحلیل‌شده را کوچک می‌کند، اما برانگیختگی خطوط K پرانرژی را محدود می‌سازد.

در سطوح شکست نامنظم یا پودرها، EDS را باید صرفاً نیمه‌کمّی دانست. برای چنین نمونه‌هایی بهتر است نقشه‌های عنصری و آنالیزهای نقطه‌ای برای نشان دادن تفاوت‌های نسبی میان نواحی به کار روند، نه درصدهای مطلق، و گزارش باید این محدودیت را صریحاً ذکر کند.

شارژ شدن به‌صورت نواحی روشن، خطوط و لغزش تصویر ظاهر می‌شود؛ علت آن معمولاً پوشش ناکافی، قطع مسیر رسانا میان نمونه و پایه یا ولتاژ شتاب‌دهندهٔ بیش از حد بالاست. گاززدایی (outgassing) به شکل نرسیدن خلأ به مقدار هدف و افت تدریجی کیفیت تصویر نمایان می‌شود؛ نمونه‌های مرطوب، اپوکسی ناقص‌پخته و سطوح چرب منابع اصلی آن هستند. خشک کردن نمونه‌ها یک شب در دسیکاتور خلأ یا آون کم‌دما پیش از آنالیز، از بیشتر این مشکلات جلوگیری می‌کند.

آلودگی سومین مشکل عمده است. سطوحی که با دست بدون دستکش لمس شده‌اند پیک‌های سدیم، کلر و کربن نشان می‌دهند؛ سطوح پولیش‌شدهٔ خوب تمیزنشده، سیلیسیم و آلومینیوم؛ و نواحی‌ای که مدت طولانی زیر باریکه مانده‌اند، رسوب کربن. نمونه‌ها باید همیشه با دستکش تمیز و پنس جابه‌جا و در ظروف دربسته حمل شوند، و تصاویر کلی و اندازه‌گیری‌های EDS پیش از روبش طولانی هر ناحیه در بزرگ‌نمایی بالا تکمیل شوند.

گزارش خوب SEM/EDS با درخواست خوب آغاز می‌شود: منشأ نمونه، ترکیب مورد انتظار، رسانا بودن یا نبودن، رطوبت یا محتوای فرّار و پرسش اصلی (مورفولوژی، ضخامت، ترکیب، علت خرابی). این جزئیات مسیر آماده‌سازی را تعیین می‌کنند و از پوشش‌دهی غیرضروری یا بررسی در حالت نادرست جلوگیری می‌کنند. NAKTEM آماده‌سازی نمونه را همراه با آنالیز برنامه‌ریزی می‌کند و پوشش، ولتاژ شتاب‌دهنده و فاصلهٔ کاری به‌کاررفته را در گزارش مستند می‌سازد.