SEM/EDS Numune Hazırlama Rehberi

Taramalı elektron mikroskobu (SEM) numuneyi vakum altında, odaklanmış bir elektron demetiyle tarar. Bu nedenle numunenin dört temel koşulu sağlaması gerekir: vakuma dayanıklı olmalı (serbest su, çözücü ya da uçucu bileşen içermemeli), demetin yüklediği elektronları boşaltabilecek kadar iletken olmalı, tutucuya mekanik olarak sağlam bağlanmalı ve odanın ya da dedektörlerin kirlenmesine yol açmamalıdır. Bu koşullardan herhangi birinin karşılanmaması, görüntü kalitesini ve EDS verisinin doğruluğunu doğrudan düşürür.

Değişken basınçlı (VP) SEM, oda içinde düşük basınçta gaz bırakarak yük birikimini nötralize eder ve polimer, seramik ya da biyolojik numunelerin kaplamasız incelenmesine izin verir. Ancak bu mod çözünürlükten ve EDS sayım hızından bir miktar ödün verir; bu nedenle yüksek büyütmeli görüntüleme ya da hassas elementel analiz için iletken kaplama hâlâ en güvenilir yoldur. Hangi yolun seçileceği, analizin amacına göre numune tesliminden önce kararlaştırılmalıdır.

Katı parçalar alüminyum tutuculara (stub) çift taraflı iletken karbon bant ya da gümüş/karbon boya ile monte edilir. Bant hızlı ve temizdir, ancak kalın ya da düzensiz parçalarda yetersiz temas yük birikimine yol açar; bu durumda numunenin kenarından tutucuya uzanan ince bir iletken boya köprüsü yüklenmeyi önler. Boyanın kullanılan çözücüsü tamamen uçmadan numune vakuma alınmamalıdır. Gözenekli ya da kırılgan parçalar için epoksiye gömme ve ardından parlatma, hem düz bir yüzey hem de güvenli bir montaj sağlar.

Toz numuneler en sık hatalı hazırlanan gruptur. Karbon bant üzerine kalın bir tabaka halinde yığılan toz, görüntüde üst üste binmiş parçacıklar ve hareket eden kümeler üretir, EDS analizinde ise bant karbonu sinyale karışır. Doğru yaklaşım, tozu bant üzerine çok seyrek serpmek ve basınçlı hava ya da hafif vuruşla gevşek parçacıkları uzaklaştırmaktır. Nanotozlar için etanol ya da izopropanolde ultrasonik dağıtma ve bir damlanın silikon pul ya da parlatılmış alüminyum üzerinde kurutulması, tek tek parçacıkların görüntülenmesini mümkün kılar.

İletken olmayan ya da zayıf iletken numuneler yüksek vakum modunda sputter kaplama ile birkaç nanometre kalınlığında bir metal ya da karbon filmle kaplanır. Altın ve altın-paladyum ikincil elektron verimi yüksek, ince taneli filmler verir ve morfoloji görüntüleme için standart tercihtir. Tipik kalınlık 5–15 nm arasındadır; daha kalın filmler ince yüzey detaylarını örter ve yüksek büyütmede kaplamanın kendi tane yapısı görünür hale gelir.

EDS analizi planlanıyorsa kaplama seçimi değişir. Altın L ve M çizgileri birçok elementle (özellikle fosfor, kükürt ve zirkonyum) çakışır ve kantitatif sonucu bozar. Bu durumda karbon kaplama tercih edilir: karbon sinyali spektrumun düşük enerjili bölgesinde kalır ve metal elementlerle çakışmaz. Ancak numunenin kendi karbon içeriği ölçülecekse karbon kaplama da uygun değildir; bu gibi durumlarda değişken basınç modu ya da çok ince krom/iridyum film değerlendirilir.

Kaplama öncesinde numunenin tamamen kuru olması ve kaplama sonrasında numune ile tutucu arasında iletken bir yol bulunması gerekir. Kaplanmış numuneler nemden uzak, kapalı kutularda saklanmalı; aynı numunenin daha sonra Raman ya da XRD gibi başka yöntemlerle de inceleneceği biliniyorsa, kaplamanın bu analizleri etkileyebileceği önceden değerlendirilmelidir.

Enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDS) ile güvenilir kantitatif analiz, düz ve parlatılmış bir yüzey gerektirir. Pürüzlü yüzeylerde X-ışınları dedektöre ulaşmadan önce numunenin kendi çıkıntıları tarafından soğurulur ve hafif elementler sistematik olarak düşük ölçülür. Metalografik kesit alma, zımparalama ve elmas süspansiyonla parlatma standart yoldur; ardından yüzeydeki parlatma kalıntıları (örneğin silika ya da alümina) iyice temizlenmelidir, aksi halde spektrumda numuneye ait olmayan silisyum ve alüminyum pikleri görülür.

Elektron demeti numune içinde yüzeyin altına, hızlandırma gerilimine ve malzemenin yoğunluğuna bağlı olarak yaklaşık bir ila birkaç mikrometre derinliğe kadar bir "etkileşim hacmi" oluşturur. 20 kV'ta hafif bir matriste bu hacim birkaç mikrometreye ulaşır; bu nedenle bir mikrometreden ince bir kaplamanın EDS spektrumu kaçınılmaz olarak alt tabakanın sinyalini de içerir. İnce filmler ve küçük parçacıklar için hızlandırma gerilimini 5–10 kV'a düşürmek, analiz edilen hacmi küçültür ancak yüksek enerjili K çizgilerinin uyarılmasını sınırlar.

Düzensiz kırık yüzeylerinde ya da tozlarda EDS yalnızca yarı kantitatif kabul edilmelidir. Bu tür numunelerde elementel haritalama ve nokta analizleri, mutlak yüzdelerden çok bölgeler arası göreli farkları göstermek için kullanılmalı ve rapor bu sınırlamayı açıkça belirtmelidir.

Yük birikimi (charging) görüntüde parlak alanlar, çizgiler ve kayma olarak kendini gösterir; nedeni çoğunlukla yetersiz kaplama, numune ile tutucu arasındaki kopuk iletken yol ya da çok yüksek hızlandırma gerilimidir. Gaz çıkışı (outgassing) ise vakumun hedef değere inmemesi ve görüntünün zamanla bozulması şeklinde ortaya çıkar; nemli numuneler, tam kürlenmemiş epoksi ve yağlı yüzeyler başlıca kaynaklardır. Numuneleri analiz öncesi en az bir gece vakumlu desikatörde ya da düşük sıcaklıkta etüvde kurutmak çoğu sorunu önler.

Kontaminasyon üçüncü büyük sorundur. Çıplak elle dokunulan yüzeylerde sodyum, klor ve karbon pikleri, yetersiz temizlenen parlatma yüzeylerinde silisyum ve alüminyum, uzun süre demet altında kalan bölgelerde ise karbon birikimi gözlenir. Numuneler her zaman temiz eldivenle, cımbızla ve kapalı kaplarda taşınmalı; ilgilenilen alan yüksek büyütmede uzun süre taranmadan önce genel görüntü ve EDS ölçümleri tamamlanmalıdır.

Kaliteli bir SEM/EDS raporu için analiz talebinde numunenin kökeni, beklenen bileşim, iletken olup olmadığı, nem ya da uçucu içeriği ve asıl sorunun ne olduğu (morfoloji, kalınlık, bileşim, hasar nedeni) belirtilmelidir. Bu bilgiler hazırlama yolunu belirler ve numunenin gereksiz yere kaplanmasını ya da yanlış modda incelenmesini önler. NAKTEM numune hazırlama adımlarını analizle birlikte planlar ve kullanılan kaplama, gerilim ve çalışma mesafesini raporda belgeler.