Differenze tra le versioni di "Micro e nanotecnologia/Microtecnologia/Tecniche diagnostiche/Interazione con fasci di elettroni/SEM"

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Un '''Microscopio Elettronico a Scansione''' ('''SEM''') è un tipo di microscopio elettronico che produce immagini di un campione facendo la scansione su di esso di un fascio di elettroni focalizzati. Gli elettroni interagiscono con gli atomi nel campione, producendo vari segnali che possono essere misurati e che ontengonocontengono informazioni sulla topografia della superficie e sulla composizione. La scansione del fascio di elettroni è in genere fatta con tecnica ''raster'', e la posizione del fascio è associata al segnale misurato per produrre un immagine. I SEM raggiungono risoluzioni anche migliori di un nannometronanometro. In genere i campioni sono osservati sotto vuoto spinto, ma è possibile lavorare anche in basso vuoto, addirittura a pressione atmosferica in ambienti secchi e in un vasto intervalliintervallo idi temperature da criogeniche a elevate.
 
Il sistema più comune di misura è mediante gli elettroni secondari emessi dagli atomi eccitati dal fascio di elettroni. Su superfici piatte, il pennacchio degli elettroni secondari è contenuto principalmente all'interno del campione, ma su superfici inclinate, il pennacchio è maggiorementemaggiormente fuori del campione e un numero maggiore di elettroni sono emessi. Facendo la scansione del campione e misurando gli elettroni secondari, è prodotta una immagine della topografia superficiale. La lunghezza d'onda degli elettroni è così piccola rispetto alla lunghezza d'onda della luce visibile che non vi è nessun limite dovuto alla diffrazione come nel caso dei microscopi ottici.
 
==Principali caratteristiche==
standard in tutti i SEM, ma è raro che una singola macchina abbia rivelatori per tutti i possibili segnali.
I segnali dipendono dalla interazione del fascio di elettroni con gli atomi sulla superficie del campione o nelle immediate vicinanze.
Nel modo di operare più comune, l'immagine prodotta dagli elettroni secondarosecondari ha una elevata risoluzione, possono essere apprezzati dettagli minori di 1 [[w:Nanometro|nm]]. A causa della dimensione estremamente ridotta del fascio di elettroni, le microimmagini SEM hanno una grande [[w:Profondità_di_campo|profondità di campo]] per cui le immagini appaiono tridimensionali e permettono di apprezzare la superficie dei campioni come nell'immagine a fianco di granelli di polline.
 
I SEM permettopermettono di andare da un ingrandimento di solo 10 volte (come una comune lente di ingrandimento) a più di mezzo milione di volte.
Notare che un microscopio ottico ingrandisce al massimo 1000 volte.
 
Gli elettroni riflessi-indietro (BSE) sono gli elettroni del fascio che sono riflessi elasticamente dal campione. I BSE sono spesso usati per lo studio analitico dei campioni, in quanto l'intensità dei segnali BSE è fortemente collegata con il [[w:Numero_atomico|numero atomico]] degli elementi sul campione. Le immagini BSE possono fornire informazioneinformazioni sulla distribuzione dei differenti elementi sulla superficie del campione. Per questa ragione, immagini BSE sono in grado di localizzare [[w:Oro_colloidale|oro colloidale]] di 5 o 10 nm che sono usati per localizzare gli [[w:Antigene|antigeni]] dei sistemi biologici.
 
La [[w:Spettroscopia_EDX|spettroscopia con raggi X]] consiste nella analisi dei raggi X emessi quando gli elettroni del fascio rimuovono un elettrone dagli [[w:Orbitale_atomico|orbitali atomici]] più profondi ed un elettrone di orbitale esterno riemperiempie tale stato lasciato libero. Questi raggi X caratteristici sono usati per identificare la composionecomposizione e la quantità di elementi nel campione.
Tale tecnica è in genere unita alla analisi dei BSE che forniscono una informazione simile.
 
[[File:Schema MEB (it).svg|thumb|left|upright=1.7|350px|Schema di un SEM]]
 
In un tipico SEM, un fascio di elettroni è emesso in maniera [[w:Effetto_termoionico|termoionica]] da un filamento di [[w:Tungsteno|Tungstenotungsteno]]. Il Tungstenotungsteno è normalmente usato perchèperché ha il più alto punto di fusione e la più bassa tensione di vapore trafra tutti i metalli, questo gli permette di essere scaldato ad alta temperatura per emettere gli elettroni. Una ragione aggiuntiva è il relativo basso costo dei filamenti. Vi sono degli altri materiali, più costosi, usati come emettitori di elettroni come l'esaboruro di lantanio che è usato al posto dei filamenti di tungsteno. Nei FEG (''Field Emission Gun''), che sono cannoni elettronici particolarmente intensi, si usa come emettitore nel caso di catodi freddi un monocristallo di Tungstenotungsteno o nel caso di emissione a caldo ossido di zirconio.
 
Il fascio di elettroni, chache tipicamente unausa energia che da 0.2 [[w:Elettronvolt|KeV]] a 40 KeV, è focalizzato mediante delle lenti magnetiche (dettidette condensatori) che riducono il fascio tra 0.4 nm ae 5 nm in diametro. Il fascio passa attraverso una coppia di bobine di scansione o una coppia di armature deflettenti nella colonna, queste costituiscono le lenti elettromagnetiche finali: esse hanno lo scopo di deflettere lungo gli assi ''x'' e ''y'' così che il fascio viene fatto scandire sopra una un'area rettangolarrettangolare della superficie del campione.
 
Quando il fascio primario di elettroni interagisce con il campione, gli elettroni perdono energia mediante urti casuali e ripetuti all'interno di un volume che ha la forma di una goccia di lacrima (''teardrop'') conosciuto come il volume di interazione, che si estende da meno di 100 nm a circa 5 µm dalla superficie. La dimensione del volume di interazione dipende dalla energia degli elettroni primari, dal numero atomico e dalla densità del campione. Tale processo produce sia i cosidetticosiddetti elettroni secondari (SE) che radiazione elettromagnetica. Vi sono anche degli elettroni che sono riflessi indietro (BSE) in maniera praticamente elastica. Sia il segnale rivelato dei SE che dei BSE può essere mostrato sul monitor di un camputercomputer sincronizzando la posizione sul monitor con la posizione del fascio sul campione.
 
==Preparazione dei campioni==
[[File:SEM chamber1.JPG|thumb|left|camera di un SEM aperta con al centro il portacampioni]]
TuttoTutti i campioni devono avere una forma appropriata per entrare nella regione di misura, normalmente sotto vuoto. I campioni sono montati rigidamente su opportunoopportuni portacampioni. Persino wafer interi di silicio possono essere esaminati, ma solo campioni piccoli possono essere esaminati con inclinazione anche di 45°, che permettono di capire la morfologia microscopica.
 
Per immagini convenzionali al SEM, i campioni devono essere conduttivi elettricamente, almeno sulla superficie e [[w:Messa_a_terra|collegatocollegati a terra]] per evitare l'accumulo di carica elettrostatica sulla superficie. Oggetti metallimetallici non richiedono particolari problemi se non la pulizia e il montaggio sul portacampioni. Al contrario campioni non conduttivi tendono a caricarsi quando sono sottoposti a scansione dal fascio di elettroni specialmente nelle immagini con elettroni secondari, questaquesto causa delle immagini artefatte. Per questa ragione sono comunemnetecomunemente ricoperte con uno strato sottilissionesottilissimo di materiale conduttore (oro o grafite)
comunemente depositato con [[Micro_e_nanotecnologia/Microtecnologia/Film_sottili/Sputtering|sputtering]].
 
In alcuni casi, per evitare di depositare lo strato conduttore, viene diminuita la tensione di accelerazione a tensioni più basse,
fino a 0.3–4 kV. Nel caso di campioni biologici, la zona in cui è alloggiato il campione è postoposta in una camera a relativamente alta pressione molto sottile, in maniera che il percorso degli elettroni sia breve. Il resto della colonna è tenuto ad alto vuoto e delle opportune pompe da vuoto garantiscono un vuoto diverso nelle due regioni. La regione ad alta pressione neutralizza la carica elettrostatica. In genere i microscopi SEM per tali propositi hanno sorgenti di elevata brillanza.
 
Per l'analisi di piccole parti di campioni di dispositivi nanometrici è diventata diffusa una preparazione che riproduce su scala nanometrica la lavorazione meccanica di una [[w:Fresatrice|fresa]]. La tecnica fa uso di un [[w:Fascio_ionico_focalizzato|fascio ionico]] per scavare lamine ultrasottili di campioni da studiare.