Kính hiển vi điện tử quét tiến tới những thách thức của thế kỷ

Kể từ khi “cỗ máy” SEM thương phẩm đầu tiên xuất hiện vào năm 1964, SEM đã trở thành một công cụ mạnh để khảo sát các tính chất bề mặt của vật liệu trong các khoa học vật lý cũng như khoa học sự sống. SEM đã trở nên quá phổ biến trong ngành công nghiệp bán dẫn mà ở đó chúng được sử dụng để tạo ra (các thiết bị khắc chùm điện tử) và khảo sát vi cấu trúc các cấu kiện cực nhỏ, và nó đã trở thành một thiết bị then chốt trong các công việc mang tính chất “khẩn cấp” của công nghệ nano. Nếu so sánh với “người anh” trong làng hiển vi điện tử là kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) thì có vẻ SEM yếu thế hơn với những hạn chế về khả năng phân giải (TEM có thể cho độ phân giải siêu cao tới cấp độ từng nguyên tử) cũng như các phép phân tích có tính chính xác cao và nhiều thông tin, nhưng thay vào đó, SEM lại có những tính năng mà TEM không bao giờ có thể đạt được. Đó là SEM cực kỳ dễ sử dụng, dễ thao tác và thực hiện các phép đo mà không đòi hỏi phá hủy mẫu đo (ví dụ như các linh kiện điện tử là không thể phá hủy), một điều mà TEM không bao giờ làm được.

Sự giảm tốc độ của chùm điện tử sơ cấp ở SEM.

Tuy nhiên, đã có một cuộc cách mạng thầm lặng trong thế giới của SEM, chậm nhưng rất chắc chắn và rất có khả năng sẽ nhanhtróng lan rộng. Thiết bị SEM giờ đây đã có thể rất dễ dàng sử dụng để nghiên cứu bề mặt của các vật liệu khối ở độ phân giải cỡ nanomet mà không cần quan tâm đến việc nó sạch hay là bẩn, ẩm hay khô,nóng hay lạnh, dẫn điện hay không dẫn điện… Trong hầu hết các điều kiện thông dụng, độ phân giải cỡ nanomet hoàn toàn có thể đạt được – đặc biệt cho các mẫu mỏng có thể ghi ảnh ở chế độ truyền qua cóthể đạt dưới cấp nanomet. Một SEM bao gồm một nguồn phát tia điện tử được gia tốc với điện thế lớn (cỡ vài chục kV đến 100 kV) và được hội tụ bởi một hệ thấu kính để thu được một chùm tia điện tửhẹp. Chùm điện tử này được điều khiển để quét trên bề mặt mẫu. Từ các tín hiệu thu được do tương tác của chùm điện tử với bề mặt (điện tử tán xạ ngược, điện tử thứ cấp, tia X, huỳnh quang…) ta có thểdựng lên một bức ảnh về cấu trúc bề mặt và các thông tin liên quan khác (ví dụ thành phần hóa học, cấu trúc điện từ…).

Mẫu là phần tử tích cực

Những cải thiện cơ bản trong các tính năng của SEM đã được thúc đẩy bởi các công nghệ mới ví dụ như sử dụng nguồn phát điện tử phát xạ trường, các thấu kính nhấn chìm từ, các detector có độ nhạy cao và hiệu quả cao hơn và đặc biệt là buồng chuyển mẫu và giá mẫu. Ngoài ra, là một sự nhận thức đang ngày một phát triển trong cộng đồng sử dụng và nghiên cứu về SEM là hiệu năng có thể được khai thác tối đa bằng việc xử lý mẫu như một phần tử tích hợp và tích cực của hệ thống. Có nghĩa là nó sẽ mở ra những khả năng cho việc điều chỉnh các thí nghiệm để kết nối mẫu, để gỡ ra những thông tin cần thiết hay tiết lộ những gì không mong muốn và sử dụng SEM để chế tao những cấu trúc ở cấp độ ngày một nhỏ hơn.

Một chiến dịch để cải tiến tính năng của SEM là đặt một hiệu điện thế dịch âm vào mẫu nhằm làm chậm chùm tia chiếu tới tại bề mặt mẫu. Các điện tử có năng lượng thấp sẽ không đâm xuyên sâu vào bề mặt như các điện tử có năng lượng cao và do đó sẽ là một mũi dò bề mặt nhạy hơn. Ưu thế mang lại là dễ dàng hội tụ nó vào một điểm rất nhỏ và do đó sẽ cải thiện một cách đáng kể khả năng phân giải không gian. Hình 1 mô tả ví dụ này (kèm theo là một bức ảnh chụp kiểm chứng) mà ở đó năng lượng của chùm điện tử chỉ là 50 eV (so với chùm điện tử ban đầu là 2 keV). Độ xuyên sâu suy giảm của điện tử sơ cấp vào vật liệu cho độ nhạy bề mặt tốt hơn và với detector thích hợp, cho phép ghi ảnh điện tử tán xạ ngược năng lượng thấp và chất lượng cao (Hình 2). Kỹ thuật này được đồng nhất trong một là có khả năng cung cấp các thông tin về thành phần hóa học cũng như là hình thái học bề mặt của mẫu với độ phân giải cao ở cùng một thời gian.

STEM (Kính hiển vi điện tử truyền qua quét) trong SEM

Ảnh chụp điện tử tán xạ ngược điện thế thấp và độ phân giải cao của một mẫu kim loại cho thấy sự xác định cao với một năng lượng hiệu dụng chùm tia là 1 keV. Bên phải là cơ cấu giảm tốc dùng để thu được bức ảnh, vCD là detector điện thế thấp, tương phản cao.

Một cách khai thác khác các tính năng của SEM là bố trí một detector bên dưới một mẫu mỏng để thu thập các điện tử truyền quamẫu – tương tự như trong STEM. Đó là kỹ thuật “STEM-in-SEM” tạo ra những ưu thế về năng lượng chùm tia sơ cấp tương đối thấp ở SEM (cỡ 30 keV), có nghĩa là có nhiều hơn các điện tử sơ cấp tán xạ khimà chúng truyền qua mẫu. Sự tán xạ tăng cường này khiến cho chúng trở nên dễ dàng hơn cho nghiên cứu các vật liệu có chứa các nguyên tử nhẹ ví dụ như carbon (vốn rất kém hiệu quả với các điện tử tánxạ). Và kỹ thuật này đã được sử dụng để nghiên cứu các vật liệu polymer, ống nanocarbon và các hợp chất hữu cơ…

Một sự đổi mới cực kỳ lý thú khác là kính hiển vi điện tử quét thân thiện môi trường (Environmental SEM – ESEM) có thể sử dụng trong chế độ STEM. Khái niệm “Thân thiện môi trường” ở đây là nói đến khả năng của thiết bị để chụp ảnh mẫu trong trạng thái tự nhiên hơn là những kính truyền thống chỉ chụp ảnh với mẫu được làm khô, được phủ vàng và đặt trong chân không cao. Các ESEM và các kính hiển vi khác sử dụng công nghệ tương tự được trang bị tốt để nghiên cứu các vật liệu khối cách điện ví dụ như oxide, gốm, thủy tinh và polymer. Các vật liệu này thường trở nên dẫn điện khi bị tích điện bởi chùm tia sơ cấp khiến cho các phép phân tích trở nên rất khó khăn.

Kỹ thuật này hoạt động bằng cách đưa vào một loại “khí chụp ảnh” (ví dụ như hơi nước) vào buồng mẫu. Khi chùm tia sơ cấp quét trên mẫu, nó sẽ tạo ra các điện tử thứ cấp làm iôn hóa các khí và tạo ra thêm các điện tử thứ cấp cũng như các iôn mang điện tích dương. Các điện tử bổ sung này sẽ làm khuếch đại tín hiệu điện tử thứ cấp trong khi các iôn dương thì bám vào mẫu mà ở đó chúng sẽ bị trung hòa nhờ các điện tích âm từ chùm điện tử sơ cấp.

Các chu trình làm ẩm và làm khô

Ảnh “STEM-in-SEM” một ống nanocarbon với đường kính ngoài là 75 nm, đường kính trong là 15 nm.

Nếu hơi nước được sử dụng như là khí chụp ảnh, buồng mẫu sẽ trở thành môi trường thích hợp cho việc làm bền các mẫu chứa chấtlỏngvà tiến hành các thí nghiệm “in-situ” – ví dụ như một mẫu có thể được nghiên cứu khi đưa nó vào các chu trình làm ướt và làm khô. Mẫu có thể được đốt nóng hay làm lạnh, kéo, nén và các thao táckhác kết hợp với một dải các khí thích hợp cho thí nghiệm. Các tiến bộ gần đây trong việc thiết kế các detector đã cho thấy rằng các thí nghiệm có thể tiến hành trong buồng mẫu với áp suất xung quanh4 kPa. Thực tế thì áp suất này cũng chưa đạt đến mức độ áp suất khí quyển (cỡ 101 kPa) nhưng nếu so với áp suất ở một SEM bình thường thì nó cao hơn cỡ một triệu lần.

SEM đang ngày càng trở nên có giá trị hơn trong công nghệ chế tạo các linh kiện ở thang nanomet cho kỹ thuật điện tử và các ứng dụng khác. Ví dụ như các tương tác của chùm điện tử với các khí có thể sử dụng để tạo nên việc điều khiển sự lắng đọng của các vật liệu như các kim loại hay các dạng khác nhau của carbon trên đế. Kỹ thuật này có thể sử dụng để xây dựng cấu trúc nano ba chiều hay tạo ra các đường nối giữa các phần tử kích thước nano. Một phương pháp tạo nên các cấu kiện siêu nhỏ sử dụng SEM là kỹ thuật quang khắc chùm điện tử (Electron beam lithography – EBL). Quá trình này sử dụng chùm điện tử để vẽ các bản vẽ mạch điện trên một đế có phủ các chất cản quang. Sau đó mẫu được đưa đến các quá trình tráng rửa để loại bỏ các phần cản quang không bị chiếu điện tử. Các kỹ thuật lắng đọng và ăn mòn hóa học có thể được kết hợp trong một môi trường khí trung gian giống như ESEM và sẽ dẫn đến các kỹ thuật quan trọng và mới cho việc tạo ra các cấu trúc nano.

Phân tích SEM có thể được tăng cường bằng một thiết bị tích hợp chùm iôn hội tụ (Focused Ion Beam – FIB), quét trên bề mặt mẫu giống như chùm điện tử. Thiết bị FIB có thể được sử dụng để loại bỏ các vật liệu khỏi bề mặt (gọi là quá trình ion milling) cho phép điện tử có thể dò sâu hơn vào trong vật liệu. Quá trình này được lặp lại một số lần để thu được một số các lát cắt mỏng 2 chiều qua một vật liệu, mà sau đó có thể được chuyển thành hình ảnh 3D. Lát mỏng có thể có chiều dày từ cỡ nanomet đến cấp micromet phụ thuộc vào kích cỡ phân bố của cấu kiện có mặt trong vật liệu. Các tính năng này có thể liên kết với các kỹ thuật phân tích truyền thống ví dụ như điện tử tán xạ ngược (EBSD), phân tích tia X (EDS) để xây dựng nên bức ảnh 3 chiều của cấu trúc và thành phần hóa học của mẫu. Trên đây là những trình bày vắn tắt chỉ ra một SEM hiện đại có thể đem lại những gì cho chúng ta từ các phép đo đạc hiện đại ở các vật liệu cứng và mềm, thậm chí các chất lỏng, sự tạo ảnh ba chiều, các thí nghiệm động và chế tạo các cấu trúc nano. Hầu hết đều là hiện thực nhờ khả năng điều khiển ở mức cực cao cung cấp bởi SEM – một tính năng mà bao gồm cả những sự phát triển công nghệ của nhiều thập kỷ liên kết với sức mạnh máy tính, phần mềm. Trong một thế giới độc đáo, một SEM không quá thấp kém đang tiến bước một cách hoành tráng đến các thách thức của thế kỷ 21.