หลกการทำ งานของกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสแกนนง

กลองจลทรรศนอเลกตรอน (electron microscope) เกดจากการคดคนเพอเพมประสทธภาพในการมองเหนวตถใหดกวากลองจลทรรศนแบบแสง กลาวคอ กลองชนดนสามารถแยกแยะรายละเอยดของภาพไดมากกวาเดม โดยใชอเลกตรอนทมความยาวคลนสนกวาคลนแสง และใชเลนสสนามแมเหลกไฟฟาแทน เลนสกระจก รวมถงมอปกรณตรวจจบสญญาณอเลกตรอนทเกดจากอนตรกรยาของ ลาอเลกตรอนกบวตถ จากนนจงใชอปกรณแปลงสญญาณอเลกตรอนเปนภาพแสดง บนจอรบภาพ ผลทไดคอ ภาพของวตถทกาลงขยายสง และสามารถแยกแยะราย ละเอยดของภาพไดถง 100 นาโนเมตร

กลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสแกนนง (Scanning Electron Microscope, SEM) ใชศกษารายละเอยดของโครงสรางภายนอกหรอผวของตวอยาง ภาพทไดจากกลอง SEM เปนภาพเสมอน 3 มตทมระยะชดลกสง ทาใหสามารถระบลกษณะของพนผวของชนงานไดอยางชดเจน

aterials CharacterizationMMอจฉราพร ศรออน

หองปฏบตการวสดทางการแพทย

หนวยวจยวศวกรรมชวการแพทย

ศนยเทคโนโลยโลหะและวสดแหงชาต

e-mail: autchars@mtec.or.th

เมษายน - มถนายน 255978

1. ปนอเลกตรอน (Electron Gun) เปนแหลงก�ำเนดอเลกตรอน เรยกวำ แคโทด (cathode) เนองจำกเปนขวลบ วสดทใชท�ำตองมเสถยรภำพสง แหลงก�ำเนดอ เลกตรอนแบงประเภทตำมกลไก กำรก�ำเนดอเลกตรอนไดดงน

• การปลอยเนองจากความรอน (Thermionic Emission) ไดแก

- ไสหลอดทงสเตน (tungsten filament) เปนทนยมมำกทสด เนองจำกมรำคำถกและไมตองกำร สภำพสญญำกำศทพเศษมำกนก ในกำรใชงำนจะใหควำมรอนกบลวดและใชควำมตำงศกยดงใหอเลกตรอน ออกมำจำกบรเวณปลำยแหลม

- ผลกแลนทานมเฮกซะบอไรด (lanthanum hexaboride crystal source, LaB

6) มลกษณะเปน

ผลกเดยว บรเวณปลำยของแคโทด LaB6 มพนทเลก

กวำชนดทงสเตน จงใหขนำดของล�ำอเลกตรอนเลกกวำ แบบทงสเตน มควำมสำมำรถในกำรแยกแยะรำย ละเอยดของภำพดกวำ รวมถงมอำยกำรใชงำนนำนกวำ

• การปลอยเนองจากสนามไฟฟา (Field Emission) ไดแก

- โคลดฟลดอมสชน (Cold field emission source) กำรปลดปลอยอเลกตรอนของแคโทดแบบนเกดจำกกำรดงอเลกตรอนออกจำกทงสเตนผลกเดยวดวยสนำมไฟฟำตรงบรเวณปลำยแหลมซงเลกมำก (รศมรำว 100 นำโนเมตรหรอนอยกวำ) ปลำยของแหลงก�ำเนดอเลกตรอนชนดนจะเลกกวำปลำยของ LaB

6 ท�ำ

ใหก�ำลงแยกแยะสงกวำและมควำมสวำงของล�ำอเลกตรอนมำกกวำถง 100 เทำ แคโทดชนดนมรำคำสงกวำแคโทดชนดอน

ภาพท 1 แผนภาพแสดงสวนประกอบของกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสแกนนง

ภาพท 2 แคโทดแบบลวดทงสเตน

ภาพท 3 แคโทดแบบผลกแลนทานมเฮกซะบอไรด

สวนประกอบของเครอง SEM

เมษายน - มถนายน 2559 79

2. เลนสแมเหลกไฟฟา (Electromagnetic Lens) มหนำทลดขนำดของล�ำอเลกตรอนทเกดจำก แหลงก�ำเนดอเลกตรอน ซงมขนำดเสนผำนศนยกลำง ประมำณ 50 ไมโครเมตรใหเหลอประมำณ 5 นำโนเมตร กำรลดขนำดล�ำอเลกตรอนจะใชเลนส 2 หรอ 3 ชด ในระบบ 3 ชดจะประกอบดวย

เลนส 1: เลนสคอนเดนเซอร (condenser lens) มหนำทควบคมกระแสของล�ำอเลกตรอน เลนส 2: เลนสคอนเดนเซอร (condenser lens) มหนำทควบคมเสนผำนศนยกลำงของล�ำอเลกตรอน เลนส 3: เลนสวตถ (objective lens) มหนำทโฟกสล�ำอเลกตรอนลงบนชนงำน

3. แทนวางตวอยาง (Sample Stage) แทนวำงตวอยำงส�ำหรบ SEM จะมหลำกหลำยรปแบบและหลำยขนำด ขนกบยหอและรนของเครอง SEM โดยทวไป แทนวำงตวอยำงจะสำมำรถเคลอนทได 5 แนว ไดแก แนวแกน X,Y, Z, เอยง และ สำมำรถหมนท�ำมมไดถง 360 องศำ

4. อปกรณตรวจจบ (detector) กลองจลทรรศน อเลกตรอนแบบสแกนนงทกเครองตองมอปกรณตรวจจบสญญำณอเลกตรอนทตยภม ในขณะทบำงเครองอำจมอปกรณตรวจจบสญญำณอเลกตรอนกระเจงกลบ (Back Scattered Electron, BSE) และอปกรณตรวจจบสญญำณรงสเอกซ (Energy-Dispersive x-ray Spectroscopy, EDS) โดยประสทธภำพของเครองมอ จะขนอย กบชนดและจ�ำนวนของอปกรณตรวจจบสญญำณ

หลกการทำงานของกลองจลทรรศนอเลก- ตรอนแบบสแกนนง เ ร มจำกแหล งก� ำ เน ดอ เ ล กตรอนปล อย อเลกตรอนปฐมภม (primary electron) ออกมำ อเลกตรอนเหลำนถกเรงดวยศกยไฟฟำสง (100 ถง 30,000 อเลกตรอนโวลต หรอมำกกวำ) จำกนนจะถก ดดลงสดำนลำงโดยแผนแอโนด (anode plate) ภำย ใตภำวะควำมดนสญญำกำศ 10-5 ถง 10-7 ทอร และ มชดเลนสคอนเดนเซอร ชวยปรบล�ำอเลกตรอนใหมขนำดเลกลงเพอเพมควำมเขมใหกบล�ำอเลกตรอน ล�ำ อเลกตรอนจะวงลงดำนลำงผำนเลนสวตถทท�ำหนำทปรบล�ำอเลกตรอนปฐมภมใหมจดโฟกสบนผววตถพอด โดยมชดขดลวดควบคมกำรกรำด (scan coil) ท�ำหนำทควบคมทศทำงกำรเคลอนทของล�ำอเลกตรอนบนพนผว ตวอยำง ผใชสำมำรถก�ำหนดทศทำงผำนชดควบคม (control unit)

ขณะทล�ำอเลกตรอนกระทบผวตวอยำงจะเกด อนตรกรยำระหวำงอเลกตรอนปฐมภมกบอะตอมของธำตในวตถและเกดกำรถำยโอนพลงงำนทชนควำมลก จำกพนผวทระดบตำงๆ ท�ำใหเกดกำรปลดปลอย สญญำณอเลกตรอนชนดตำงๆ ออกมำ ซงใช ใน กำรศกษำลกษณะผวของตวอยำงและวเครำะหธำตทม ในตวอยำงได

อนตรกรยาระหวางอเลกตรอนกบวตถ 1. สญญาณภาพจากอเลกตรอนทตยภม (Secondary Electron Image, SEI) เปนกลม อเลกตรอนพลงงำนต�ำ เกดทพนผวระดบไมลก (ไมเกน 10 นำโนเมตร) ใหขอมลลกษณะพนผว และเปน สญญำณทน�ำมำสรำงภำพใชงำนแพรหลำยมำกทสด

ภาพท 4 แคโทดแบบโคลดฟลดอมชชน

ภาพท 5 ตวอยางแทนวางตวอยาง (sample stage) แบบตางๆ

เมษายน - มถนายน 255980

2. สญญาณภาพจากอเลกตรอนกระเจงกลบ (Backscattered Electron Image, BEI) เปนกลมอเลกตรอนทเกดกำรกระเจงมมสง (มำกกวำ 90 องศำ) สญเสยพลงงำนใหกบอะตอมในชนงำนเพยงบำงสวน และกระเจงกลบออกมำ อเลกตรอนกระเจงกลบมพลงงำนสงกวำอเลกตรอนทตยภม เกดทพนผวระดบ ลกกวำ 10 นำโนเมตร เกดไดดกบธำตทมเลขอะตอม สง สญญำณภำพทไดแสดงควำมตำงระหวำงเลข อะตอมเฉลยในแตละพนทบนผวชนงำน

3. สญญาณภาพจากรงสเอกซ (X-Ray Image, XRI) รงสเอกซมลกษณะเฉพำะเปนคลนแมเหลกไฟฟำ ทเกดจำกอเลกตรอนในระดบชนโคจรตำงๆ (K, L, M,….) ถกกระตนหรอไดรบพลงงำนมำกพอจนหลดออก จำกวงโคจร ท�ำใหอะตอมตองรกษำสมดลของโครงสรำงรวมภำยในอะตอมโดยอเลกตรอนจำกชนโคจรพลงงำน สงกวำจะเขำมำแทนท พลงงำนสวนเกนจะปลดปลอยออกมำในรปคลนแมเหลกไฟฟำ เพอท�ำใหตวเองม พลงงำนเทำกบชนโคจรทไปแทนท คลนแมเหลกไฟฟำนมควำมยำวคลนเฉพำะของแตละธำต ท�ำใหสำมำรถวเครำะหธำตในตวอยำงไดทงเชงปรมำณและเชง คณภำพ

เอกสารอางองและภาพประกอบ 1. JEOL: A Guide to Scanning Microscope Observation

2. Goldstein, J (2003) Scanning electron microscopy and x-ray microanalysis. Kluwer Academic/Plenum Publishers, 689p.

3. Reimer, L. (1998) Scanning electron microscopy: physics of image formation and microanalysis. Springer, 527p.

4. SEM web page: Kurt Hollocher Geology Department Union College Schenectady, NY 12308 U.S.A.