Kính hiển vi quét điện tử là gì? Các nghiên cứu khoa học

Giới thiệu về kính hiển vi quét điện tử

Kính hiển vi quét điện tử (SEM – Scanning Electron Microscope) là thiết bị phân tích bề mặt mẫu vật với độ phân giải nano, sử dụng chùm electron năng lượng cao quét lên mẫu và thu tín hiệu electron thứ cấp (SE) hoặc electron phản xạ ngược (BSE) để tạo ảnh. Khác với kính hiển vi quang học, SEM cho phép quan sát cấu trúc ba chiều, độ sâu lấy nét lớn (DOF) và độ phóng đại từ vài chục đến >300.000× (Thermo Fisher SEM overview).

Lịch sử SEM khởi nguồn từ thập niên 1940 với các nguyên mẫu đầu tiên do ngành hàn lâm phát triển, đến năm 1965 xuất hiện SEM thương mại đầu tiên của hãng Cambridge Scientific Instrument. Kể từ đó, SEM liên tục được cải tiến với nguồn electron field emission (FEG) cho độ phân giải sub-nanomet và khả năng phân tích thành phần hóa học tích hợp (EDX/EDS).

Ứng dụng của SEM rất đa dạng, bao gồm nghiên cứu vật liệu (kim loại, gốm, polymer), công nghệ bán dẫn (kiểm tra bề mặt chip, dò vết nứt), sinh học (cryo-SEM quan sát tế bào, mô đông khô), và khoa học môi trường (phân tích bề mặt hạt bụi, vi nhựa). Khả năng kết hợp với kính hiển vi ion tập trung (FIB-SEM) cho dựng 3D càng mở rộng phạm vi ứng dụng.

Nguyên lý hoạt động

Súng điện tử (electron gun) sinh chùm electron từ nguồn thermionic (W hoặc LaB₆) hoặc field emission (FEG) với năng lượng 1–30 keV. Chùm electron đi qua hệ thống ống kính điện từ (condenser, objective) được hội tụ thành điểm nhỏ trên bề mặt mẫu.

Khi electron tác động lên mẫu, phát sinh nhiều tín hiệu:

• Electron thứ cấp (SE): phát sinh từ bề mặt khoảng 1–10 nm, cho ảnh topography chi tiết.
• Electron phản xạ ngược (BSE): electron elastically scattered, phụ thuộc số nguyên tử Z, cho độ tương phản khối lượng.
• Tia X phân tán năng lượng (EDX/EDS): đặc trưng nguyên tố, dùng để phân tích thành phần hóa học.

Ảnh SEM được xây dựng bằng cách quét chùm electron theo hàng raster, thu tín hiệu tại mỗi điểm và ánh xạ cường độ lên trục x–y. Độ phân giải r ≈0.61 λ/α, trong đó λ là bước sóng electron và α là góc mở của ống kính điện từ (Cambridge Microscopy Review).

Cấu tạo chính

Hệ thống SEM bao gồm các bộ phận chính:

• Súng điện tử: Thermionic (tungsten, LaB₆) hoặc FEG cho độ sáng chùm cao.
• Ống kính điện từ: Condenser điều chỉnh dòng electron, objective hội tụ thành điểm nhỏ.
• Buồng chân không cao: Bơm turbo và bẫy ion giữ áp suất 10⁻⁴–10⁻⁶ Pa nhằm ngăn electron va chạm với khí.
• Detectors: SE detector, BSE detector, EDX detector tích hợp cho phân tích nguyên tố.

Thành phần	Chức năng	Thông số tiêu biểu
Súng điện tử FEG	Tạo chùm electron liên tục	Độ sáng >10⁹ A·sr⁻¹·m⁻²
Ống kính condenser	Điều chỉnh dòng electron	Điện áp 1–30 keV
Detector SE	Thu tín hiệu electron thứ cấp	Phân giải ~1 nm
EDX detector	Phân tích nguyên tố	Độ nhạy ppm

Mỗi bộ phận cần bảo trì định kỳ: làm sạch súng, hiệu chuẩn ống kính, kiểm tra hệ thống chân không và hiệu chuẩn detector để đảm bảo chất lượng ảnh và độ chính xác phân tích hóa học.

Chuẩn bị mẫu

Mẫu quan sát SEM phải khô, không tích điện và chịu được chân không cao. Đối với mẫu dẫn điện kém (polymer, gốm, sinh học), cần phủ lớp mỏng dẫn điện (Au, Pt, C) bằng sputter coater hoặc carbon coater.

Quy trình chuẩn bị mẫu bao gồm:

1. Sấy khô hoặc đông khô (cryo-SEM) để giữ cấu trúc tự nhiên.
2. Cố định bằng dung dịch giữ cấu trúc (glutaraldehyde) với mẫu sinh học.
3. Phủ dẫn điện: sputter Au/Pt (5–20 nm) hoặc carbon (10–15 nm).
4. Gắn mẫu lên giá đỡ bằng băng carbon hoặc keo dẫn điện.

Đối với chế độ variable pressure SEM (VP-SEM), có thể quan sát mẫu phi dẫn trực tiếp mà không cần phủ kim loại, tuy độ phân giải giảm nhẹ. Công ty ZEISS cung cấp giải pháp giảm tích điện và chế độ môi trường thấp (ZEISS SEM Charging Solutions).

Chuẩn bị mẫu đúng cách là bước then chốt để tránh hiện tượng tích điện, méo ảnh và giảm độ phân giải, đảm bảo thu được hình ảnh sắc nét và dữ liệu phân tích thành phần tin cậy.

Chế độ quét và thu ảnh

Chế độ quét raster truyền thống của SEM thực hiện quét chùm electron theo hàng ngang và cột dọc, với các tham số chính gồm độ rộng điểm quét (spot size), thời gian dừng (dwell time) và tốc độ quét (scan speed). Thời gian dừng dài cho tín hiệu mạnh nhưng làm tăng nhiễu nhiệt và méo ảnh, trong khi thời gian dừng ngắn giúp giảm thiểu hiện tượng drift nhưng có thể kém tương phản.

Detector electron thứ cấp (SE) thu nhận electron có năng lượng thấp phát sinh từ lớp bề mặt mỏng (~1–10 nm), cho ảnh địa hình ba chiều chi tiết. Detector electron phản xạ ngược (BSE) thu nhận electron elastically scattered, phân biệt vùng chứa nguyên tử khối lượng cao và thấp, dùng để đánh giá tương phản khối lượng và phân bố pha.

• Chế độ SE: Ảnh topography, độ phân giải bề mặt cao.
• Chế độ BSE: Ảnh khối lượng nguyên tử, phân biệt pha và tương phản nguyên tố.
• EDX mapping: Thu tín hiệu tia X đặc trưng nguyên tố, tạo bản đồ phân bố hóa học (NIST EDX overview).

Chế độ quét chuyên biệt như STEM-in-SEM cho phép ghép nối chức năng truyền qua điện tử với lớp giá đỡ tiêu chuẩn của SEM, mở rộng khả năng phân tích cấu trúc vi mô. Các hệ thống hiện đại còn hỗ trợ quét quỹ đạo phi raster để tập trung vào vùng quan tâm và giảm thời gian đo lường.

Độ phân giải và độ phóng đại

Độ phân giải SEM được xác định chủ yếu bởi kích thước chùm electron (spot size), sự nhiễu điện từ và điều kiện chân không. Các hệ Field Emission SEM (FE-SEM) hiện đại đạt độ phân giải 1–2 nm, trong khi SEM dùng nguồn thermionic (W hoặc LaB₆) thường đạt 5–10 nm.

Độ phóng đại thực tế dao động từ 10× đến >300 000×, với độ sâu trường ảnh (DOF) lên đến vài micromet, lớn hơn hàng chục lần so với kính hiển vi quang học. Mối quan hệ gần đúng giữa độ phân giải r và góc mở α được cho bởi:

$r \approx \frac{0.61\,\lambda}{\alpha}$

Trong đó λ là bước sóng electron tương ứng năng lượng vận hành (kV) và α là góc mở của ống kính điện từ. Độ ổn định nhiệt và cơ học của buồng SEM cũng ảnh hưởng đến khả năng đạt độ phân giải cao ở phóng đại lớn.

Loại SEM	Độ phân giải	Nguồn electron	Phóng đại tối đa
FE-SEM	1–2 nm	Field Emission Gun	>300 000×
W-SEM	5–10 nm	Tungsten Thermionic	100 000×
LaB₆-SEM	3–5 nm	Lanthanum Hexaboride	150 000×

Ứng dụng

SEM được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành khoa học và công nghiệp:

• Khoa học vật liệu: Quan sát cấu trúc bề mặt hợp kim, gốm, polyme, xác định kích thước hạt, vết nứt và tổn thất vật liệu. Tính chất cơ học liên quan trực tiếp đến hình thái bề mặt.
• Công nghệ bán dẫn: Kiểm tra lỗi bề mặt chip, xác định defect, đo kích thước mạch tích hợp và kiểm soát chất lượng sản phẩm.
• Sinh học và y sinh: Cryo-SEM quan sát tế bào, mô và vi khuẩn trong trạng thái đông khô, giữ nguyên cấu trúc tự nhiên mà không cần nhuộm kim loại (Thermo Fisher Cryo-SEM).
• Môi trường: Phân tích hạt bụi, vi nhựa, bản đồ phân bố kim loại nặng trên bề mặt hạt bụi, hỗ trợ nghiên cứu ô nhiễm và phục hồi môi trường.
• Ngành năng lượng: Nghiên cứu lớp phủ pin, điện cực, phân tích phá hủy bề mặt sau chu kỳ sạc–xả để tối ưu hiệu suất và tuổi thọ pin.

Ưu điểm và hạn chế

Ưu điểm	Hạn chế
Độ phân giải cao (1–10 nm)	Yêu cầu chân không cao, mẫu không sống
Độ sâu trường ảnh lớn	Chuẩn bị mẫu phức tạp, phải phủ dẫn điện
Đa dạng tín hiệu (SE, BSE, EDX)	Chi phí đầu tư và bảo trì lớn
Kết hợp phân tích hóa học	Phóng xạ tia X có thể gây nhiễu tạp chất

Việc chọn lựa chế độ quét, detector và phương pháp chuẩn bị mẫu phù hợp giúp giảm thiểu hạn chế và tối ưu chất lượng hình ảnh theo mục tiêu nghiên cứu.

Các xu hướng phát triển

Cryo-SEM: Giữ nguyên cấu trúc ẩm và thành phần sinh học qua chu trình đông khô, giảm biến dạng mẫu (Nature Protocols Cryo-SEM).

In situ SEM: Quan sát hiện tượng động (đứt gãy, oxi hóa, tăng trưởng tinh thể) trong môi trường chân không hoặc khí áp suất thấp, kết hợp lò nung, thử nghiệm cơ học hoặc ống dẫn khí (ZEISS In Situ SEM).

AI và tự động hóa: Ứng dụng học máy để phát hiện đặc trưng hình thái, phân loại pha vật liệu, tự động tập trung và hiệu chỉnh tiêu cự, giảm phụ thuộc kỹ năng người vận hành và tăng tốc độ phân tích (Nature AI SEM).

FIB-SEM 3D tomography: Kết hợp FIB cho cắt lát dày nano và SEM chụp ảnh tuần tự, tái tạo mô hình 3D thể tích mẫu với độ phân giải nanomet, phục vụ nghiên cứu cấu trúc vi mô ba chiều.

Tài liệu tham khảo

• Goldstein, J. I., et al. (2017). Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis. Springer. doi:10.1007/978-1-4939-6667-7
• Joy, D. C. (1995). Scanning Electron Microscopy. Oxford University Press.
• Newbury, D. E., & Ritchie, N. W. M. (2013). Performing elemental microanalysis with high accuracy and confidence. Journal of Materials Science, 48(1), 3–21. doi:10.1007/s10853-012-6893-3
• Egerton, R. F. (2016). Physical Principles of Electron Microscopy. Springer. doi:10.1007/978-3-319-30072-4
• Reimer, L., & Kohl, H. (2008). Transmission Electron Microscopy: Physics of Image Formation. Springer. doi:10.1007/978-3-540-73408-4