С развитием материаловедения и микро‑нанотехнологий сканирующий электронный микроскоп превратился в важнейший инструмент исследования микроструктуры. В зависимости от габаритов и конструкции сканирующие электронные микроскопы делятся на две основные категории: напольные и настольные модели. В данной статье мы сравним эти два типа по ряду параметров, включая детекторы, удобство эксплуатации, требования к условиям установки и стоимость.

I. История развития

Технология сканирующей электронной микроскопии возникла в 1930‑е годы и за почти столетие развития превратилась в важнейший инструмент для исследования структуры материалов. В ранние годы сканирующие электронные микроскопы имели крупные габариты и назывались напольными. Начиная с 1980‑х годов, по мере развития науки и технологий ведущие производители приборов приступили к разработке компактных настольных сканирующих электронных микроскопов. С началом XXI века настольные сканирующие электронные микроскопы значительно продвинулись: их характеристики неуклонно улучшались, и они уже способны удовлетворять потребности большинства исследований материалов.

II. Обзор принципа работы

Принцип работы сканирующего электронного микроскопа заключается в том, что сфокусированный пучок электронов сканирует поверхность образца, регистрируя вторичные или отражённые электроны, испускаемые образцом; затем на основе этих сигналов восстанавливается информация о рельефе поверхности либо о распределении составных компонентов. В основе их принципа действия нет существенных различий; основные отличия проявляются в конкретных методах реализации и характеристиках детектирования.

III. Сравнение детекторов

1. Изображение вторичных электронов

Вторичные электроны в основном отражают информацию о рельефе поверхности образца. Разрешение изображений, получаемых с помощью напольных сканирующих электронных микроскопов, обычно превышает 100 нм, тогда как настольные приборы в настоящее время также способны достигать высокого разрешения порядка 10 нм.

2. Отражённое электронное изображение

Отражённые электроны в большей степени отражают информацию о составных различиях образца. Между ними нет принципиальных различий в свойствах изображений, получаемых с помощью отражённых электронов.

3. Рентгеновская интерференция

Используя распределение характеристических рентгеновских лучей образца, можно анализировать пространственное распределение различных элементов. Настольные приборы обычно требуют подключения внешнего энергодисперсионного спектрометра для выполнения элементного анализа. В то же время многие напольные устройства оснащены встроенной системой энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX).

4. Дифракция и фотоэлектронная визуализация

Все это — дополнительные методы получения изображений, доступные в качестве опций. Как правило, такие функции предлагают лишь крупные напольные сканирующие электронные микроскопы; настольные приборы ими почти не оснащаются.

5. Анализаторный детектор

Например, такие методы, как WDS, CL и XRF, в основном применяются для точного химического анализа и доступны только в виде опций на крупногабаритном напольном оборудовании. Настольные приборы из‑за своих габаритных ограничений с трудом позволяют интегрировать эти аналитические детекторы.

6. Электронная дифракция обратного рассеяния (EBSD)

Это важная технология для изучения кристаллической структуры и ориентации материалов. Современное высококлассное настольное и напольное оборудование в большинстве случаев уже оснащено этой функцией.

IV. Сравнение разрешения

Как важный показатель структурных характеристик, разрешение напрямую определяет область применения прибора. Теоретически максимальное разрешение напольного сканирующего электронного микроскопа может достигать субнанометрового уровня, однако в реальных условиях рабочее напряжение обычно выше, а фактическое разрешение составляет 2–5 нм. Разрешение настольных устройств также постоянно повышается; настольный сканирующий электронный микроскоп ZEM компании Zezhou Technology в настоящее время обеспечивает разрешение до 5 нм.

V. Сравнение удобства эксплуатации

1. Интерфейс управления

У стационарных сканирующих электронных микроскопов интерфейс управления отличается сложностью и разнообразием; для уверенного освоения эксплуатации требуется длительная подготовка. Настольные приборы, в силу ограничений по габаритам, имеют упрощённый интерфейс: выбор функций осуществляется с помощью сенсорного экрана, что делает работу более удобной и интуитивно понятной.

2. Загрузка образца

Настольное оборудование оснащено механизмом быстрой загрузки образцов, что обеспечивает удобство эксплуатации; напольное оборудование, как правило, требует ручной загрузки образцов, что отнимает много времени и сил.

3. Выбор параметров формирования изображения

Параметры изображения для напольных сканирующих электронных микроскопов чрезвычайно многообразны и их оптимизация весьма сложна. В настольных приборах набор параметров относительно ограничен и уже оптимизирован, поэтому в большинстве случаев пользователю не требуется вносить значительные корректировки.

4. Послепроцессинг

Функции постобработки изображений у напольных сканирующих электронных микроскопов более разнообразны и полноценны; пользователь может выбирать различные методы обработки в зависимости от своих потребностей. В настольных приборах функции постобработки, напротив, значительно проще.

5. Уровень обслуживания

Торцевые сканирующие электронные микроскопы отличаются низкой сложностью обслуживания, что позволяет операторам самостоятельно проводить техническое обслуживание. В то же время напольные приборы требуют более сложного обслуживания; как правило, для настройки системы и устранения неисправностей необходимо привлечение специалистов‑ремонтников из производственной компании.

6. Условия монтажа довольно…

1. Размер пространства

Настольные устройства занимают небольшую площадь, их можно установить и эксплуатировать даже в обычной лаборатории; напольные устройства имеют значительные габариты и обычно требуют отдельного серверного помещения.

2. Требования к инфраструктуре

Напольные сканирующие электронные микроскопы предъявляют высокие требования к условиям установки и требуют специальной вибро‑ и магнитозащищённой комнаты; настольные приборы обладают более высокой помехоустойчивостью и могут устанавливаться в обычных лабораторных условиях.

3. Мобильная гибкость

Настольное оборудование легко перемещается благодаря дополнительным мобильным каркасам; напольное оборудование установлено на постоянном месте, и его перемещение крайне затруднено.

VII. Сравнение сметы расходов

1. Затраты на приобретение оборудования

В сравнении с этим, настольные устройства аналогичного уровня производительности стоят примерно от трети до половины цены напольных моделей.

2. Эксплуатационные расходы

С учётом простоты эксплуатации и обслуживания, последующие эксплуатационные расходы настольного оборудования также невелики.

3. Техническое обслуживание

Настольное оборудование простое в ремонте, сроки обслуживания длительные, нет необходимости регулярно заменять дорогостоящие комплектующие; напольное оборудование требует сложного технического обслуживания, а расходы на ремонтную поддержку выше.

4. Стоимость реконструкции

Настольное оборудование можно использовать непосредственно в обычной лаборатории, без необходимости дополнительных капитальных вложений; напольное оборудование требует специализированного серверного помещения, а затраты на его переоборудование существенно выше.

5. Требования к специалистам

Настольное оборудование простое в эксплуатации и обслуживании, не требует выделения штатных технических специалистов; напольное оборудование отличается сложностью управления и требует постоянного присутствия квалифицированных специалистов.

VIII. Сравнение сфер применения

1. Регулярный анализ морфологии и состава

В типичных приложениях по анализу морфологии и состава материалов и компонентов настольный сканирующий электронный микроскоп полностью отвечает предъявляемым требованиям.

2. Разработка новых материалов и новых конструкций

В разработке новых материалов и исследовании новых структур высокоразрешающая визуализация и богатый набор режимов изображения, предоставляемые настольным сканирующим электронным микроскопом, позволяют добиться более значительных преимуществ.

3. Точный количественный анализ

При необходимости проведения точного количественного анализа химического состава материалов только стационарные приборы могут быть оснащены различными специализированными аналитическими детекторами.

В целом, настольный сканирующий электронный микроскоп обладает явными преимуществами в плане соотношения стоимости и эффективности, простоты эксплуатации и мобильности. Он уже способен удовлетворить потребности большинства типовых задач по характеристике материалов. Однако при необходимости анализа сложных структур либо при требовании высокой точности в составном анализе следует отдать предпочтение более функциональным напольным сканирующим электронным микроскопам.

Столешный сканирующий электронный микроскоп ZEM20 компании ZEPTOOLS

Компания «Аньхой Цзэюй Технологии» — это научно‑инструментальная фирма, обладающая полностью самостоятельными правами интеллектуальной собственности. С начала 1990‑х годов, когда была начата разработка электронных микроскопов и сопутствующего оборудования, её исследовательская команда неизменно стремится предоставлять высококачественные приборы для нанонаучных исследований. В настоящее время компания располагает в том числе… Пико Фемто Серия Система измерений в режиме in situ с использованием ТЭМ 、 Система измерений СЭМ в нативном состоянии 、 Настольный сканирующий электронный микроскоп серии ZEM 、 Ступенчатый измеритель серии JS Продукция, представленная в нескольких линейках, пользуется широким признанием как на внутреннем, так и на международном рынках, заполняя многочисленные пробелы в отечественной сфере высокоточных измерительных приборов.