กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) คืออะไร?

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด หรือ Scanning Electron Microscope (SEM)
เป็นเครื่องมือวิเคราะห์ทางวัสดุศาสตร์ที่ใช้ ลำอิเล็กตรอนพลังงานสูง สแกนบนพื้นผิวของตัวอย่าง เพื่อสร้างภาพที่มีความละเอียดสูงในระดับนาโนเมตร หลักการนี้แตกต่างจากกล้องจุลทรรศน์แสงที่ใช้แสงส่องผ่านเลนส์ เนื่องจากอิเล็กตรอนมีความยาวคลื่นสั้นกว่ามาก ทำให้สามารถเห็นรายละเอียดเชิงโครงสร้างของพื้นผิวได้ลึกและคมชัดกว่าหลายร้อยเท่า

           SEM ไม่เพียงให้ภาพขยายเท่านั้น แต่ยังสามารถให้ข้อมูลทางเคมีและผลึกวิทยา (crystallography) ผ่านระบบตรวจจับร่วม เช่น Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) สำหรับการวิเคราะห์องค์ประกอบธาตุ และ Electron Backscatter Diffraction (EBSD) สำหรับศึกษาทิศทางผลึกและโครงสร้างจุลภาคของวัสดุ จึงเป็นเครื่องมือสำคัญในการวิจัยและการควบคุมคุณภาพในอุตสาหกรรม เช่น เซมิคอนดักเตอร์ โลหะ เซรามิกส์ โพลิเมอร์ และชีววิทยา
            กล่าวโดยสรุป SEM คือเครื่องมือที่เปิดโลกให้เรา “เห็น” โครงสร้างของสสารในระดับนาโน และ “เข้าใจ” พฤติกรรมของวัสดุได้ลึกยิ่งขึ้น ทั้งในห้องทดลองและสายการผลิตจริง

หลักการทำงานของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM)
การทำงานของ SEM เริ่มต้นจาก Electron Gun (1) ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดลำอิเล็กตรอนพลังงานสูง อิเล็กตรอนที่ถูกเร่งให้มีความเร็วสูงจะผ่านโครงสร้าง Intermediate Anode (2) เพื่อควบคุมทิศทางและพลังงาน จากนั้นผ่าน Beam Centering Coil (3) เพื่อจัดแนวลำอิเล็กตรอนให้อยู่ในแนวแกนกลางของระบบ

อิเล็กตรอนจะถูกโฟกัสโดยชุด Electromagnetic Lenses (4) ซึ่งทำหน้าที่คล้ายเลนส์ในกล้องจุลทรรศน์แสง แต่ใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าแทนเลนส์แก้ว เพื่อให้ได้ลำอิเล็กตรอนที่มีขนาดเล็กและคมชัดสูง ก่อนจะถึง Scanning Coil (5) ที่ทำหน้าที่ “สแกน” ลำอิเล็กตรอนไปบนผิวตัวอย่างแบบ raster pattern (คล้ายการสแกนของจอ CRT)

เมื่ออิเล็กตรอนกระทบตัวอย่างที่วางอยู่บน Sample Stage (7) จะเกิดสัญญาณรอง เช่น Secondary Electrons และ Backscattered Electrons ซึ่งถูกเก็บโดย Signal Detector (8) จากนั้นส่งสัญญาณผ่าน Signal Amplifier (9) ไปยังระบบประมวลผล Scanning Driver (10) และ Signal Acquisition System (11)

สุดท้าย ข้อมูลทั้งหมดจะถูกแปลงเป็นภาพและแสดงผลบน Computer (12) โดยความเข้มของสัญญาณในแต่ละจุดจะถูกแปลงเป็นความสว่างของพิกเซลในภาพ ทำให้ได้ภาพสามมิติของพื้นผิววัสดุที่มีความละเอียดสูงระดับนาโนเมตร