اصول تصوير‌برداري در ولتاژهاي بسيار پايين با ميکروسکوپ الکتروني روبشي

پيشرفت‌هاي فني در زمينه ميکروسکوپ الکتروني با قدرت تفکيک بالا در ولتاژ پايين، مانند استفاده از آشکارسازهاي جديد و کاهش خطاي کروماتيک، اين امکان را فراهم نموده است تا اطلاعات ارزشمندي در رابطه با مواد نارسانا که پيش از اين تصویربرداری از آنها در ميکروسکوپ‌هاي الکتروني با مشکلاتی همراه بوده است، به‌‌دست آيد. همچنين از مزاياي ميکروسکوپ الکتروني روبشي با ولتاژ پايين مي‌توان به کاهش تخريب نمونه‌هاي شکننده، کاهش حجم برهم‌کنش بین الکترون و ماده، کاهش شارژ الکتروني نمونه‌هاي نارسانا و محدوده انرژي الکترون‌ها اشاره نمود. بنابراين، انتخاب شرايط بهينه عملي در ميکروسکوپ الکتروني روبشي، به‌منظور دستيابي به جزئيات واقعي از سطح نمونه‌ها، از اهميت بسيار زيادي برخوردار است.

این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
2- ميکروسکوپ الکتروني روبشي ولتاژ پايين
3- محدوديت‌هاي ميکروسکوپ الکتروني روبشي ولتاژ پايين
4- اجزاي ميکروسکوپ الکتروني روبشي ولتاژ پايين
5- امکانات جديد در راستای بهبود آشکارسازها و استفاده از فيلتر انرژي
6- مثال‌هايي از آماده‌ سازي نمونه‌ها برای کار با ميکروسکوپ الکتروني روبشي ولتاژ پايين
7- کاربرد ميکروسکوپ الکتروني روبشي ولتاژ پايين
8- ميکرو آناليز در ميکروسکوپ الکتروني روبشي با ولتاژ پايين
نتيجه‌گيري

تصويربرداري با ميکروسکوپ الکترونی، نقشي مهم و اساسي در شناسايي ساختار نانومواد ايفا مي‌کند و دريچه‌اي به درک رابطه بين خواص مواد و ساختار‌شان مي‌گشايد. مطالعات بسياري درخصوص اين برهم‌کنش‌های بین الکترون و ماده از زمان کشف الکترون توسط تامسون در سال 1897 انجام شده‌است. الکترون‌هاي پر انرژي پس از برخورد به ماده، باعث يونيزاسيون و خارج شدن الکترون از مدارهاي داخلي اتم‌های ماده مي‌شوند؛ به اين پديده يونيزاسيون تابشي گفته مي‌شود. اين پديده به‌عنوان مزيت در ميکروسکوپ‌هاي الکتروني محسوب مي‌شود، زيرا باعث توليد دامنه گسترده‌اي از سيگنال‌هاي ثانوي نظير الکترون‌هاي ثانويه، الکترون‌هاي برگشتي و پرتوايکس مي‌شود. ساختار نمونه‌اي که در معرض تابش باريکه الکتروني قرار می‌گیرد، بسته به ولتاژ شتاب‌دهنده پرتو ممکن است آسيب ببيند. استفاده از باريکه الکتروني با ولتاژ شتاب‌دهنده پايين موجب کاهش ميزان انرژي و نيز کاهش شتاب الکترون برخوردی به نمونه مي‌شود. اين امر ممکن است باعث کاهش سيگنال‌هاي ساطع شده از نمونه و کاهش کیفیت تصویربرداری شود؛ اما پيشرفت‌هاي اخير آشکارسازها، دوربين‌ها، بکارگيري ضرايب تصحيح و غیره تا حدودي سبب بهبود اين مشکل شده‌اند. سيگنال‌هاي متفاوت توليد شده از برهم‌کنش باريکه الکتروني اوليه با نمونه، الکترون‌هاي ثانويه و برگشتي، الکترون هاي عبور کرده (در صورتي که نمونه به اندازه کافي نازک باشد)، الکترون‌هاي اوژه، پرتوايکس و فوتون‌ها در شکل (1) نشان داده شده‌است [1].

هنگامي که باريکه الکتروني روبشي به سطح نمونه برخورد مي‌کند، هر يک از سيگنال‌هاي ثانويه ايجاد شده (شکل1)، داراي محدوده و توزيع فضايي در داخل نمونه هستند که به آن حجم برهم‌کنش گفته مي‌شود. این حجم برهم‌کنش به ولتاژ شتاب‌دهنده و نوع ماده بستگي دارد [2-5]. شکل (2) نمایی از حجم برهم‌کنش باريکه الکتروني، نمونه و نيز محدوده سيگنال‌ها را در میکروسکوپ الکترونی روبشی نشان مي‌دهد.

در دهه گذشته، پيشرفت‌هاي بسيار مهمي در زمينه قابليت‌هاي ميکروسکوپ الکتروني روبشي، مانند مشاهده نانومواد با نشان دادن جزئیات سطحی خاص و قدرت تفکيک بالا، به‌ ويژه با اعمال ولتاژهاي پايين، به‌وجود آمده است. ميکروسکوپ‌هاي الکتروني روبشي قديمي در محدوده (15) تا (40) کيلوولت مورد استفاده قرار مي‌گرفتند، اما پيشرفت‌هاي تجهيزاتي اخير به‌ويژه در صنعت نیمه‌رساناها امکان تصويربرداري در ولتاژهاي خيلي پايين‌تر از (10) کيلوولت را براي اين ميکروسکوپ‌ها مهيا ساخته است. استفاده از ولتاژهاي خيلي پايين امکان تصويربرداري از نمونه‌هاي نارسانا و همچنين تصويربرداري با قدرت تفکيک بسيار بالايي از سطح نمونه را فراهم مي‌کند. در ميکروسکوپ‌هاي الکتروني روبشي که در ولتاژ پايين کار مي‌کنند، حجم برهم‌کنش بين نمونه و باريکه الکتروني به ‌طور اساسي در مقايسه با آن‌هايي که در ولتاژ بالا کار مي‌کنند، کاهش مي‌يابد. علت اين است که الکترون‌هاي با انرژي کمتر، سريع‌تر انرژي خود را از دست مي‌دهند و بنابراين، میانگین طول پویش آزاد، مسير آزاد ميانگين و عمق نفوذ آن‌ها در داخل نمونه کاهش مي‌يابد. در اين حالت، سيگنال‌هاي خارج شده از نمونه به دليل اينکه از حجم کمتري خارج شده‌اند، حاوي جزييات بيشتري از سطح نمونه هستند و باعث افزايش قدرت تفکيک تصویر مي‌شوند. البته حجم بر‌هم‌کنش به عدد اتمي نيز بستگي دارد و مسير آزاد ميانگين الکترون در موادي که عدد اتمي (Z) پايين‌تري دارند، افزايش مي‌يابد.
شکل (3-الف) نشان می‌دهد که میزان الکترون‌های برگشتی با عدد اتمی نمونه رابطه مستقیم دارد، اما در برخی عناصر در ولتاژ پایین (کمتر از 5 کیلوولت) الکترون‌های برگشتی رفتار متفاوتی دارند. شکل (3-ب) نشان می‌دهد در موادی با عدد اتمي کمتر از (30) مانند کربن و آلومینیوم با کاهش انرژي پرتو الکترونی فرودی، الکترون‌های برگشتی افزایش می‌یابند و برای موادی با عدد اتمي بيشتر از (30) مانند طلا و تنگستن کاهش می‌‌یابند. بنابراین، براساس این طرح، تصویربرداری با (BSE) ممکن است در ولتاژهای پایین تا حدودی پیچیده باشد و کاربر باید نسبت به تفسیر نتایج دقت بسیاری داشته باشد [6-7].

تصويربرداري در ولتاژهاي خيلي پايين هميشه با محدوديت‌هاي بسياري همراه بوده است و از همان ابتدا اين محدوديت‌ها در تجهيزات ميکروسکوپ‌هاي الکتروني روبشي به وضوح مشخص شده‌اند (اواتلي و همکارانش، 1965) [3] برخی از اين محدوديت‌ها عبارت بودند از:

در تفنگ‌هاي الکتروني نشر حرارتي که بر مبناي روش ترمويوني عمل مي‌کنند با گرم شدن تفنگ الکتروني تا دماي بسيار بالا، درصد معيني از الکترون‌هاي آن به سطح مشخصي از انرژي مي‌رسند و مي‌توانند سطح آن را ترک کنند اما بر طبق محاسبات لانگمور (1937) تصويربرداري در ولتاژهاي پايين موجب مي‌شد که بخش زيادي از الکترون‌هاي پرتو الکتروني شتاب نگرفته و در اثر همان شتاب اوليه خارج شود و این موضوع کاهش شديد قدرت تفکيک را در پي داشت [4].

       2.خطاي لنزها:
براي بالا بردن قدرت تفکيک در ولتاژهاي پايين بايد در مسير پرتو الکتروني از دريچه‌اي با زاويه همگرايي کم استفاده مي‌شد که خود منجر به خطاي کروي و رنگي و در نتيجه از دست دادن وضوح تصوير مي‌گرديد، بنابراين، نياز به استفاده از تصحيح‌گرهاي قوي وجود داشت.کاهش سرعت الکترون‌هاي پرتو: یکی از روش‌هاي کاهش اثرات خطای لنزها و بهبود بازده ميکروسکوپ‌هاي الکتروني روبشي در ولتاژهاي پايين، استفاده از ميدان تاخيري (کاهش سرعت الکترون‌هاي پرتو) است. با توجه به ولتاژ کاری تفنگ الکتروني برای کاستن اثرات باردار شدگی خطی و منطقه‌ای سطح نمونه به نمونه ولتاژ باياسي اعمال مي‌شود (شکل 4).

همچنین کاهش آلودگي نمونه باعث افزايش نمايش جزئيات موجود در سطح نمونه مي‌شود که زماني بيشترين تأثير را خواهد داشت که سطح نمونه نسبتاً صاف بوده و يا درصورت پودري بودن، پودرها خوب پراکنده شده باشند زیرا وجود تغييرات بيش از اندازه در پستي و بلندي سطح مشکل ايجاد مي‌کند.

براساس روابط دي‌بروی گلي استفاده از ولتاژ پايين، منجر به افزايش طول موج الکترون‌ها و در نتيجه افزايش قطر پرتوي خروجي مي‌شود که براي غلبه بر اين مشکل بايد از دريچه‌اي با زاويه همگرايي زياد استفاده شود.

در برخی موارد به‌منظور کار در ولتاژهاي پايين نیاز به نزدیک کردن بیش از اندازه لنز به نمونه است، لذا برای بالا بردن قدرت تفکیک نياز به استفاده از محافظ‌هاي مغناطيسي مناسب و بهبود پايداري و کاستن آلودگي تجهيزات است. همچنین در مواردی، استفاده از نمونه‌های زیستی در خلأ خیلی پایین باعث بهبود کیفیت تصاویر می‌شود.

در تفنگ الکتروني ميکروسکوپ‌های الکتروني روبشي به‌طور معمول از فيلامنت‌‌هاي نشر حرارتي تنگستني (W)، هگزا بورايد لانتانيم (LaB6)، نشر حرارتي ميداني شاتکي و نشر ميداني استفاده می‌شود [5]. فیلمانت نشر حرارتی تنگستنی نياز به دماي کاري بين (2500) تا (3000) درجه کلوين دارد و این دمای کاری بالا موجب کم شدن عمر فيلامنت و در نتیجه (به‌طور معمول و با توجه به نوع کاربرد در حدود 100 ساعت است) باعث گستردگی محدوده انرژي الکترون‌هاي توليد شده نیز می‌شود و اين یکی از بزرگترين عيوب فيلامنت تنگستني محسوب مي‌شود. در فيلامنت نشر حرارتي هگزا بورايد لانتانيم (LaB6) دماي کاری پايين‌تر از فیلمانت نشر حرارتی تنگستی است ولی روشنايي پرتو الکتروني آن بيش از ده مرتبه از فيلامنت نشر حرارتي تنگستي بیشتر است اما محدوده انرژي الکترون‌های آن گسترده است [6]. فيلامنت‌هاي شاتکي و نشر ميداني دارای دو مزیت اساسی هستند: نخست اینکه اختلاف انرژي الکترون‌های تولید شده بسيار کم است و دیگر اینکه پرتویی با روشنايي چند صد برابر نسبت به فيلامنت نشر حرارتي هگزا بورايد لانتانيم تولید می‌کنند. کار در ولتاژهای پایین نیازمند فیلامنتی است که بتواند در دمای کاری پایین روشنایی بسیار خوبی داشته باشد و گستره طول موج الکترون‌های خروجی آن در محدوده بسیار کوچکی باشند. با وجود اینکه دو فیلامنت شاتکي و نشر ميداني این دو شرط را تا حدودی برآورده می‌کردند اما براي تصويربرداري و آناليز در ولتاژهاي پايين نياز به پيشرفت‌هايي در ابزارهاي ميکروسکوپ‌ها بود، در اين راستا، در دهه اخير پژوهشگران چندين مرتبه فناوري توليد تفنگ الکتروني نشر ميداني را ارتقاء دادند و در نهایت به همراه افزایش قدرت تفکيک از نواقص موجود در ولتاژهاي پايين کاستند. این پژوهشگران در راستای افزايش بازده الکترون‌هاي جذب شده توسط آشکارسازها به‌ويژه آشکارساز الکترون ثانويه در هر ولتاژ کاري از لنزهایي که در درون تفنگ الکتروني تعبیه شده بود استفاده نمودند، اين فناوري باعث افزايش ده برابري الکترون‌هاي جذب شده و در نتيجه افزايش قدرت تفکيک می‌شود، همچنين افزودن لنز کنترل زاويه در لنز چشمي منجر به توليد پرتويي با قطر باريک‌تر و مطلوب‌تر می‌شود. درنتیجه، با طراحي‌های اخير امکان میکرو آنالیز در ولتاژهای پایین بدون نياز به کاهش اندازه پرتو ميسر می‌شود [7].

در تصویربرداری ولتاژ پایین برای دستیابی به قدرت تفکیک بالا نیاز به پرتویی بسیار باریک با قطر کوچک است و این امر با تعبیه دریچه‌هایی در مسیر پرتو الکترونی حاصل می‌شود. بهترين اطلاعات آناليز عنصري از پرتو الکتروني با قطر بزرگ و با بازده بالايي از جريان حاصل شده و این امر باعث می‌شود که در حالت آناليز عنصري قدرت تفکيک تصوير، کاهش اندکی یابد. در سال‌هاي اخير برخي از توليدکنندگان ميکروسکوپ‌هاي الکتروني براي ترکيب کردن اين دو مفهوم از روش خاصی برای تولید پرتو با بازده بالا از لنزهاي چشمي ترکيبي (هيبريدي) استفاده می‌کنند و این امر باعث تولید تصويري با قدرت تفکيک مناسب به همراه بازده آناليز عنصري بالا می‌شود. لنزهای ترکیبی حاصل از ترکيب لنزهاي الکترواستاتيک و الکترومغناطيسي هستند. ترکيب اين لنزها موجب شده‌است تا اثر ميدان مغناطيسي روي نمونه کاهش يابد و در نتیجه به‌طور نسبي از نفوذ ميدان‌هاي مغناطيسي منحرف کننده جلوگيري شود. به‌طور معمول از فناوري لنز کنترل زاويه، فيلترهاي انرژي و تکفام سازها (براي اصلاح اثر خطاي رنگي و کروي) نیز استفاده شده که در نهایت موجب افزايش بازده آناليز عنصري و همچنين افزايش وضوح روشنايي و قدرت تفکيک در تصوير به‌ ويژه در ولتاژهاي پايين مي‌شود.

به‌منظور رسيدن به بالاترين حد قدرت تفکيک در ميکروسکوپ الکتروني روبشي بدون افزايش ولتاژ بايد فاصله کانوني لنز نهايي (فاصله کاري) را کم کرد و نمونه را در شاري از ميدان لنز غوطه‌ور قرار داد، اما در اين حالت آشکارساز درون لنزي الکترون ثانويه با مشکل اساسي روبه‌ رو خواهد شد و اينکه الکترون‌هاي جمع شده حاوي الکترون‌هاي بسيار کم انرژي است که به‌‌طور عمده از بار سطحي نمونه تأثير مي‌پذيرد و موجب کاهش کيفيت تصوير مي‌شود؛ در اين راستا، در لنزهاي غوطه‌ور صنعتي از فيلتر (EXB) و فيلتر آر که به دو روش متفاوت عمل مي‌کنند، استفاده مي‌شود. مجموعه فيلتر (EXB) را مي‌توان همچون لوله‌اي تصور کرد که با آشکارساز درون لنزي الکترون ثانويه ترکيب مي‌شود و تنها اجازه عبور الکترون‌ها با انرژي جنبشي معينی را مي‌دهد. استفاده از ولتاژ مثبت براي لوله، منجر به عبور الکترون‌های ثانويه و بازگشتي از داخلش مي‌شود و به‌واسطه فيلتر (EXB)، الکترون‌هاي بازگشتي به الکترون‌هاي ثانويه تبديل شده و با آشکارساز درون لنزي الکترون ثانويه جذب مي‌شوند. اين حالت باعث توليد تصاويري با حساسيت بسيار بالا از سطح نمونه در ولتاژهاي پايين مي‌شود اما بار سطحي به شدت بر آن تاثير مي‌گذارد. شايان ذکر است که استفاده از ولتاژ منفي براي لوله، منجر به عبور الکترون‌هاي پرانرژي‌تر و به موجب آن تصاوير حاوي اطلاعات الکترون‌هاي بازگشتي مي‌شود. فيلتر آر که به‌صورت استوانه‌اي در کنار لنز نهايي تعبيه مي‌شود، قابليت انتخاب و اعمال محدوده ولتاژ گسترده‌اي نسبت به فيلتر (EXB) را دارد و به‌ واسطه ترکيب با آشکارساز درون لنزي الکترون ثانويه اين توانايي را به آن مي‌دهد تا در حالت‌هاي مختلفي کار کند، اين حالت‌ها عبارتند از: الف) الکترون ثانويه (SE)، ب) ترکيب الکترون ثانويه و الکترون بازگشتي (Sb و Bs)، ج) الکترون بازگشتي (BE). انتخاب و جذب الکترون‌هاي بسيار کم انرژي، حالت الکترون ثانويه (SE) را ايجاد مي‌کند. در حالت ديگر، الکترون‌هاي بسيار کم انرژي حذف شده و از الکترون‌هاي پر انرژي‌تر استفاده مي‌شود(Sb). در (Bs) آشکارساز با الکترون‌های انرژي بالاتر، تصاويری مشابه تصاوير الکترون‌هاي بازگشتي می‌دهد. در (BE) با پر انرژي‌ترين الکترون‌ها به‌‌طور کامل از ورود الکترون‌هاي کم انرژي‌تر جلوگيري مي‌شود. بنابراين، تصويري که توسط آشکارساز درون لنزي الکترون ثانويه و به کمک فيلتر آر توليد مي‌شود با دقت بسیار بالایی بیانگر کنتراست الکترون بازگشتي است. همان‌گونه که در شکل (5) نشان داده شده‌است قابليت‌هاي فيلتر آر موجب مي‌شود تا آشکارساز درون لنزي الکترون ثانويه بتواند تصاويري مطلوب‌تر و با وضوح مختلف در ولتاژهاي پايين تهيه کند [7].

امروزه آشکارسازهاي الکتروني بازگشتي را براي کار در ولتاژهاي پايين و دست‌يابي به قدرت تفکيک مناسب به‌طور قابل ملاحظه‌اي بهبود داده‌اند به‌گونه‌ای که آشکارسازهاي جديد به قدرت تفکيکي بالا در ولتاژهاي پايين رسيده‌اند به ويژه اينکه اين نوع آشکارسازها نسبت به آشکارسازهاي الکتروني ثانويه از باردار شدن سطح نمونه، اثر سوء کمتري مي‌برند. در سامانه آشکارسازهاي الکتروني بازگشتي با لنزهاي ترکيبي (ترکيب لنزهاي الکترواستاتيک و لنزهاي الکترومغناطيس) براي کار در ولتاژهاي پايين از روش فيلتر کردن استفاده مي‌شود به‌گونه‌ای که با تعبيه توري در جلوي آشکارساز الکترون بازگشتي و استفاده از ولتاژ باياس به‌طور هم‌‌زمان به انتخاب زاويه و انرژي الکترون‌هاي بازگشتي مي‌پردازند و مانع از ورود الکترون‌هاي ثانويه به آشکارساز مي‌شود. اين نوع از آشکارسازهاي الکترون بازگشتي درست در بالاي آشکارساز درون لنزي قرار داده مي‌شود.
پيشرفت‌هاي جديد، سازندگان را قادر ساخته است تا همچون روش‌هاي سنتي به‌منظور تصويربرداري در ولتاژهاي پايين از آشکارساز الکترون بازگشتي در زير لنز نهايي استفاده کنند. در اين روش از آشکارسازهاي بسيار نازک نيمه‌رسانا استفاده مي‌شود، يک نمونه از آن‌ها، آشکارساز الکترون بازگشتي تقسيم شد نام دارد که آشکارسازی حلقوي با هشت قسمت يکسان است. اين ساختار به آشکارساز اجازه مي‌دهد تا الکترون‌هاي بازگشتي را تحت زواياي مختلف جذب کند. همچنين توانايي ترکيب با لنزهاي غوطه‌ور و سامانه استفاده از ولتاژ باياس را در نمونه دارد. نوع ديگري از آشکارساز نيمه‌رسانا، آشکارساز زاويه کوچک الکترون بازگشتي است، همان‌طور که در شکل (6) نشان داده شده‌است اين آشکارساز قابليت کار در دو حالت را دارد: اول اینکه همچون آشکارسازهاي قديمي، الکترون بازگشتي مي‌تواند براي ولتاژهاي متوسط در فاصله کاري زياد کار کند و با زاويه زياد به آشکارسازي بپردازند. دوم اینکه در ولتاژهاي پايين در فاصله کاري کم کار کند و با زاويه کم به آشکارسازي الکترون‌هاي بازگشتي با قدرت تفکيکي در حد نانومتر بپردازد. به‌ويژه اينکه درصورت وجود بار سطحي روي نمونه آشکارساز مناسبي براي تصويربرداري محسوب مي‌شود [7].

مطالعه در مورد کاربرد ميکروسکوپ الکتروني روبشي براي انواع مواد، بدون در نظر گرفتن مباحث مربوط به آماده‌سازي نمونه‌ها، کامل نخواهد بود. بیشتر نمونه‌هايي که با ميکروسکوپ الکتروني روبشي مورد بررسي قرار گيرند، نمونه‌هاي ايده‌آلي نيستند. برخي از آن‌ها نارسانا و عده‌ای نسبت به بمباران الکتروني حساس هستند. استفاده از ميکروسکوپ الکتروني روبشي با ولتاژ پايين، مي‌تواند تا حدودي اين مشکلات را تسهيل کند هر چند براي برخي نمونه‌ها، ايجاد تعادل بار الکتريکي توسط ولتاژهاي پايين، بنابر دلايلي بسيار مشکل است. برخی از اين دلايل عبارتند از: قراردادن نمونه روي پايه و ایجاد مسير مناسب براي برقراري جريان الکتريکي، تغييرات وسيع در توپوگرافي نمونه که مي‌تواند منجر به توزيع بار غيريکنواخت شود و ابعاد نمونه که در اين مورد، هر چه نمونه کوچکتر باشد مشکل تعادل بار کمتر مي‌شود. به‌عنوان مثال، در مورد نمونه‌هاي پودري توصيه مي‌شود که پيش از تصويربرداري، به خوبي روي پايه توزيع شوند که اين کار بسته به ابعاد ذرات توسط پراکندن پودر در حلال با استفاده از دستگاه التراسونیک و ريختن قطره‌اي از آن بر پايه يا پاشيدن مقدار کمي از پودر بر پايه و حذف کردن پودر اضافي با استفاده از هواي فشرده صورت مي‌گيرد.

نانومواد متخلخل:
در سال‌هاي اخير نانومواد متخلخل مانند: زئوليت‌ها و بلورهاي نيمه متخلخل، توجه زيادي را به خود جلب کرده‌اند [1]. اين دسته از مواد به‌‌طور گسترده به‌عنوان کاتاليست‌ها مورد استفاده قرار گرفته‌اند [8-10]. اهميت اين گروه به دليل قابليت وارد کردن نانوذرات فلزي متفاوت و مولکول‌هاي آلي به درون شبکه‌اي متخلخل آن‌ها، رو به افزايش است [1]. پيش از اين، نانومواد متخلخل به‌‌منظور بررسي و تشخيص ساختار، از طريق پراش با ميکروسکوپ الکتروني عبوري با قدرت تفکيک بالا و يا به‌منظور بررسي مورفولوژي کلي ذره با ميکروسکوپ الکتروني روبشي در بزرگنمايي‌هاي نسبتا پايين، مورد مطالعه قرار مي‌گرفتند [11-14]. پيشرفت‌هاي اخير در زمينه ميکروسکوپ الکتروني روبشي با ولتاژ پايين، مي‌تواند به‌عنوان ابزاري براي مشاهده ساختارهاي ريز سطحي اين مواد متخلخل به کار گرفته شود [15-20]. يکي از مشکلات اصلي در هنگام مشاهده نانومواد متخلخل، شارژ الکتروني است که منجر به از دست رفتن بخشي از اطلاعات سطحي مي‌شود. به دليل آن که اين مساله ناشي از ايجاد ميدان الکتريکي غيريکنواخت در زمان برخورد الکترون‌ها به سطح نمونه است، مي‌توان از طريق کنترل دقيق نسبت الکترون‌هاي ساطع شده به الکترون‌هاي برخوردي از طريق اعمال باياس به سطح نمونه، به تعادل بار در سطح نمونه کمک کرد. در چنين حالتي، الکترون‌ها با ولتاژي کمتر از ولتاژ اوليه تفنگ الکتروني به سطح نمونه برخورد مي‌کنند [1].

گرافن:
گرافن، آرايش شش وجهي اتم‌هاي کربن است که منجر به تشکيل لايه‌اي با ضخامت در اندازه يک اتم مي‌شود [1]. در گذشته، مطالعه اين ماده با استفاده از ميکروسکوپ الکتروني عبوري و يا ميکروسکوپ نيروي اتمي امکان‌پذير بود [21-22]. لايه‌هاي گرافن به‌ويژه زماني که روی زير لايه‌هاي جامد، لايه‌نشاني شده باشند، مي‌توانند با استفاده از ميکروسکوپ الکتروني روبشي گسيل ميداني با ولتاژ پايين، تصويربرداري و آناليز شوند [1].

نمونه‌هاي حساس به پرتو:
برخورد الکترون‌هاي اوليه با سطح نمونه و پراش غيرالاستيک از سطح آن می‌تواند موجب افزايش دماي سطح نمونه، تخريب و آلودگي شود. براي نمونه‌هايي که هدايت حرارتي خوبي دارند مانند فلزات، اين افزايش دما، محسوس نیست اما براي موادي با هدايت حرارتي پايين، تغييرات دمايي بيشتر خواهد بود. در ولتاژهاي پايين، حجمي از نمونه که دچار افزايش دما مي‌شود بسيار کوچکتر است؛ در نتيجه، تخريب کمتري مورد انتظار است يا حداقل، سرعت تخريب کمتر است و مدت زمان کافي براي تصويربرداري از نمونه در اختيار خواهد بود [1]. شکل (7)، دانه کلسيت را نشان مي‌دهد که در دو ولتاژ (2) و (5) کيلوولت تصويربرداري شده‌است. با توجه به تصویر، در ولتاژ بالاتر، سطح نمونه دچار تخريب بيشتري (انتشار ترک و انقباض دانه) شده‌است.

نمونه‌هاي بيولوژيک:
بسياري از ساختارهاي سلولي در مقياس نانو و نياز به بررسي آنها در حالت سه‌بعدي، باعث شد که محققان از ميکروسکوپ الکتروني عبوري براي مطالعه آن‌ها استفاده کنند. اما در اين نوع ميکروسکوپ، محدوديت براي نمونه‌برداري بخش کوچکي از نمونه، موجب شد تا از قسمت‌های مختلف نمونه چندين بار نمونه‌برداري شود. امتياز ميکروسکوپ الکتروني روبشي در توانايي ذاتي آن براي مشاهده نمونه‌هاي بيولوژيک در مقياس میکرو و نانو با استفاده از تصاوير الکترون‌هاي ثانويه و برگشتي است. همچنين در ولتاژهاي پايين، مي‌توان از نمونه‌هاي بيولوژيک بدون اعمال پوشش رسانا و بدون نياز به روش‌هايي مانند خلاء کم يا ميکروسکوپ الکتروني محيطي تصويربرداري نمود. با استفاده از ولتاژ پايين، مي‌توان تصاويري با جزئيات سطحي و قدرت تفکيک بالا، با حداقل ميزان شارژ الکتروني تهيه کرد. شکل (8)، دانه بذر را نشان مي‌دهد که در ولتاژ (100) ولت، بدون اعمال پوشش رسانا تصويربرداري شده‌است.

نمونه‌های سرامیکی
در شکل (9) تصویر يک نمونه يوتکتيکي Ni/Pt با AlN کروي در ولتاژهاي (1) و (5) کیلوولت نشان داده شده‌‌است. در ولتاژ (5) کیلوولت، اختلاف کنتراست نيکل و پلاتين به وضوح ديده ‌می‌شود و AlN که عدد اتمي پايين‌تري دارد به‌صورت تيره مشاهده مي‌شود، اما در ولتاژ (1) کیلوولت اختلاف کنتراست بين نيکل و پلاتين از بين رفته و وضوح AlN افزايش يافته است.

در دهه گذشته، پيشرفت‌هاي بسيار مهمي در زمينه قابليت‌هاي ميکروسکوپ الکتروني روبشي براي مشاهده نانومواد با قدرت تفکيک بالا و ويژگي‌هاي سطحي خاص، به‌ويژه با اعمال ولتاژهاي پايين، به‌وجود آمده است. پيشرفت‌هاي به‌وجود آمده در زمينه فناوري ميکروسکوپ الکتروني اين امکان را فراهم نموده است که برخي از تحقيقات و مطالعات در زمينه مواد بيولوژيک که پيش از اين با ميکروسکوپ الکتروني عبوري انجام‌‌پذير بود، با میکروسکوپ الکترونی روبشی صورت بگيرد که اين موضوع سبب به‌وجود آمدن روش‌هاي جديدي براي تحقيقات در زمينه مواد بيولوژيک شده‌است.
همچنين در ميکروسکوپ الکتروني روبشي با ولتاژ پايين با کم شدن حجم برهم‌کنش، ميزان الکترون‌هاي ثانويه کاهش مي‌يابد و چون ميزان الکترون‌هاي ثانويه به ميزان انحراف نمونه نسبت به باريکه الکتروني اوليه بستگي دارد، مي‌توان هنگام تصويربرداري در ولتاژهاي پايين با زاويه دادن به نمونه، ميزان الکترون‌هاي ثانويه خارج شده را افزايش داد (شکل10).

همان‌طور که قبلا اشاره شد، از ديگر مزاياي کار با میکروسکوپ الکترونی روبشی ولتاژ پايين، مي‌توان به کاهش شارژ الکترون روي سطح نمونه اشاره کرد به‌گونه‌ای که در ولتاژهاي پايين، تصويربرداري از نمونه‌هاي نارسانا بدون پوشش‌دهي که گاهي موجب مشکلات بسياري مي‌شود، امکان‌پذير است. البته کاربر بايد توجه کافي به کاهش جريان پروب و تغيير سرعت روبش داشته باشد [5-6].

از مزيت‌هاي اصلي ميکرو آناليز در ولتاژ پايين، افزايش قدرت تفکيک است، زيرا سيگنال‌هاي خروجي از حجم برهم‌کنش کوچکتري ارسال شده‌اند. البته در نمونه‌هاي حساس ممکن است زمان آناليز در ولتاژهاي پايين، افزايش يابد. شکل (11) يک مقطع نازک از کاني به همراه نقشه رنگي عناصر موجود در آن که در ولتاژهاي متفاوت تصويربرداري شده‌است را نشان مي‌دهد. در ولتاژ (5) کیلوولت اجزاي ماده و ريز ساختار با جزييات دقيق‌تري نسبت به (15) کیلوولت ديده مي‌شود. ميکرو آناليز در ولتاژهاي پايين مي‌تواند ترکيب شيميايي لايه‌هاي نازک، نانوذرات، لايه‌هاي سطحي و عناصر سبک را نیز تعيين کند. البته شناسايي برخي عناصر در ولتاژهاي پايين مشکل است و نياز به دقت کافي کاربر دارد. براي مثال، در ماده‌اي حاوي سيليسيم، حداقل ولتاژ (3/5) کیلوولت مورد نياز است تا به شمارش مناسبي از پرتو ايکس مشخصه سيليسيم برسد. هم‌پوشاني پيک‌ها، زماني که عناصري با خطوط انرژي مختلف K، L، M و غیره وجود دارد، مشکلات را افزون‌تر مي‌کند. کاربر بايد به آلودگي‌ها و وجود هيدروکربن‌ها در سطح نمونه توجه کافي داشته باشد؛ زيرا اثرات زيان‌آوري (نسبت به ولتاژ بالا) در شمارش‌هاي آماري و در نهايت آناليز کمي به‌وجود مي‌آورند [11و23].

پيشرفت‌ سال‌های اخير در زمینه میکروسکوپ‌های الکترونی موجب شد تا به‌‌واسطه بهينه کردن تفنگ الکتروني و ستون ميکروسکوپ الکتروني روبشي، پرتو الکتروني باريکي با قدرت تفکيک در حد نانومتر تهيه شود. توليد فيلترها و آشکارسازهاي مختص کار در ولتاژهاي پايين محققان را قادر مي‌سازد تا با بازده بسيار خوب به آناليز عنصري و تهيه تصاوير در ولتاژهاي بسيار پايين بپردازند [7].