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SEM(Scanning Electron Microscope)

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Scanning Electron Microscope (SEM)

개요

Scanning electron microscope (SEM)는 specimen 표면의 three-dimensional structure의 이미지를 직접 생성한다. SEM은 일반적으로 transmission electron microscope보다 더 작고, 단순하며, 저렴하다.

SEM의 기본 원리

TEM과의 차이

TEM: Specimen을 통과한 electrons를 사용하여 이미지 형성 SEM: Specimen 표면에서 scattered 또는 emitted된 electrons를 사용

작동 방식

Specimen을 heavy metal layer로 coating하거나 rapidly frozen한 후, cooled specimen stage에 coating하여 microscope에서 검사한다.

Figure 9-45: Scanning Electron Microscope

작동원리

전자빔의 생성과 주사 과정

(1) Electron gun

  • 1차 전자(primary electron)를 방출한다.

(2) Condenser lens

  • 전자빔을 집속하여 가는 빔으로 만든다.

(3) Beam deflector (scan coil)

  • 전자빔을 좌우·상하로 주사하여 시료 표면을 raster 방식으로 스캔한다.

(4) Objective lens

  • 최종적으로 전자빔을 시료 표면에 정확히 집속한다.

→ 이 과정을 통해 전자빔이 시료 표면의 한 점씩 순차적으로 조사된다.

결과: SEM은 0.5 nm에서 10 nm 사이의 resolution으로 three-dimensional objects의 striking images 생성 (instrument 종류에 따라)

3. 시료-전자 상호작용

전자빔이 시료에 충돌하면 여러 신호가 발생한다.

(1) Secondary electron (SE)

  • 1차전자가 충돌하여 해당 부분이 이온화되며 전자 방출
  • 1차 전자가 시료의 원자와 상호작용하여 방출된 저에너지 전자
  • 주로 표면에서 발생
  • 표면 형상(topography) 관찰에 가장 중요

→ 표면의 굴곡이 클수록 신호 차이가 커져 입체감 있는 영상 형성

(2) Backscattered electron (BSE)

  • 1차 전자가 원자핵에 의해 큰 각도로 산란되어 되돌아온 전자
  • 원자번호(atomic number)가 클수록 산란 확률 증가

→ 조성 대비(compositional contrast) 형성에 유리

4. 검출과 영상 형성

  • Detector가 SE 또는 BSE를 수집한다.
  • 각 위치에서 검출된 신호 강도를 전기적 신호로 변환한다.
  • Scan generator와 동기화하여 모니터 화면에 영상으로 표시한다.

→ 한 점의 밝기는 해당 위치에서 검출된 전자 신호 세기에 비례한다.

SEM의 특징

1. Depth of Field

큰 depth of field: Objects가 near와 far 모두 field of view에서 선명하게 이미지화됨 3D appearance: Surface angle이 beam에 대해 상대적이므로 electron scattering 양이 달라져 highlights와 shadows 생성

2. Surface Imaging

표면만 관찰: 내부 구조는 볼 수 없음1 해상도: 약 10 nm (standard SEM) 결과: 주로 whole cells과 tissues 연구에 사용됨 (subcellular organelles보다)

Figure 9-46: SEM의 다양한 Magnifications

SEM vs 다른 Microscopy 기술

vs TEM:

  • SEM: Surface, 3D, ~10 nm (standard)
  • TEM: Internal structure, 2D sections, ~0.05-1 nm

vs Light Microscopy:

  • SEM: Higher resolution, 3D surface, 고정만
  • Light: 살아있는 세포, 낮은 resolution

vs Confocal Microscope:

  • SEM: Surface detail, electron microscopy
  • Confocal: Internal 3D, fluorescence, 살아있는 세포

참고 문헌

Chapter 9: Visualizing Cells and Their Molecules, Section: “The Electron Microscope Resolves the Fine Structure of the Cell”, Related Figures: 9-45, 9-46, 9-47, Related concepts: TEM(Transmission Electron Microscope), Cryo EM_Biological Specimen Preparation for Electron Microscopy

Footnotes

  1. 2023 중간 15번 — 선지 ①(SEM은 내부 관찰에 적합) 오답 근거: SEM은 표면 구조 관찰용이며 내부 구조는 볼 수 없음. TEM이 내부 구조 관찰에 사용됨. ↩

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