در میکروسکوپ های نوری با تاباندن نور به نمونه در حضور عدسی های شیئی و چشمی، تصویر نمونه تشکیل می شود اما در میکروسکوپ های الکترونی، اساس کار بر تابش الکترون به سمت نمونه می باشد. عمده تفاوت میکروسکوپ های نوری و الکترونی همین تولید الکترون می باشد.
در میکروسکوپ های الکترونی به جای نور، الکترون به سطح نمونه تابیده می شود. در اثر برخورد الکترون های فرودی به سطح نمونه (الکترون های اولیه)، اتفاقات مختلفی ممکن است رخ دهند. این اتفاقات، سیگنال نامیده می شوند. دو سیگنال مهم که معمولا در تشکیل تصویر استفاده می شود، الکترون های برگشتی و ثانویه هستند. الکترون های برگشتی الکترون هایی هستند که در اثر برخورد به سطح نمونه، برگشت می خورند (مانند یک توپ که به سطح دیوار برخورد می کند و باز می گردد).
سیگنال دیگر، الکترون های ثانویه هستند، الکترون هایی از سطح نمونه (اتم های سطحی) کنده می شوند. سپس این الکترون ها به سمت آشکارساز (Detector) می روند و منجر به تشکیل تصویر می شوند.
تولید الکترون های اولیه در میکروسکوپ های الکترونی عموما با استفاده از یک منبع قوی تولید الکترون که اصطلاحا تفنگ الکترونی(gun) نامیده می شود، انجام می پذیرد. تفاوت انواع SEM به تنوع در همین تفنگ الکترونی مربوط می شود. در میکروسکوپ های SEM سه نوع تفنگ الکترونی معمولا استفاده می شوند که عبارتند از:
- تفنگ الکترونی نشر حرارتی (Thermionic-Emission Electron Gun)
- تفنگ الکترونی نشر میدانی (Field-Emission Electron Gun)
- تفنگ الکترونی نشر شاتکی (Schottky-Emission Electron Gun)
به میکروسکوپ الکترونی روبشی که تولید الکترون های اولیه در آن به وسیله تفنگ الکترونی نشر میدانی صورت می گیرد، FESEM گفته می شود.
در میکروسکوپ های SEM معمولی از تفنگ الکترونی نشر حرارتی استفاده می شود. این تفنگ ها معمولا از فیلامان های تنگستنی ساخته شده اند. از این فلامان ها جریان های الکتریکی عبور کرده که منجر به ایجاد حرارتی در حدود ۲۸۰۰ درجه کلوین می شود.
این حرارت بالا باعث جداشدن الکترون از سطح فیلامان تنگستن می شود. تنها تفاوت عمده میکروسکوپ های FESEM با SEM در همین تفنگ الکترونی و تولید الکترون های اولیه است. در تفنگ الکترونی نشر میدانی همانند نشرحرارتی یک فیلامان تنگستنی با نوک خیلی تیز در حدود ۵۰ نانومتر وجود دارد، اما به جای حرارت دادن برای تشکیل الکترون های اولیه، از یک میدان الکتریکی خیلی قوی برای جدا شدن الکترون ها از سطح فیلامان تنگستن استفاده می شود. در FESEM الکترون های اولیه به دلیل میدان الکتریکی ایجاد شده از سرعت بالاتری برای رسیدن به سطح نمونه برخوردار می شوند که همین باعث کاهش طول موج الکترون ها می شود. این امر منجر به ایجاد تصویری با قدرت تفکیک مناسب تر نسبت به میکروسکوپ های SEM معمولی می شود.
شکل 1: عکس سمت چپ تصویر SEM و عکس سمت راست تصویر FESEM از یک غشا سرامیکی آندایز شده با بزرگنمایی ۵۰ هزار برابر می باشد.
همانطور که در تصاویر مشخص است کیفیت و قدرت تفکیک عکس در تصویر FESEM به مراتب بالاتر از تصویر در SEM می باشد و که باعث می شود در تصویر FESEM به خوبی دانه و مرزدانه و همچنین سایز ذرات قابل اندازه گیری باشد.