Rys. 1. Schemat budowy elektronowego mikroskopu skaningowego (SEM).

Transkrypt

1 Ewa Teper PODSTAWY MIKROSKOPII SKANINGOWEJ Podstawowe zasady działania mikroskopu skaningowego. W mikroskopach skaningowych wiązka elektronów bombarduje próbkę, skanując jej powierzchnię linia po linii. Pod wpływem wiązki elektronów próbka emituje różne sygnały (m. in. elektrony wtórne, elektrony wstecznie rozproszone, charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie), które są rejestrowane za pomocą odpowiednich detektorów, a następnie przetwarzane na obraz próbki lub widmo promieniowania rentgenowskiego. Mikroskop skaningowy składa się z (rys. 1): działa elektronowego, gdzie wytwarzana jest wiązka elektronów, kolumny, w której następuję przyspieszanie i ogniskowanie wiązki elektronów, komory próbki, gdzie ma miejsce interakcja elektronów wiązki z próbką, zestawu detektorów odbierających różne sygnały emitowane przez próbkę systemu przetwarzania sygnałów na obraz. Rys. 1. Schemat budowy elektronowego mikroskopu skaningowego (SEM). Wiązka elektronów jest wytwarzana przez działo elektronowe (rys.2) na szczycie kolumny mikroskopu. Pole elektrostatyczne w dziale elektronowym kieruje wyemitowane z niewielkiego obszaru na powierzchni katody elektrony do małego otworu źrenicy elektronooptycznej.

2 Włókno Napięcie katody np kv Wehnelt Napięcie wehneltu np kv pró ba Średni ca plamki Elektrony Rys.2. Schemat budowy działa elektronowego. Źrenica elektrono-optyczna Anoda (0 V) Następnie elektrony są rozpędzane (przyspieszane) w kolumnie mikroskopu, w kierunku próbki, z energią od kilkuset do kilkudziesięciu tysięcy elektronowoltów. Jest kilka rodzajów dział elektronowych: wolframowe, LaB 6 (lanthanum hexaboride) i działa z emisją polową. Wykonane są one z różnych materiałów i ich działanie opiera się na różnych zjawiskach fizycznych, lecz wszystkie mają za zadanie wytworzenie wiązki elektronów o stabilnym i wystarczającym prądzie przy możliwie małym rozmiarze. Elektrony wydostające się z działa elektronowego tworzą wiązkę rozbieżną. Wiązka ta zyskuje zbieżność i zostaje zogniskowana przez zestaw soczewek magnetycznych i apertur w kolumnie. Zestaw cewek skanujących u podnóża kolumny odpowiada za przemieszczanie wiązki w obszarze skanowania. Soczewka obiektywu ogniskuje wiązkę w możliwie małą plamkę (spot) na powierzchni próbki. Komora próbki jest wyposażona w ruchomy stolik umożliwiający przesuwanie próbki w trzech prostopadłych kierunkach, jej obrót wokół osi pionowej i odchylanie od pionu. Specjalne drzwiczki pozwalają na umieszczanie próbki w komorze. Kilka portów dostępu umożliwia zainstalowanie różnych detektorów. Elektrony wiązki oddziaływując z próbką powodują emisję energii pod różnymi postaciami. Każdy rodzaj emitowanej energii jest potencjalnym sygnałem do przetworzenia na obraz. Zasady powstawanie obrazu w SEM Obraz oglądany w skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) nie jest obrazem rzeczywistym. To co widzimy w SEM jest obrazem wirtualnym skonstruowanym na bazie sygnałów emitowanych przez próbkę. Dzieje się to poprzez zeskanowanie linia po linii prostokątnego obszaru na powierzchni próbki. Obszar skanowania odpowiada fragmentowi próby oglądanemu na obrazie. W każdym momencie czasu wiązka oświetla tylko jeden punkt

3 w obszarze skanowania. Przemieszczanie się wiązki od punktu do punktu wywołuje zmiany w generowanym przez nią sygnale. Zmiany te odzwierciedlają zróżnicowanie próbki w poszczególnych punktach. Sygnał wyjściowy jest więc serią danych analogowych, które w nowoczesnych mikroskopach są przetwarzane na serię wartości liczbowych, z których tworzony jest obraz cyfrowy. Powiększenie W mikroskopii skaningowej powiększeniem nazywamy stosunek wymiarów liniowych obszaru skanowania oglądanego na ekranie do odpowiadających im wymiarów liniowych analizowanego obszaru na próbce. Optyka elektronowa Soczewki Soczewki magnetyczne w kolumnie SEM załamują wiązkę elektronów, tak jak szklane soczewki załamują światło w mikroskopie optycznym. Emitowane ze źrenicy elektronooptycznej rozbieżne stożkowe wiązki elektronów przy przechodzeniu przez pole magnetyczne soczewki zostają zogniskowana na płaszczyźnie obrazowej soczewki tworząc na niej obraz źrenicy elektronooptycznej. Ponieważ celem układu soczewek w kolumnie jest wytworzenie na powierzchni próbki możliwie małego (punktowego) obrazu źrenicy elektronooptycznej, soczewki te działają w trybie pomniejszającym. W tym trybie płaszczyzna tworzenia obrazu zawsze leży bliżej soczewki niż źródło. Soczewki wykazują różne rodzaje aberracji. Najważniejsze z nich to: aberracja sferyczna, która ma miejsce, gdy promienie leżące dalej od osi optycznej są załamywane silniej niż promienie leżące blisko osi, aberracja chromatyczna, polega na tym, że elektrony wolniejsze (o mniejszej energii) są załamywane silniej niż elektrony szybsze (o większej energii). Z uwagi na zjawiska aberracji wiązki elektronów pochodzące z danego punktu źrenicy elektronooptycznej nie są skupiane w jednym punkcie na obrazie. Apertury Apertury to maleńkie otworki, scentrowane względem osi optycznej. Apertura ulokowana w płaszczyźnie obrazu ogranicza rozmiary obrazu. Umieszczona w płaszczyźnie obiektywu określa podstawę stożka elektronów wychodzących z każdego punktu obrazu, a tym samym ilość elektronów przechodzących. Podobnie zjawisko zachodzące we wszystkich punktach obrazu źrenicy elektronooptycznej ogranicza całkowity prąd w wiązce. Równie ważne jest to, że apertura w płaszczyźnie soczewki eliminuje elektrony najbardziej oddalone od osi, redukując niekorzystne zjawiska związane z aberracją soczewek. Dla każdej wartości prądu wiązki istnieje optymalna wielkość apertury, pozwalająca zminimalizować szkodliwy wpływ aberracji na wielkość spotu. Podczas przechodzenia wiązki przez kolejne soczewki w kolumnie apertury eliminują najbardziej rozbieżne elektrony, co pozwala uzyskać mniejszą plamkę kosztem prądu wiązki. Prąd wiązki Istnieje wzajemna zależność między prądem wiązki i wielkością spotu. Wzrost jednej z tych wielkości powoduje wzrost drugiej. Większe apertury i słabsze soczewki dają wyższy prąd wiązki i większy rozmiar spotu. Przy mniejszych apreturach i silniejszych soczewkach

4 uzyskamy mniejszy prąd wiązki i mniejszą wielkość spotu. Niektóre zastosowania, na przykład analizy EDS i WDS wymagają dużego prądu wiązki. Natomiast do wykonywania zdjęć o dużej rozdzielczości potrzebny jest możliwie najmniejszy rozmiar spotu. Wymogi odnośnie prądu wiązki narzucają dolną granicę rozmiaru spotu. Informacje zawarta w obrazie SEM odwzorowuje zmienność intensywności sygnału w czasie. Przy niższych wartościach prądu wiązki przypadkowe (losowe) zmiany sygnału stają się znaczące. Zakłócenia mogą pochodzić z ciągu detektor-wzmacniacz lub, przy bardzo małym prądzie wiązki od statystycznych fluktuacji samego prądu wiązki. Obniżenie prądu wiązki i rozmiaru spotu poniżej pewnego poziomu krytycznego spowoduje zakłócenia przewyższające poprawę rozdzielczości. Przy pracy w trybie środowiskowym ESEM prąd w plamce, na powierzchni próby (imaging current) jest mniejszy niż prąd wychodzący z ostatniej apretury kolumny (beam current), gdyż molekuły gazu w środowisku próbki rozpraszają elektrony z wiązki. Przy pracy w trybie wysokopróżniowym prąd wiązki jest identyczny z prądem w plamce na powierzchni próbki. ROZDZIELCZOŚĆ Rozdzielczość odpowiada rozmiarom najmniejszych obiektów, które jesteśmy w stanie zobaczyć przy pomocy mikroskopu. Określa ona granicę, poza którą mikroskop nie jest w stanie odróżnić dwóch bardzo małych sąsiadujących obiektów od pojedynczego obiektu. Rozdzielczość jest określana w jednostkach długości, zwykle Angstremach lub nanometrach. Lepsza rozdzielczość nazywana jest wyższą, mimo że określa ją liczba jest niższa. Np. rozdzielczość 10 jest wyższa (lepsza) niż rozdzielczość 20 Å. Wielkość spotu Rozmiar plamki utworzonej przez wiązkę na powierzchni próbki stanawi podstawowe ograniczenie dla rozdzielczości. SEM nie może rozróżnić elementów mniejszych niż rozmiar spotu. Dodatkowy wpływ na rozdzielczość ma rodzaj rejestrowanego sygnału, penetracja wiązki (obszar oddziaływania) i skład próbki. Obszar oddziaływania Rejestrowane sygnały powstają nie tylko na powierzchni próbki. Elektrony wiązki penetrują próbkę na pewną głębokość i na swej drodze mogą wielokrotnie oddziaływać z atomami próbki. Obszar, gdzie na skutek tych oddziaływań powstają różnego rodzaju sygnały, które po wydostaniu się na powierzchnię próbki są rejestrowane przez odpowiednie detektory nazywamy obszarem oddziaływania (wzbudzenia) rys. 3. Rodzaj rejestrowanego sygnału, skład próbki i napięcie przyspieszające decydują o rozmiarze i kształcie obszaru wzbudzenia, a co za tym idzie wpływają na rozdzielczość. W większości przypadków obszar oddziaływania jest większy niż spot, a więc to jego wielkość stanowi faktyczne ograniczenie rozdzielczości. Napięcie przyspieszające Napięcie przyspieszające określa ilość energii przenoszonej przez elektrony wiązki (elektrony pierwotne). Wpływa ono na rozmiar i kształt obszaru oddziaływania na kilka sposobów. Elektrony o wyższej energii głębiej penetrują próbkę (tab. 1). Ponadto, mogą one generować sygnały o wyższej energii, które mogą się wydostać z większej głębokości w próbce. Energia elektronów pierwotnych jest również czynnikiem określającym prawdopodobieństwo

5 wystąpienia jakiejkolwiek interakcji. We wszystkich tych przypadkach wzrost energii wywoła zwiększenie obszaru oddziaływania, co spowoduje spadek rozdzielczości. Wzrost napięcia przyspieszającego może jednak również wpływać pozytywnie na rozdzielczość, gdyż zmniejsza on aberrację soczewek w kolumnie, czego rezultatem jest mniejszy spot. Od warunków pracy, właściwości próbki i rodzaju rejestrowanego sygnału zależy, które wpływy będą przeważające. Tab. 1. Wielkości obszarów wzbudzenia (w μm) dla wybranych pierwiastków. Z SYMBOL PIERWIASTEK 10KV 15KV 20KV 25KV 30KV 4 Be Beryllium C Carbon Na Sodium Mg Magnesium Al Aluminum ,7 14 Si Silicon P Phosphorus S Sulfur K Potassium Ca Calcium Ti Titanium Cr Chromium Mn Manganese Fe Iron Co Colbalt Ni Nickel Cu Copper Zn Zinc Ge Germanium Sr Strontium Zr Zirconium Mo Molybdenum Pd Palladium Ag Silver 0, Cd Cadmium Sn Tin Ba Barium W Tungsten Os Osmium Pi Platinum Au Gold Hg Mercury Pb Lead U Uranium Skład próbki Skład próbki wpływa zarówno na głębokość jak i kształt obszaru penetracji. W próbkach o większej gęstości głębokość penetracji i odległość jaką mogą przebyć elektrony pierwotne przed zaabsorbowaniem jest mniejsza. W rezultacie w takich próbkach obszar oddziaływania jest płytszy i ma kształt bardziej spłaszczony (zbliżony do półkuli) tab. 1, rys.3.

6 Niska liczba atomowa Wysoka liczba atomowa Wysokie napięcie Niskie napięcie Rys. 3. Zależność wielkości i kształtu obszaru wzbudzenia od liczby atomowej i napięcia. Rodzaj rejestrowanego sygnału Do tego momentu rozważaliśmy uogólniony obszar oddziaływania, z którego pochodzą wszystkie rodzaje sygnałów. Obszar ten można podzielić na strefy związane z sygnałami każdego typu rys.4. Wiązka elektronów pierwotnych próba ~10 nm Elektrony wtórne (SE). 1 2 m Elektrony wstecznie rozproszone (BSE) 2 5 m Charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie Rys. 4. Wielkości obszarów, z których pochodzą różne rodzaje sygnałów emitowane przez próbkę. Elektrony wtórne - SE (secondary electrons) Elektrony wtórne to elektrony wyrzucone z wewnętrznych powłok elektronowych (zwykle K) atomów próbki na skutek zderzeń niesprężystych z elektronami pierwotnymi (elektronami wiązki). Ich energia nie przekracza, z reguły 5 ev. Ze względu na niską energię elektrony mogą się wydostać tylko z cienkiej, przypowierzchniowej warstwy próbki. Dzięki temu dają

7 one obrazy o wysokiej rozdzielczości. W obrazie uzyskanym dzięki elektronom wtórnym kontrast związany jest z topografią próbki. Obszar wzbudzenie leży blisko powierzchni, dlatego więcej elektronów wtórnych może uciec z punktów na szczycie wierzchołka, niż z punktów na dnie zagłębienia. A więc partie wypukłe są jasne, natomiast partie wklęsłe są ciemne. Dzięki temu interpretacja obrazów SE jest dość łatwa. Wyglądają one podobnie jak odpowiadające im obrazy w świetle widzialnym (w skali szarości). Elektrony wstecznie rozproszone BSE (backscattered electrons) Elektrony wstecznie rozproszone to pierwotne elektrony (elektrony wiązki), które na skutek zderzeń sprężystych z jądrami atomów próbki zostały odbite z powrotem od próbki. Elektrony te mają wysoką energię. Przyjmuje się, że może ona wynosić od 50 ev aż do wielkości napięcia przyspieszającego wiązki. Wyższa energia BSE powstaję w większym obszarze oddziaływania (rys. 4), czego rezultatem jest obniżenie rozdzielczości obrazów BSE. W obrazach BSE kontrast jest wynikiem różnicy średniej liczby atomowej pomiędzy poszczególnymi punktami próbki. Obszary próbki zawierające jądra pierwiastków o wysokiej liczbie atomowej rozpraszają wstecznie więcej elektronów dzięki czemu są odwzorowywane na obrazach BSE jako miejsca jaśniejsze. Właściwie zinterpretowane obrazy BSE dostarczają ważnych informacji o zróżnicowaniu składu próbki. Promieniowanie rentgenowskie Dwa typy oddziaływania elektronów wiązki z ciałem stałym prowadzą do powstania promieniowania rentgenowskiego. Jednym jest rozpraszanie na jądrach atomowych, które prowadzi do powstania ciągłego widma, promieniowania rentgenowskiego. Drugim jest jonizacja wewnętrznych powłok elektronowych atomu prowadząca do powstawania widma charakterystycznego. GŁĘBIA OSTROŚCI W mikroskopii skaningowej można otrzymać obrazy o znacznie większej głębi ostrości niż w mikroskopii świetlnej. Głębia ostrości to zakres powyżej i poniżej płaszczyzny najlepszej ostrości, w którym utrzymana jest dobra jakość obrazu (rys. 5). Przy większej głębi ostrości mikroskop daje lepsze odwzorowanie próbek trójwymiarowych. Obrazy uzyskiwane w SEM doskonałą jakość zawdzięczają nie tylko bardzo dobrej rozdzielczości lecz również dużej głębi ostrości. W mikroskopie optycznym głębia ostrości jest limitowana kątem rozwartości pomiędzy skrajnymi promieniami wchodzącymi do obiektywu. Dla dużych powiększeń kąt ten jest większy, a głębia ostrości mniejsza. W mikroskopie skaningowym nie ma bezpośredniej zależności głębi ostrości i powiększenia. Powiększenie jest zdefiniowane jako stosunek wymiarów liniowych obszaru skanowania do wymiarów liniowych obrazu. Kąt zbieżności wiązki ma wpływ na zmianę wielkości spotu wraz z odległością powyżej lub poniżej płaszczyzny najlepszej ostrości. Mimo, że w mikroskopie skaningowym kąt zbieżności i rozmiar spotu zmieniają się wraz z odległością roboczą, zawsze kąty te będą mniejsze, a głębia ostrości większa niż w mikroskopie optycznym.

8 Wiązka elektronów Powierzchnia próbki Zakres głębii ostrości Płaszczyzna najlepszej ostrości Obszar odwzorowywany ostro Rys. 5. Zakres głębii ostrości MIKROANALIZY Charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie Widmo charakterystyczne powstaje w wyniku oddziaływania elektronów wiązki z elektronami wewnętrznych powłok atomów próbki. Normalnie powłoki K i L atomów o liczbach atomowych większych od 10 są zapełnione. Jeśli jeden z elektronów K zostanie usunięty, atom może doznać przejścia, w którym elektron L lub M "przeskoczy" na puste miejsce, a wyzwolona przy tym energia potencjalna zostanie wyemitowana jako kwant promieniowania elektromagnetycznego. Typowe wartości energii takich przejść leżą w zakresie rentgenowskim widma promieniowania elektromagnetycznego. Energia tego kwantu jest ściśle określona dla każdego rodzaju przejścia w danym pierwiastku i dlatego jest cechą diagnostyczną. Spektrometr rentgenowski rejestruje charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie. Zadaniem spektrometru jest zliczenie impulsów promieniowania rentgenowskiego i posegregowanie ich. Spektroskopia promieni rentgenowskich może być przeprowadzona dwiema metodami: metoda dyspersji energii promieniowania rentgenowskiego (Energy Dispersive Spectrometry - EDS). Stosuje się detektory, w których natężenie sygnału wyjściowego jest proporcjonalne do energii padających impulsów, np. liczniki scyntylacyjne, proporcjonalne liczniki przepływowe, detektory Li/Si. W naszym mikroskopie zainstalowany jest detektor Sapphir metoda dyspersji długości fali promieniowania rentgenowskiego (Wave Dispersive Spectrometry - WDS). Stosuje się spektrometr promieni rentgenowskich z kryształem analizującym.

9 Linie charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego W celu wytworzenia charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego konieczna jest luka w wewnętrznych powłokach elektronowych atomu. W zależności od tego, na której powłoce powstała luka, wyróżniamy odpowiednie serie linii. Jeśli wybity zostanie elektron z powłoki K to obserwowane w widmie charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego linie, odpowiadające emisji energii towarzyszącej przejściu elektronu w celu uzupełnienia luki nazywamy liniami K: K - gdy przejście elektronu następuje z powłoki L, K - dla przejścia z powłoki M, K - dla przejścia z powłoki N. Jeśli wybity zostanie elektron z powłoki L to mamy do czynienia z liniami L: L - gdy przejście elektronu następuje z powłoki M, L - dla przejścia z powłoki N. Jeśli wybity zostanie elektron z powłoki M to obserwujemy linie M (patrz rys. 6) Rys. 6. Powstawanie charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego. Ogólne zasady dotyczące linii charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego: Dla danego pierwiastka niższe linie mają wyższą energię niż linie wyższe: E K > E L > E M W obrębie danej serii linie pierwiastków o niższej liczbie atomowej mają niższą energię, np. linia K węgla ma niższą energię niż linia K tlenu Linie niższych serii (K) są wyraźne i mają prostą strukturę, natomiast linie serii wyższych (L i M) mają strukturę złożoną i zachodzą na siebie. Promieniowanie ciągłe stanowi tło linii charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego w mikroanalizatorze rentgenowskim. Znajomość natężenia tego tła jest bardzo istotna przy określaniu granicy wykrywalności badanego pierwiastka.

10 Mapy rentgenowskie Promieniowanie rentgenowskie daje obraz o znacznie gorszej jakości niż obraz elektronowy. Jednym z powodów jest duży obszar oddziaływania, z którego pochodzi rejestrowane promieniowanie rentgenowskie, co powoduje słabszą rozdzielczość (rys. 4). Inną przyczyną jest ciągłe promieniowanie rentgenowskie (Bremsstrahlung), które w kombinacji z niskim z natury poziomem impulsów promieniowania charakterystycznego powoduje, że stosunek sygnał szum jest niekorzystny. Na ogół obrazy rentgenowskie są prezentowane jako mapy. Wiązka analityczna skanuje analizowany obszar punkt po punkcie. Spektrometr jest ustawiany tak, aby rejestrował punkt na analizowanym obszarze, gdy wykryje impuls rentgenowski o energii charakterystycznej dla danego pierwiastka. W ten sposób powstaje mapa odwzorowująca rozmieszczenie tego pierwiastka w badanym obszarze. Nowoczesne systemy EDS potrafią utworzyć mapy w odcieniach szarości, pokazujące względną intensywność impulsu w każdym punkcie, wymaga to jednak zastosowania wystarczająco długiego czasu postoju wiązki w każdym punkcie analitycznym. Podczas jednego przebiegu wiązki analitycznej można zarejestrować mapy rozkładu dla kilkunastu pierwiastków. ANALIZY RENTGENOWSKIE Ze względu na słabą rozdzielczość, impulsy rentgenowskie są bardziej przydatne do celów analitycznych niż do odwzorowywania próbki. Analiza jakościowa dąży do ustalenia czy badany obszar próbki zawiera dane pierwiastki, w oparciu o występowanie lub brak ich charakterystycznych pików w widmie. Celem analizy ilościowej jest ustalenie stosunków zawartości pierwiastków na podstawie porównania intensywności odpowiednich pików tych pierwiastków pomiędzy sobą lub porównania z wzorcami. Analiza ilościowa jest procesem skomplikowanym, ze względu na możliwość wystąpienia różnorodnych interakcji pomiędzy atomami próbki i charakterystycznym promieniowaniem rentgenowskim. ŚRODOWISKOWY ELEKTRONOWY MIKROSKOP SKANINGOWY ESEM (Environmental Scanning Electron Microscope) Zalety ESEM w stosunku do konwencjonalnych SEM Podstawowymi ograniczeniami możliwości konwencjonalnych SEM są wymagania jakie musi spełnić próbka, która ma być umieszczona w warunkach wysokiej próżni (10-5 Torra) w komorze mikroskopu: 1. Odporność na warunki próżniowe umieszczenie w warunkach wysokiej próżni nie może powodować zmian w strukturze i składzie próbki. 2. Próbka taka nie może zawierać wilgoci ani innych zanieczyszczeń (np. lotnych węglowodorów) których wydzielenie się w wysokiej próżni mogłoby spowodować podwyższenie ciśnienia w komorze, uszkodzenie detektora lub zanieczyszczenie mikroskopu. 3. Przewodnictwo elektryczne. Wiązka elektronów przekazuje próbce duży ładunek elektryczny. W materiałach przewodzących jest on odprowadzany za pośrednictwem stolika mikroskopu do ziemi. Próbki nie wykazujące przewodnictwa muszą być pokryte warstwą substancji przewodzącej (węgla, srebra lub złota), w celu uniknięcia gromadzenia się na ich powierzchni ładunku, który może powodować lokalne zakłócenia w emisji elektronów wtórnych, a nawet odbicie wiązki elektronów.

11 Większość próbek wymaga więc specjalnego przygotowania suszenia, odgazowania i napylenia warstwą przewodzącą. Należy pamiętać o tym, że przygotowania te mogą spowodować uszkodzenie próbki, a także powstanie artefaktów. Rozwiązanie wielu powyższych problemów przyniosła środowiskowa elektronowa mikroskopia skaningowa (ESEM), która rozwinęła się w połowie lat osiemdziesiątych. ESEM posiada wszystkie zalety konwencjonalnej SEM, a ponadto nie wymaga umieszczenie próbki w wysokiej próżni. Dzięki zastosowaniu specjalnego systemu zaworów, pomiędzy kolumną mikroskopu i komorą próbki można umieścić próbkę w środowisku o zmiennych parametrach: Skład gazu tworzącego atmosferę w komorze jest dowolny Ciśnienie do 50 Torrów Temperatura do 1500 C. W ESEM próbki nie przewodzące, zawierające wilgoć czy substancje lotne mogą być obserwowane w stanie naturalnym, bez specjalnych przygotowań. Ponadto ESEM stwarza dodatkowe możliwości badawcze, np. obserwacji próbek: uwodnionych, emitujących światło, wykazujących fluorescencję i katodoluminescencję obserwacji delikatnych struktur np. biologicznych, utrzymywanych przez wewnętrzne siły hydrostatyczne obserwacji dynamicznych zmian, jakim podlegają próbki w zmiennych warunkach ciśnienia, temperatury i składu atmosfery (rozciąganie, ściskanie, rozprzestrzenianie się spękań, rozwarstwianie, uwadnianie, odwadnianie, sublimacja) obserwacji interakcji między próbką i zmieniającym się środowiskiem (pochłanianie i oddawanie wilgoci do środowiska, wzrost kryształów i ich rozpuszczanie, korozja, trawienie).