Microscopia Electrónica

Microscopia ElectrónicaPara abordar el tema de la microscopía electrónica es necesario recordar algunos aspectos básicos del microscopio óptico.

A finales del siglo pasado, Abbe desarrolló la primera teoría de la formación de la imagen en el microscopio. Cálculos laboriosos lepermitieron encontrar la siguiente expresión para la separación mínima que puede ser resuelta, denominada límite de resolución

do= 1.22 λ/2nsenα

En la que λ es la longitud de onda de la iluminación, n el índice de refracción del medio y α el ángulo que forma el eje óptico del instrumento con el último rayo que , partiendo del objeto, es capaz de penetrar todavía en el objetivo.

Debemos recordar siempre que la calidad de un microscopio viene dada por su límite de resolución y no

por su aumento.

El límite de resolución de un microscopio óptico viene determinado por la longitud de onda ( unos 550 nm) con la que se ilumina el objeto. Si fuera posible disponer de radiación con una longitud de onda mucho menor y de lentes que la focalizaran, se conseguirián límites de resolución menores.

Resolución mm micras Angstroms Tamaños

OJO

MIC

RO

SC

OP

IOÓ

PTI

CO

MIC

RO

SC

OP

IO E

LEC

TRÓ

NIC

O 1010.1

10

103

102

10.1 103

102

1010.1Métodos indirectos

de medida

Distancias interatómicas yátomos

CélulasBacterias

Virus

Moléculas

Esquema comparativo entre los dominios de resolución del: ojo, microscopio óptico y microscopio electrónico.

El empleo de un haz de electrones que se muevan a gran velocidad satisface estos requisitos

“Iluminación con electrones”

Una partícula de momento lineal p lleva asociada una onda de longitud

λ =h/p con h la constante de Planck

Si el electrón se acelera bajo una diferencia de potencial V, la expresión de la longitud de onda viene dada por:

λ= h/ [ 2meV (1+eV/2mc2) ]1/2 Siendo e y m la carga y la masa del electrón, respectivamente.

El límite de resolución en este caso vendrá dado por:

d= 1.22 λ/2nsenα = 1.22 λ/2α = 0.61 λ/α

Ya que para una lente MAGNÉTICA n=1 (la lente necesaria para focalizar un haz de partículas cargadas) y α es suficientemente pequeño para que el senα se aproxime a α.

Como en el caso de los microscopios ópticos, las aberraciones en la lente objetivo son las mas importantes y, de entre ellas, la aberración esférica es la que mayores limitaciones impone en el poder de resolución de un microscopio electrónico.

Por el criterio de Rayleigh, el límite de resolución de una lente, impuesto por una aberración esférica, será del mismo orden de magnitud que ∆r (∆r es el radio del disco formado por los rayos marginales)

∆r = Cs α3

Donde Cs es el coeficiente de aberración esférica, y:

do = Cs α3

Así

do = Cs α3 y d = 0.61 λ/α

Igualando

Cs α3 = 0.61 λ/α α4 = 0.61 λ/Cs

α = [ 0.61 λ/Cs ]1/4

Esta es la apertura angular óptima, y es la que proporciona el mismo límite de resolución para ambos criterios. Sustituyendo en cualquiera de las dos ecuaciones originales, obtenemos:

do = 0.7 Cs1/4 λ3/4 sería el límite de resolución

e-

dispersadose-

transmitidos

Interacción de los electrones con la muestra

e-

incidentese-

reflejados

e-

expulsados

e-

absorbidos

e- y rayos xemitidos

Cuando un haz de electrones de un microscopio incide sobre una muestra se produce una serie de interacciones que, por una parte, son responsables, como veremos mas adelante, de las imágenes observadas, y por otra parte, originan distintas radiaciones secundarias que pueden utilizarse para obtener una información complementaria.

1.- Si la muestra es suficientemente delgada, una gran fracción de los electrones incidentes lograran atravesarla.

2.- Parte de los electrones incidentes pueden ser dispersados por el propio material.3.- Parte de los electrones incidentes pueden ser retro-dispersados.4.- Como resultado de la interacción de los electrones incidentes o del haz de electrones retrodispersado con la muestra, algunos electrones de la superficie de la muestra pueden ser expulsados, lo que se conoce como haz de electrones secundarios. 5.- También como resultado de esa interacción y expulsión, los átomos que forman el material buscan el estado electrónico de equilibrio dando lugar a la emisión de rayos x o a la expulsión de electrones de orbitales externos (electrones Auger).

Mecanismos que tienen lugar en la interacción electrón-sólido

Proceso # 1

Cuando un haz de electrones incide sobre un material, el haz puede interaccionar tanto con el núcleo como con la nube electrónica de los átomos constituyentes de dicho material.

En el caso en que la interacción tenga lugar con el núcleo de los átomos, los electrones son retrodispersados por estos núcleos por acción de las fuerzas coulombianas. Estos electrones pierden muy poca energía en la interacción y pueden alcanzar la superficie desde zonas profundas del material.Evidentemente el número de electrones retrodispersados dependerá del núcleo con el cual han interaccionado lo que nos permite obtener una información del material a nivel de su composición elemental.

Proceso # 2

En este mismo proceso, ocurre que tanto los electrones incidentes como los retrodispersados interaccionen con los electrones que forman los átomos pudiendo originar la expulsión de electrones de las capasexternas, lo que se conoce como electrones secundarios.

Estos electrones poseen una energía reducida y sólo aquellos que estén próximos a la superficie podrán abandonar el material. Estos electrones salen en todas direcciones permitiéndonos realizar unestudio de la morfología de la superficie del material.

Estas dos informaciones (proceso #1 y #2) son las bases de la Microscopía Electrónica de Barrido (SEM)

* ESTUDIO MORFOLÓGICO

* VISUALIZACIÓN TOPOGRÁFICA

IMAGENESTOPOGRÁFICAS DE LASUPERFICIE DE LA MUESTRA

COMPOSICIÓN ELEMENTAL

MAPEADO DE LA COMPOSICIÓN DE LA MUESTRA EN ESCALADE GRISES

e secundarios

e retrodispersados

e incidentes-

-

-

SÓLIDO

( 50 KeV )~~

“Pera” de interacción

ESTUDIO MORFOLÓGICO: Imágenes topográficas de la superficie de la

muestra

ESTUDIO COMPOSICIONAL ELEMENTAL: Composición de la

muestra en escala de grises

Aleación

Cristales

SEM- Dispositivo ExperimentalEste microscopio consta esencialmente de una columna, que debe estar en vacío, donde se encuentra el sistema de iluminación, a saber:

Cañón de electronesSistema de lentes electromagnéticas (condensador y objetivo)

El haz de electrones pasa a través de las lentes condensadores y de objetivo, y es barrido a lo largo de la muestra por las bobinas de barrido, mientras que un detector cuenta el número de electrones secundarios de baja energía emitidos por cada punto de la superficie. Al mismo tiempo se utiliza el foco de un tubo de rayos catódicos (TRC) para proporcionar contraste a la imagen. Tanto el haz de electrones que proviene del detector como el foco (TRC) son barridos de forma similar a la de un receptor de televisión dando lugar a la imagen ampliada.

El voltaje de aceleración de un microscopio electrónico de barrido se encuentra entre 2kV y 50 kV y su resolución entre 20 y 50 Angstroms.

Cañón de electrones

Lente condensadora

Lente objetivo

Bobinas de barrido

Apertura

Muestra

Detector

Amplificador

Generadorde barrido

Tubo de rayoscatódicos

Monitor

Cristales

Aleación

Termita

La microscopía electrónica de barrido (SEM) tiene aplicaciones en múltiples campos que abarcan desde la biología hasta el mundo de los materiales.

Madera

Células

Neuronas

������ �����

���������� �����

Proceso # 3Cuando el haz de electrones incidente tiene suficiente energía es posible que acceda hasta las capas más internas del átomo pudiendo expulsar un electrón de estas capas. El átomo queda excitado y se dice que está ionizado. Este sistema es inestable y en un tiempo muy corto volverá a su situación de mínima energía. Esto puede ocurrir mediante varios procesos, veamos dos de estos:

A.- Un electrón de una órbita superior cae en esta trampa y su exceso de eenergía se emite en forma de un fotón de rayos x (proceso de emisión). Esta energía de rayos x es la diferencia de energía potencial entre los estados involucrados en el proceso.

e- incidente

e- dispersado

e- expulsadoRayos x

Evidentemente estos rayos x pueden acceder a la superficie del material desde profundidades elevadas y como estos rayos x son característicos del átomo que ha participado en la interacción, esto nos permitirá identificar el material a nivel elemental.

La detección de estos rayos x constituye la técnica Análisis de rayos x por Dispersión de Energías (EDS) o Longitudes

de Onda (WDS).

Análisis EDS de esa superficieImagen SEM

Este sistema de análisis de rayos x suele estar incorporado en todos los microscopios electrónicos.

La emisión de rayos x característicos permite, bien analizar muestras muy pequeñas o estudiar áreas muy pequeñas de muestras mayores. Ya que las técnicas convencionales de análisis no permiten esto, el análisis de rayos x en microscopía electrónica se ha convertido en una técnica muy importante parala caracterización de todo tipo de materiales sólidos.

1.- la medida de la longitud de onda o de la energía del fotón emitido, permite determinar los elementosque están presentes en la muestra, es decir, realizar un análisis cualitativo.

2.- La medida de la cantidad de rayos x emitidos por segundo permite realizar un análisis cuantitativo. Este tipo de análisis, sin embargo, requiere unas características especiales de instrumental, muestra y utilización de patrones, por lo que el paso de análisis cualitativo a cuantitativo no resulta fácil.

En un espectro de rayos x:

Nomenclatura:

Línea: K, L, M, N vacanteα, β, γ capa que ocupaba el electrón1, 2, 3,… subnivel energético

Tipos de detectores de rayos x:

WDS separación por su longitud de ondaEDS separación por su energía

Ejemplo : Kα1

Instrumento:

•Diodo de Si o Ge•Preamplificador sensible a la carga•Amplificador•Convertidor analógico/digital•Pantalla de visualización, ordenador periférico

Diodo Preampli.. Amplificador Covertidor

Temperatura = 77K

e- incidente

e- dispersado

e- expulsado

e- Auger

B.- La otra posibilidad es que la energía en exceso sea cedida a un tercer electrón de una capa externa originando la expulsión de este tercer electrón (llamado electrón AUGER) el cual volverá ha ser característico del átomo pero que a diferencia de los fotones de la radiación x tendrá una energía muy reducida y sólo aquellos que estén muy próximos a la superficie podrán ser detectados.

La medida de la energía de estos electrones constituye la técnica Espectroscopía AUGER

e secundarios

e retrodispersados

e incidentes-

-

-

SÓLIDO

( 50 KeV )~~

Fluorescencia de rayos x

Emisión continua de rayos x

e- Auger

Emisión característica de rayos x

Resumen, según la “pera” de interacción electrón-sólido, de las diferentes zonas desde donde se emiten las típicas señales recogidas en microscopía electrónica y técnicas afines.

Proceso # 4Cuando el haz de electrones incide sobre una muestra suficientemente delgada, una gran parte de estos electrones son transmitidos o dispersados por los átomos del material. En este proceso es posible considerar un haz de electrones como ondas.

En base a los principios básicos de la difracción de rayos x, cuando un haz de electrones incide sobre un material, constituido por un arreglo de átomos en planos cristalinos separados una distancia “d”, entre las posibilidades puede ocurrir que estos electrones sean dispersados elásticamente. En el caso en que tenga lugar la condición de Bragg ocurrirá un reforzamiento de ambas ondas difractadas observándose un máximo de difracción.

θ θ

AB C

dDistancia entre planos

Planos del cristal

Haz incidente

Ley de Bragg

2d senθ = n λ

AB =AC=d senθ

BA+AC = Diferencia de camino para reflexiones sucesivas = 2d senθ

Haz difractado

1.-Un haz de electrones incide sobre una muestra2.-Parte de estas ondas serán transmitidas y3.-Parte difractadas con un cierto ángulo muy pequeño4.-Colocando una placa fotográfica alejada de la muestra a una distancia “L”, podremos observar unos puntos luminosos sobre ella.

θL

Haz difractado

Haz transmitido

Haz incidente

DPlaca fotográfica

La detección de estos electrones transmitidos y difractados por la muestra, constituye la base de la :

Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM).

D << LD/L = tagθ ≈ sen θ

2d senθ = n λLey de Bragg:

D/L = nλ/2d = sen θ

Espacio entre planos cristalinos = d = nλL/2D

TEM- Dispositivo Experimental

Un microscopio electrónico de transmisión consta esencialmente de:

1.- Una columna, que debe estar en vacío, donde se encuentra el sistema de iluminación: cañón de electrones, sistema de lentes electromagnéticas (condensador, objetivo y proyectoras)2.- Una pantalla de proyección y3.- Una cámara fotográfica adosada a ella que debe también trabajar en vacío.

1.- Es capaz de producir imágenes directas de la estructura de secciones delgadas del material (100- 200 Angstroms) y2.- Permite la obtención de forma instantánea de diagramas de difracción orientados.

Lentes condensadoras

Lente objetivo

Lentes proyectoras

Y proporciona dos tipos diferentes, pero complementarios de información:

Dependiendo de la

cristalinidad del

material que se

este estudiando se

pueden obtener

diferentes tipos de

diagramas:

Mono-Cristal

Poli-Cristal (3 orientaciones)

Policristalino

Imagen Diagrama de Difracción Material

Ejemplos (tomados de www.fisica.unam.mx/ matcond/gpome.htm) :

TEM con EDS incorporado

Vista general de un puesto de trabajo

Algunos ejemplos de Microscopios Electrónicos para Ciencia de Materiales:

Instrumento Voltaje Resoluciónde aceleración

(kV) (Angstroms)

JEOL JEM 1250 1250 4.0

PHILIPS CM 30 300 1.1JEOL JEM 4000 EX 400 1.7JEOL JEM 200 CX 200 2.5

PHILIPS CM 20 200 2.8JEOL JEM 100C 100 5.0

JEOL JSM 40