ESCUELA DE INGENIERIA DE MATERIALES

ESCUELA DE INGENIERIA DE MATERIALES

NOVIEMBRE DEL 2010

SANTIAGO DE CALI

S.E.M. Scanning electron microscope

Microscopio electrónico de barrido

DIFRACCION DE ELECTRONES – PRINCIPIO OPERATIVO BASICO

La Difracción de electrones es frecuentemente utilizada en física y química de sólidos para estudiar la estructura cristalina de los sólidos. Estos experimentos se realizan normalmente utilizando un microscopio electrónico por transmisión (MET o TEM por sus siglas en inglés), o un microscopio electrónico de barrido  (MEB o SEM por sus siglas en inglés), como el utilizado en la difracción de electrones por retrodispersión. En estos instrumentos, los electrones son acelerados mediante electroestática potencial (la electroestática es la rama de la física que estudia los fenómenos producidos por distribuciones de cargas eléctricas)para as obtener la energía deseada e incrementar su longitud de onda antes de que este interactúe con la muestra en estudio. La estructura periódica de un sólido cristalino actúa como una rejilla de difracción(En la óptica, a rejilla de difracción es un componente óptico con un patrón regular, que parte la luz en varias vigas que viajan en diversas direcciones), dispersando los electrones de una manera predecible. A partir del patrón de difracción observado es posible deducir la estructura del cristal que produce dicho patrón de difracción. Sin embargo, esta técnica está limitada por el problema de fase. Aparte del estudio de los cristales, la difracción de electrones es también una técnica útil para el estudio de sólidos amorfos, y la geometría de las moléculas gaseosas.

Interacción de los electrones con la materia.A diferencia de otros tipos de radiación utilizados en estudios de difracción de materiales, tales como los rayos-X y los neutrones, los electrones son partículas que poseen carga e interactúan con la materia a través de la fuerza eléctrica. Esto significa que los electrones que inciden son influenciados tanto por la carga positiva del núcleo atómico como por los electrones que rodean el núcleo. En comparación, los rayos-X interactúan con la distribución espacial de los electrones en las capas exteriores (electrones de valor), mientras que los neutrones son dispersados por la fuerza de la interacción nuclear fuerte del núcleo. Además, el momento magnético de los neutrones es diferente de cero, por lo que también son dispersados por campos magnéticos. La diferencia en la manera en la que las tres formas de radiación interactúan con la materia permite que se puedan utilizar en diferentes tipos de análisis.

MICROSCOPIO ELECTRONICO DE BARRIDO

En el microscopio electrónico de barrido, un campo magnetico permite enfocar los rayos catódicos (electrones) y obtener una imagen tridimensional, por el examen de la superficie de las estructuras, permitiendo la observación y la caracterización de materiales orgánicos e inorgánicos, proporciona aumentos de 200.000 diámetros. 

DIAGRAMA DE FUNCIONAMIENTO

La muestra es colocada en un pequeño espacio, al cual se le hace vacío después de cerrada la puerta. La puerta tiene tres palancas que el operador usa para: subir y bajar la muestra, rotar la muestra y acercarla o alejarla. Un haz delgado de electrones, es producido en la parte superior del microscopio por medio del calentamiento de un filamento metálico (10-30 KV).

La corriente de electrones se enfoca en un punto de la superficie de la muestra por medio de un sistema de lentes electromagnéticas condensadoras.

El rayo de electrones primarios sigue un recorrido a traves de la columna de vacío del microscopio, esto, con el propósito, de evitar la dispersión de los electrones. El trayecto del haz de electrones es enseguida modificado por un conjunto de bobinas deflectoras ( placas cargadas “deflectoras del haz o de corriente”) que lo hacen recorrer la muestra punto por punto y a lo largo de líneas paralelas (barrido), y a su vez atraviesa las lentes condensadoras o electromagneticas que le permiten ser reenfocado o centrado hacia la muestra. Posteriormente, el diámetro del haz de electrones puede ser modificado al pasar por las lentes objetivas que controlan la cantidad de electrones dentro de este.

Cuando los electrones primarios golpean la muestra, son emitidos electrones secundarios por el propio espécimen.  Estos electrones secundarios son atraídos por un colector(“detector de centelleo” que emite fotones cuando es excitado por los electrones que inciden sobre el) donde se aceleran y se dirigen al escintilador, donde la energía cinética Es convertida en puntos de mayor o de menor luminosidad, es decir, en luz visible.

Esta luz es dirigida a un amplificador donde se convierte en señal eléctrica, la cual pasa a una pantalla de observación donde la imagen  es formada línea por línea y punto por punto. Los circuitos que dirigen las bobinas de barrido (que obligan al haz a barrer la muestra), son las mismas que dirigen la parte de colección de electrones y que producirán la imagen. La imagen se genera entonces punto por punto, línea por línea en la pantalla al tiempo que el haz de electrones primarios va barriendo la muestra. La resolución depende del tamaño del spot o punto de iluminación de electrones que barre la muestra 5-10 nm de diámetro.

Interacción del haz con la muestra:

Cuando los electrones colisionan con la muestra se producen varios fenómenos:

• Electrones secundarios: La propia muestra emite electrones secundarios debido a la colisión con el haz incidente para generar imágenes tridimensionales de alta resolución SEI (Secundary Electron Image), la energía de estos electrones es muy baja, inferior a 50 eV, por lo que los electrones secundarios provienen de los primeros nanómetros de la superficie.
• Electrones retrodispersados: Algunos electrones primarios son reflejados o retrodispersados tras interactuar con los átomos de la muestra. La intensidad de emisión de estos electrones está directamente relacionada con el número atómico medio de los átomos de la muestra (Z promedio), así los átomos más pesados producen mayor cantidad de electrones retrodispersados, permitiendo la obtención de imágenes planas de composición y topografía de la superficie BEI (Backscattered Electron Image).
• Absorción de electrones: La muestra absorbe electrones en función del espesor y la composición; esto produce la diferencia de contraste en la imagen.
• Emisión de rayos X: Cuando los electrones de niveles internos son expulsados por la interacción de los electrones primarios, habrá transiciones entre los niveles de energía con emisión de rayos X, esta energía y longitud de onda están relacionadas con la composición elemental del espécimen, permitiendo realizar análisis químicos mediante espectroscopía por dispersión de energía y de longitud de onda (EDS y WDS).
• Emisión de electrones Auger: Cuando un electrón es expulsado de un átomo, otro electrón más externo puede saltar hacia el interior para llenar esta vacancia resultando en un exceso de energía. Esta energía extra puede ser liberada emitiendo un nuevo electrón de la capa más externa (electrón Auger). Son utilizados para obtener información sobre la composición de pequeñísimas partes de la superficie de la muestra.

Todas estas señales están relacionadas entre sí y dependen en gran medida de la topografía, el número atómico y el estado químico de la muestra; por lo tanto, un MEB suministra información morfológica, topográfica y composicional de las superficies de las muestras.

DETECTORES DE ELECTRONES

Detector de electrones secundarios (SE):En microscopía electrónica de barrido, la detección de electrones secundarios es el medio más utilizado para formar imágenes.); ofrece la típica imagen en blanco y negro de la topografía de la superficie examinada. Es la señal más adecuada para la observación de la muestra por ser la de mayor resolución.

Detector de electrones retrodispersados (BSE): también ofrece una imagen de superficie aunque de menor resolución. Su ventaja consiste en que es sensible a las variaciones en el número atómico de los elementos presentes en la superficie. Si tenemos una superficie totalmente lisa observaremos distintos tonos de gris en función de que existan varias fases con distintos elementos.

Detector de rayos X (EDS): es el que recibe los rayos X procedentes de cada uno de los puntos de la superficie sobre los que pasa el haz de electrones. Como la energía de cada rayo X es característica de cada elemento, podemos obtener información analítica cualitativa y cuantitativa de áreas del tamaño que deseemos de la superficie. Por ello se conoce esta técnica como Microanálisis por EDS.

COMO SE GENERAN LOS RAYOS X EN EL S.E.M.

Cuando un haz electrónico suficientemente acelerado, incide en la superficie de un sólido, se produce, entre otros fenómenos, la ionización de los átomos presentes en el mismo; esto es la perdida de electrones internos. Cuando una átomo de encuentra en este estado, otro electros de la capa mas externa salta inmediatamente a la capa deficitaria, y rellena el hueco producido.

Este salto implica la liberación de energía, cuyo valor es igual a la diferencia entre las energías que tenia cada electrón en su orbital correspondiente. Dicha energía se manifiesta de dos formas: mediante emisión de de una radiación electromagnética (rayos X) o por emisión de otro electrón de un orbital exterior (electrón Auger). La probabilidad que tenga lugar una y otra emisión está determinada por el rendimiento de fluorescencia.

Si la intensidad de la radiación se representa frente a su longitud de onda (o a su energía), se obtiene el espectro de rayos X (figura 5) como puede observarse, este espectro está constituido por una serie de picos, designados indistintamente como líneas, a los que se denomina indistintamente rayos X característicos, que esta superpuesto a un fondo continuo de menos intensidad (rayos X continuos). En algunos casos, aparecen además unas líneas satélites, asociadas a las líneas características.

Las transiciones radiativas permitidas están ilustradas en la figura 6. Dentro del formalismo del modelo en capas atómicas, solo ciertas transiciones electromagnéticas, de tipo dipolar eléctrico, son autorizadas por las reglas de selección:

Donde n, l y J respectivamente el numero cuántico principal y los números cuánticos asociados a los momentos angulares orbital y total.

Si la ionización del átomo se produce por la expulsión de un electrón de capa K la emisión resultante se identifica como radiación K, si la ionización se produce por la expulsión de un electrón L o M, los rayos X resultantes dan lugar a las líneas L y K, respectivamente. Cada una de las familias, está integrada por una serie de líneas, puesto que el electrón que ocupa el hueco dejado por el expulsado, puede proceder de distintos orbitales. Así, si la ionización se ha producido en la capa K, la vacante puede completar por la transición de un electrón de la capa L (lo que daría lugar a las líneas Kα) o de la capa M (lo que daría lugar a la líneas Kβ). Además, en el caso de las líneas L, M, etc., el electrón expulsado puede proceder de los distintos orbitales (3 en el caso de la capa L, 5 en el de la capa M, etc.) existen en cada una de estas capas.

La nomenclatura para designar las líneas de un espectro de rayos X, emplea la letra de capa inicialmente ionizada (K, L, M, etc.) para designar series de líneas o familias. Dentro de cada una de estas, las letras griegas designan series de líneas de similar longitud de onda, y el numero que figura como subíndice (1, 2, 3, etc.) expresa la intensidad relativa de cada una de las líneas de la misma seria. Obviamente, el espectro de rayos X de los distintos elementos es más complejo a medida que aumenta el número atómico. No obstante, como no se producen todas las transiciones posibles o son extremadamente infrecuentes, algunas líneas son tan débiles que son difícilmente observables, en realidad el espectro característico de cualquier elemento está constituido por un número relativo de líneas. Las líneas habitualmente utilizadas en microanálisis son Kα2, Lα1 – Lα2 (que forman un doblete).

Las energías de las principales líneas son mostrados figura 7, en función del número atómico Z del átomo emisor. Para un átomo emisor Z dado, las líneas las mas energéticas son las líneas K; vienen enseguida las líneas L luego M.

FUENTE DE ENERGIA

La fuente de energía !del microscopio electrónico de barrido depende de varios factores, siendo los más importantes el voltaje de aceleración, la intensidad de la corriente y al diámetro de haz. Para usos prácticos debe asegurarse una alta estabilidad de la corriente.

CARACTERISTICAS SEM

Las características más importantes de SEM son: poder de resolución, profundidad del campo y contraste.

Poder de resolución

El poder de resolución en el microscopio electrónico de barrido (SEM) depende de varios factores, tales como la dimensión del haz de electrones, la difusión del mismo en la muestra antes de la emisión de los electrones secundarios, y la corriente estabilizada de la lente. La dimensión del haz puede reducirse de muchas formas. Se pueden emplear filamentos apuntados o usando elevado potencial

de Kv. Por ejemplo a poltencia de 1 Kv, la resolución es 140 nm, mientras que a 30 Kv, la resolución es 120 nm (200 A).Se puede prevenir la difusión del haz de electrones en la muestra, aumentando la potencia de la corriente. Finalmente, la alimentación de corriente debe ser muy estable, del orden de 1 parte en 100.000, para conseguir alta resolución.

Profundidad de campo

Se utilizan lentes magnéticas con simetría axial con el fin de producir un fino haz de electrones. De todos modos hay que considerar que la aberración esférica de las lentes magnética, no puede conseguirse con ningún tipo de lente de simetría axial. Si se quiere obtener un fino haz de electrones, el ángulo de abertura de la lente del objetivo (2°C) debe reducirse con el fin de permitir sólo los haces paraxiaies. La profundidad del campo de la superficie de la muestra viene dada por la siguiente fórmula:

Siendo M la amplificación de la imagen, d, el diámetro del haz y la longitud mínima discriminable a simple vista. El haz de electrones mide solamente 30 mm y se mueve en forma de líneas paralelas a través de la muestra. Se puede cambiar la amplificación en escalones de 20 X la 100.000 X aunque la resolución lde 25 nm es restringida a aumentos de 10.000 X a 30.000 X. La gran profundidad de campo permite observaciones especiales de la muestra. En general la profundidad del campo es tan grande colmo la mitad de una cara del área bajo observación.

Contraste

El contraste en SEM es logrado por sistema colector. La muestra recibe los electrones del haz de barrido y genera electrones secundarios. Estos electrones emitidos son recogidos por colectar. Los electrones se desplazan en línea recta cuando la muestra es uniforme. Se consigue el contraste óptimo cuando el colector puede recogermáximo de electrones secundarios. La (eficiencia de la emisión de los electrones es máxima cuando el plano de la muestra está inclinado con respecto al haz primario. Por este motivo las microfotografías obtenidas por SEM parecen muy naturales.

PREPARACION DE LA MUESTRA

En el microscopio electrónico de barrido se observa la estructura superficial de la muestra, por lo tanto las fibras deben prepararse en una sección longitudinal. Las fibras deben de estar completamente secas. Existen varios aparatos para secar las muestras. Una vez que se hayan preparado las fibras deben localizarse sobre el portamuestras. Hay varios tipos de portamuestras: portamuestras para la

la observación de muestras normales, para muestras voluminosas, portamuestras con posibilidad de seleccionar la superficie deseada de la muestra, portamuestra con microcircuito y con posibilidad de ser calentada o enfriada, etc. La distribucion de la intensidad de señales producidas en la muestra es función de la composición de ésta y de la energía de los electrones. La intensidad de las señales emitidas por la muestra viene determinada por la distribución de señales producidas y por su absorción por la propia muestra. La profundidad normal para que las señales sean emitidas es de menos de 500 A para electrones secundarios.

Las fibras textiles por no tener capacidad de reflejar los electrones, deben ser cubiertas por plata u oro. Las fibras preparadas se fijan sobre el portamuestras. Antes de introducir la muestra preparada en el microscopio es necesario aislar la cámara del sistema y luego introducir aire seco o nitrógeno antes de retirar todo el soporte del portamuestras.

DEFECTOS COMUNES EN MICROSCOPIA ELECTRONICA

PRINCIPALES APLICACIONES

Las aplicaciones del microscopio electrónico de barrido son muy variadas, y van desde la industria petroquímica o la metalurgia hasta la medicina forense. Sus análisis proporcionan datos como textura, tamaño y forma de la muestra.

Entre las áreas de aplicación de esta técnica, se pueden mencionar:

1. Geología: Investigaciones geomineras, cristalográficas, mineralógicas y petrológicas. Estudio morfológico y estructural de las muestras.

2. Estudio de materiales: Caracterización microestructural de materiales. Identificación, análisis de fases cristalinas y transiciones de fases en diversos materiales tales como metales, cerámicos, materiales compuestos, semiconductores, polímeros y minerales. Composición de superficies y tamaño de grano. Valoración del deterioro de materiales, determinación del grado de cristalinidad y presencia de defectos. Identificación del tipo de degradación: fatiga, corrosión, fragilización, etc.

3. Metalurgia: Control de calidad y estudio de fatiga de materiales, características texturales. Análisis de fractura (fractomecánica) en materiales (Ver Figura 1), un ejemplo concreto de este tipo de aplicación se expone en la parte de trabajo práctico.

4. Odontología: En este campo son muchas las aplicaciones de las caracterizaciones morfológicas que se pueden realizar con el microscopio electrónico de barrido.

Una aplicación específica de este microscopio se obtiene al estudiar la direccionalidad de las varillas del esmalte dental ^[1]. El esmalte dental posee varias fases de formación, en las cuales se van depositando elementos minerales que llegan al lugar por los vasos sanguíneos circundantes, produciéndose la mineralización total en la última fase de su formación. En esta etapa se forman cristales, que al depositarse toman una disposición en todo el tejido formado, creando las varillas del esmalte, estructura principalmente inorgánica (98%), adquiriendo una disposición muy particular de acuerdo al sector que se estudie de la pieza dentaría. Estas varillas son observadas con un microscopio electrónico de barrido, notando que estas se disponen en diferentes direcciones con un sólo sentido desde él limite amelodentinario a la superficie, entrecruzándose en las cúspides y en ciertos sectores de las caras libres y proximales, lo que se denomina multidireccionalidad de las varillas. Para ello se extraen piezas dentarías humanas (con indicación quirúrgica), las que son metalizadas con oro-paladio y luego son estudiadas en el SEM. De este modo se puede observar la disposición de las varillas, analizar los cambios de direcciones en el espesor del esmalte y comparar la disposición en los distintos sectores del esmalte (oclusal, 1/3 medio y 1/3 cervical). Además se pueden analizar a través del SEM las alteraciones que producen los ácidos producidos por la entrada de microorganismos y restos alimenticios en las superficies vestibulares de los dientes anteriores, ya que sobre ellos se produce la retención de los materiales odontológicos en fracturas, fisuras, ferulizaciones, etc ^[2]. La entrada de los microorganismos se produce, ya que para la retención del material de restauración, desde los comienzos de la odontología, se han realizado tallados en forma de retención mecánica en las piezas dentarias, formándose estos en la interfase restauración-diente.

5. Paleontología y Arqueología: Caracterización de aspectos morfológicos.

6. Control de Calidad: En este campo, el microscopio electrónico de barrido es de gran utilidad para el seguimiento morfológico de procesos y su aplicación en el control de calidad de productos de uso y consumo. Algunas industrias que lo utilizan son:

6.1. Fibras

En fibras textiles el Microscopio Electrónico de Barrido se utiliza para examinar:

• Detalles superficiales de fibras

• Modificaciones en las formas de las fibras o en detalles superficiales

• Dañado de fibras

• Construcción de hilos y tejidos

• Fractografía de fibras rotas por diferentes causas

• Urdimbre

• Dimensiones de características de fibras desde diferentes ángulos

Un ejemplo de aplicación de la SEM en fibras textiles es el caso de la diferenciación entre la fibra de lana y las fibras denominadas especiales, tales como el mohair y el Kashmir. El precio de las fibras especiales es mayor que el de la lana, por lo que el fraude se puede presentar por etiquetar prendas de lana como compuestas por fibras especiales. La identificación, es decir, comprobar si una fibra es lana o fibra especial se realiza en el SEM midiendo la altura de los bordes distales de las células cuticulares. Se admite que si estos bordes tienen una altura superior a 0,7 μm la fibra es lana y si es inferior a 0,5 μm se trata de una fibra especial. Ver figura 2.

Otra utilidad es la detección de productos nocivos en ciertas fibras. La fibra de vidrio y la fibra mineral de amianto tienen algunas aplicaciones comunes en la industria. Por ejemplo ambas se utilizan como aislantes térmicos y eléctricos. El interés principal es detectar la la enfermedad denominada asbestosis, lo que hace que esté altamente restringida su presencia de amianto, ya que el polvo de esta fibra es nocivo por inhalación, produciendo aplicación. Mediante el SEM se pueden distinguir estas fibras, ya que poseen una diferencia en diámetro, tal como se muestra en la figura 2.

6.2. Curtidos

Esta es una técnica de fabricación de cueros, mediante la cual se somete la piel de ciertos animales a una preparación y tratamientos adecuados para transformarla en cuero, a fin de preservarla de la putrefacción natural y de que conserve su flexibilidad y elasticidad al secarse, sin adquirir consistencia córnea. Por lo general, el cuero se somete a un proceso denominado aserrado, mediante el cual se divide en dos hojas, quedando así desdoblado en la parte correspondiente al pelo o exterior (forma de flor), de espesor uniforme, y la parte correspondiente al lado de la carne que conserva las irregularidades de espesor o grosor del cuero antes del aserrado. Por diferentes razones, la parte denominada flor está considerada de mayor calidad y por tanto es más cara. Ver figura 3.

7. Peritajes: Estudios de muestras de cualquiera de las áreas antes mencionadas.

8. Medicina Forense: Análisis morfológico de pruebas.

9. Botánica, Biomedicina y Medicina: Estudio morfológico.

10. Estudio químico y estructural de obras de arte, alteración de monumentos, control de calidad, identificación de pigmentos (restauración, autentificación)

Como ejemplo práctico de este tipo de aplicación, se puede ver la figura 4, donde se aprecia una muestra pictórica observada con un Microscopio Electrónico de Barrido. A partir de esta interpretación se puede aportar una información especialmente valiosa para proceder a establecer la época del cuadro, escuela pictórica y posibles intervenciones a las que ha sido sometida, tales como aplicación de repintes, o tratamientos de restauración anteriores

11. Peritaciones Caligráficas: Estudio de trazos.

12. Electrónica: Control y calidad de partes electrónicas.

BIBLIOGRAFIA

J. J. Thomson, Phil. Mag. 44, 293 (1897).

De Broglie, Phil. Mag. 47, 446 (1924).

H. Busch Ann. d. Physik 81. 974 (1926).

C. J. Davisson, Nature 119, 558 (1927).

J. J. Thomson, G. P. Thomson Nature 119, 890 (1927).

M. Kndl and E. Ruska, Ann. d. Physik 12, 607 (1932); Zeit f. Phy, 12,389 (1931).

L. Morton, Hnn. Bull. Soc. Roy Med. Nat. Bruselas 92 106 (1934).

B. Van Borries and E. Ruska, Z. Wiss. Mikroskop 56, 317 (1939).

Fundamentals of transmission electron microscopy. Robert D. Heidenreich. A. Kodak. Data book. no. p -267 cat. 179 7703.

Introduc tion to Scanning Electron Microscopy~ W. C. Nixon 1969 Proceedings of and Annual Scanning Electron Microscopy Symposium, Patrocinado por IIT Research Institute.

Joel News. Vol. 10, n." 2.

Apuntes del cursillo de «Teoría y práctica del microscopio electrónico» dirigido

por el Dr. Ooki de la Universidad de Córdoba, Argentina.

Un aparato LKB para hacer cuchillas. «Knife Maker~.

Electron h4icroscopy and Photography. Kodak Publicatio

- Dykstra, M. 1992. Biological electron microscopy: theory, techniques and troubleshooting. Plenum Press.

- Hayat, M. (1981). Fixation for electron microscopy, Academic Press,

- M. L. López. (2003) Serie Científica Avanzada: El microscopio Electrónico. Centro de Extensión

Biomédica Facultad de Medicina Universidad de Chile.

Oxford Instrument microanalysis group (1997) Link ISIS operator’s guide. Oxford instruments (UK)

Limited microanalysis group. Vol. I. Pp 1-14.England, UK

- Víctor Poblete P.M. Pilleux C. Etal (2001) Ciencia De Los Materiales “Microscopia Electrónica De

Barrido” Universidad de Chile. Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas.