Técnicas de caracterización de materiales:

Microscopía Electrónica

I. en E. José Eleazar Urbina Álvarez

CINVESTAV Unidad Querétaro

¿Qué es la microscopía?

• Es el conjunto de técnicas y métodos destinados a obtener una imagen amplificada de los objetos que por su pequeñez están fuera del rango de resolución del ojo humano.

Por lo que el microscopio es el elemento central en la microscopía.

Tipos de microscopios

Microscopios Ópticos

Utilizan las ondas electromagnéticas de la luz

visible o cercanas a ellas para generar la

imagen aumentada por lentes de vidrio.

•Microscopio óptico simple

•Microscopio óptico compuesto

•Microscopio de luz ultravioleta

•Microscopio de fluorescencia

•Microscopio en campo oscuro

•Microscopio de contraste de fase

•Microscopio de luz polarizada

•Microscopio confocal

Microscopios Electrónicos

Son los que utilizan un haz de electrones para

generar las imágenes.

•Microscopio electrónico de transmisión

•Microscopio electrónico de barrido

Microscopios de sonda de barrido

Utilizan una punta que recorre la superficie

de una muestra, proporcionando una

imagen tridimensional de la red de átomos o

moléculas que la componen. En esta punta

de metal se establece está el último átomo.

•Microscopio de iones en campo

•Microscopio de efecto túnel

•Microscopio de fuerza atómica

Espectro Electromagnético• Es el rango de todas las frecuencias posibles de radiación electromagnética.

• Referido a un objeto se denomina espectro electromagnético a la radiación electromagnética que emite (espectro de emisión) o absorbe (espectro de absorción) una sustancia.

Poder de resolución de los microscopios

Resolución óptica: Es la capacidad de poder medir la distancia entre dos objetos

Microscopía Electrónica de Barrido (MEB)

• Es una técnica de caracterización muy versátil en diferentes áreas de la ciencia, que nos permite determinar las características microestructurales como: topografía, morfología y tamaño de partícula.

Ventajas del MEB

• Imágenes con alta resolución <1nm en instrumentos de emisión de campo.

• Imágenes con profundidad de campo.

• Imágenes en 3D

¿Cómo funciona el MEB?Cañón de electrones: cuenta con un

filamento de tungsteno al cual se le aplica

una señal de alto voltaje para generar un

haz de electrones.

Sistema de lentes electromagéticas que

logra producir un haz electrónico delgado

(coherente) y enfocarlo sobre el

espécimen.

Apertura es una plaquita metálica de

platino con un diminuto orificio, que se

colocan después de las lentes con el fin de

disminuir grueso del haz de electrones.

Lente objetiva final proporciona la

amplificación final, está formada por:

• un sistema deflector (bobinas de barrido)

que mueve el haz de electrones sobre

superficie de la muestra

•un astigmador que elimina distorsiones en

las señales.

Interacción del haz de electrones y la materia

• Se producen diferentes fenómenos:

• Dispersión elástica: Puede haber un

cambio en la dirección del haz

primario sin tener cambio detectable

en su energía.

• Dispersión inelástica: Existe pérdida

apreciable de energía en el haz de

electrones. Y por tanto genera

diferentes fenómenos a nivel atómico.

Detectores del MEB

La cámara del espécimen: es el lugar donde se coloca

la muestra dentro del microscopio.

Detector de electrones secundarios: Captura

electrones de muy baja energía <50eV provenientes de

la superficie del material y forma las imágenes de

topografía.

Detector de electrones retrodispersados:

Captura electrones de alta energía. Las imágenes

obtenidas pueden dar información química, dado que las

zonas formadas por elementos ligeros aparecerán más

obscuras que las zonas que contienen elementos

pesados. Por lo que son llamadas imágenes de

composición.

Diferencia entre imágenes de electrones secundarios y retrodispersados.

Imágenes de electrones secundarios y electrones retrodispersados de nanotubos de carbono dopados con nanopartículas de Pt - Ni

Variedad de materiales para estudio en MEB

• Muestras biológicas

• Muestras poliméricas

• Muestras geológicas

• Muestras metalúrgicas

• Muestras cerámicos

• Materiales híbridos

• Compositos

• Micro-dispositivos

Preparación de muestras para MEBConsideraciones generales

1. Objetivo del estudio: ¿Qué se desea observar o encontrar?

2. Técnica a utilizar: MEB electrones secundarios, MEB electrones retrodispersos, espectroscopía de rayos X que involucra microanálisis elemental general, análisis puntuales e identificación, mapeo.

3. Modo de vacío: Alto y bajo vacío.

4. Tipo de muestra: biológica (animal o vegetal), inorgánica, orgánica

5. Estado de la muestra: polvo, masa, contenido de agua, etc.

6. Propiedades de la muestra: conductora, no conductora, sensibilidad al haz, temperatura de transición vítrea (Tg), etc.

CONSIDERACIONES ESPECIALES

1. Limpieza durante la preparación.

2. Daño que puede ser causado por una inadecuada

preparación.

3. Posible daño causado por el haz de electrones.

keV

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00

Co

un

ts[x

1.E

+6

]

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

002[MAP 1]

C

O

Na

Mg

Al

P

Cl

Cl

Ca

Ca

Preparación de la muestra

Que muestras requieren ser recubiertas.

Casi todas las muestras biológicas

Metales oxidados

Polímeros

Cerámicos

(Cualquier material no conductor de

electricidad)

¿Por qué se usa?

•Reduce la carga eléctrica.

•Reduce el efecto de calentamiento puntual

INCONVENIENTES

•Al depositar partículas de metal, estos pueden ser

un obstáculo para imágenes a grandes

amplificaciones.

•Puede interferir en las imágenes por electrones

retrodispersados.

•En los espectros de rayos X aparece la señal del

material depositado. Por lo que hay que considerar

esto en el momento de escoger el material para

recubrir la muestra.

Sistema de erosión catódica.

Materiales metalúrgicos•Metales puros.

•Aleaciones de fase simple o multifases de procesos de fundición, termomecánico (forjado,

extruído o laminado).

• Compactación de polvos y estados de sinterizado.

Métodos de preparación:

• Fractura.

• Preparación metalográfica: Consiste en corte, montaje en resina conductora, desbaste grueso a fino y pulido a calidad espejo por medio de abrasivos (alumina, polvo de diamante, óxido de magnesio).

• Para revelar microestructura se requiere un ataque químico en condiciones controladas; al menos que sólo se desee observar defectos superficiales e inclusiones no metálicas.

Materiales geológicos y cerámicos• Presentan dificultad de preparación por sus propiedades físicas como la dureza, fragilidad y

pobre conductividad eléctrica.

• Método de fractura

Permite estudiar:

Tamaño de grano

Porosidad interna

Micro-fracturas,

Identificar fases secundarias

No recomendado para realizar microanálisis

Diferentes métodos de preparación de cerámicosMétodo de haz iónico

• Resaltar el relieve de grano

• Revelar los límites de los dominios

• Restringido para muestras con poca dureza

Método de pulido

• Resaltar el relieve de grano

• Revelar los límites de los dominios

Método de clivado

• Para obtener superficies bastante planas u hojuelas delgadas.

• para muestras cristalinas simples

Materiales poliméricos• Para una adecuada preparación de los materiales poliméricos se tiene que considerar los

siguientes aspectos:

• Las temperaturas de transición vítrea de los materiales poliméricos contenidos en

muestra

• La sensibilidad al haz electrónico

• Trabajar a bajo voltaje para reducir la carga y el daño en la muestra.

• El proceso por el cual fue obtenida la muestra.

– Extrusión: hay que considerar el sentido de la extrusión

– Peletizado: hay considerar el tamaño de pelet

– Síntesis: emulsión, suspensión, masa, o en solución.

• Tipo de muestra : un composito, una mezcla o un polímero simple.

• Se requiere utilizar una técnica de contraste para diferenciar los diferentes materiales

que lo componen

• Tipo de imagen a obtener: de electrones secundario o de retrodispersados.

Productos alimenticios

• Métodos para alimentos secos o deshidratados:

Observación directa : Las partículas se adhieren al

porta-muestras con adhesivo conductor y se recubre si

es necesario

Ejemplos:

Productos deshidratados , leche en polvo, azúcar, sal,

café instantáneo, sazonadores, vitamínicos, etc

• Métodos para alimentos que contienen agua:

Técnicas de secado: La mayoría de los productos

alimenticios requieren de una etapa de secado, esta se

realiza en un desecador de Punto Crítico. Además la

mayoría de éstos requieren una etapa previa de fijación

con glutaraldehído, formaldehído y OsO4.

• Ejemplos : Cultivo lácteos, quesos, pan, pasta,

productos de carne o pescado, mayonesa,

productos de soya, frutas.

Crio-MEB: Se realiza la observación del espécimen

congelado

• Ejemplos: emulsiones batidas, helados, yogures y

masas.

• Pocas especies pueden ser observadas en el SEM sin una preparación previa, como sería el caso de los artrópodos e insectos los cuales solo requieren ser montados en el porta-muestras con adhesivo conductor y ser o no recubiertos con oro.

• Ciertas partes duras de animales como sería los huesos, dientes o estructuras keratinizadas, cristalizadas o con contenido de quitosan, pueden ser observadas siguiendo este procedimiento de montaje.

Estudio con MEB •Da información superficial del espécimen •Útil en estudios taxonómicos.

Modo de trabajo Resolución imagen Inconvenientes Bajo voltaje de aceleración Baja resolución no observar el detalle requeridoAlto voltaje de aceleración Alta resolución Algunos detalles finos, pueden dañarse

Especímenes animales

Nanomateriales

• Son materiales a nanoescala, materiales con características estructurales de una dimensión en 1 a 100 nanómetros.

Ejemplo: nanotubos de carbono, óxidos metálicos, nanoarcillas.

Preparación de la muestra:

Método de dispersión en 2 propanol con una cantidad mínima de material para suspenderlo y evitar aglomeración.

Depositar 1-3 gotas sobre una sección de oblea de silicio como portamuestra.

Condiciones de la muestra: Bien lavada para eliminar compuestos de síntesis.

Permite estudiar:

Morfología

Tamaño de partícula.

Subestructuras en la superficie del nanomaterial.

No requiere recubrimiento alguno.

Materiales biológicos

• Especímenes con contenido de agua, como tejidos biológicos colapsan si son introducidos al MEB sin previo tratamiento; al igual se necesita recubrir las superficies de interés. Para el caso de alimentos también debe aplicarse.

• Extracción y limpieza de tejido: Se realiza un corte de tamaño apropiado para su manipulación y preservarlo hasta el proceso de secado . Se debe evitar la deformación del tejido al igual que la contaminación de las superficies.

• Fijación: Desde que se extrae el tejido inicia un cambio en su estructura debido a su descomposición. Por lo que es necesario fijarlo con químicos como glutaraldehído, formaldehído y tetraóxido de osmio OsO4. En este proceso el tejido absorbe mucho osmio metálico lo que le da una conductividad (tinción conductiva). Para algunos tejidos el tratamiento criogénico (llamado fijación física) es usada para suprimir cambios estructurales.

• Deshidratación: En este proceso y para evitar la deformación el espécimen es inmerso en solución de etanol o acetona por un cierto tiempo mientras la concentración de la solución cambia en varios pasos hasta llegar a una concentración de 100% del solvente.

• Secado: El solvente es eliminado cuando el tejido se seca. Por medio de secado natural el efecto de tensión superficial deforma el tejido. Por lo que se recomienda secado de punto crítico o secado por congelamiento.

• Montaje y recubriminento del espécimen: Se sigue el proceso que las muestras no conductoras.

Principios básicos del análisis elemental

Generación de Rayos X

• Cuando los electrones de la capas internas sonemitidos de sus respectivos átomos debido a lairradiación de electrones incidentes, los orbitalescon vacantes son llenados por otros electrones delas capas externas y en ese evento se presenta laemisión de rayos X cuya energía corresponde a ladiferencia de los niveles energéticos de loselectrones de la capas externas y electrones de lascapas las internas. A estos rayos X son llamados“Rayos X característicos” porque sus energías soncaracterísticas de cada elemento.

• Por otro lado, los electrones incidentes que sondesacelerados por lo núcleos de los átomosemiten diferentes rayos X y son llamados “rayos Xcontinuos “ o “rayos X blancos “ rayos X de fondo”.

Tipos de espectrómetros de rayos X

• Principio de análisis por Espectroscopíade Energía Dispersiva (EDS)

• Dependiendo de la cantidad de energía derayos X que entren por la ventana segeneran pares de electrones y huecos. Y almedir esta señal (corriente eléctrica) sepuede determinar el valor de la energía delos rayos X.

• La ventaja del EDS es poder adquirir losrayos X del elemento B al Usimultáneamente.

Principio de análisis por Espectroscopía de longitud de onda Dispersiva (WDS)

Permite analizar el espectro de rayos Xcaracterísticos al medir sus longitudes deonda. Aquí los rayos X emitidos delespecimen impactan al cristal de análisis yéste difracta los rayos X, finalmente losrayos X llegan al detector y sus longitudesde onda son medidas. El cristal de análisis yel detector se mueve sobre lo quellamamos “Circulo de Rowland” con unradio constante.

Diferencias entre EDS y WDS

Características de EDS y WDS

• EDS: Requiere una corriente pequeña, y corto tiempo de adquisición para adquirir el espectro . LosMEB son equipados con este tipo de espectrómetros.•WDS: Permite detección de traza de elementos. Estos son usados en microsondas electrónicas debarrido para desempeñar principalmente análisis elemental. (EPMA)

Mapeo de rayos X característicos • El mapeo de rayos X característicos es utilizado para obtener la distribución de un

elemento en específico.

Mapeo de distribución elemental de pieza molar.

• Por medio de esta técnica se tienela capacidad de determinar laestructura cristalina y orientaciónde grano de la superficie delespécimen, por medio de ladifracción de los electronesretrodispersados emitidos de susuperficie.

• La técnica abarca materiales contamaño de grano desde unasdecenas de nm en diámetro hasta

Algunos mm2 en área, las muestrasdeben ser conductivas y nodeteriorarse bajo la acción delvacío o la interacción con el haz deelectrones.

Electron backscattering diffraction (EBSD)

Información típica que puede obtenerse mediante EBSD

Identificación de fases

Distribución de fases

Textura (alineacion de la red cristalina de

la muestra)

Tamaño de grano

Propiedades de frontera

Misorientation (Diferencia en orientación

entre diferentes puntos de la muestra).

Recristalizacion- Fracción deformada

Esfuerzos residuales.

Enstatite

(Mg,Fe)SiO3

Ilmenite

FeTiO3

(111)

(101)(001)

Infraestructura

JSM7610F JEOL Features

Ultrahigh resolution.

Thermal FEG.

High probe current up to 200 nA (at 15 kV) for various analytical

purposes (WDS, EDS, EBSD, CL, etc.).

Gentle Beam mode for top-surface imaging, reduced beam

damage and charge suppression.

Large specimen chamber (200mm diameter sample).

Ultraclean vacuum.

JXA8530F JEOL Features

3nm secondary electron resolution

New large crystal spectrometers for higher detection sensitivity

for trace elements and increased count rate without sacrificing

energy resolution and P/B ratio

Fan-free SDD x-ray detectors for high throughput

Higher accuracy of quantitative analysis

Higher resolving power (resolution) for adjacent X-rays

Higher sensitivity for light elements trace analysis

Dual TMP pumping system for clean sample environment

InfraestructuraXL30ESEM Philips

• Features:• Secondary electron detector SE as standard detector

• Backscattered Electron detector (BSE) is very sensitive to the distribution ofheavy elements

• Energy Dispersive X-ray spectroscopy (EDX) for elemental analysis

• environmental (ESEM) mode to permit the direct imaging of uncoated non-conducting samples such as plastics or wet biological samples.

• accelerating voltage adjustable between 0.5 kV and 30 kV to optimiseimaging conditions to the sample

• 7 samples can be loaded in the microscope at the same time giving a highsample throughput

• Standard Definition imaging mode (1.3 Mega Pixels) and Extra HighDefinition mode (11.6 Mega Pixels) available.

• realistically achievable resolution: approximately 5-10 nm (This is highlysample dependent but is realistically obtainable with appropriate samples)

Gracias por su atención