Caracterização de materiaisMICROSCOPIA ELETRÔNICA DOS MATERIAIS

Caracterização de Materiais

Estrutura

Propriedades

AplicaçãoPerformance

Caracterização

Hierarquia de Estruturas- Macroestrutura : visto com os olhos- Microestrutura: visível com microscópios.

Escala μm- Nanoestrutura : escala de nm

Uso das ferramentas de caracterização (Imágem)

A habilidade de observar um objeto estáintimamente relacionada com ocomprimento de onda da radiaçãoempregadana observação

Uma onda com comprimento de onda muito grande passando por um objeto muito pequeno não consegue perceber o objeto

Um objeto muito grande sendo atingido poruma onda de baixo comprimento de onda,resulta em interferência e é desviada. Partedas ondas serão refletidaspelo objeto

Se uso luz visível, com comprimento de onda de 500 nm para ver um vírus que mede de 3 a 300 nm. O que eu consigo ver?

Análise Qualitativa(1) Fases presentes(2) Morfologia(3) Constituintes de

cada fase

Identificação das fases

Aço médio carbonoMistura de Ferrita e Cementita

Morfologia da Microestrutura

Morfologia lamelar

Identificação química micro

Ferrita constituída por Fe e cementita

Fe3C

Microscopia Eletrônica

Na microscopia eletrônica um feixe de elétrons fino, com energia típica de 40 KeV é acelerada sobreuma amostra. Vários sinais são gerados como resultados da interação entre amostra e elétrons. Estessinais são recolhidos por detectores para formar uma imagem ou para permitir uma análise domaterial

Quais as principais técnicas existentes

Como o feixe de elétrons é gerado

Como este feixe de elétrons incide sobre a amostras

Quais os sinais que são gerados

Como estes sinais são convertidos em informações

Microscopia Eletrônica

Transmission electron microscope (TEM)

Scanning electron microscope (SEM)

Reflection electron microscope (REM)

Environmental scanning electron microscope (ESEM)

Spin-polarized low energy electron microscopy (ESEM)

Scanning transmission electron microscope (STEM)

Low voltage electron microscope (LVEM)

Energy filtered transmission electron microscope (EFTEM)

High Voltage Electron Microscopy (HVEM)

Reflection high energy electron (RHEED)

Reflection high-energy loss spectroscopy (RHELS)

Scaning tunneling microscope (STM)

Scanning confocal electron microscopy (SCEM)

Atomic force microscopy (AFM)

scanning force microscopy (SFM)

Scanning propbe microscopy (SPM)

Ótico (OM): fonte de feixe de luz focado sobre amostra,sendo coletados dados de luz refletida e transmiticapelas lentes objetivas. A imagen é ampliada através decamera ou observação direta

Microscopia eletronica de transmissão (TEM): fonte de feixede eletrons focado sobre amostra, sendo coletado sinaltransmitido através da amostra. A imagem é formada eampliada em camera ou tela.

Microscopia Eletronica de varredura (SEM): fonte de feixe deeletrons focado sobre amostra, sendo coletado sinalrefletido pela amostra. A imagem é formada e ampliadaem camera ou tela.

Microscopia de varredura pore Tunelamento (STM): Eletronsde alta energia são focalizados em amostra na qual éaplicado uma voltagem. Quando a distancia entregerador de eletrons e amostras é suficientementepequeno é gerada uma corrente entre eles permitindo aconstrução da imagem superficial da amostra.

Scanning Near-field Optical Microcsope (SNOM): Atomic force microscopy (AFM)

O principio da Microscopia confocal surgiu em 1957 poe MINSK.Foram apresentados modelos em 1968 PETRAN e ColaboradoresVantagens frente a microscopia ótica convencional – Imagens de maior nitidez, contraste, resolução.Principalmente: Possibilidade de construção de imagens tridimensionaisPrincipio: Na tecnica elimina-se a luz refletida e fluorescente procedentes dos planos fora de foco. .A luzproveniente de um laser é refletida com o uso de um espelho dicroico e com uma lente objetiva é focada emum ponto da amostra. O sinal emitido retorna pela mesma trajetoria, sendo que um diaframa elimina o sinalproveniente de regiões fora de foco.

Microscopia Confocal

Microscopio de varredura por tunelamento (STM) foi desenvolvido por GERD BENNING e HEINRICH ROHRER - IBMA tecnica da a posibilidade de obter imagens de superfícies metálicas em escala atômica. É útil para avaliar agregados, textura e perfil tridimensional da superfície de amostras. Utiliza o efeito túnel para gerar a imagem.

Em um STM dois metais (ponta piezoeléctrica detectora e metal a ser analisado) separados por vácuo, seaproximam. Os eletrons do material nao tem energia suficiente para sair do material em direção aovácuo, mas podem promover a troca entre os dois metais por efeito tunel se os dois materiais estaosuficientemente próximos.A imagen se forma pela varredura da ponta detetora sobre a superfície do metal.

Microscopio de Tunelamento e Força Atômica

GERD BENNING e HEINRICH ROHRER – IBM, em 1985 construiram o microscopio de força atomicca (AFM), que podeser definido como instrumento mecano-optico capaz de detectar forças da ordem de nanonewtons.Como funciona: ao analisar uma amostra, é registrada a diferença de altura entre o objeto estudado e uma ponta cristalinade forma piramidal acoplada a um instrumento mecano-óptico capaz de detectar forças da orde de nanonewtons. Aoanalisar uma amostra, é registrada a diferença de altura entre o objeto de estudo e um ponta cristalina piramidalacomplada a uma haste miroscopica sensivel ao efeito de forças de ligação. A força é detectada pela medida da flexao dahasteatravés de um sistemade laser. A formação da imagem se da por medidas ponto a ponto. A resolução é de 0.2 nm

Microscopio de Tunelamento e Força Atômica

Histórico

BUSCH – estudou a trajetória de partículas carregadas, em um campo elétrico emagnético. Mostrou que estes podem atuar como lentes, formando o conceito dageometria de ótica de eletrons.BROGLIC – introduz a sua teoria de ondas de elétrons

1924 Louis de Broglie – deduziu a equação (λ = h/p; h é a constante de Planck) que permite calcular a o comprimento de onda (λ) esperado para a partícula de massa m e commomento p ( p=mv)

1926

Lei de Lorentz (F= e(vxB), indica que um eletron viajando com velocidade v dentro de uncampo magnético B, experimenta uma força que faz com que o eletron descreva umatrajetoria helicoidal ao redor das linhas de B. Assim, lentes eletromagneticas desempenhamo mesmo papel que a lente de vidro para a luz

Porque Elétrons?

Porque Elétrons?

FOTONS

Não tem carga

PROTONS NEUTRONS

São Pesados Não tem carga

Dificil de gerar

ELÉTRONS

Tem carca

São Leves

Interagem bemcom a matéria

Histórico

1931Ruska mostraram que mesmo usando feixe deelétrons, o comprimento de onda (λ) continualimitando a resolução. Mas mostraram que ocomprimento de onda do elétron é 5 ordens degrandeza menor que o da luz visível usada emmicroscópios óticos.Ruska and Knoll construiram o primeiromicroscópio eletronico de transmissão (TEM).

1932 Knoll, e Ruska estimaram o limite de resolução de um microscopio eletronico. Utilizarama mesma equação empregada em microscopia ótica. O limite teórico foi definido em 0,22nm.

1935 Knoll construiu o primeiro microscopio de transmissão. O limite de resolução foi de 100milímetros em função do feixe de elétrons incidente sobre a amostra ser grande.

"O microscópio óptico abriu a primeira porta para omicrocosmos. O microscópio eletrônico abriu asegunda. O que iremos encontrar quando abrirmos aterceira porta?"Esta questão foi colocada em 1985 pelo criador domicroscópio eletrônico, o físico alemão Ernst Ruska.Um ano mais tarde, ele recebeu o Prêmio Nobel deFísica pela projeção do aparelho, inventado 55 anosantes.

Histórico

1938Von Ardenne apresentou a primeira proposta de modelo teórico para descrever ummicroscopio eletronico como ele se apresenta hoje.

1942Zworykin descreveu e desenvolveu o modelo do primeiro microscópio de varredura.Mostrou que os elétrons secundários produzem contraste topográfico. Ele apresentoumodelo para amplificar a corrente de emissão dos eletrons, conseguindo uma resolução de50 nm

1948

Oatley, construiu um MEV baseado no modelo de Zworykin

Muitos pesquisadores questionaram a importância da microscopia de varredura, por nãoatingir os mesmos níveis de resolução que o TEM. Mas FELIZMENTE, muitos perceberamo valor da técnica para análise de superfícies.

Microscopio eletronico de varredura do laboratório RCA (Zwyorkin et al., 1942)Possuia lentes eletrostaticas e tubo de vácuo. Imagem formada em um facsimile machine

Vladimir Kosma Zworykin conseguiu pelaprimeira vez, em 1911, a transmissão de umaimagem televisiva por meios exclusivamenteeletrônicos. Em 1924, criou o cinescópio, umtubo reverberador com o qual conseguiu criaro primeiro sistema de transmissão televisivatotalmente eletrônico. Prosseguiu aspesquisas, trabalhando no aperfeiçoamentodo sistema e ocupando-se simultaneamenteda eletrotecnia aplicada ao mundo da imagemtelevisiva. Em 1940, inventou ummicroscópio eletrônico de varredura

Histórico

1956Smith mostrou que o processamento do sinal gerado no microscopio pode melhorar aqualidade das micrografias. Introduziu também o conceito de amplificação do sinal eotimizou o sistema de varredura. Ele foi o primeiro a introduzir um sistema para corrigir oastigmatismo das imagens no SEM

1960 Everhart e Thornley otimizaram o sistema de detecção dos eletrons secundários. Foiconstruido um detector com uma grade positivamente carregada para coletar os eletrons, umcintilador para converte-los em luz e um sistema para converter a luz diretamente em umtubo fotomultiplicador.

1963Pease and Nixon combinaram as inovaçoes em um único equipamento. Surgiu o SEM V com tres lentes magneticas e um detetor de Everhart–Thornley . Este equipamento foi o primeiroprototipo do SEM comercial comercializado pela Cambridge Scientific Instruments a partir de 1965.

Primeiro TEM comercial. MarcaSiemens, Equipamento com 3lentes magnéticas, com sistema deresfriamento a água e energizadospor baterias. A distância focal erade 2,8 mm em 80 kV, levando aresolução de 10 nm. 1938

TEM JEOL modelo 2010. O modeloapresenta circuitos integrados econtrole digital. Para voltagem deaceleração de 200 kV a resoluçãochega a 0.2 nm

Primeiro SEM comercial. MarcaCambridge.

O que faz do SEM uma técnica de alta resolução

Defeitos de aberração das lentes e fontes de brilho são fatores limitantese

No microscopio eletronico de varredura são utilizadas lentescondensadoras , lente objetiva, e fonte de eletron, em geral na forma defilamento de tungstênio.

ResoluçãoRelacionado com diametro do feixe incidente na amostra

Aberração das lentes condensadoras

Aberraçoes da objetiva

Intensidade do feixe de elétrons ( brightness)

Interações entre feixe de elétrons e amostras

1980s

Aberrações

Aberrações esfericas

Aberrações cromáticas

Aberturas

Controle da corrente do feixe

Variação da eneriga do elétron no feixe hoje 2 eV SEM e 1 eV no FEG

Soluções : Melhoria na qualidade das lentesDesenvolvimento de componentes para correçãoDesenvolvimento de fontes de elétros de alta eficiência

Intensidade do sinal

(brightness)

Redução do diametro do feixe incidente

XIntensidade do Sinal

Maior IntensidadeMenor efeito cromático

Microscópios de alta resolução

Thermoionic gun – filamento de tungstenio no formato de V, com raio na ponta da ordem de 100 mm.

Gera feixe de elétrons por aquecimento a 2700 KBaixo CustoBaixo VácuoVida útil 100 h

1930 – Field emission gun – Canhões de emissão de campo - um fio com ponta apoiada em um suporte.Utilizam uma agulha fina de W, com raio menor que 102nm, que emite elétrons através da aplicação de umforte campo elétrico em uma região altamente localizada, resultando em

emissão de campo frio (CFE)emissão de campo Termicamente ativado (TFE), Incluindo Schottky field emission (SFE)

FEG – menor variação no valor de intensidade (0,35 eV) comparado co sistema convencional (1,5 eV) – reduz aberrações

O que é STEM e porque combinar com SEM

Ardenne apresentou o conceito do STEM, realizandoexperimentos e 1938. A ideia não evoluiu por falta dedesenvolvimento de fontes de eletrons e sistemas eletronicos.

1930s

Crewe and coworkers desenvolveram o sistema de emissao decampo e otimizaram o sistema de lentes magneticas. Permitiua identificação de atomos de alto peso atomico.

1971

A resolução do STEM é limitada apenas pela ampliação do feixe de elétrons na superfície de

saída da amostra. Na superfície de entrada a resolução é igual ao diametro do feixe de

elétrons

Hoje todos os fabricante oferecem detector STEM para SEM ampliando a utilidade do SEM.

Amostras mais grossas podem ser utilizadas em função do intervalo de angulo de coleta de sinais. Resulta em maior contraste para tensões mais baixas.

Maior resolução é obtida em função do tipo de interações entre amostras e feixe e da redução das aberrações cromáticas.

Elétrons transmitidos (TE) são convertidos em elétrons secundários (SE) usando uma base abaixo da amostras. O sinal é detectado por um detector convencional (conventional Everhart–Thornley detector (ETD).

Os eletrons trasmiticos podem ser coletados diretamente por um detector semicondutor. Usam detectoresfrequentemente usados na detecção de eletrons secundários (BSE). Existem várias configurações para aposição do detector, permitindo resultados diferenciados.

Usa um cintilador combinado com um sistema de feixe de luz. Após atravesar a amostra o elétron é convertido potons pelo cintilador e passa através da guia de luz. O sinal é amplificado em um fotomultipicador.

Equipamentos

O que é o SEM ambiental (ESEM)

Origem relacionada às resitrições a determinados tipos de amostras.

Considerou-se a possibilidade de separar a camara de vácuo dofilamento e a camara de acomodação da amostra através de umdiafragma. (PLA for pressure limiting apertures)

1950s

Danilatos e Robinson desenvolveram o primeiro SEM que operou com pressão interna1970s

1980s Surge o termo microscopio ambiental. A comunicadade cientifica nao se convenceu a princípio da possibilidade de trabalhar sem alto vácuo.

Acreditava-se que a queda na intensidade dovácuo reduziria a resolução pela queda naintensidade do feixe e pela dificuldade em obtersinais de eletron secundários.

(I) Mostrar que o diametrodo feixe continua pequeno

(II) Invenção do detector para sistemagasoso(GDD)(principio de ionização do gás pelo feixe. (GSED) (gaseous secondary electron detector)

Philips FEI comercializou o primeiro ESEM

1996

SEM ambiental (ESEM)Origem relacionada às restrições a determinados tipos de amostras.

O ESEM difere do SEM pela presença de gas na camera da amostra. Utiliza-se baixo vácuo, permitindo aanalise de amostras que apresentam volateis. A coluna do miscroscópio é dividida em regioes com diferentesintensidades de vácuo.. Estas regioes sao separadas por diafragmas.Outra vantagem é a possibilidade de amostras sem recobrimento já que o gas age como meio condutor evitando o carregamento da amsotras. Neste caso utiliza-se o gaseous secondar electrons 0detector (GSED) e gaseousbackscattered electron detector (GAD)

Microscopia Eletronica Analítica

Microscópio com lente líquida enxerga dentro da pele

Redação do Site Inovação Tecnológica - 22/02/2011

• Os microscópios mais modernos conseguem produzir imagens de células, moléculas e até átomos - desde queessas células, moléculas e átomosestejam devidamentedestrinchadose isolados.

• Dra. Jannick Rolland e seus colegas da USA substituiu a lente tradicional de cristal,, por uma lente líquida, quepode ter seu foco ajustado continuamente.

• Usando luz infravermelha e ajustando continuamente o foco da lente, torna-se possível fazer milhares de imagensem sequência, cada uma a uma profundidade ligeiramente maior, até gerar um filme que literalmente faz um zoommergulhando nas estrutura internasdo tecido vivo.

• O equipamento consegue isso usando uma configuração única de lente líquida – um processo conhecido comomicroscopia de coerência óptica.

• Em uma lente líquida, uma gota de água toma o lugar da lente tradicional de vidro. Um campo elétrico variável emtorno da gota de água faz com que ela mude sua forma - alterando, portanto, o foco da lente.

• Isso permite tirar milharesde fotos focadas em diferentesprofundidades abaixo da superfície da pele.

• Como o dispositivo utiliza a luz infravermelha próxima, em vez de ultra-sons, as imagens têm uma resoluçãoprecisa com escala de micrômetros, 1.000 vezes melhor do que a resolução em escala milimétricadisponível hoje.

Novo microscópio eletrônico enxerga um décimo do diâmetro de um átomo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 09/03/2012

Pesquisadores da Universidade de Sheffield, no ReinoUnido, afirmam ter descoberto uma forma de"revolucionara microscopia eletrônica".Apresentaram uma técnica, chamada pticografia, quepoderá criar as imagens de mais alta resolução já vistas.Podendo aumentar o limite de resolução de uma lenteeletrônica por um fator de cinco. Uma extensão domesmo método deverá alcançar a mais alta resolução jáobtida em imagens por transmissão, cerca de um décimodo diâmetro de um átomo," afirma o pesquisador.Observação de amostrasvivas

Novo microscópio eletrônico enxerga um décimo do diâmetro de um átomo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 09/03/2012

A técnica é aplicável a microscópios que utilizem qualquer tipo de onda Por exemplo, quando usada com luz visível, a novatecnologia a observação de células vivas sem anecessidade de estampá-lasem lâminas de vidro."Uma imagem eletrônicaou de raios X típicaé cerca de 100 vezes mais borrada doque o limite teórico imposto pelo comprimento de onda," A nova técnica é chamada de pticografia eletrônica, uma espécie deimageamentoA imagem é formada usando programas de computador para reconstruir as ondas de elétrons que se espalham quando passampela amostra."Nós medimos padrões de difração, e não imagens. O que nós gravamos equivale à intensidade das ondas - de elétrons, deraios X ou de luz - que foram dispersadas pelo objeto, o que é chamado de 'intensidade'," explicao pesquisador."Entretanto, para formar uma imagem, nós precisamos saber quando os picos e vales das ondas chegam no detector, ou seja,sua fase. O x da nossa descoberta foi desenvolver uma forma de calcular a fase das ondas partindo unicamente de suaintensidade," completa.O que o programa de computador faz é, ao receber a informação do detector, reconstruir o caminho da onda difratada,identificando as características precisas do objeto que geraram seu espalhamento. Isto permite uma resolução inédita, porqueeliminaqualquer aberração antescausada pelas lentes.

Novo microscópio eletrônico enxerga um décimo do diâmetro de um átomo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 09/03/2012