Microscopia Eletrônica de Transmissão [5]

Low energy interaction:- Auger electrons (AE)- Secondary electrons (SE)- Visible light

High energy interaction:- Backscattered electrons (BSE)- Characteristic X-rays

Electron Beam Wavelength as Function of

Accelerating Voltage

higher kV higher δ

from: Williams & Carter (2009)

1>

Comparativo MET - MEV

MEV

MET

Feixe transmitido oudifratado pela amostra

em lâmina fina

2>

Um breve relato histórico

� 1895: O físico alemão W. C. Roentgen descobriu os raios X.� 1912: trabalhando independentemente, O. von Laue e

W. L. Bragg estudaram a difração de raios X em materiais cristalinos.

� 1921: O físico alemão P. P. Ewald formulou e aplicou o conceito de rede recíproca aos materiais cristalinos.

� 1925: Em sua tese de doutoramento Louis de Broglie proposque o elétron pode ser descrito teoricamente tanto comopartícula quanto como onda eletromagnética.

� 1927: Os pesquisadores G. Davinsson e L. H. Gremercomprovaram experimentalmente a difração de elétronsem cristais de níquel.

� 1932: M. Knoll e E. Ruska desenvolveram o primeiro microscópio eletrônico de transmissão.

� 1949: R. D. Heidenreich analisou a primeira amostra metálicapreparada como lâmina fina.

3>

Um breve relato histórico

Ernst Ruska e Max Knoll trabalhando no primeiroMET (1931)

Primeiro protótipo doMET, desenvolvidopor Ruska e Knoll (1931)

Primeiro MET comercialconstruído pela Siemens (1933) 4>

Um breve relato histórico

5>

Um breve relato histórico

JEOL CX-100 ZEISS EM-9126>

Um breve relato histórico

FEI TECNAI G² F20 HRTEMPhilips CM-120 7>

O Microscópio Eletrônico de Transmissão

canhão de elétrons

condensadora 1

abertura condensadora

amostraobjetivaabertura objetiva

abertura SA

intermediária

projetiva

imagem

condensadora 2

8>

Vácuo

Evita o choque dos elétrons com moléculas de gasesdurante a trajetória entre o canhão de elétrons e a tela.

Depende do tipo de microscópio e electron gun usado.

Bombas de vácuo:Mecânicadifusoraturbomoleculariônicacriogênica

Preserva a amostra e a fonte de elétrons.Níveis de pressão (Pa)

atmosfera ≈ 105

Vácuo grosseiro > 0.1Baixo vácuo 0.1 10-4

Alto vácuo 10-4 10-7

Ultra alto vácuo < 10-7

ColunaMET

difusora mecânicareservatório

iônica

criogênica

9>

Vácuo

Bomba mecânica (< 10-1 Pa)

Iônica (10-1 - 10-9 Pa) Turbomolecular (10-1 - 10-9 Pa)

Difusora (10-1 - 10-9 Pa)

10>

Canhão de elétrons

Voltagem(kV)

Comprimentode onda (Å)

Massa doelétron ( x mo)

Velocidade( x 108 m/s)

100 0.0370 1.196 1.644120 0.0335 1.235 1.759200 0.0251 1.391 2.086400 0.0164 1.783 2.484

1000 0.0087 2.957 2.823

Comprimento de onda :

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅⋅

+⋅⋅⋅

=

2212

cmeVeVm

h

oo

λ

11>

Canhão de elétrons

W L aB 6 F E GT en são (V ) 4 .5 2 .4 4 .5

T em p eratu ra (K ) 2 70 0 1 70 0 3 00C ro sso ver (μm ) 5 0 1 0 < 0 .0 1B rilh o (A /m 2.sr) 1 0 9 5 . 1 0 10 1 0 13

V ácu o (P a) 1 0 -2 1 0 -4 1 0 -8

V id a (h ) 1 00 5 00 > 1 0 00

W La6B FEG

12>

Lentes magnéticas

)( BvEeF ∧+⋅−= B

v

r z

bobina de cobre

Peça polar(permalloy)

z

+-

13>

Lentes magnéticas

Poder de resolução do MET: limitado pelo comprimento deonda do feixe e a aberração esférica da lente objetiva.

4 3min 91,0 λδ ⋅⋅= SC

CS - coeficiente de aberração esférica (fabricante)

Resolução típica do MET: 0,3 a 0,5 nm

Ampliação da imagem variação discreta

MET Philips CM 120: 2050; 2650; 3400; 4400; 5600; 7100;8800; 11.5k; 15k; 19.5k; 25k; 31k; 40k;53k; 66k; 88k; 101k; 140k; 175k; 230k;300k; 380k; 510k; 660k.

14>

Lentes magnéticas

Sistema de lentes condensadoras

Condensadora 1

Condensadora 2

Abertura condensadora

amostra

15>

Lentes magnéticas

Sistema de lentes projetivas

amostralente objetivaabertura objetiva

abertura de área selecionada

lente intermediária

lente projetiva

imagem na tela16>

Aberturas

aberturas

As aberturas são orifícios calibrados, usinados em folha fina de molibdênio com espessura entre 25 a 50 m com diâmetro reduzido(10 a 300 m), empregadas para restringir o espalhamento dos elétrons.

CondensadoraObjetivaÁrea Selecionada

jogo de aberturas

17>

Porta-amostra

Porta-amostra

Suporte para amostras que permite movimentos de translaçãoe rotação ( 30º) (goniometer) para orientação relativa ao feixe.

A

B

C

D

EA - rotation holderB - heating holderC - cooling holderD - double-tilt holderE - single-tilt holder 18>

Microanálise (EDS)

Microanálise: Energy Dispersive Spectroscopy (EDS)

Permite a determinação (qualitativa e quantitativa) da composição química da amostra através de sensoressemicondutores Si-Li que separam os raios X característicoscom um analisador multi-canal.

computador

amostra detetor amplificador Analisadormulti-canalraios X cargas sinal

Espectro EDS decarbonitretos

eutéticos em açomicroligado

19>

Interação feixe-amostra

Diffraction (i) coherent scattering of X-radiation by the atoms of a crystalwhich necessarily results in beams in characteristic directions.(ii) the scattering of electrons, by any crystalline material,through discrete angles depending only on the lattice spacingsof the material and the velocity/kV of the electrons.

θλ sen2 ⋅⋅=⋅ hkldn

dhkl

e (120kV):λ = 0.00352nm

Cu (Kα):λ = 0.15405nm

θ θ

Bragg’s Law:

Fator de estrutura (F)(metais cúbicos)

CCC - (h + k + l) é parCFC - h, k, l não misturados

(todos são pares ou ímpares)20>

Modos de operação MET

Imagem em campo claro: emprega o feixe transmitido para a formação de contraste, selecionado pela abertura objetiva.Utilizada para análise de fases e defeitos cristalinos.

Imagem em campo escuro: emprega um dos feixes difratadospara a formação de contraste, selecionado pela abertura objetiva.Utilizada na observação de partículas muito pequenas.

Padrão de difração: imagem do espaço recíproco de uma regiãoda amostra, escolhida pela abertura de área selecionada.

campo claro campo escuro

imagem difratograma

modo de operação

21>

Modos de operação MET

22>

Modos de operação MET

Campo claro:abertura objetiva

no feixe transmitido

Campo escuro:abertura objetiva

em um feixe difratado

Imagem diferenças na intensidade eletrônica após interaçãocom cada região da amostra (contraste)

23>

Modos de operação MET

Difratograma informações vinculadas ao arranjo cristalino da amostra analisadautilização da abertura de área selecionada

24>

Formação de Imagens no MET

25>

Formação de Imagens no MET

Exemplos de imagens: partículas de ouro em filme de carbono.

BF DF26>

Formação de Imagens no MET

27>

Formação de Imagens no MET

Crystalline defects identified on AISI 316 steel, used as substrate for nitriding

Pile-up dislocations onaustenite GB (BF)

from: Gallego (2010)

Stacking faults (DF) Twins (BF)

28>

Formação de Imagens no MET

Crystalline defects identified on AISI 316 steel, used as substrate for nitriding

twin dislocation

BF DF

29>

Formação de Imagens no MET

Amostra fina de liga Al-Fe-Cu recristalizada:

BF DF

30>

Formação de difratogramas

31>

Formação de difratogramas

32>

Formação de difratogramas

33>

Interpretação de difratogramas

Constante de câmara (λ . L):

amostra

planorecíproco

Rtela ou fotografia

L

λ1

hkld1

Semelhança de triângulos:

Rd

Lhkl

11

=λ

RdL hkl

1111⋅=⋅

λ

hkldRL ⋅=⋅λ

L - comprimento de câmara(MET)

34>

Interpretação de difratogramas

Um difratograma representa geometricamente a difração de elétrons por planos (hkl) da amostrae é normalmente associado ao eixo de zona [uvw].

φ)1(

1hkld

)2(1

hkld

vw0

uw0000

Metais cúbicos:

222

2

lkhad o

hkl ++=

)()(cos

22

22

22

21

21

21

212121

lkhlkhllkkhh++⋅++

⋅+⋅+⋅=φ

(hkl)2

(hkl)1

g1

g2

[uvw]

φ

35>

Análise de materiais

Estudo de defeitos cristalinos:- discordâncias (cunha e hélice)- falhas de empilhamento- contornos e interfaces

Critério de invisibilidade: 0)( =∧⋅ ubg

200nm

36>

Análise de materiais

Estudo da precipitação de partículas de 2a. fase

AlN em aço Interstitial free

Precipitação fina em açomicroligado Nb-Ti.

37>

Análise de materiais

Análise da estrutura:

Estudo de interfaces de juntas intermetálicas Ti-Cu

38>

Análise de materiais

Microanálise EDS

Microanálise EDS de um precipitado identificado em umaliga Mg-Ca-Zn-Si por “melt spinning”

39>

Preparação de amostras

Lâminas finas polimento eletrolítico para obtenção deáreas com espessura máxima de 1000 Å

Vantagens:- rápido- barato- análise volumétrica

Desvantagens: - amostras metálicas

reservatório

- -

+

bomba

amostra

40>

Preparação de amostras

Lâminas finas polimento iônico para obtenção deáreas com espessura máxima de 1000 Å

Vantagens:- Amostras frágeis- Estudo de interfaces- análise volumétrica

Desvantagens: - Alto custo- Artifatos

41>

Preparação de amostras

https://www.youtube.com/watch?v=8cVz4Z1Op-w

42>

Preparação de amostras

Réplicas de extração deposição de filme de carbonosobre a amostra.

Amostra polida Ataque químico Filme de carbono

Remoção do filme Sombreamento - Au Tela de cobre

e

Vantagens: Desvantagens:- simples - efeito do ataque- elimina efeito da matriz - análise de superfície- revela detalhes da estrutura - difícil reprodutibilidade

43>

Preparação de amostras

Materiais metálicos:

Polimento iônico (ion milling)

Materiais poliméricos:

Ultramicrotomia

Materiais cerâmicos:

Clivagem

Polimento iônico (ion milling)

Outras técnicas de preparação

44>

Operação Básica do MET

https://www.youtube.com/watch?v=zkr3JmhjKbg

45>

Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET)

Notas de aula preparadas pelo Prof. Juno Gallego para a disciplina CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURALDOS MATERIAIS. ® 2017. Permitida a impressão e divulgação. http://www.feis.unesp.br/#!/departamentos/engenharia-mecanica/grupos/maprotec/educacional/

Williams, D.B.; Barry Carter, C. Transmission Electron Microscopy: A Textbook for Materials Science, 2nd edition. Springer, 2009. DOI: 10.1007/978-0-387-76501-3

Egerton, R. F. Physical Principles of Electron Microscopy: An Introductionto TEM, SEM and AEM. Springer Science+Business Media, Inc., New York,2005, pp. 125-153.

Goodhew, P. J.; Humphreys, J.; Beanland, R. Electron Microscopy andAnalysis. Taylor & Francis Inc.,New York, 2001, pp. 122-168.

Reed, S. J. B. Electron Microprobe Analysis and Scanning Electron Microscopy in Geology. Cambridge University Press, Cambridge, 2005, pp. 21-40.

Jorge Jr, A. M.; Botta, W. J. Notas de classe – Escola de Microscopia. Laboratório de Caracterização Estrutural, DEMa/UFSCar.http://www.lce.dema.ufscar.br/cursos/escola.html

Bibliografia:

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