Embed Size (px)
Citation preview
1
CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES AVANZADOS
DEPARTAMENTO DE ESTUDIOS DE POSGRADO
Estudio de Materiales Nanométricos con Microscopio
Electrónico de Barrido SEM.
PROTOCOLO DE INVESTIGACIÓN
DE
MAESTRIA EN NANOTECNOLOGIA
Presenta:
Rodolfo Salas Cepeda
ASESOR:
Dr. Francisco Paraguay Delgado
Centro de Investigación en Materiales Avanzados S. C
CHIHUAHUA, CHIH. AGOSTO 2014
2
El telescopio empequeñece el universo y el microscopio lo agranda.
Chesterton, Gilbert Keith
3
AGRADECIMIENTOS
Quiero darle las gracias a la Universidad Tecnológica de Ciudad Juárez por prepárame y
apoyarme con gran calidad en esta maestría en Nanotecnología y brindarme las
facilidades para realizar esta y así obtener un logro más en mi vida.
Mi agradecimiento para todas las personas que de una u otra forma me apoyaron para la
realización de esta, al Director de carrera Ricardo Pérez, a la secretaria Cecilia Barrón;
Lorena Minjarez, Alejandra Valdez, Karla Arreola, Karla Tarango.
Al Dr. Francisco Paraguay Delgado por asesorarme académicamente en mi tesis,
prácticas , darme orientación y apoyo, por compartirme sus conocimientos.
A Wilber Antúnez, Karla Campos los cuales me brindaron su apoyo y conocimiento
incondicionalmente
A los profesores de CIMAV que me brindaron su sabiduría en varios campos del
conocimiento ayudándome así en varios aspectos que requiero para el desarrollo de mi
maestría en este proyecto.
Al igual a mis compañeros de trabajo que siempre me apoyaron dándome ánimo para
salir adelante; a mi compañera la maestra Maricruz Rocha por apoyarme y darme
consejos y poder concluir
A mi esposa Fátima Vega por apoyarme en este logro de mi vida, a mis hijos Bryan y
Santiago.
Mil Gracias.
4
DEDICATORIA:
Dedico este trabajo a quien me ha permitido continuar con mis estudios, a quien me ha
dado las fuerzas y los ánimos para no rendirme en el momento más difícil, Por haberme
permitido llegar hasta este punto y haberme dado salud para lograr mis objetivos,
además de su infinita bondad y amor, seguir y salir adelante a quien le doy gracias por
darme un nuevo día de vida a Dios.
Este trabajó se lo dedico a mi esposa Fátima mis hijos Bryan y Santiago por su apoyo y
sacrificio en todos los momentos que los deje solos, con mucho cariño los amo y los
quiero con todo mi corazón.
A mis padres y hermanos que siempre me han apoyado en todas mis decisiones
incondicionalmente.
Dedico este trabajo de igual manera a mi tutor el Dr. Francisco Paraguay Delgado quien
me ha orientado en todo momento en la realización de este proyecto que enmarca el
último escalón hacia un futuro en donde sea partícipe en el mejoramiento del proceso de
enseñanza y aprendizaje.
5
ÍNDICE
Contenido RESÚMEN ..................................................................................................................................................... 7
INTRODUCCION ......................................................................................................................................... 8
ABSTRACT ................................................................................................................................................. 10
HIPOTESIS: ................................................................................................................................................ 11
JUSTIFICACION: ...................................................................................................................................... 11
META ....................................................................................................................................................... 11
OBJETIVO GENERAL: ............................................................................................................................ 12
OBJETIVO ESPECIFICOS: ................................................................................................................. 12
ANTECEDENTES ...................................................................................................................................... 13
Historia del microscopio ......................................................................................................................... 13
Microscopios ópticos especiales .............................................................................................................. 17
Microscopio electrónico ........................................................................................................................ 201
Historia del SEM: ...................................................................................................................................... 245
Ejemplos de Microscopios Electrónicos de Barrido en la actualidad y su comparacion. ............... 267
¿Cómo funciona? ¿Electrones? ................................................................................................................ 290
APLICACIONES ...................................................................................................................................... 323
INTERACCIÓN DE ELECTRONES CON LA MATERIA ................................................................. 334
Detector de rayos X Característicos. .................................................................................................... 367
Microanalisis por dispercion de la energia de rayos X………………………….…………………….39
TÉCNICA DE PREPARACIÓN DE LA MUESTRA. ......................................................................... 39
FUNCIONAMIENTO DEL EQUIPO: .................................................................................................... 401
PRODUCTOS CON NANOTECNOLOGIA: ......................................................................................... 438
IMAGENES DE SEM EN MEDICINA................................................................................................... 490
RESULTADOS.- ...................................................................................................................................... 5556
COMPARANDO IMAGENES DIFERENTES DETECTORES……………………………………….58
ANALISIS DEL ANGULO DE CONTACTO EN TRES DIFERENTES MUESTRAS ..................... 590
CONCLUSIÓN .......................................................................................................................................... 623
BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................................................... 64
REFERENCIAS .......................................................................................................................................... 65
6
Indice de ilustraciones Ilustración 1 . Partes del TEM ....................................................................................................................... 14 Ilustración2. Diagrama de difracción en el TEM ......................................................................................... 15 Ilustración 3. Interacción del haz incidente de electrones y la muestra del microscopio electrónico de
barrido (SEM) ............................................................................................................................................... 16 Ilustración 4. Diferencias entre el microscopio optico y electronico............................................................. 20 Ilustración 5.Representación esquemática de la clasificación del microscopio electrónico. ......................... 23 Ilustración 6.SEM1 Original de Mc Mullan y a la derecha la micrografía del aluminio tomada por el SEM.
37 µm. ........................................................................................................................................................... 24 Ilustración 7Pie de una mosca, como la podemos observar actualmente, como la representaban en el
pasado. ........................................................................................................................................................... 26 Ilustración 8.Haz de electrones incidentes del SEM .................................................................................. 301 Ilustración 9.Imágenes obtenidas en el SEM de diversos materiales. ........................................................... 32 Ilustración 10.Modelos de emisión de emisión de electrones ..................................................................... 345 Ilustración 11. Interaccion de los electrones con la muestra ......................................................................... 37
Ilustracion 12 Espectro tipico de microanalisis por rayos X……………………………………………..…39
Ilustración 13.Preparación de muestras en los laboratorios del CIMAV ...................................................... 39 Ilustración 14. Funcionamiento del equipo del SEM .................................................................................... 40 Ilustración 15.Esquema de funcionamiento del SEM ................................................................................ 434 Ilustración 16. Partes del detector EDS. ....................................................................................................... 45 Ilustración 17.Productos con Nanotecnología . ........................................................................................... 478 Ilustración 18.Imagenes de SEM en Medicina .......................................... ¡Error! Marcador no definido.49 Ilustración 19.Imágenes de copos de nieve ................................................................................................ 500 Ilustración 20.SEM Fractografía de muestra analizada. ............................................................................. 522 Ilustración 21.Nanosferas de silica mesoporosas ........................................................................................ 533 Ilustración 22. Micrografías SEM de polvo de ZnO para diferentes tiempos de molienda ........................... 54 Ilustración 23.Muestras de pasta de Au tomadas en CIMAV- Chihuahua ................................................. 56
Ilustración 24. Comparando imágenes diferentes detectores……………………………………………….57
Ilustración 25. Ilustraciones de muestras de un protector (teflón) repelente a líquidos aplicado en un
sustrato a diferentes magnificaciones. ....................................................................................................... 5858 Ilustración 26. Sustrato de tela con teflón ..................................................................................................... 59 Ilustración 27. Sustrato metálico CON teflón ............................................................................................... 59 Ilustración 28. Sustrato metálico SIN teflón ............................................................................................... 600 Ilustración 29 Sustrato metalico con teflon ................................................................................................. 600 Ilustración 30 Sustrato papel filtro con teflon ............................................................................................. 611
7
RESÚMEN
La microscopia electrónica de barrido, SEM (por sus siglas en inglés, Scanning Electron
Microscope), es un avance tecnológico que se concretó para el estudio de materiales
nanométricos en últimos años alrededor del mundo, se ha podido lograr inmensos
avances a la visualización de materiales a nivel nanométrico.
Con el desarrollo de este trabajo se hace una revisión del funcionamiento del
Microscopio electrónico de barrido SEM y sus posibles aplicaciones.
Con las imágenes obtenidas y tomadas de bibliografía, se desarrolla la metodología para
su correcta interpretación se presenta ejemplos de imágenes relacionadas con el estudio
de nanomateriales.
8
INTRODUCCION
l ser humano en su afán de querer saber de qué están hechas las cosas le
ha dado desde siempre importancia a esto, luchando por descubrir de
que esta hecho lo que está a su alrededor, brindando la inquietud y
abriendo las puertas a una increíble área, la microscopía. La observación de objetos
pequeños siempre ha estado entre los mayores desafíos encarados por el hombre y, sin
lugar a dudas, el Microscopio Electrónico de Barrido (SEM1) ha figurado entre las
principales herramientas que le han permitido salir victorioso de este reto. Pero el
desarrollo de este formidable instrumento no fue un camino fácil.
El SEM permite la observación y caracterización superficial de materiales
inorgánicos y orgánicos, entregando información morfológica del material analizado. Por
lo que a partir de la interacción de electrones con la muestra se producen distintos tipos
de señal que se generan desde la muestra y que se utilizan para examinar sus
características, por ejemplo pueden realizar estudios de los aspectos morfológicos de
zonas microscópicas de los distintos materiales con los que trabajan los investigadores de
la comunidad científica y las empresas privadas, además del procesamiento y análisis de
las imágenes obtenidas. Las principales utilidades del SEM son la alta resolución (~10
Å), la gran profundidad de campo que le da apariencia tridimensional a las imágenes y la
sencilla preparación de las muestras.
El SEM puede estar equipado con diversos detectores, entre los que se pueden
mencionar: un detector de electrones secundarios para obtener imágenes de alta
resolución y topografía de la superficie SEI (Secundary Electron Image), un detector de
electrones retrodispersados que permite la obtención de imágenes de composición BEI
(Backscattered Electron Image), y un detector de energía dispersiva de Rayos-x EDS
(Energy Dispersive Spectrometer) permite colectar los Rayos X característicos generados
1 Es un instrumento para obtener imágenes bidimensionales con un aspecto de tridimensionalidad
debido a la profundidad de foco y una gran profundidad de campo.
E
9
por la muestra y con ella determinar la composición elemental, obtener imágenes de la
distribución de elementos en superficies.
Es por ello que los electrones interactúan con más fuerza con la materia que los rayos-X
o los neutrones que posean energías o longitudes de onda comparables. Para una
dispersión normal de electrones de unos 100 keV, la distancia promedio atravesada por
los electrones se llama paso libre promedio, que varía desde varias docenas de
nanómetros para elementos ligeros hasta decenas, o quizás centenas, de nanómetros para
elementos pesados. Los mejores resultados por microscopia electrónica se han obtenido
con películas de grosores comparables al paso libre promedio. Películas mucho más finas
exhiben una dispersión demasiado pequeña para poder ofrecer imágenes útiles, mientras
que en las películas gruesas domina el fenómeno de dispersión múltiple, que provoca una
imagen borrosa y difícil de interpretación. Las muestras gruesas se pueden estudiar por la
detección de los electrones dispersados hacia atrási.
La tesis se dividirá en capítulos, los cuales nos brindarán información sobre la
historia de la microscopía, el nacimiento del Microscopio electrónico de barrido, las
ventajas y desventajas, su uso adecuado, las mejoras para ver correctamente las muestras
y por último la conclusión del trabajo.
10
ABSTRACT
The human being in his eagerness to know what things are made has given him
forever importance of this, struggling to discover this fact what is around you, bringing
the concerns and opening the door to an amazing area, microscopy . The observation of
small objects has always been among the biggest challenges faced by men and without a
doubt , the Scanning Electron Microscope (SEM) has been among the main tools that
have allowed him to emerge victorious from this challenge. But the development of this
formidable instrument was not an easy road.
The SEM allows observation and surface characterization of organic and
inorganic materials, providing morphological information of the analyzed material. So
that from the interaction of electrons with the sample different signal types that are
generated from the sample and used to discuss features occur , for example, can conduct
studies to morphological aspects of microscopic areas of different materials working with
researchers in the scientific community and private companies , in addition to the
processing and analysis of images obtained . Major utilities are SEM high resolution
(~ 10 Å), the large depth of field which gives three-dimensional look to images and
simple sample preparation.
The SEM may be equipped with different sensors, among which may be
mentioned : a detector of secondary electrons to obtain high resolution and surface
topography of the SEI ( Secondary Electron Image ) a backscattered electron detector
which allows imaging composition BEI ( Backscattered Electron Image) , and a detector
energy dispersive x -ray EDS (Energy dispersive Spectrometer) can collect the
characteristic x -rays generated by the sample and with it determine the elemental
composition , imaging the distribution of elements surfaces .
KEYWORDS: Nanotechnology, microscopy, scanning electronic microscopy,
nanomaterials.
11
HIPOTESIS:
Determinar las condiciones óptimas en la obtención de imágenes
interpretables y cuantificables con el SEM de distintas tipos de muestras
Nanométricas.
Lograr mejoras para el uso del SEM en el cual, la obtención de imágenes,
sean de mejor calidad, brindando a los alumnos y profesores la oportunidad
de manejar el microscopio de una forma correcta y segura.
JUSTIFICACION:
Debido a las necesidades del sector industrial y científico, para determinar características de
los materiales y mejorar en sus diferentes propiedades, es necesario el conocimiento en el uso
del Microscopio Electrónico de Barrido SEM ya que la Universidad Tecnológica de Ciudad
Juárez está en proceso de equipamiento de un equipo con estas características, por
consiguiente es de importancia avanzar en el conocimiento de los principios científicos y las
diversas aplicaciones de este índole.
Mostrando la ventaja de tener un SEM en la universidad para crecer no solo a nivel
investigación científica si no a nivel industrial y de materiales principalmente.
META
Brindar apoyo a la comunidad científica, estudiantil y la industria en general para avanzar
en el desarrollo de la ciencia de los materiales y poder brindar servicio a la población en
general.
12
OBJETIVO GENERAL:
Adquirir habilidades en el manejo experimental del SEM, preparación de muestras nano
estructuradas y su correspondiente interpretación de los diferentes tipos de imágenes
obtenidas.
OBJETIVO ESPECIFICOS:
Conocimiento de los distintos tipos de microscopios electrónicos
Adquirir conocimiento de la interacción de electrones con diferentes
energías con la materia.
Conocimiento de los detectores involucrados en el SEM.
Conocer la óptica electrónica.
Obtención de imágenes de materiales con ensamble nanométrico ya sea de
investigación o comercial.
Estudio de materiales Nanométricos naturales.
Determinar la diferencia de imágenes desde materiales amorfos y
cristalinos nanométricos.
Mediciones de las imágenes, con procesadores de imágenes
Interpretación de las diferentes tipos de imágenes obtenidos por SEM.
Estudio y planeación en el estudio de materiales.
Avance en microscopia de barrido en los últimos años.
Aberraciones en los equipos SEM.
13
ANTECEDENTES
Historia del microscopio
El microscopio óptico se inventó, hacia 1610, por Galileo, según los italianos, o por
Jansen, en opinión de los holandeses. La palabra microscopio fue utilizada por primera
vez por los componentes de la "Accademia dei Lincei" una sociedad científica a la que
pertenecía Galileo y que publicaron un trabajo sobre la observación microscópica del
aspecto de una abeja.
Galileo Galilei, Astrónomo y físico italiano. Considerado como el verdadero fundador del
método experimental. Sus descubrimientos son innumerables, y se empezó en plena
juventud. A los 19 años, al comprobar que las oscilaciones de una lámpara suspendida en
la bóveda de la catedral de Pisa, se le ocurrió la idea de aplicar el péndulo a la medición
del tiempo. Fue uno de los primeros en emplear termómetros de líquido, estableció las
leyes de los vasos comunicantes e ideó la balanza hidrostática. En 1612 construyó el
primer microscopio; tres años antes, en Venecia, había construido el anteojo con el cual
comenzó a estudiar los astros.
Sin embargo las primeras publicaciones importantes en el campo de la
microscopia aparecen en 1660 y 1665 cuando Malpighi prueba la teoría de Harvey sobre
la circulación sanguínea al observar al microscopio, capilares sanguíneos y Hooke
publica su obra Micrographia. Marcello Malpighi, Anatomista italiano, Médico del papa
Inocencio XII, fue uno de los primeros en aplicar el microscopio al estudio de los tejidos,
lo que le permitió descubrir nuevas formaciones histológicas (corpúsculos de Malpighi,
del riñón). Estudio también los órganos respiratorios de los insectos y diversos aspectos
del desarrollo embriológico.
14
Por tanto la historia del microscopio electrónico está íntimamente relacionada con la
historia del microscopio óptico, cuya característica adquirió perfección antes de que Ernst
Abbe explicara el proceso físico de formación de la imagen de este. Por tal motivo la
posibilidad de concebir un microscopio electrónico surgió de un intento de explicar la
acción del tubo de rayos catódico en términos de la óptica geométrica ii
El microscopio electrónico de transmisión (TEM) fue el primer tipo de microscopio
electrónico desarrollado, este permite utilizar un haz de electrones en lugar de luz para
enfocar la muestra consiguiendo aumentos de 100,000 X. Fue desarrollada por Max
Knoll y Ernest Ruska en Alemania en 1931. Es por ello que TEM permite formar
imágenes mediante el uso de la difracción electrónica del área seleccionada (SAED),
abertura localizada entre los lentes del objetivo y el proyector .La parte principal del haz
electrónico transmitido por la muestra consiste en electrones que no han sufrido
dispersión alguna.
Ilustración 1 . Partes del TEM “Recuperado de http://3.bp.blogspot.com/esquema-microscopios.gif.”
El haz también contiene electrones que han perdido energía mediante dispersión
inelástica, sin desviación de su paso, así como electrones que han sido relejados por
15
varios planos cristalográficos hkl. Para poder producir lo que se llama una imagen de
campo brillante, la abertura se inserta de tal forma que sólo permita que pase el haz de
electrones transmitidos sin desviación. También se puede obtener información sobre
superficies mediante una sonda de barrido en la que la trayectoria del haz de electrones
atraviesa las regiones de particular interés en la superficie. El barrido también se puede
realizar con una sonda que monitoriza los electrones que atraviesan los túneles entre la
superficie y la punta de la sonda, o mediante una sonda que monitoriza la fuerza ejercida
entre la superficie y la punta (tip) de la sonda. En su momento describiremos los sistemas
de instrumentación que realizan estas tres funciones respectivas: el microscopio
electrónico de barrido (SEM), el microscopio de efecto túnel (STM) y el microscopio de
fuerza atómica (AFM).
Ilustración2. Diagrama de difracción en el TEM ”recuperado de
http://ts2.mm.bing.net/th?&id=HN.608038537433384277&w=300&h=300&c=0&pid=1.9&rs=0&p=0.”
16
Ilustración 3. Interacción del haz incidente de electrones y la muestra del microscopio electrónico de
barrido SEM
“recuperado de http://www.uned.es/cristamine/mineral/metodos/sem.htm
Los microscopios que se utilizan en entornos científicos cuentan con varias mejoras que
permiten un estudio integral del espécimen. Dado que la imagen de la muestra está
ampliada muchas veces e invertida, es difícil moverla de forma manual. Por ello los
soportes de los microscopios científicos de alta potencia están montados en una
plataforma que puede moverse con tornillos micrométricos. Algunos microscopios
cuentan con soportes giratorios. Todos los microscopios de investigación cuentan con tres
o más objetivos montados en un cabezal móvil que permite variar la potencia de aumento
17
Microscopios ópticos especiales
Hay diversos microscopios ópticos para funciones especiales. Uno de ellos es el
microscopio estereoscópico, que no es sino un par de microscopios de baja potencia
colocados de forma que convergen en el espécimen. Estos instrumentos producen una
imagen tridimensional.
El microscopio de luz ultravioleta utiliza el rango ultravioleta del espectro luminoso en
lugar del rango visible, para aumentar la resolución con una longitud de onda menor o
para mejorar el detalle absorbiendo selectivamente distintas longitudes de onda de la
banda ultravioleta. Dado que el vidrio no transmite las longitudes de onda más cortas de
la luz ultravioleta, los elementos ópticos de estos microscopios están hechos con cuarzo,
fluorita o sistemas de espejos aluminados. Además, dado que la radiación ultravioleta es
invisible, la imagen se muestra con fosforescencia, en fotografía o con un escáner
electrónico. El microscopio de luz ultravioleta se utiliza en la investigación científica.
El microscopio petrográfico o de polarización se utiliza para identificar y estimar
cuantitativamente los componentes minerales de las rocas ígneas y las rocas
metamórficas. Cuenta con un prisma de Nicol u otro tipo de dispositivo para polarizar la
luz que pasa a través del espécimen examinado. Otro prisma Nicol o analizador
determina la polarización de la luz que ha pasado a través del espécimen. El microscopio
tiene un soporte giratorio que indica el cambio de polarización acusado por el espécimen.
El microscopio en campo oscuro utiliza una luz muy intensa en forma de un cono hueco
concentrado sobre el espécimen. El campo de visión del objetivo se encuentra en la zona
hueca del cono de luz y sólo recoge la luz que se refleja en el objeto. Por ello las
porciones claras del espécimen aparecen como un fondo oscuro y los objetos minúsculos
que se están analizando aparecen como una luz brillante sobre el fondo. Esta forma de
18
iluminación se utiliza para analizar elementos biológicos transparentes y sin manchas,
invisibles con iluminación normal.
El microscopio de fase ilumina el espécimen con un cono hueco de luz, como en el
microscopio en campo oscuro. Sin embargo en el microscopio de fase el cono de luz es
más estrecho y entra en el campo de visión del objetivo, que contiene un dispositivo en
forma de anillo que reduce la intensidad de la luz y provoca un cambio de fase de un
cuarto de la longitud de onda. Este tipo de iluminación provoca variaciones minúsculas
en el índice de refracción de un espécimen transparente, haciéndolo visible. Este tipo de
microscopio es muy útil a la hora de examinar tejidos vivos, por lo que se utiliza con
frecuencia en biología y medicina.
Entre los microscopios avanzados se encuentran el microscopio de campo cercano, con el
que pueden verse detalles algo menores a la longitud de onda de la luz. Se hace pasar un
haz de luz a través de un orificio diminuto y se proyecta a través del espécimen a una
distancia equivalente a la mitad del diámetro del orificio, formando una imagen completa.
19
Ilustración 4 Diferencias entre el microscopio óptico y el microscopio electrónico.
Recuperado de “http://web.educastur.princast.es/proyectos/biogeo_ov/2BCH/B1_BIOQUIMICA/t100_M
ETODOS/diapositivas/Diapositiva19.GIF
20
Microscopio electrónico
La historia del microscopio electrónico de barrido está íntimamente relacionada con la
del microscopio óptico. El microscopio óptico adquirió perfección antes de que Ernest
Abbe explicase el proceso físico de formación de la imagen en este. Por otro lado, la
posibilidad de concebir un microscopio electrónico surgió de un intento de explicar la
acción del tubo de rayos catódicos en términos de la óptica geométrica. Poco tiempo
después de ser inventado el microscopio electrónico se comprendió su similitud en el
proceso de formación de imagen con el microscopio óptico, haciendo posible su rápido
desarrollo.
El microscopio electrónico. Inventado en 1931 en Alemania por Max Knoll y Ernst
Ruska con el fin de alcanzar una capacidad de aumento superior, podemos distinguir dos
tipos de microscopio electrónico: el microscopio electrónico de transmisión y el
microscopio electrónico de barrido.
Para poder entender en que consiste un microscopio electrónico y cuál es su principio de
funcionamiento, debemos remontarnos a algunos de los principios básicos de la física
moderna. En la década de los años veinte se inició una revolución en la física con el
advenimiento de los conceptos cuánticos. Uno de los principios fundamentales en el
diseño del microscopio electrónico reafirma la dualidad onda-partícula que existe en la
naturaleza. Louis de Broglie en su tesis doctoral (1924) dedujo una ecuación que permitía
calcular la longitud de onda esperada para una partícula de una cierta masa. Esta ecuación
nos dice que la longitud de onda λ asociada a una partícula en movimiento es
inversamente proporcional a su momentum. La constante de proporcionalidad es la
conocida constante de Planck (h =6.6x 10 J*s).
La potencia amplificadora de un microscopio óptico está limitada por la longitud de onda
de la luz visible. El microscopio electrónico utiliza electrones para iluminar un objeto.
Dado que los electrones tienen una longitud de onda mucho menor que la de la luz
pueden mostrar estructuras mucho más pequeñas. La longitud de onda más corta de la luz
21
visible es de alrededor de 4.000 angstroms (1 angstrom es 0,0000000001 metros). La
longitud de onda de los electrones que se utilizan en los microscopios electrónicos es de
alrededor de 0,5 angstroms.
Todos los microscopios electrónicos cuentan con varios elementos básicos. Disponen de
un cañón de electrones que emite los electrones que interaccionan con el espécimen,
creando una imagen aumentada. Se utilizan lentes magnéticas para crear campos que
dirigen y enfocan el haz de electrones, ya que las lentes convencionales utilizadas en los
microscopios ópticos no funcionan con los electrones. El sistema de vacío es una parte
relevante del microscopio electrónico. Los electrones pueden ser desviados por las
moléculas del aire, de forma que tiene que hacerse un vacío casi total en el interior de un
microscopio de estas características. Por último, todos los microscopios electrónicos
cuentan con un detector de electrones que registra para mostrar la imagen formada por los
electrones. Hay dos tipos básicos de microscopios electrónicos: el microscopio
electrónico de transmisión (Transmission Electron Microscope, TEM) y el microscopio el
ectrónico de barrido MEB (Scanning Electron Microscope, SEM). Un TEM dirige el haz
de electrones hacia el objeto que se desea aumentar. Una parte de los electrones rebotan o
son absorbidos por el objeto y otros lo atraviesan formando una imagen aumentada del
espécimen. Para utilizar un TEM debe cortarse la muestra en capas finas, no mayores de
un par de miles de ángstroms. Se coloca una placa fotográfica o una pantalla fluorescente
detrás del objeto para registrar la imagen aumentada. Los microscopios electrónicos de
transmisión pueden aumentar un objeto hasta un millón de veces.
Un microscopio electrónico de barrido crea una imagen ampliada de la superficie de un
objeto. No es necesario cortar el objeto en capas para observarlo con un SEM, sino que
puede colocarse en el microscopio con muy pocos preparativos. El SEM explora la
superficie de la imagen punto por punto, al contrario que el TEM, que examina una gran
parte de la muestra cada vez. Su funcionamiento se basa en recorrer la muestra con un
haz muy concentrado de electrones, de forma parecida al barrido de un haz de electrones
por la pantalla de una televisión. Los electrones del haz pueden dispersarse de la muestra
o provocar la aparición de electrones secundarios. Los electrones perdidos y los
22
secundarios son detectados y contados por un dispositivo electrónico situado a los lados
del espécimen. Cada punto leído de la muestra corresponde a un píxel en un monitor de
televisión. Cuanto mayor sea el número de electrones contados por el dispositivo, mayor
será el brillo del píxel en la pantalla. A medida que el haz de electrones barre la muestra,
se presenta toda la imagen de la misma en el monitor. Los microscopios electrónicos de
barrido pueden ampliar los objetos 100.000 veces o más. Este tipo de microscopio es muy
útil porque, al contrario que los TEM o los microscopios ópticos, produce imágenes
tridimensionales realistas de la superficie del objeto.
Se han desarrollado otros tipos de microscopios electrónicos. Un microscopio electrónico
de barrido y transmisión (Scanning Trasnmission Electron Microscope, STEM) combina
los elementos de un SEM y un TEM, y puede mostrar los átomos individuales de un
objeto. El microanalizador de sonda de electrones, un microscopio electrónico que cuenta
con un analizador de espectro de rayos X, puede analizar los rayos X de alta energía que
produce el objeto al ser bombardeado con electrones. Dado que la identidad de los
diferentes átomos y moléculas de un material se puede conocer utilizando sus emisiones
de rayos X, los analizadores de sonda de electrones no sólo proporcionan una imagen
ampliada de la muestra, como hace un microscopio electrónico, sino que suministra
también información sobre la composición química del material.
23
Microscopio óptico
Microscopio electrónico
Ilustración 4.Representación esquemática de la clasificación del microscopio electrónico.
De campo claro.
De campo oscuro.
De contraste de fases.
De interferencia (DIC).
De luz polarizada.
De fluorescencia.
Laser con focal.
Resolución: 0.2-1µm
Microscopio electrónico de
transmisión (TEM).
Microscopio electrónico de
barrido (SEM)
Poder resolución: 0.1nm,
ultraestructura de cortes
finos de células, imágenes,
bidimensionales o
tridimensionales.
Poder resolución: 10nm,
con estructura superficial
de células y tejidos,
imágenes
tridimensionales.
24
Historia del SEM:
En octubre de 1948 el profesor Sir Charles Oatley junto con un estudiante de
investigación Dennis Mc Mullan, que comenzó su investigación y el desarrollo que iba a
dar lugar a la puesta en marcha del primer microscopio electrónico de barrido la
producción en serie del mundo en 1965.
Ilustración 5.SEM1 Original de Mc Mullan y a la derecha la micrografía del aluminio tomada por el SEM. 37 µm.iii
Recuperado de “http://www.jic.ac.uk/microscopy/intro_em.html”
A través de generaciones de estudiantes de investigación el trabajo ha continuado hasta
nuestros días. Presentamos un poco de los detalles de este importante desarrollo
histórico.
El microscopio electrónico de barrido, en sus diferentes presentaciones, nació entre los
años 20’ y los años 30’, en Alemania, para 1935 Knoll propuso un instrumento que
estudiaba los fenómenos de emisión secundaria, (TEM); Posteriormente en 1938 Von
Ardenne propone y diseña un nuevo microscopio, con una finalidad poder estudiar,
muestras con un grosor. El uso lentes electrostáticas y un barrido electromagnético, pero
no contaba con una pantalla para observar la imagen como los de ahora.
25
En la muestra traspasa el haz de electrones directamente a una placa fotográfica que se
desplaza en conjunto con el haz, pero con una velocidad mayor. Así solo se veían las
imágenes en las placas fotográficas en este microscopio. Ardenne sugirió una posibilidad
sobre conservar la superficie de cuerpos opacos, amplificando y recogiendo electrones
secundarios que estos producían, con la finalidad de modular la intensidad del haz del
tubo de rayos catódicos.
Para 1942 Zworokin, Hillier y Zinder fabricaron y diseñaron un microscopio en el cual
directamente se veían las superficies de muestras metálicas, publicando las primeras
micrografías electrónicas de barrido.
Debido a la Segunda Guerra Mundial, los estudios en esta área se pararon hasta 1948
aproximadamente en un programa de C.W. Oatley en el Laboratorio De Ingeniería de la
Universidad de Cambridge.
En 1959 Smith modifico el microscopio de Mc Mullan logrando micrografías con una
grandiosa calidad. Con estos avances entre 1963 y 1965, surgieron los primeros SEM
comerciales, los cuales alcanzaban 250 Á de resolución.
En la actualidad los SEM garantizan una resolución de 35-100 Á (3.5-10 nm)
26
Ilustración 6 Pie de una mosca, como la podemos observar actualmente, como la representaban en el pasado.iv
(http://www.jic.ac.uk/microscopy/intro_em.html)
Ejemplos de Microscopios Electrónicos de Barrido en la actualidad y su
comparación.
JEOL
JSM-
6010LA
plus
Zeiss EVO
Ma10
HITACHI
SU3500 I
HITACHI
S-3400N
Resolusión 4nm at 20Kv 3nm at 30 Kv 2nm at 30Kv 3nm at 25Kv
8nm At 3Kv 10nm at 3Kv 6nm at 3Kv 8nm at 3Kv
15nm at 1Kv 20nm at 1Kv 7nm at 1,5Kv 10nm at
1,5Kv
LV
resolución
5 at 20Kv 4.5 nm at
30Kv
3nm at 30Kv 3nm at 25Kv
kV range up to 20kV up to 30kV up to 30kV up to 30kV
Imagen SEM del pie de una mosca
tomada en JIC en 2006
"Micrografía", por Robert Hooke,
1665: placa mostrando el dibujo del
pie de una mosca
27
Diametro
Max de
Muestra
150mm 200mm 200mm 200mm
EJES 5 Ejes
manuales
opcion, 3 Ejes
Motorizados
(X,Y,Z),
Eucentrico,
Rotación e
inclinación
eucentrica
5 Ejes 4 Ejes
Motorizados
(X,Y,Z,R),
Eucentrico,
Rotación e
inclinación
eucentrica, 1
Eje manual
(T)
5 Ejes
Motorizados
(X,Y,Z,R,T),
Eucentrico,
Rotación e
inclinación
eucentrica
Capacidad
de Imagen
2 ventanas
con señales de
los diferentes
detectores o
selección en
tiempo real
2 ventanas
con señales de
los diferentes
detectores o
selección en
tiempo real
4 ventanas
con selección
señales de los
diferentes
detectores o
selección en
tiempo real.
Imagen de
chamber
scope por
separado.
2 ventanas
con selección
señales de los
diferentes
detectores o
selección en
tiempo real.
Imagen de
chamber
scope por
separado.
Peso Max
Muestra
1Kg 0.5 Kg , 2 Kg
sin Tilt
10Kg 10Kg
Altura Max
Muestra
80mm 80 mm y
100mm
removiendo
modulo ZTR
85mm Solo
Observacion
85mm Solo
Observacion
28
80 mm with
AWD=10mm
80 mm with
AWD=10mm
Puertos 6 9 13 13
Detector
Secuandarios HV
SI SI SI SI
Detector
Retrodispers
o
3 Segmentos 4 Segmentos 5 Segmentos
Independiente
s con 3 modos
de imagen
(Compo,
TOPO, 3D) y
Cambio de
polaridad
5 Segmentos
Independiente
s con 3 modos
de imagen
(Compo,
TOPO, 3D) y
Cambio de
polaridad
Detector
Secundarios VP
optional optional Opcional Opcional
Mejora de
Emisión de
corriente a
Bajo Kv
para
aumentar
Resolucion
no no SI, Hexabias
(6 gun bias)
SI, QuadBias
(4 gun bias)
LV presion 10-270 10-400 Pa 6-650Pa 6-270Pa
Image
navigator
(Microscopí
a
Correlativa)
no Opción, Porta
muestra
Especial
Si incluido Si incluido
29
3D En
tiempo real,
imagen
esterioscopi
ca sin
inclinar
muestra
no no si no
Bombas 2 rotarias, 1
Turbemolecul
ar
1 rotarias, 1
Turbemolecul
ar
1 rotaria, 1
Turbemolecul
ar
1 rotaria, 1
Turbemolecul
ar
Consumo de
Energía
3 kVa 2 kVa 2kVa 2kVa
¿Cómo funciona? ¿Electrones?
El funcionamiento del microscopio electrónico se basa en utilizar electrones para
iluminar un objeto, y esto se consigue gracias a que la longitud de onda de los electrones
es mucho menor que la de la luz, y permite ver estructuras mucho más pequeñas.
Los microscopios electrónicos cuentan con varios elementos. Disponen de un cañón que
expulsa a los electrones para que choquen con el objeto en concreto y así crear una
imagen aumentada. Por otra parte, también se emplean lentes magnéticas, que crean
campos para dirigir a los electrones. Como característica cabe destacar que se ha de
producir un vacío casi total en el interior para evitar el desplazamiento de los electrones a
causa del aire.
30
El SEM usa diversos sistemas que nos permiten observar las señales eléctricas
procedentes de los detectores, en forma de imágenes en un monitor, fotografías,
espectros de elementos, etc.
La técnica para observar la imagen consiste en incidir la muestra en el haz de electrones,
como se explicó el bombardeo provoca la aparición de señales diversas que son captadas
por los detectores adecuados, y así nos dan la información de la naturaleza de la
muestra.
Ilustración 7.Haz de electrones incidentes del SEM v(http://microscopia-electronica-cicc-inc.blogspot.mx/)
Finalmente, todos los microscopios de estas características cuentan con un sistema que
registra o guarda las imágenes creadas por los electrones, la diferencia que hay con el
microscopio electrónico óptico, dejando aparte la considerable diferencia de tamaño de
ambos y la mayor complejidad del microscopio electrónico de barrido, la principal
diferencia entre este nuevo microscopio y el óptico es el uso de electrones en lugar de
haces de luz para aumentar la capacidad de visión. De esta forma con el microscopio
electrónico somos capaces de distinguir la estructura interna de una célula o visualizar
virus, algo indispensable en otros tiempos.
31
Ilustración 8.Imágenes obtenidas en el SEM de diversos materiales.
Recuperado de “ www.jic.ac.uk/microscopy/intro_em.html”
32
APLICACIONES
Este instrumento permite la observación y caracterización superficial de materiales
nanometricos, entregando información morfológica del material analizado. A partir de él
se producen distintos tipos de señal que se generan desde la muestra y se utilizan para
examinar muchas de sus características. Con él se pueden observar los aspectos
morfológicos de zonas microscópicas de diversos materiales, además del procesamiento y
análisis de las imágenes obtenidas.
Se utilizan ampliamente en la biología celular. Aunque permite una menor
capacidad de aumento que el microscopio electrónico de transmisión, éste permite
apreciar con mayor facilidad texturas y objetos en tres dimensiones que se hayan
pulverizado metálicamente antes de su observación. Por esta razón solamente pueden
observarse organismos muertos, y no se puede ir más allá de la textura externa que se
quiera ver. Los microscopios electrónicos sólo pueden ofrecer imágenes en blanco y
negro puesto que no utilizan la luz visible.
Las aplicaciones del microscopio electrónico de barrido son muy variadas, y van desde la
industria petroquímica o la metalurgia hasta la medicina forense todas a nivel
nanometrico. 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 microestructura 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.
33
3. Metalurgia: Control de calidad y estudio de fatiga de materiales, características
texturales. Análisis de fractura (fractomecánica) en materiales, 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.
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.
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).
11. Peritaciones Caligráficas: Estudio de trazos.
12. Electrónica: Control y calidad de partes electrónicas.
INTERACCIÓN DE ELECTRONES CON LA MATERIA
Cuando una partícula cargada incide sobre un material se producen una serie de
fenómenos, que dependerán de: El tipo de partícula (material) incidente, es decir, de su
carga eléctrica y de su masa. La energía de la partícula incidente. El tipo de material
sobre el que incide (estado de agregación y densidad del material). Las interacciones que
producen las partículas cargadas varían según que éstas tengan más o menos masa, ya
que la pérdida de energía que experimentan en la colisión es diferente en cada caso. A
continuación se describirán las interacciones que producen las partículas ligeras cargadas,
como los electrones, en la materia.
Cuando los electrones chocan contra un medio material pierden progresivamente su
energía cinética a lo largo de la trayectoria. Esta reducción de velocidad es consecuencia
34
de diferentes interacciones elementales entre dicho electrón incidente y las partículas
cargadas del medio, bien con otros electrones o bien con los núcleos atómicos (ver
ilustración 17).
Ilustración 90.Modelos de emisión de emisión de electrones
Recuperado de “http://www.ualberta.ca/~ccwj/teaching/microscopy/”
Cuando una partícula cargada penetra en un medio material, experimenta una serie de
colisiones con los átomos constituyentes. Sin embargo, dado “el vacío” relativo existente
en el interior del átomo, las colisiones mecánicas por choque directo entre la partícula y
los electrones o núcleos, son muy improbables. En realidad, el proceso predominante es
la colisión colombiana: proceso de interacción debido a las fuerzas eléctricas producidas
entre la partícula incidente y los electrones y núcleos del medio absorbente. Esta
interacción produce una pérdida casi continua de la energía de la partícula, hasta llegar a
su detención.
35
Los procesos que contribuyen a la pérdida de energía de una partícula en su interacción
con medios materiales son:
Colisión Elástica.
En este tipo de colisión, se conserva tanto la energía cinética como la cantidad de
movimiento. En estos casos, la partícula se desvía de su trayectoria, cediendo parte de su
energía en forma de energía cinética. En estas colisiones, no se produce en el medio
ninguna alteración, ni atómica ni nuclear.
Colisión Inelástica.
Aquí se conserva la cantidad de movimiento, pero NO la energía cinética. La partícula, al
sufrir estas colisiones con los átomos del medio, modifica su estructura electrónica,
produciendo excitación, ionización o disociación.
Colisión Radiativa.
Si la partícula cargada se frena por la acción de una deceleración tangencial, o se desvía
de la trayectoria por la acción de una aceleración normal, se emite radiación
electromagnética.
Evidentemente las partículas pueden sufrir también colisiones con los núcleos atómicos,
produciendo reacciones nucleares, pero estos procesos son relativamente poco probables,
y por tanto, no suelen considerarse en los procesos de interacción
36
Ilustración 17A. Interacción de los electrones con la muestra
Recuperada de “[email protected]@hotmail.com”
Detector de rayos X Característicos.
Los rayos X son un tipo de radiación electromagnética, cuya región en el espectro
electromagnético está entre 0.05 y 125 KeV y se producen, por el bombardeo de la
muestra por electrones. Sabemos que el átomo está formado de electrones que se
mueven en diferentes niveles o capas de energía alrededor de él. Estos niveles son
llamados “K”. el más próximo al átomo y que puede acomodar dos electrones: el
siguiente es el nivel “L”, el cual puede acomodar 8 electrones; el tercero “M” con 18
electrones.
37
Los otros niveles, “N” y “O”, estarán en los elementos más pesados. Decrece la
energía de estos niveles conforme aumenta la distancia al núcleo.
Cuando un átomo está en “estado base” su energía total es mínima. Cuando los
electrones son movidos a niveles de energía no superiores o sacados del átomo,
dejando un hueco en un nivel inferior, se dice que el átomo estará excitado.
Para poder excitar un átomo el haz electrónico debe tener una energía más alta que la
energía critica para sacar un electrón de un nivel dado. A esta energía crítica se le
conoce también como borde de absorción. De esta manera, si el haz de electrones
tiene la energía suficiente para excitar los electrones L y M. Por eso, las energías de
los rayos X característicos son clasificadas de acuerdo con el tipo de transición que
las provoca. Un ejemplo, los rayos X “K” resultan de una transición de un electrón
de otro nivel hacia el nivel K. Los rayos X “L” resultan de la transición de electrones
de otros niveles al nivel L, y así consecuentemente. Además sabemos que los
subniveles de energía existen dentro de los niveles K, L, M, etc., debido a las
pequeñas diferencias de energía entre los electrones de éstos: el nivel L tiene 3
subniveles, el nivel M tiene 5, el nivel N tiene7. Ya que cada subnivel tiene diferente
energía, los rayos X relacionados con electrones de estos subniveles varían
ligeramente. Estas variaciones son tomadas en cuenta y, por ejemplo los rayos X “K”
se sub clasifican en K, Kβ y Kγ; los rayos X “L” se dividen en Lβ, Lγ y Lλ y así
sucesivamente con la serie M. Un espectro típico de rayos X característicos se
muestra en la Ilustración 18.
38
Ilustración 102 .Espectro típico de
un microanálisis por rayos X (Miguel José Yacaman/José Reyes Microscopia Electrónica, Fondo de
cultura económica Primera reimpresión 1998
La eficiencia de producción de rayos X es baja, razón por la cual si se genera una
imagen utilizando la radiación características de un elemento, su tiempo de
exposición es de 103 mayor que en el caso de una imagen de microscopía electrónica.
Esta es una limitación seria puesto que produce imágenes generalmente muy ruidosas.
El poder de penetración de los rayos es, por otra parte, demasiado alto y todos los
fotones que provienen del volumen de interacción contribuyen a la imagen de este
tipo, limitando su resolución a 1μm. La eficiencia de colección es baja produciendo
velocidades de barrido lento y tiempos de conteo largos para los análisis
cuantitativos.
MICROANÁLISIS POR DISPERSIÓN DE LA ENERGÍA DE RAYOS X:
En el analizador EDS de rayos X del SEM se realizan diversos análisis representados
con histogramas e imágenes de distribución de los elementos químicos presentes en la
muestra. La formación de un espectro EDS de Rayos x se obtiene mediante un
software (INCA) que recoge durante un determinado tiempo los fotones emitidos por
la muestra, clasificándolos según su energía. El espectro se presenta como un
histograma en donde el eje de las X tiene unidades de energía (Kiloelectrovolts) y el
eje de las Y el Número de cuentas o intensidad. En el espectro se realiza de forma
39
automática la identificación y el análisis cualitativo y cuantitativo de los diferentes
elementos a través de picos en la campana de Gauss observados en el histograma. En
una muestra se elige uno o varios sitios de interés para ver si toda la muestra contiene
los mismos elementos o hay variación de estos en un cm2
TÉCNICA DE PREPARACIÓN DE LA MUESTRA.
Ilustración 1311.Preparación de muestras en los laboratorios del CIMAV
En general, la preparación de las muestras es sencilla y los requisitos que deben
cumplirse son: fijación, deshidratación y secado; además, la superficie debe ser
conductora de la corriente eléctrica. Este último requisito se cumple en los metales pero
no en las muestras NO metálicas, por lo que éstas se recubren con una capa de carbón o
de Oro, según las condiciones en las que se trabaje la muestra y el objetivo del estudio, es
decir, para ser analizadas por EDS o para ser vistas al microscopio electrónico. Antes de
tratar las muestras se debe tomar en cuenta el material a ser observado y guiarse por los
parámetros específicos para cada muestra.
40
FUNCIONAMIENTO DEL EQUIPO:
Ilustración 1412. Funcionamiento del equipo del SEM (Cortesía HITACHI)
41
El SEM se compone principalmente de la columna, la muestra de la cámara, la
pantalla y la sección de operación. El interior de la columna se mantiene en un alto vacío,
y el haz de electrones producidos por el cañón de electrones se hace converger el haz fino
a través de las lentes electromagnéticas (condensador, lentes de objetivos) y mediante la
aplicación de una señal de exploración a las bobinas de deflexión, el haz de electrones se
escanea a lo largo de la superficie de la muestra. La cámara de muestras está equipado
con una platina con goniómetro, un detector de electrones secundarios para la detección
de señales producidas por la muestra, un detector de electrones retro-dispersados y / o un
detector de rayos x. Conectado por debajo de la cámara de muestras una bomba de vacío
para mantener el interior de la columna y la cámara de muestra en un alto vacío.
1.- Cañón de electrones
Es un dispositivo para lanzar un haz de electrones, todos a igual velocidad,
concentrándolo sobre un determinado punto de un aparato electrónico, o desviándolo es
un mecanismo que emite electrones de un metal y los acelera en un campo eléctrico.
2.- Lente condensadora
Las lentes condensadoras, en los microscopios, más modernos son dos. La
primera, proyecta la imagen punto de entrecruzamiento de magnificada, mientras que la
segunda controla su diámetro y el ángulo de convergencia en que incide sobre la muestra.
3.- Bobina de escaneo.
Un mecanismo utilizado para realizar la desviación escanear el haz de electrones
en direcciones X e Y, y cambiar el área para ser analizados.
4.- Lente Objetivo
La lente objetivo forma la primera imagen, localizada debajo del espécimen. Es
considerada el componente más importante del microscopio electrónico. Cualquier
defecto en ésta, será magnificado y transmitido al resto del sistema óptico. Por lo tanto,
de ella dependen, en gran medida, la resolución final y la corrección de las aberraciones.
Las lentes intermedia y proyectora son las encargadas de amplificar la imagen dada
por la lente objetivo y proyectarla sobre la pantalla fluorescente.
42
5.- Detector de electrones secundarios
Captura electrones secundarios producidos de manera eficiente los convierte en señal
eléctrica y amplifica los electrones secundarios producidos a partir de la muestra. da una
imagen en blanco y negro, se utiliza para imágenes de alta resolución.
6.- Pantalla
Las imágenes se proyectan en dos tubos de rayos catódicos de alta resolución, que
funcionan en sincronización con el barrido electrónico de la muestra. Uno de ellos, para
observación visual, tiene una pantalla de gran persistencia. Fijando el tiempo de barrido
en 10 segundos, se obtiene una imagen de 500 líneas. La pantalla del segundo tubo es
azul, para registro fotográfico y de baja persistencia. Adosada a esta segunda pantalla va
la cámara fotográfica. Aquí se utiliza un barrido más lento, de 1000 o más líneas. Cuando
mayor sea el número de líneas en la pantalla fotográfica, mayor será la resolución de la
imagen final.
7.- Bomba de vacío
Si se desea obtener un haz uniforme de electrones, es necesario mantener la
columna del microscopio a un alto vacío. Se denomina sistema de vacío al conjunto de
dispositivos y procedimientos que se utilizan para este fin.
Un alto vacío corresponde a una baja presión, y la unidad que se utiliza es el
mmHg o Torr. Se recomienda utilizar el Pascal (Pa), que es la fuerza de presión que
ejerce un Newton sobre 1 m2 ( 1 atmósfera = 101325 Pa ).
La columna debe mantener un alto vacío, básicamente por cuatro razones:
1.- Para permitir el desplazamiento de electrones.
2.- Para evitar descargas de alta tensión en el cañón electrónico.
3.- Para evitar contaminación del espécimen y de las aberturas.
4.- Para incrementar la vida útil del filamento.
El SEM está compuesto por tres detectores que se clasifican en imágenes de electrones
secundarios, imágenes de electrones de retro dispersión y analizador EDS de rayos x, los
cuales están instalados dentro de la cámara de vacío.
43
La muestra se coloca en un porta muestras en la cámara de vacío del
microscopio, en donde es escaneada por medio de un haz de electrones, convirtiendo las
señales eléctricas en una imagen tridimensional que se observa en el monitor de las
computadoras.
Ilustración 15.Esquema de funcionamiento del SEM vi
Recuperado de (http://www.icmm.csic.es/grupos/wp-content/uploads/2009/02/gago_cap19.pdf)
44
Detector de electrones secundarios (SEI: Secundary Electron Image), da una
imagen en blanco y negro, se utiliza para imágenes de alta resolución.
Detector de electrones retrodispersados (BEI: Backscattered Electron Image),
Tiene un grado de sensibilidad en las variaciones del número atomico del
elemento presente, da menos resolución que el SEI. Y se puede usar en
superficies completamente lisas, ya que nos da una variedad de grises en función
de la existencia de diferentes fases con demás elementos.
Detector de energía dispersiva (EDS: Energy Dispersive Spectrometer)
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.vii
Un detector de energía dispersiva (EDS) se utiliza para separar los rayos X
característicos de diferentes elementos en el espectro de energía; y el software del
sistema EDS se utiliza para analizar el espectro de energía con el fin de
determinar la abundancia de elementos específicos. El EDS se puede utilizar para
encontrar la composición química de los materiales hasta un tamaño de punto de
unas pocas micras, y para crear mapas de composición de elementos sobre un
área de la cuadrícula mucho más amplio. Juntos, la capacidad de síntesis
Proporciona información sobre la composición fundamental para una amplia
variedad de materiales.
Los sistemas EDS están integrados típicamente en cualquier sistema de SEM o
EPMA . Los sistemas EDS incluyen un detector sensible a los rayos X, un
Dewar de nitrógeno líquido para el enfriamiento, y un software para recoger y
analizar los espectros de energía. El detector está montado en la cámara de
muestra del instrumento principal en el extremo de un brazo largo, que es en sí
enfriado por nitrógeno líquido. Los detectores más comunes están hechos de
cristales de Si (Li) operando a bajos voltajes para mejorar la sensibilidad, pero
los recientes avances en la tecnología de detectores hacen disponibles los
45
llamados " detectores de deriva de silicio " que operan a altas tasas de conteo sin
refrigeración por nitrógeno líquido.
Un detector EDS contiene un cristal de qué absorbe la energía de los rayos X
entrantes por ionización, produciendo electrones libres en el cristal llega a ser
conductiva y producen al sesgo de carga eléctrica. La absorción de rayos x
Malthus Convierte la energía de los rayos X individuales a valores de voltaje de
tamaño proporcional; pulsos eléctricos el artículo llegó a los rayos X
característicos del elemento.viii
Ilustración 16. Partes del detector EDS. ix
Recuperado de “http://serc.carleton.edu/research_education/geochemsheets/eds.html”
Detector de rayos X (WDS: Wavelength-Dispersive X-Ray Spectroscopy), similar
al anterior, pero en vez de recibir y procesar la energía de todos los rayos X a la
vez, únicamente se mide la señal que genera un solo elemento. Esto hace que esta
técnica, aunque más lenta, sea mucho más sensible y precisa que la de EDS.
Realmente son complementarias, pues el EDS ofrece una buena información de
todos los elementos presentes en la superficie de la muestra y el WDS es capaz
de resolver los picos de elementos cuyas energías de emisión estén muy cercanas,
así como detectar concentraciones mucho más pequeñas de cualquier elemento y,
sobre todo, de los ligeros.
46
En los microscopios electrónicos considerados se utiliza un mismo caudal
energético: electrones. Éstos pueden ser generados mediante tres tipos de fuente:
Filamento de tungsteno: el más económico, pero también el que produce
un haz de mayor tamaño. Corta duración.
Filamento de hexaboruro de lantano: mayor duración y haz más fino.
También es más caro y precisa un vacío mayor.
Emisor de efecto de campo: continuando la progresión, es más caro y
precisa aún mayor vacío, pero ofrece el haz más fino.
Mientras en los dos primeros los electrones son expelidos por calentamiento, en el
de efecto de campo son extraídos por un intenso campo eléctrico. Una vez libres, los
electrones son acelerados sometiéndolos a una gran diferencia de potencial eléctrico.x
Para el análisis en el SEM podemos usar 2 técnicas una en alto vacío o con
presión variable.
Es importante tener en cuenta, que sí se trabaja en presión variable muchos de los
electrones del haz que deberían llegar a la muestra son desviados por las moléculas de
aire, lo que conlleva a una menor calidad de imagen a magnificaciones mayores, para
obtener una mayor amplificación de la imagen, se debe trabajar en alto vacío y así poder
obtener un haz uniforme de electrones.
47
Productos con Nanotecnología
Ilustración 13.Productos con Nanotecnología A) Imagen de microscopio electrónico de barrido en la que se puede
observar pequeños nanocristales de fosfato de calcio en la superficie del implante de titanio. B) Nanopartículas
usadas en bloqueadores solares. C) Nanopartículas de plata que repelen bacterias, virus y contaminación. D) Resina
compuesta de tipo nanoparticulada Resina Filtek Supreme (SEM perteneciente a Jorge Perdigão).xi
Recuperado de “http://boletin-noticiasnanotecnologia.euroresidentes.com/2007_10_01_archive.html”
A)
B)
C) D)
48
A) B)
C) D)
Ilustración 14.A)Duralumin conico B)Duralumin cup C)Duralumin puro D) Duralumin xii,
Recuperado de “http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/mechanical-testing/results1.php”
En las imágenes anteriores se puede observar la diferenciación entre fracturas .
49
Imágenes de SEM en medicina.
Ilustración 15.A) Trombo de la arteria coronaria. B) Tumor cancerígeno. C) Andamios de hueso. D)
Células cancerígenas. Recuperado de “(http://news.pennmedicine.org)
A)
B)
C) D)
50
Ilustración 1916.Imágenes de copos de nievexiii
Recuperado de “ (http://www.taringa.net/posts/imagenes/9954008/Nieve-bajo-el-microscopio.html)”
51
A) B)
C) D)
Ilustración 17.A) a.-Imagen de SEM de pequeñas nanocubos iniciales de Pd de 22 nm de tamaño. (barra
de escala: 100 nm). (b-f) Imágenes SEM de 37 nm, 44 nm, 56 nm, 76 nm y 109 nm nanocubos Pd (barra
de escala: 200 nm) B)Fractura de duralumin C) Nanocristales de fullerenos por método de
precipitación. D) Nanohamburguesas, 3 capas de metal distintas
52
A)
B)
C) D)
Ilustración 20. A) SEM Fractografía de muestra analizada. Superficie de fractura, típica fractura dúctil. xivB) Patrones de río en superficie de fractura frágil. C) Hoyos en fractura frágil. xvD) Fractura
intergranular.( http://www.kmtl.co.jp/eng/business_field/fractography.html)
53
Ilustración 18.Nanosferas de silica mesoporosas, Voltaje usado: 500V. Cortesía del Instituto de Tecnología
de Tokio, Dr. Toshiyuki Yokoi xvi (http://www.intechopen.com/books/new-features-on-magnesium-
alloys/mg-based-quasicrystals)
54
Ilustración 19. Micrografías SEM de polvo de ZnO para diferentes tiempos de molienda: a) en que se
recibieron; b) en que se recibieron en la alta ampliación; c) elaborado durante 3 h, d) molido para alta
magnificación 3h; e) molida durante 5 h, f) se molió durante 5h a alta magnificación.xvii
Recuperada de “(http://www.intechopen.com/books/scanning-electron-microscopy/fe-
sem-characterization-of-some-nanomaterials-)
55
REULTADOS.-
- Durante la realización de esta investigación, analizamos una pasta de oro que contiene
níquel, la cual se observó a diferentes magnificaciones para poder observar la resolución
en el SEM, obteniendo que a 5kV y a 10, 000X la resolución de la imagen es mucho
mejor, en comparación con las demás.
-También se analizó un protector (teflón) repelente a líquidos aplicado en un sustrato de
tela y un sustrato metálico, comparando los ángulos de contacto que se tuvieron en
diversas pruebas, con o sin filtros.
56
Ilustración 20.Muestras de pasta de Au tomadas en CIMAV- Chihuahua
Para la obtención de imágenes nanometricas con SEM es muy recomendable obtener
estas a bajo voltaje de aceleración se toma como referencia a 5Kv y la magnificación
depende de lo que el investigador este buscando visualizar.
Cuando se quiere hacer un análisis de los elementos involucrados en la muestra se tiene
que subir el voltaje de aceleración y a diferente magnificación.
57
Comparando imágenes diferentes detectores cortesía CIMAV/ JEOL
Ilustración 24
SE mode BE mode
Carga de la muestra
58
Ilustración 2521. Ilustraciones de muestras de un protector (teflón) repelente a líquidos aplicado en un sustrato a
diferentes magnificaciones. http://www.kmtl.co.jp/eng/business_field/fractography.html)
59
ANALISIS DEL ANGULO DE CONTACTO EN TRES DIFERENTES
MUESTRAS (SUSTRATOS) Tela, solera de cobre y papel filtro. Con y Sin teflón aplicando agua tridestilada
ANGULO DE CONTACTO 90.75
Ilustración 2622. Sustrato de tela
En esta imagen se puede observar como la gota de agua no se absorbe en la tela debido al recubrimiento
que se le agrego, con lo cual se deduce que es efectivo para su propósito.
NOTA: el sustrato de tela SIN TEFLON, fue absorbido de manera instantánea, por lo que no dio tiempo de
medir el ángulo de contacto
Ilustración 27. Sustrato metálico
Angulo de contacto 103.88
Se puede observar que el recubrimiento en una superficie metálica tiene mucho más protección a repeler
el agua que en la tela.
CON TEFLON
CON TEFLON
60
Ilustración 28. Sustrato metálico
Angulo de contacto 38.69
Se visualiza que sin recubrimiento y en una superficie metálica el comportamiento de la
gota de agua es que tiende a dispersarse en la superficie. Se puede observar que el
recubrimiento en una superficie metálica tiene mucho más protección a repeler el agua
que en la tela.
Ilustración 2923 Sustrato metalico
Angulo de contacto 103.88
SIN TEFLON
CON TEFLON
61
Ilustración 3024 Sustrato papel filtro
Angulo de contacto 120.81
Se puede observar que el recubrimiento en una superficie cubierta con teflón tiene mucho más protección a
repeler el agua
CON TEFLON
62
CONCLUSIÓN
El microscopio electrónico de barrido SEM es el mejor método adaptado al estudio de la
morfología de las superficies, nos proporciona información sobre las microestructuras de
cualquier nanomaterial, proporcionándonos su composición, características y estructuras,
así como propiedades y elementos en las muestras. El SEM explora la superficie de la
imagen punto por punto.
La microscopía electrónica de barrido es una técnica que sirve para analizar la morfología
de materiales sólidos de todo tipo (metales, cerámicos, polímeros, biológicos, etc.), con
excepción de muestras líquidas.
Con los conocimientos adquiridos durante este proyecto podemos definir la importancia
del SEM, no solo para uso en ciencias como nanotecnología, química, materiales, etc.,
sino para el ámbito académico, científico e industrial, el cual nos facilita resolver
muchos problemas respecto a materiales, usados en cualquier sector.
La Microscopia Electrónica de Barrido hace posible la observación y caracterización de
muestras a escala nanométrica. Con la práctica y los conocimientos necesarios, se
pueden obtener excelentes imagines del SEM. Las imágenes por SEM son usadas en una
amplia variedad de trabajos científicos. En este trabajo, analizamos las características y
funcionamiento del SEM.
.
63
BIBLIOGRAFÍA 1. . José M. Reyes & Gascar A. Jose, Microscopio electrónico: Una visión del microcosmos.
2. R. Lera Angel (2002), Centro de Apoyo Científico-Tecnológico a la Investigación. España,
pag. 78.
3. Chang, Raymond.,(2002), Química., México, D.F.,Edit, McGraw-Hill.
4. Moreno Esparza, Rafael, La difracción de rayos X y la densidad electrónica, Facultad de
química, UNAM, 2007.
5. School of Materials Science and Engineering, Hebei University of Technology,, P. R. China,
Mg-Based Quasicrystals
6. Laboratorio de microscopia electronica de barrido SEM, Departamento de física, pontificia
universidad catolica de chile. http://servicios.fis.puc.cl/sem/microscopio.html
7. Microscopia electrónica de Barrido, Universitat Politecnica de Valencia
8. http://www.upv.es/entidades/SME/info/753120normalc.html
9. Universidad de Chile Facultad de Ciencias Físicas y Matemática IDIEM. Seminario de
Ciencia de los Materiales II.
10. José Yacaman & Reyes Gasca Jose (1995), Microscopia electrónica: Una visión del
microcosmo, Edit. Fondo Cultural Económica (CONACyT), México D.F., pág. 143
11. K C A Smith. A paper presented at the Annual Conference of the Electron Microscope
Group of the Institute of Physics: EMAG ’97.
64
REFERENCIAS
i P. Poole Charles & J. Owens Jr. Frank (2003), Introduccion a la nanotecnología, Edit. Reverte, México 1ra
ed. ii José Yacaman & Reyes Gasca Jose (1995), Microscopia electrónica: Una visión del microcosmo, Edit.
Fondo Cultural Económica (CONACyT), México D.F., pág. 143 iii K C A Smith. A paper presented at the Annual Conference of the Electron Microscope Group of the
Institute of Physics: EMAG ’97.
http://3.bp.blogspot.com/esquema-microscopios.gif.
http://ts2.mm.bing.net/th?&id=HN.608038537433384277&w=300&h=300&c=0&pid=1.9&rs=0&p=0
http://inventors.about.com/gi/o.htm?zi=1/XJ&zTi=1&sdn=inventors&cdn=money&tm=11&f=00&su=p284
.13.342.ip_&tt=2&bt=7&bts=7&zu=http%3A//www2.eng.cam.ac.uk/~bcb/cwo1.htm (Obtenida el 13 de
febrero del 2014)
http://www.jic.ac.uk/microscopy/intro_em.html”
http://web.educastur.princast.es/proyectos/biogeo_ov/2BCH/B1_BIOQUIMICA/t100_METODOS/diapositi
vas/Diapositiva19.GIF
[email protected]@hotmail.com” iv John Innes Centre, Microscopy http://www.jic.ac.uk/microscopy/intro_em.html ( Obtenida el 13 de
febrero de 2014)
Recuperado de “(http://news.pennmedicine.org) v José Luis Encinas Esteban. Unidad de Microscopía Electrónica pertenece al Centro de Investigación y
Control de la Calidad (CICC). Plantilla Awesome Inc. http://microscopia-electronica-cicc-inc.blogspot.mx/
(Obtenida el 13 de febrero del 2014) vi J.A. Martin Gago. La Microscopia para el estudio de materiales y láminas delgadas.
http://www.icmm.csic.es/grupos/wp-content/uploads/2009/02/gago_cap19.pdf vii UPV, http://www.upv.es/entidades/SME/info/753120normalc.html ( Obtenida el 01 de abril del 2014) viii John Goodge, Universidad de Minnesota-Duluth, Energía dispersiva de rayos X Espectroscopia (EDS),
http://serc.carleton.edu/research_education/geochemsheets/eds.html ( Obtenido el 01 de abril del 2014) ix Oxford Instruments, Detector EDS. xGregorio Martín Caballero. Unidad de Microscoía electronica de Barrido.
http://www.scai.uma.es/servicios/area_microscopia/sem/sem.html xi Ropa que repele bacterias, virus y contaminación, La nanoropa es una realidad, (2007)http://boletin-
noticiasnanotecnologia.euroresidentes.com/2007_10_01_archive.html xii University of Cambridge, Results 1, 2004-2013, http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/mechanical-
testing/results1.php (Obtenida el 26 de enero del 2014) xiii Nieve bajo el microscopio. (2012). http://www.taringa.net/posts/imagenes/9954008/Nieve-bajo-el-
microscopio.html (Obtenida el 31 de enero del 2014) xiv Jacobs School of Enginnering, Polyurea, 2013, http://www-ceam.ucsd.edu/polyurea.html (Obtenida el
26 de enero de 2014) xv Kobe Material Testing Laboratory Group, Fractography Technology, 2007,
http://www.kmtl.co.jp/eng/business_field/fractography.html (Obtenida el 26 de enero de 2014) xvi Hitachi High technologies America, Inc. (2012) http://www.hitachi-hta.com/products/electron-
microscopes-and-focused-ion-beam/su8200-series-ultimate-cold-field-emission-semv xvii A. Alyamani and O. M. Lemine (2012). FE-SEM Characterization of Some Nanomaterial, Scanning
Electron Microscopy, Dr. Viacheslav Kazmiruk (Ed.), ISBN: 978-953-51-0092-8, InTech, DOI:
10.5772/34361. Available from: http://www.intechopen.com/books/scanning-electron-microscopy/fe-sem-
characterization-of-some-nanomaterials.
(http://microscopia-electronica-cicc-inc.blogspot.mx/)
http://www.uned.es/cristamine/mineral/metodos/sem.htm
![MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE TRANSMISIÓN Y DE BARRIDO [Autoguardado]](https://img.pdfslide.es/doc/110x75/577cdd201a28ab9e78ac3d40/microscopio-electronico-de-transmision-y-de-barrido-autoguardado.jpg)
