1. “Microscopio Electrónico de barrido. Principios básicos, Constitución del aparato y partes principales” CARACTERIZACIÓN MICROESTRUCTURAL PRESENTA. ING. CARLOS BARAJAS 15/06/2023 Microscopio Electrónico de barrido 1

2. INTRODUCCIÓN. 15/06/2023Microscopio Electrónico de barrido 2 El Microscopio electrónico de barrido o SEM (Scanning Electron Microscope), es aquel que utiliza un haz de electrones en lugar de un haz de luz para formar una imagen. Tiene una gran profundidad de campo, la cual permite que se enfoque a la vez una gran parte de la muestra. También produce imágenes de alta resolución, que significa que características espacialmente cercanas en la muestra pueden ser examinadas a una alta magnificación. La preparación de las muestras es relativamente fácil pues la mayoría de SEMs sólo requieren que estas sean conductoras.

3. 15/06/2023Microscopio Electrónico de barrido 3 Los detalles pequeños que se pueden observar en un microscopio dependen de la resolución del microscopio. Los factores que afectan a la resolución de un microscopio óptico, entendiéndose por resolución a la capacidad de ver dos detalles que se encuentran muy juntos de manera separada, son la longitud de onda de la fuente de iluminación λ y la apertura numérica N.A. ( es una constante de los objetivos) por tanto la resolución esta limitada por λ /N.A. La resolución límite de un microscopio óptico es de 200 nm, la longitud de onda más corta de luz visible es de 400 nm y la apertura numérica es de 1.4. A fin de poder mejorar la resolución se trato de buscar una radiación con longitud de onda mas corta que la luz visible.

4. 15/06/2023Microscopio Electrónico de barrido 4 Se conocen tipos diferentes de radiación magnética con longitud de onda mas corta como son los rayos X cuya longitud de onda es del orden de ( 2-0.005 nm ) o como los rayos gamma cuya longitud de onda es todavía más corta, pero no pueden ser directamente adecuadas para microscopia porque no pueden ser enfocadas.

5. 15/06/2023Microscopio Electrónico de barrido 5

6. 15/06/2023 Microscopio Electrónico de barrido6 Las imágenes de un microscopio electrónico se obtienen mediante la detección, procesamiento y visualización de las señales resultantes de las interacciones entre un haz de electrones de alta energía con la materia. Estas interacciones pueden proporcionar información sobre topografía, composición y estructura según los tres ejes xyz y variar su orientación según dos ejes de rotación. En esta cámara se colocan los detectores para registrar las distintas señales emitidas por la muestra cristalográfica. En esta sección se describirá el mecanismo de formación de las imágenes electrónicas y los principios que determinan su alto poder de resolución. Todos los microscopios electrónicos de barrido constan de un cañón electrónico en una columna de alto vacío, del orden de 10-5 mm de Hg, en la cual se genera un haz de electrones de alta energía (5 - 30 kV). Este haz es colimado por una serie de lentes electrónicas y focalizado sobre la muestra analizada. Los detectores registran las señales originadas por la interacción entre el haz de electrones y la muestra, que son procesadas y visualizadas en el sistema final de observación (monitor o pantalla de computadora).

7. 15/06/2023Microscopio Electrónico de barrido 7 La presión atmosférica normal es de 760 nn de Hg. Actualmente, se utiliza el Pascal (Pa) y la presión atmosférica expresada en esa unidad es igual a 100 000 Pa. La presión en la columna de un microscopio electrónico es aproximadamente 2.5 10-5 Pa (0.000025 Pa). Luego, la cantidad de moléculas de aire es realmente pequeña y la probabilidad de un electrón se encuentre con una de ellas prácticamente nula, permitiendo así obtener imágenes electrónicas con la máxima resolución

8. En un microscopio electrónico de barrido la imagen se obtiene a partir de las señales emitidas por la muestra y se va formando a medida que el haz de electrones se desplaza sobre una porción de su superficie. Este barrido (scanning) se realiza línea por línea sobre una pequeña zona de forma rectangular (raster). Esta zona es la que se visualiza amplificada en la imagen final. A medida que el haz explora la muestra de esta manera la intensidad de la señal generada varía según el punto particular analizado en cada instante. La señal detectada puede ser entonces analizada y amplificada, tanto en su forma analógica como digital, y finalmente procesada convenientemente. La imagen se visualiza en un tubo de rayos catódicos donde las bobinas de deflexión del haz están sincronizadas con el barrido del haz de electrones en el microscopio. Modulando la intensidad del haz del tubo de rayos catódicos se obtiene finalmente un registro punto a punto en la pantalla que es precisamente la imagen electrónica proporcionada por el microscopio 15/06/2023Microscopio Electrónico de barrido 8 FORMACIÓN DE IMÁGENES

9. Las señales que se utilizan para la obtención de la imagen provienen de un cierto volumen debajo de la superficie de la muestra. El haz de electrones penetra una cierta distancia debajo de la superficie e interactúa con los átomos de la muestra a lo largo de su trayectoria. Las señales que se originan por estas interacciones provienen entonces del llamado volumen de interacción. La forma y dimensiones de este volumen son otros factores que determinan la resolución del microscopio. En la figura 4 se esquematiza la forma característica de este volumen y los tipos de señales generadas por la interacción electrón-muestra. Se puede ver que siendo las dimensiones de este volumen mayores que el diámetro del haz incidente son las que, finalmente, limitan el poder de resolución de un SEM. 15/06/2023Microscopio Electrónico de barrido 9 VOLUMEN DE INTERACCIÓN

10. a)Scattering elástico. Es un proceso en el cuál un electrón incidente, puede cambiar su dirección, sin pérdida apreciable de energía. Este tipo de proceso es causado, principalmente, por las interacciones de tipo Coulómbicas entre un electrón incidente, el núcleo y los electrones del átomo b)Scattering inelástico. En este tipo de proceso, un electrón incidente sobre un átomo, pierde parte de su energía pero no sufre cambios significativos en su dirección. Si la interacción inelástica tiene lugar entre el núcleo y un electrón incidente, de alta energía, éste perderá parte de su energía cinética debido al efecto de frenado que ejerce el campo coulómbico del núcleo atómico. Si el electrón incidente, interactúa con un electrón del átomo las energías de ambos se distribuyen. El electrón incidente sufre una pérdida de energía, que provoca una disminución de su velocidad desviando su trayectoria en un pequeño ángulo. 15/06/2023Microscopio Electrónico de barrido 10 EXISTEN DOS TIPOS DE EVENTOS DE SCATTERING

11. El microscopio electrónico de barrido está, constituido por los siguientes módulos. 1.Un sistema generador de electrones (cañón de electrones) 2.Una columna óptico-electrónica donde el haz de electrones es finamente colimado e inciden sobre la superficie de una muestra. 3.Un sistema de deflexión doble del haz electrónico. 4.Un sistema de detección de las señales originadas en la superficie de la muestra. 5.Un sistema electrónico de amplificación de estas señales. 6.Un sistema de visualización. 7.Un sistema de vacío. 15/06/2023Microscopio Electrónico de barrido 11 CONSTRUCCIÓN DEL MICROSCOPIO DE BARRIDO

12. El cañón de electrones de un microscopio electrónico es la responsable de la generación del haz de electrones. Debe reunir ciertos requerimientos, entre ellos que produzca un alto brillo y tenga alta estabilidad. Las fuentes de electrones pueden ser termoiónicas o de emisión de campo. El tipo de generador electrónico más común es el de emisión termoiónica. Este está constituido por un filamento (F) (cátodo), un cilindro con una apertura central, llamado cilindro de Wehnelt (G) que rodea al filamento y tiene un potencial ligeramente más negativo que éste. El ánodo (A) se encuentra por debajo del cilindro de Wehnelt. 15/06/2023Microscopio Electrónico de barrido 12

13. E n un emisor térmico, los electrones se emiten a partir de un material incandescente (termoiónica). La función de la corriente incandescente del filamento es dar a los electrones suficiente energía térmica para sobrepasar la barrera energética que evita que los electrones sean liberados. Todos los metales liberan electrones cuando se calientan a la temperatura adecuada, y cuanta mayor temperatura se aplica, mayor cantidad de electrones se emiten. Sin embargo, la mayoría de los materiales no sobreviven largo tiempo a las temperaturas requeridas para que sometidos a estos procesos, liberen una cantidad significativa de electrones. El Tungsteno (W) tiene una temperatura de fusión suficientemente alta (3650 Kelvin), lo que permite que el material soporte temperaturas elevadas por mayor tiempo (~ 2600- 3000K) y por tanto, es el material elegido para un emisor termoiónico típico 15/06/2023Microscopio Electrónico de barrido 13 LA EMISIÓN TERMOIÓNICA

14. Las fuentes de emisión de campo operan mediante una reducción de la barrera de energía por un campo aplicado que permite la formación de túneles cuánticos de electrones a través de la barrera reducida hacia el vacío. Este es un proceso distinto a la emisión termoiónica. Existen dos tipos de emisores de campo: los asistidos térmicamente (también denominados Schottky) y los Emisores de campo frío, como lo implican sus nombres, los emisores asistidos térmicamente requieren calor, mientras que los de campo frío no. Ambos necesitan la aplicación de un campo externo para extraer el haz de electrones de una punta o extremo muy pequeño. Para el caso de los cañones termoiónicos y de hexaboruro de lantano (LaB6), se forma un sistema de tríodo con el filamento, cápsula de Wehnelt y ánodo. Mediante el diseño de la fuente de poder, la cápsula de Wehnelt es ligeramente negativa con el filamento y resulta un campo electrostático que funciona como una pequeña lente produciendo un enfoque de los electrones que son emitidos solamente desde una región limitada de punta caliente de la fuente de Tungsteno. 15/06/2023Microscopio Electrónico de barrido 14 EMISIÓN DE CAMPO

15. Las bobinas del sistema de deflexión desplazan el haz de electrones sobre la muestra de manera de explorar una región dada de su superficie mediante un barrido horizontal y otro vertical similares a los de una pantalla de televisión. 15/06/2023Microscopio Electrónico de barrido 15

16. Cuando un haz de electrones incide sobre un sólido pueden ocurrir varios procesos. 1.Electrones retrodispersados. 2.Electrones secundarios. 3.Electrones absorbidos. 4.Rayos X característicos y electrones Auger. 5.Electrones transmitidos y difractados. Cada uno de estos procesos genera señales que es posible analizar, con los detectores adecuados y que dan información de la muestra o sólido. 15/06/2023Microscopio Electrónico de barrido 16 INTERACCIONES ENTRE HAZ ELECTRÓNICO Y EL SÓLIDO

17. 1.Electrones retrodispersados. Son aquellos que se desvían del haz hacia atrás debido a dispersión elástica por los átomos de la red, por lo tanto, su energía está muy cercana a la del haz incidente. Estos eventos se llevan a cabo muy cerca de la superficie de incidencia, por lo que el número de electrones dispersados a un ángulo dado dependerá de la posición del área donde incide el haz (ángulo de incidencia). Esto nos permite detectar zonas de diferente composición en el material. La orientación cristalina influye también en la probabilidad de retrodispersión de un electrón a través de la variación de la sección transversal efectiva que éste ve en el sólido. Por lo tanto es de esperarse que podamos ver los granos, precipitados y en general transportar las técnicas metalográficas usuales a la microscopía electrónica. 15/06/2023Microscopio Electrónico de barrido 17

18. 2.Electrones secundarios. Son originados en el sólido y emitidos como el resultados de excitación atómica por el haz primario y se caracterizan por tener un espectro de energías comparativamente bajo (< 50 eV) en relación al haz inicial. Pueden ser recolectados colocando una placa a potencial positivo a un lado de la muestra de manera que los electrones retrodispersados no se desvíen mucho. En realidad no todos los electrones secundarios son emitidos por el sólido, sino existen también electrones de baja energía originados por colisiones inelástica, aunque no existe manera de distinguir los unos de los otros, por lo que todos los electrones de baja energía son clasificados como secundarios 15/06/2023Microscopio Electrónico de barrido 18

19. 3.Electrones absorbidos. Los electrones que pierden tal cantidad de energía que no pueden salir del sólido pueden ser detectados si ponemos electrodos en la muestra, de manera que cualquier exceso de carga fluya a través de ellos a tierra. Cualquier incremento local en el número de electrones que abandonen el sólido (dispersados o emitidos) causa el decremento correspondiente en la corriente de absorbidos, por lo que la detección, de estos electrones produce un contraste complementario al obtenido por a) y b), al barrer la superficie de la muestra. Además, si alternativamente aplicamos una tensión a los electrodos, los nuevos portadores de carga producirán cambios locales en la conductividad de la muestra, de manera que esta técnica puede ser usada para examinar con éxito variaciones en la resistividad en juntas semiconductoras. 15/06/2023Microscopio Electrónico de barrido 19

20. 4.Rayos X característicos y electrones Auger. Es de esperarse que se emitan rayos X característicos debido a las transiciones de los electrones excitados por el haz primario, por lo que si utilizamos algún espectrómetro apropiado, y un detector tipo Geiger o un fotomultiplicador, podremos construir un perfil de intensidades y conocer tanto los elementos que componen la muestra, así como su concentración; es decir, podremos efectuar un análisis químico. Podría suceder que, como alternativa, el átomo excitado regresara a un estado de energía menor emitiendo uno de sus electrones en vez de rayos X. Tales electrones, llamados Auger en honor a su descubridor, se caracterizan por tener valores discretos bien definidos de energía y por lo tanto pueden usarse para un análisis químico análogo 15/06/2023Microscopio Electrónico de barrido 20

21. 5.Electrones transmitidos y difractados. Estos son los electrones del haz inicial que logran atravesar la muestra estudiada y llevan información sobre la estructura interna de la misma. La formación de una imagen a partir de estos electrones es lo que constituye la microscopía electrónica de transmisión y la información extraída con este instrumento es muy variada e importante. La intensidad del haz transmitido aumenta cuando se incrementa la energía del haz incidente y disminuye cuando se aumenta el grosor de la muestra observada. Para dar una idea del orden de magnitud del espesor de las muestras usadas diremos que para una tensión de aceleración de 100 KV el límite superior para transmisión en aluminio es de ~ 10 000 Å. Esta es la razón por la que algunos autores nombran a esta técnica, microscopía de láminas delgadas. 15/06/2023Microscopio Electrónico de barrido 21

22. ELECTRONES SECUNDARIOS En ciencia de materiales el microscopio es utilizado en la investigación de una gran mayoría de materiales avanzados, como materiales superconductores, cerámicas avanzadas, etc. Y en otros como minería, metalurgia, textil, etc. 15/06/2023Microscopio Electrónico de barrido 22 APLICACIONES DE LAS DIFERENTES SEÑALES GENERADAS POR LA INTERACCIÓN DE HAZ CON LA MUESTRA.

23. En electrónica el MEB es utilizado en el control de calidad y análisis de fallas en semiconductores y componentes electrónicos, así como en investigación y desarrollo. La gran profundidad de foco que presenta el MEB es la característica importante en estos estudios 15/06/2023Microscopio Electrónico de barrido 23

24. ELECTRONES RETRODISPERSADOS (OBSERVACIÓN COMPOSICIONAL). Por lo tanto podemos observar imagen con un contraste en grises que depende de los elementos que componen la muestra, los elementos ligeros presentan un tono gris obscuro y los elementos pesados son de un tono mas blanco brillante. Por lo que en una imagen podemos tener un mapa de la distribución de los componentes de la muestra, siendo solo de distribución, no nos dice que elementos son. 15/06/2023Microscopio Electrónico de barrido 24

25. ANÁLISIS ELEMENTAL O MICROANÁLISIS (RAYOS X GENERADOS DE LA MUESTRA) Los rayos X son emitidos de la muestra cuando un haz de electrones la irradia. Al analizar estos rayos X, podemos identificar a los elementos contenidos en la muestra (análisis cualitativo), es posible también determinar la concentración de estos elementos (análisis cuantitativo). Se puede determinar entonces la composición de una pequeña área, o de una área mas grande o el análisis en línea y obtener un mapa de distribución de los elementos que componen la muestra. 15/06/2023Microscopio Electrónico de barrido 25

26. OBSERVACIÓN DE LA ESTRUCTURA INTERNA Un microscopio de barrido puede tener ciertas modificación para poder ver la estructura interna de la muestra a este tipo de microscopio se le conoce como STEM (Scanning trasnmition electron microscope). Para la observación en este equipo es necesario que la muestra sea lo suficientemente delgada para poder ser atravesada por el haz de electrones. IMÁGENES DE CATODOLUMINISCENCIA U OBSERVACIÓN DE LA SEÑAL DE LUZ. Cierto tipo de muestras ( sulfuros, óxidos, minerales, semiconductores, etc.,) emiten luz visible ( entre 0.3 a 2 micras de longitud de onda) cuando el hueco creado en la banda de valencia debido a la irradiación del haz de electrones se recombina con un electrón. A esta luz se le conoce como catodoluminiscencia (CL) y es usada para la detección de impurezas o defectos estructurales en una muestra 15/06/2023 Microscopio Electrónico de barrido26

27. OBSERVACIÓN DE DOMINIOS MAGNÉTICOS Un segmento pequeño ferromagnético en una muestra es llamado dominio magnético. Cuando un haz de electrones es irradiado sobre una muestra que contiene dominios magnéticos, la trayectoria de los electrones secundarios y retrodispersados generados pueden ser afectados por el pequeño campo magnético que son inducidos por los dominios magnéticos Generalmente para poder observar y aplicar todas las señales antes mencionadas es necesario que el MEB cuente con los detectores apropiados para captarlas y analizarlas. Los detectores más comunes que se incorporan a los MEB son los siguientes: el detector de electrones secundarios, de electrones retrodispersados y el de Rayos X. 15/06/2023Microscopio Electrónico de barrido 27

28. Para llevar a cabo la observación de la superficie de una muestra se debe poner especial cuidado en la preparación de la muestra, particularmente en muestras hidratadas, o muestras biológicas sensibles al haz de electrones. Sin embargo si las muestras no contienen humedad, entonces solo se debe asegurar que la muestra sea eléctricamente conductora, si no lo es, la muestra debe ser metalizada, es decir depositar un película conductora sobre la superficie de la muestra. Esto para prevenir la carga de la muestra, que consiste en que cuando el haz de electrones irradia una muestra no conductora eléctricamente, cargas electrostáticas aparecen durante la observación, lo que da lugar a que el contraste en la imagen sea anormal e inestable. Nota: también se puede utilizar en estos casos un microscopio de barrido de bajo vacío o utilizar un bajo voltaje de aceleración. Por otro lado la muestra debe estar fija o adherida al portamuestras esto se hace mediante una cinta adhesiva por las dos caras que generalmente es de grafito o de cobre. 15/06/2023Microscopio Electrónico de barrido 28 CARACTERÍSTICAS DE LA PREPARACIÓN DE LA MUESTRA

29. 1.V. Sorrivas, A. Morales, “Principios y práctica de la Microscopía Electrónica”, 1ed. Edición, ISBN:978-987-43-4752-7, 2/10/2014. 2.M.Ipohorski, P.Bozzano, “Microscopía Electrónica de barrido en la Caracterización de materiales”, CIENCIA E INVESTIGACIÓN-TOMO 63 N°3-2013. 3.M. Lourdes, “CURSO DE MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO (MEB)” Instituto Tecnológico de Morelia, XII JORNADAS NACIONALES DE INGENIERÍA EN MATERIALES, Morelia Mich, 21,22 y 23 de Abril del 2010 15/06/2023Microscopio Electrónico de barrido 29 FUENTES DE INFORMACIÓN.