Técnicas para la caracterización de materiales

Transcripción

1 Técnicas para la caracterización de materiales Difracción de rayos X Ley de Bragg, Cálculo de parámetros de red Microscopía óptica Microestructura Tamaño de grano Microscopía electrónica SEM (Scanning Electron Microscopy) TEM (Transmission Electron Microscopy) Microscopía de barrido por tunelaje: STM (Scanning Tunneling Microscopy) AFM (Atomic Force Microscopy)

2 Difracción de Rayos X Espectro electromagnético Frecuencia Hz Longitud de onda λ (m) Resolución de la técnica No tiene resolución en separaciones La separación es la distancia entre los planos de átomos paralelos

3 Fenómeno de la difracción Onda 1 Dispersión Onda 1 Interferencia constructiva Amplitud Onda 2 Onda 2 Onda 3 Onda 3 Interferencia destructiva

4 Rayos X para Determinar la estructura Cristalina Rayos X entrantes se difractan de los planos cristalinos. Distancia extra recorrida por la onda 2 d Las reflexiones deben estar en fase para Detectar la señal Adapted from Fig. 3.19, Callister 7e. Distancia entre planos Ley de Bragg 2 d Sen θ= nλ Medición del ángulo crítico, c c, Permite el ( cálculo de la distancia entre planos, d. Intensidad Rayos-X (del detector) d n 2sin c Metalurgia de polvos c

5 Difractómetro Emisor monocromático Aparato para determinar los ángulos a los cuales se presenta el fenómeno de la difracción en la muestra Detector

6 Distancia entre planos cristalográficos ejemplo a - h b - k c - l 1. Interceptos 1/2 1 3/4 2. Recíprocos 1/½ 1/1 1/¾ 2 1 4/3 3. Reducción Índices de Miller (634) x h Esta en función de los índices de Miller y del parámetro de red l z k a= parámetro de red y Familia de planos {hkl} d hkl h 2 a k 2 l 2 Ej: {100} = (100), (010), (001), (100), (010), (001)

7 z c Patrón de difracción en Rayos-X z z c c Intensida ad (relativ va) a x b y (110) y y a x b (200) a x (211) b Ángulo de Difracción 2 Patrón de Difracción para un policristal de hierro- (BCC) Adapted from Fig. 3.20, Callister 5e.

8 Ejemplo: Calcule la distancia entre planos (220) y el ángulo de difracción para el hierro BBC. El parámetro de red para el hierro es nm. También asuma que la radiación monocromática tiene una longitud de onda de nm y que el orden de reflexión es 1. Intensidad n= Od Orden de reflexión Rayos-X λ= Longitud de onda (del a= Parámetro de red detector) h hkl = Distancia entre planos θ= Ángulo de difracción d hkl n 2d hkl sin c c h 2 a k 2 l 2

9 Ejercicios 3.60.El rodio tiene una estructura cristalina FCC. Si el ángulo de difracción para el conjunto de planos (311) esta a los (para una reflexión de primer orden) y una radiación monocromática con una longitud de onda de onda de nm. Calcule lo siguiente: a) La distancia i entre planos para el conjunto de planos dado. d b) El radio atómico del rodio 3.62 Para qué en un conjunto de planos cristalográficos ocurrirá una reflexión de primer orden a un ángulo de para el níquel con estructura FCC, cuando es usada una radiación monocromática con una longitud de onda igual a nm?.

10 Ejercicios 3.65 En la figura se muestran los primeros 5 picos de difracción para el tungsteno que tiene una estructura cristalina BCC. Se utiliza una radiación monocromática cuya longitud de onda es nm. Determine: a) Los planos hkl para cada uno de los picos b) La distancia entre planos para cada uno de los picos c) Para cada pico determine el radio atómico del Tungsteno

11 Microscopía Óptica Electrónica Barrido Transmisión Fuerza atómica

12 Estudio Microscópico Cristalitas, (cristales, granos) y Fronteras de grano. Cambian considerablemente en tamaño. Pueden ser muy grandes ej: Monocristal grande de cuarzo o diamante o Si ej: Granos individuales: Barra de Aluminio o bote de basura Cristales (granos) pueden ser muy pequeños (mm o menos) Necesarios para observarlos con el microscopio

13 Resolución de la Microscopía Resolución óptica m = 0.1 m = 100 nm Para mayor resolución se necesita mayor frecuencia Rayos X. Electrones Longitud de onda 3 pm (0 003 nm) Longitud de onda 3 pm (0.003 nm) (Magnificación - 1,000,000X) Resolución Atómica posible El as de electrones se enfoca mediante lentes magnéticas.

14 Comparación de los microscopios; óptico, transmisión y barrido

15 Microscopía Óptica Luz Polarizada Análisis metalográficos a menudo utilizan luz polarizada para incrementar el contraste También se emplea en muestras trasparentes como algunos polímeros

16 Microscopía Óptica Útil hasta una magnificación de 2000X Pulido remueve las irregularidades de la superficie (e.g., rayas) Ataque químico cambia la reflexión, dependiendo de la orientación del cristal Adapted from Fig. 4.13(b) and (c), Callister 7e. (Fig. 4.13(c) is courtesy of J.E. Burke, General Electric Co. Planos cristalográficos Micrografía del Latón (Cu-Zn) 0.75mm

17 Fronteras de Grano son imperfecciones, son más susceptibles al ataque, Se revelan como líneas obscuras, cambio en la orientación del cristal de frontera a frontera. Microscopía Óptica (a) Superficie pulida Ranura en la superficie Frontera de grano Tamaño de Grano ASTM and (b), Callister 7e. N = 2 n-1 número de granos/in 2 Magnificación de 100x Fe-Cr alloy (b) Adapted from Fig. 4.14(a) d(b) C lli t 7 (Fig. 4.14(b) is courtesy of L.C. Smith and C. Brady, the National Bureau of Standards, Washington, DC [now the National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD].)

18 Ejercicio Determine el tamaño de grano bajo la norma ASTM para un espécimen metálico cuya metalografía se muestra en la imagen. Y para este misma muestra determine cuantos granos por pulgada cuadrada deben haber a 85X log N ( n 1)log 2 N=Número Número de granos por pulgada cuadrada n=tamaño de grano ASTM log 10 N 1 log 10 2 n 1 pulgada 100 X Para una magnificación ió distinta t de 100X N M M n 1 N M =Número de granos por pulgada cuadrada a X magnificación M= Magnificación n=tamaño de grano ASTM

19 Microscopía electrónica M. electrónica Transmisión Max Knoll and Ernst Ruska en Alemania 1931 Barrido 1938 ( Von Ardenne) Los microscopios electrónicos son instrumentos científicos que utilizan un as de electrones para examinar objetos a escalas muy pequeñas MEB surgen por las limitaciones de los microscopios ópticos

20 Microscopía electrónica de barrido MEB (SEM) Por qué es importante MEB? Topografía: Características de la superficie Morfología: Forma y tamaño de las partículas Composición: Cantidades relativas de las partículas Información cristalográfica: ordenamiento de los átomos

21 Funcionamiento del MEB a Torr La técnica consiste en colocar la muestra en la cámara de vacío del MEB y retirar todo el aire que se encuentra dentro de ella. De manera inmediata se enciende el emisor de electrones para bombardear la muestra. Los electrones viajan a través del arreglo de lentes diseñados para obtener un haz convergente de electrones. Las bobinas ubicadas bajo el arreglo de lentes dirigenige al haz de electrones de izquierda a derecha y de arriba a abajo de tal forma que se realiza un barrido en toda la superficie de la muestra queseencuentra en la base de la cámara de vacío. Los electrones que golpean la muestra salen difractados hacia el detector. Este últimoi capta esa señalñ y la manda a un procesador donde se convierte en imagen.

22 Emisores Filamento Emisores Emisión de campo Punta de Tungsteno 0.1 micras Campo eléctrico muy alto Electrones son extraídos mas fácil Alto vacío

23 Filamento Punta de emisión

24 Interacción con los sólidos Haz de electrones Auger Rayos X Catodolumisencia Electrones retrodispersados Electrones secundarios Muestra

25 Vólumen de interacción Haz de electrones Auger Retrodispersados Secundarios Rayos X

26 Penetración de los electrones 1 kv 5 kv 15 kv

27 Detectores Para reconstruir la imagen de MEB, se debe de utilizar el detector adecuado y así convertir la radiación que sale de la muestra en una señal eléctrica apropiada de tal forma que se pueda reconstruir una imagen para mostrarla en pantalla. EDS Secundarios Retrodispersados

28 Detector de electrones secundarios Estos electrones se originan debido a las colisiones elásticas entre electrones primarios (del as de electrones) y los electrones débilmente ligados en la banda de conducción o con los electrones fuertemente ligados en la banda de valencia. Estos electrones tienen la suficiente fuerza para interactuar con el sólido y salir del mismo con información. Seemplea normalmente para obtener una imagen de la muestra Emerge de la superficie de la muestra con una energía inferior a 50 ev Sólo los que están muy próximos a la superficie tienen alguna robabilidad de escapar. Dan una imagen tridimensional Rango de 10 a aumentos

29 EDS (Energy dispersive X-Ray Spectrometer) El detector EDS convierte la energía individual de cada uno de los rayos x en una señal de voltaje proporcional a la energía de los rayos x. Esto ocurre en tres pasos. En el primero se convierte los rayos x en una carga debido a la ionización de los átomos en el cristal semiconductor. En el segundo paso la carga se convierte a una señal de voltaje mediante un preamplificador y finalmente la señal de voltaje entra a un procesador que realizará la medición

30 Detector de electrones retrodispersados Los electrones retrodispersados se deben a las colisiones inelásticas entre los electrones entrantes y los núcleos del atómos de la muestra dado que estos electrones son de alta energía no pueden ser recolectados por una rejilla como los secundarios, se utiliza un detector de barrera que se coloca por arriba de la muestra. Energía mayor de 50eV Imagen de zonas con distinto Z A mayor numero atómico mayor intensidad. Este hecho permite distinguir fases de un material de diferente composición química. Detector Electrones retordispersados Las zonas con menor Z se verán mas oscuras que las zonas que tienen mayor número atómico.

31 Preparación de muestras Cinta doble cara (carbono o cobre) Recubrir muestras no conductoras Cada material tiene sus particularidades en la preparación Para MEB

32 Imágenes obtenidas con MEB Sn-Zn Nanofibra de carbono en matriz Termoplástica Fractura Fibras de Asbesto Mosca

33 Microscopía de transmisión Emisor 1931 y 1933 por Ernst Ruska Cámara de vacío Muestra Imagen intermedia Imagen final Cátodo Ánodo Lente condensador Lentes objetivas Lente de proyección Arreglo espacial Cristalografía El microscopio electrónico de transmisión emite un haz de electrones dirigido hacia el objeto que se desea observar a una mayor magnificación. Una parte de los electrones rebotan o son absorbidos por el objeto y otros lo atraviesan formando una imagen aumentada de la muestra. Para utilizar un microscopio electrónico de transmisión debe cortarse la muestra en capas finas, no mayores de un par de micras. Los microscopios electrónicos de transmisión pueden aumentar un objeto hasta un millón de veces. Pantalla fluorescente

34 Interacción con los sólidos Emisor E. Auger E. Absorbidos E. difractados 2θ Detector Haz de electrones Electrones Transmitidos E. secundarios Muestra espesores mínimos

35 Imágenes obtenidas de microscopía de transmisión Espacio Recíproco Determinar estructura cristalina Conocer parámetros de red mediante un indexado Fotografías de patrones de difracción de electrones de baja energía en la superficie (111) de platino. Las fotografías corresponden a diferentes energías de los electrones. (Cortesía de G. Somorjai y M. Van Hove).

36 Esfera de Ewald Representación esquemática de los parámetros involucrados en la deducción de constante de cámara Ley de Bragg k o O O k r hkl P R= distancia entre El haz mas intenso (haz trasmitido) y cualquier otro punto del patrón L Pantalla fluorescente Tan 2 θ=r/l O O θ θ R P 2 d Sen θ = n λ d= distancia interplanar θ =longitud de onda λ = ángulo del haz incidenteid sobre la superficie n=1 L= Distancia de trabajo Para ángulos pequeños 2Sen θ= 2θ 2 θ=r/l R/L d = λ R d = λl λ dependerá de las condiciones a las que se tomo la foto 2 θ d = n λ Constante De cámara

37 Calcular l la distancia i interplanar del oro mediante su patrón de difracción obtenido por microscopía de transmisión. Las condiciones alas que fue tomada la imagen son 120 K V a una distancia de L= 100cm. Ejercicio Voltaje de Longitud de onda Masa Velocidad aceleración (kv) (relativista) nm X m 0 C x 10 8 m/s R5 R4 R3 R2 R R1 R2 R3 R4 R cm 1.63 cm 233cm cm 2.83 cm d hkl R=λ L

38 Fichas JCPDS Usamos (si existe) la ficha JCPDS de la posible fase cristalina. Ahí revisamos si las distancias existen en esa fase.

39 indexado 220 R R R R Profesores Dra. Monserrat Bizarro Sordo Dr. Francisco Manuel Sánchez Arévalo

40 Microscopía de fuerza atómica (MFA) La MFA se ha establecido como una técnica para determinar la topografía de superficies con una alta resolución. Esta técnica también se utiliza para estudiar materiales cuya microestructura es del orden de nanómetros. Fotodiodo Photodiode Laser Cantilever Sample Muestra x,y,z, Piezo Tube Scanner Retroalimentación Feedback y control and del x,y,z, escáner Scan Control En la MFA se emplea una viga flexible en voladizo (cantilever) que tiene, en su extremo libre, una punta del orden de nanómetros. La viga tiene una constante de resorte del orden de 1 N/m y cuando la punta se acerca lo suficiente a la superficie de un material comienza una interacción entre la punta y la superficie debida a las fuerzas de atracción y repulsión. La fuerza de interacción entre la punta y la superficie de la muestra ocasiona pequeñas deflexiones de la viga siguiendo la ley de Hooke. Estas deflexiones son detectadas empleando distintos modos. Dentro de los mías importantes tenemos el modo de contacto y el modo de no contacto

41 Puntas

42 Modos de operación Topografía Contacto En este modo la fuerza entre la muestra y la punta es constante y provoca una deflexión muy pequeña y homogénea al presionar la punta contra la muestra. La fuerza aplicada es del orden de las fuerzas interatómicas. Superfcie suave Fuerza aplicada 10-7 a 10-9 No contacto Cuando se incrementa la separación entre la punta y la superficie de la muestra ( nm) únicamente se encuentran presentes fuerzas de interacción de largo alcance (fuerzas de Van Der Waals, electrostáticas y magnéticas). Perfilometría Identificación de fases Fuerza aplicada 10-9 a Contacto intermitente Fuerza aplicada 10-9 a N

43 Sensibilidad de AFM Fuerza: N (piconewtons!) Desplazamiento: 0.01nm (0.1 Angstroms) Resolución en el tiempo: Milisegundos - segundos Área de contacto: 10 nm 2

44 Imágenes obtenidas por AFM Perfilometría

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