Centro de Ciencias de la Materia Condensada Universidad Nacional Autónoma de México Scanning Electron Microscopy (SEM) PCeIM Fenómenos de Superficie Tatiana Lilia Avalos Rendón 26 Septiembre 2006 Introducción La invención de los microscopios surge con la necesidad del hombre de ver detalles más pequeños de lo que el ojo humano es capaz de observar, para este propósito los primeros instrumentos desarrollados fueron los microscopios ópticos. Hasta en el mejor instrumento óptico, la resolución está limitada a la longitud de onda de la luz que se utilice, que en este caso es la luz violeta (λ=400 nm). La solución a la limitante de resolución es utilizar alguna radiación de longitud de onda mas corta que la de la luz violeta (rayos-x, λ=0.15 nm), otra posibilidad es aprovechar el comportamiento ondulatorio de los electrones acelerados por alguna diferencia de potencial. 1932 Alemania Knoll y Ruska desarrollan el primer microscopio electrónico de transmisión (TEM). Posteriormente, en 1942 se desarrolla el microscopio electrónico de barrido (SEM). La microscopía electrónica de barrido fue introducida en 1965 comercialmente. Existen dos tipos de microscopios electrónicos: TEM (Transmisión) y SEM (de barrido: Scanning Electron Microscope) En el microscopio electrónico de barrido, la resolución puntual es del orden de 1nm, amplifica hasta unas 200,00 veces. 1
Estructura de un A) Cañón SEMde electrones B) Lentes electromagnéticas: lentes condensadoras que controlan el tamaño del punto y lentes objetivas que enfocan el haz de electrones sobre la muestra (la distancia focal de esta lente es lo que se conoce como distancia de trabajo del microscopio) C) Bobinas deflectoras que sirven para rastrear el haz a través de la superficie de la muestra. Este instrumento permite observar la topografía de una muestra utilizando los electrones secundarios producidos por la interacción de un haz de electrones de alta energía con la muestra. En el SEM es necesario acelerar los electrones en un campo eléctrico, para aprovechar su comportamiento ondulatorio, lo cual se lleva a cabo en el cañon del microscopio, donde se aceleran por una diferencia de potencial de 1,000 a 30,000 V. Los electrones acelerados salen del cañon, y son enfocados por las lentes condensadora y objetiva, cuya función es reducir la imagen del filamento, de manera que incida en la muestra un haz de electrones lo más pequeño posible (para asi tener una mejor resolución). En las bobinas deflectoras se produce un campo magnético por una variación de voltaje que deflecta este fino haz de electrones sobre la muestra, realizando un barrido punto por punto y línea por línea. 2
Cuando el haz de electrones incide sobre la muestra, ocurre una serie de interacciones entre los electrones del mismo haz, y los átomos de la muestra, puede haber electrones retrodispersados (rebotados), aunque por otra parte la energía que pierden los electrones al chocar contra la muestra puede hacer que otros electrones salgan despedidos (electrones secundarios), y producir rayos-x, electrones Auger, etc. Los microscopios electrónicos recientes combinan una serie de detectores para analizar las distintas señales que se generan. Al aumentar los electrones secundarios detectados ocasiona un aumento en el voltaje del detector, y por lo tanto en la intensidad, lo cual resulta en una área brillante en la superficie del CRT (Cathode-Ray Tube) (monitor). 3
Si el haz es movido a una depresión en la muestra, los electrones detectados serán pocos y será pequeño el voltaje desarrollado en el detector, por lo tanto el resultado será una área mas oscura en el CRT. La imagen de SEM entonces consiste en miles de áreas de intensidad variante que se mostraran en el CRT que corresponde a la topografía de las muestra. La calidad de imagen que obtengamos va a depender de varios factores, entre ellos la rapidez con la que hagamos el barrido, es decir, si se hace muy rápido no se da oportunidad de que haya una buena producción de electrones secundarios y por lo tanto la razón de señal es baja, al contrario si se hace lentamente se da tiempo de que haya una buena señal y se obtiene una imagen de mejor calidad. Emisión de electrones La emisión de electrones a una muestra puede ser inducida por aplicación de calor (emisión termoiónica), fuertes campos eléctricos (High-Field Emission o Field Emmision), radiación electromagnética (Emisión fotoeléctrica) o partículas atómicas (Emisión secundaria). En las microscopias electrónicas se utiliza solo la emisión termoiónica y la de campo de emisión. 4
Emisión termoiónica A temperatura ambiente los electrones en los metales sólidos tienen gran movilidad, y pueden moverse con facilidad de un átomo a otro. Si se calienta suficientemente un metal, los electrones de los átomos en superficie del metal comienzan a vibrar con mayor frecuencia y algunos electrones pueden adquirir suficiente energía para separarse del metal, estos electrones tienden a volver al trozo de metal del que se han separado, ya que cada vez que un electrón es emitido por el metal, este último adquiere una carga positiva de magnitud igual a la carga negativa del electrón que recién fuera emitido; Emisión de electrones desde un metal caliente El cañón de electrones se localiza en la parte superior de una columna que tiene forma cilíndrica. SEM utiliza un haz de electrones, cuya emisión se produce por calentamiento de un filamento de tungsteno. Los electrones son acelerados por una diferencia de potencial aplicada entre el cátodo y el ánodo y concentrados por el cilindro de Wehnelt. 5
Donde: β= Brillo i e = Corriente de emisión D 0 =Diámetro de la fuente α 0 = Ángulo formado por la fuente y el ánodo Para obtener un mayor brillo, es decir mejor señal, se requiere de un alto i e y un menor D 0 Cañón de electrones con filamento de Tungsteno El cátodo de este cañón es de tungsteno (filamento), es el más común. El cátodo de tungsteno es calentado cuando se aplica una corriente eléctrica de 2.5 A a 1 V a través de las terminales del filamento. Al flujo de corriente a través del filamento se le llama corriente del filamento. A través del proceso de emisión termoiónico, se produce una nube de electrones. Como el filamento se calienta, a este cañón se le llama cañón de cátodo caliente. Entre más corriente pasa a través del filamento, este más caliente estará. 6
El cátodo de tungsteno opera a temperaturas de 2700 K (2427 o C), lo cual resulta en una emisión de electrones de 1.75 A/cm 2. Los electrones emitidos del filamento de tungsteno son acelerados al ánodo a tierra o de potencial cero (ubicado a 1 cm del cátodo). El ánodo esta positivo y se ejerce una fuerte atracción con los electrones negativos emitidos del filamento. Cuando los electrones son acelerados a alta velocidad por la diferencia de potencial cátodo/ánodo (voltaje de aceleración), algunos golpean el ánodo y no contribuyen a la formación de la imagen, sin embargo muchos pasan a través de la apertura a una velocidad constante y producen el haz de electrones, el cual se dirige directamente hacia abajo en la columna, donde es condensado y enfocado por las lentes electromagnéticas. El cilindro de Wehnelt es una cubierta de metal que rodea el filamento. Durante la operación, se mantiene a un potencial mucho mas negativo que el filamento. La diferencia de voltaje entre el filamento y el cilindro es llamada voltaje preferente (bias voltage). El cilindro con preferencia negativa tiene un efecto repulsivo sobre los electrones y actúa como una lente electrostática, localizando los electrones en el centro justo enfrente del ánodo. La diferencia de voltaje entre el filamento y el ánodo se llama voltaje de aceleración, determina la energía y longitud de onda de los electrones conforme se van moviendo hacia abajo en la columna. los voltajes de aceleración en SEM son de 5,000 V a 30,000 V. 7
Ventajas y desventajas Provee de una fuente de electrones estable. Es barato cuando se quiere reemplazar. No requiere UHV para su operación. Su tiempo de vida es de 50-150 h. Durante la operación el tungsteno se evapora lentamente del filamento, lo que ocasiona que se adelgace y se separe. Es el más económico, pero también el que produce un haz de electrones de mayor tamaño. Cañón de electrones con filamento de Hexaboruro de lantano. Se coloca un cristal de LaB 6 sobre un filamento de tungsteno, al aplicar un voltaje entre las dos terminales del filamento, se ocasiona el calentamiento del cristal y por ende la emisión de electrones. Este filamento ofrece algunas ventajas sobre el de tungsteno: a) Larga vida. b) Produce un haz de electrones con un brillo 5 10 veces mas que el de tungsteno. c) Se produce un haz de menor diámetro. 8
Desventajas: Requieren un mantenimiento de UHV (10-6 mbar o mas) para evitar su contaminación. Ya que el Lantano es altamente reactivo, cuando se contamina deja de actuar eficazmente. La saturación (punto al cual la corriente del haz para de crecer con el aumento en la corriente del filamento es alcanzado) toma media hora o mas, y en el tungsteno solo unos minutos, ya que el calentamiento de debe hacer lentamente Es relativamente caro cuando hay que reemplazar. Cañón de electrones mediante emisión de campo 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. Es posible obtener emisión de un material aplicando una diferencia de potencial (voltaje extractor) a una punta muy fina (por ejemplo un cristal de W); de tal manera que aparezca un campo eléctrico suficientemente alto que permita la tunelización de los electrones, los cuales son luego acelerados por la aplicación de un voltaje acelerador. 9
Ventajas y desventajas Proporciona mayor brillo que el de filamento de tungsteno, el haz que produce es mas fino por lo tanto proporciona una mayor resolución. Tiene un alto periodo de vida. Es difícil cambiar de una fuente de este tipo a otra ya que este cañón consta de dos ánodos. Para su operación es necesario UHV un mínimo de 1x10-10 torr, en comparación con uno de filamento de tungsteno que solo necesita 1x10-6 torr. Tiende a producir un haz de electrones que no tiene una corriente estable, por ejemplo la cantidad de electrones que produce cambian de un minuto al siguiente. Lentes electromagnéticas Sistemas capaces de formar imágenes con una radiación: Un punto real a un punto imagen. Las lentes condensadoras constan de cables de cobre, y en estas los electrones describen trayectorias helicoidales, ya que la partícula cargada pasa por un campo magnético. Se utiliza para disminuir el tamaño del haz de electrones proveniente del cañón con la finalidad de aumentar la resolución. Si se aumenta la corriente en las lentes condensadoras, la distancia focal será menor, el punto será mas pequeño y por lo tanto se tendrá una mejor resolución Las lentes objetivas se utilizan para enfocar el haz de electrones sobre la muestra, por medio de ella se obtendrá la imagen de la muestra. 10
Aberraciones Las tres principales aberraciones en las lentes son : a) Aberración esférica: Es causada cuando la radiación electromagnética esta enfocada en un punto focal diferente, dependiendo de la parte de la lente que transmite la radiación. Los electrones cercanos al eje óptico son enfocados en un punto focal que esta mas lejos. b)aberración cromática: Resulta en el enfoque de la radiación electromagnética de diferentes longitudes de onda ( y de velocidad) en un punto focal diferente. A menor longitud de onda los electrones son enfocados lejos de la lente y a mayor longitud de onda ocurre lo contrario. Lo causa la variación en la velocidad de emisión del haz de electrones, cambios en el voltaje de aceleración y cambios en la corriente de las lentes. Se corrige con la producción de un haz de electrones monocromático, donde todos los electrones tiene la misma velocidad. 11
c)astigmatismo: La incapacidad de las lentes de traer rayos de luz o electrones a un punto, por la diferencia en la fuerza de las lentes en la dirección X y Y. esta aberración limita la resolución. Se utiliza un estigmador. c) Contraste topográfico El contraste de la muestra resulta cuando diferentes partes de esta emiten diferentes cantidades de radiación (electrones secundarios y de fondo), por el bombardeo de un haz de electrones, lo que ocasiona una diferencia en el contraste topográfico. El contraste topográfico se basa en dos principios: a) mas electrones secundarios y los retrodispersados escapan de una superficie rugosa que de una mas homogénea y b) mas electrones secundarios y retrodispersados son recibidos de la muestra de acuerdo a su ángulo y cercanía con el detector. 12
Análisis de rayos-x Los rayos X se producen en SEM, TEM y STEM, por la interacción muestra-haz, y son característicos del elemento presente en el material. Los rayos x son resultado de una dispersión inelástica. Un hueco en un orbital interno es llenado por un electrón de uno de mas alta energía. La diferencia entre los niveles resulta en la emisión de rayos-x. Cada rayo-x producido tiene un nombre basado en el nombre del nivel (K, L, M, N) en el que se produjo, y del que viene el electrón que cubrió el hueco. Si el hueco estaba en el nivel K y fue llenado por un electrón del nivel M, entonces se produce un rayo-x K β. EDS y WDS A cada tipo de rayo X se le llama línea, si suficientes rayos x son generados, entonces producirán un pico en el espectro de rayos x, cada línea de rayos x tiene una longitud de onda y energía diferente. Los elementos en una muestra pueden ser determinados por la medición de la energía o de la longitud de onda de los rayos que son producidos. la medición de energía es llamada espectroscopia de energía dispersada (EDS) y la medición de la longitud de onda se le conoce como espectroscopia de longitud de onda dispersada (WDS). Con EDS es posible determinar en un espectro todos los elementos presentes en el área que esta siendo analizada, además de que es una técnica no destructiva. Con EDS puede tardar solo unos minutos para realizar una búsqueda de elementos y muchas horas con WDS. A bajas corrientes del haz de electrones EDS tiene una mayor sensibilidad, por que mas rayos x producidos son detectados, además de que se puede utilizar para polímeros y muestras biológicas, ya que a altas corrientes del haz estas podrían ser destruidas. EDS tiene una buena selectividad espectral (separa los rayos x de dos elementos cuyas energías son cercanas una de la otra. (EDS=135 ev, WDS=10 ev). Por todo lo anterior EDS es mas común que WDS. 13
EDS EDS es una técnica de identificación y cuantificación elemental de la composición de una muestra. Esta técnica usa rayos x que son emitidos de la muestra durante el bombardeo con una haz de electrones. La columna de microscopia electrónica debe tener un detector de EDS de rayos x, que mide el numero de rayos x emitidos (cuentas) vs energía, la energía de rayos x es característica del elemento del cual los rayos x fueron emitidos. Los espectros se obtienen en una pantalla con los picos identificados, para un análisis cualitativo y cuantitativo. Otro tipo de datos obtenidos son los llamados ROI (región de interés), que es una área del espectro que puede ser ubicada alrededor del pico asociado con un cierto elemento. Las áreas con muchos puntos indican alta concentración del elemento. EDS Spectrum for contamination on stainless steel mesh. EDS line profile El t l f li h d t ll hi ti f hi h Información analítica Análisis cualitatitavo: Pueden ser detectados los elementos con numero atómico que van del Berilio al uranio. Los limites mínimos de detección varían aproximadamente de 0.1 por ciento en peso o menos dependiendo del elemento y la muestra. La acumulación del espectro y la interpretación son aspectos importantes en EDS. La selección del rango de acumulación de energía de los rayos x, puede ser de cero kev a 20 kev, ya que en este rango todos los elementos tienen líneas útiles de rayos x, en ocasiones un elemento tiene varias líneas en este rango y eso facilita la exactitud de identificación. La acumulación de tiempo esta en el rango de 30 s a 10 min, acumulaciones largas dan picos mas claros, lo que nos da mas información para el análisis. El resultado final obtenido es un espectro en el monitor, que consiste de en una serie de picos. 14
Análisis cualitativo En el análisis cualitativo se identifican los elementos presentes en la muestra, este análisis se basa en la ley de Moseley: E=C1(Z-C2) donde: E= Emisión de línea dada por la serie de rayos x (por ejemplo la serie k) Z=numero atómico del elemento C1 y C2 son constantes La ley de Moseley nos dice que las energías de rayos x son proporcionales al numero atómico. La determinación de energía de los rayos x involucra la identificación de los picos presentes en el espectro. 15
Preparación de las muestras Se debe tener cuidado de que el procedimiento de preparación no remueva elementos de interés agregue otros ajenos a la muestra. Las muestras para análisis cuantitativo se deben hacer conductoras con un metal no pesado, de lo contrario la muestra absorbe los rayos x. En este caso se utiliza carbón, por tener un bajo factor de absorción de rayos x, esto se hace con un evaporador La preparación de muestras como metales, polímeros, cerámicos y minerales, pueden ser preparados para análisis cualitativo de rayos x utilizando el mismo procedimiento que para SEM. Preparación de muestras Para la caracterización de una muestra en SEM, esta debe cumplir lo siguiente: 1) libre de agua, solventes u otros materiales que se puedan vaporizar a vacío y contaminen la columna o causar problemas en el vació. 2) Ser eléctricamente conductora. Las muestras biológicas no cumplen con lo anterior, por lo cual requieren de preparación. Cuando una muestra no es conductora, tiende a cargarse, lo cual afecta la imagen final, ya que habrá partes mas oscuras que otras, o simplemente se producirán líneas anormales. Las muestras biológicas son principalmente no conductoras y se les pone una capa delgada de un metal para hacer la superficie conductora. Las muestras metalúrgicas requieren de pulimento. Figure 15. Pollen samples showing the effect of charge accumulation. No effect of charge accumulation is visible (A). Pollen showing the type of charging that produces abnormal lines within the image (B). Bar is 5µm, Magnification = x 2300, Acceleration Voltage = 10kV, Working Distance = 39mm, Condenser Lens setting = 15 (A and B). 16
Muestras cubiertas con oro por bombardeo 17