Trabajo del curso: Métodos modernos de estudio de la materia mediante un microscopio electrónico de transmisión. Preparación de muestras para PEM Detector de rayos X dispersivos de energía X-Max

Un microscopio electrónico de transmisión (TEM) es un dispositivo óptico electrónico en el que se observa y registra una imagen de un objeto ampliada entre 50 y 10 6 veces. Cuando se magnifica un millón de veces, un pomelo crece hasta alcanzar el tamaño de la Tierra. Para ello, en lugar de rayos de luz, se utilizan haces de electrones, acelerados a una energía de 50 - 1000 keV en condiciones de alto vacío (10 -5 -10 -10 mm Hg). Un microscopio electrónico de transmisión registra los electrones que pasan a través de una muestra de capa ultrafina. TEM se utiliza para obtener información sobre las características geométricas, morfología, estructura cristalográfica y composición elemental local de un objeto. Permite estudiar directamente objetos delgados (de hasta 1 micrón de espesor), películas de islas, nanocristales, defectos en redes cristalinas con una resolución de hasta 0,1 nm e indirectamente (mediante el método de réplica) la superficie de muestras masivas con una resolución. de hasta 1 nm.

En ciencia de materiales se estudian los procesos de crecimiento y cristalización de películas delgadas, las transformaciones estructurales durante el tratamiento térmico y la acción mecánica. En la electrónica de semiconductores, el microscopio electrónico se utiliza para visualizar defectos y la estructura fina de cristales y capas. En biología, le permiten ver y estudiar la estructura de moléculas individuales, coloides, virus, elementos celulares, la estructura de proteínas y ácidos nucleicos.

Principio de funcionamiento microscopio electrónico de transmisión es el siguiente (Fig. 48). Situado en la parte superior de la columna, el cañón de electrones, un sistema formado por cátodo, ánodo y filamento, es la fuente del flujo de electrones. Un filamento de tungsteno calentado a una temperatura de 2200 - 2700 ºC emite electrones, que son acelerados por un fuerte campo eléctrico. Para crear dicho campo, el cátodo 1 se mantiene a un potencial de aproximadamente 100 kV con respecto al ánodo 2 (ubicado en el potencial de tierra). Debido a que los electrones están muy dispersos por las moléculas de aire en la columna del microscopio, se crea un alto vacío. Después de pasar el ánodo de malla, el flujo de electrones se enfoca mediante lentes de condensador magnético 3 en un haz (diámetro de sección 1 - 20 μm) y cae sobre la muestra de prueba 4, montada sobre una malla fina del escenario. Su diseño incluye puertas de enlace que permiten introducir la muestra en el entorno de vacío del microscopio con un mínimo aumento de presión.

La ampliación inicial de la imagen se realiza mediante el objetivo 5. La muestra se coloca muy cerca del plano focal de su campo magnético. Para obtener un gran aumento y disminuir la distancia focal de la lente, se aumenta el número de vueltas y se utiliza un núcleo magnético hecho de material ferromagnético como bobina. Una lente objetiva proporciona una imagen ampliada de un objeto (aproximadamente x100). Al poseer una alta potencia óptica, determina la máxima resolución posible del dispositivo.

Después de pasar a través de la muestra, algunos de los electrones son dispersados y detenidos por el diafragma de apertura (una placa de metal gruesa con un orificio que se instala en el plano focal posterior de la lente del objetivo, el plano de la imagen de difracción primaria). Los electrones no dispersados pasan a través de la abertura del diafragma y son enfocados por la lente objetivo en el plano del objeto de la lente intermedia 6, lo que sirve para obtener una mayor ampliación. La obtención de una imagen de un objeto se consigue mediante una lente de proyección 7. Esta última forma una imagen en una pantalla luminiscente 8, que brilla bajo la influencia de electrones y convierte la imagen electrónica en visible. Esta imagen es grabada por la cámara 9 o analizada usando el microscopio 10.

Microscopio electrónico de transmisión de barrido.(RPEM). La imagen está formada por un haz viajero, y no por un haz que ilumina toda el área de la muestra en estudio. Por tanto, se requiere una fuente de electrones de alta intensidad para que la imagen pueda grabarse en un tiempo aceptable. Los RTEM de alta resolución utilizan emisores de campo de alto brillo. En una fuente de electrones de este tipo, se crea un campo eléctrico muy fuerte (~10 8 V/cm) cerca de la superficie de un alambre de tungsteno de diámetro muy pequeño afilado mediante grabado, debido a que los electrones abandonan fácilmente el metal. La intensidad del brillo (brillo) de una fuente de este tipo es casi 10.000 veces mayor que la de una fuente con un alambre de tungsteno calentado, y los electrones emitidos por ella se pueden enfocar en un haz con un diámetro de aproximadamente 0,2 nm.

Los estudios RPEM se llevan a cabo en muestras ultrafinas. Los electrones emitidos por el cañón de electrones 1, acelerados por el fuerte campo eléctrico del ánodo 2, lo atraviesan y son enfocados por la lente magnética 3 sobre la muestra 5. Luego, el haz de electrones así formado atraviesa la muestra delgada casi sin dispersarse. En este caso, con la ayuda de un sistema magnético deflector 4, el haz de electrones se desvía secuencialmente en un ángulo determinado desde la posición inicial y explora la superficie de la muestra.

Los electrones dispersos en ángulos de más de unos pocos grados sin disminuir la velocidad se registran cuando caen sobre el electrodo anular 6 ubicado debajo de la muestra. La señal recogida por este electrodo depende en gran medida del número atómico de los átomos en la región a través de la cual pasan los electrones: los átomos más pesados dispersan más electrones hacia el detector que los átomos más ligeros. Si el haz de electrones se enfoca en un punto con un diámetro inferior a 0,5 nm, se pueden obtener imágenes de átomos individuales. Los electrones que no se han dispersado en la muestra, así como los electrones que se han ralentizado como resultado de la interacción con la muestra, pasan al orificio del detector de anillo. El analizador de energía 7, ubicado debajo de este detector, permite separar el primero del segundo. Las pérdidas de energía asociadas con la excitación de la radiación de rayos X o la eliminación de electrones secundarios de una muestra permiten juzgar las propiedades químicas de una sustancia en la región a través de la cual pasa el haz de electrones.

El contraste en TEM se debe a la dispersión de electrones cuando el haz de electrones atraviesa la muestra. Algunos de los electrones que pasan a través de la muestra se dispersan debido a colisiones con los núcleos de los átomos de la muestra, otros, debido a colisiones con los electrones de los átomos, y otros pasan sin sufrir dispersión. El grado de dispersión en cualquier región de la muestra depende del espesor de la muestra en esta región, su densidad y la masa atómica promedio (número de protones) en un punto dado.

La resolución de un EM está determinada por la longitud de onda efectiva de los electrones. Cuanto mayor sea el voltaje de aceleración, mayor será la velocidad de los electrones y más corta será la longitud de onda, lo que significa mayor será la resolución. La importante ventaja de los EM en el poder de resolución se explica por el hecho de que la longitud de onda de los electrones es mucho más corta que la longitud de onda de la luz.

Para realizar un análisis espectral local de la composición elemental, se registra la radiación de rayos X característica del punto irradiado de la muestra mediante espectrómetros de cristal o semiconductores. Un espectrómetro de cristal, utilizando un cristal analizador, resuelve la radiación de rayos X en longitudes de onda con alta resolución espectral, cubriendo la gama de elementos desde Be hasta U.

El uso de microscopios electrónicos de barrido condujo a la aparición del microscopio electrónico de trama de transmisión (de barrido) (PREM).

El sistema PREM (Fig. 16) es una combinación de los siguientes componentes:

Un cañón de electrones que acelera el haz de electrones con alto voltaje;

Lentes que comprimen fuertemente el haz de electrones y lo enfocan sobre la muestra en un punto con un diámetro de aproximadamente 20 nm; bobinas electromagnéticas para escanear firmas electrónicas;

Un generador que genera una señal de control para escanear el haz de electrones en la muestra y el monitor de televisión de salida;

Un detector (receptor) de radiación registrada en combinación con una ruta de conversión-amplificación, que iguala la intensidad de la radiación en una ubicación determinada de la muestra con el brillo de la imagen en una ubicación determinada de la pantalla del monitor.

Arroz. 16. Circuito PREM

La resolución depende de los siguientes factores:

Dimensiones del DE en la muestra;

La magnitud de la corriente en el DE, que asegura la intensidad de la señal en comparación con el fondo;

Un aumento en el tamaño del haz de electrones de sonda a medida que penetra en la muestra.

Una característica distintiva es la ausencia de lentes de aumento, ya que la ampliación se realiza mediante amplificación electrónica. Dependiendo de la radiación registrada (Fig. 1), los dispositivos reciben diferentes nombres:

Un microscopio electrónico de barrido, cuyos detectores están ubicados en el área sobre la muestra y registran electrones reflejados elásticamente o secundarios (lentos);

Microanalizador de rayos X que tiene detectores de rayos X característicos también ubicados encima de la muestra;

Espectrómetro Auger, que permite detectar electrones Auger eliminados de una capa superficial delgada y así determinar su composición;

Un microscopio electrónico de transmisión, que se obtiene colocando un detector debajo de una muestra y registrando los electrones que han sufrido difracción o han pasado a través de la muestra sin desviarse.

La imagen en la pantalla también puede formarse debido a los electrones absorbidos por la muestra, o debido a la captura de radiación electromagnética en el rango óptico: la catodoluminiscencia, que caracteriza la composición de dieléctricos y semiconductores.

Es natural suponer la creación de un dispositivo: una cosechadora que combina todas las funciones enumeradas, pero esto, por regla general, conduce a un deterioro de los parámetros, por lo que los dispositivos reales tienen un número limitado de funciones.

PREM tiene una serie de ventajas sobre FEM:

1. Aumentar la profundidad de penetración del haz de electrones y, por tanto, la posibilidad de transiluminar muestras más gruesas;

2. Instalación de lentes detrás de la muestra o sin lentes, por lo que no hay aberración cromática;

3. La capacidad de obtener un patrón de difracción a partir de un área muy pequeña de la muestra, comparable al tamaño de la sonda (20 nm). En un TEM convencional, la sección transversal de EF es significativamente mayor. Sin embargo, la resolución máxima de STEM es peor que la de TEM: para STEM no es mejor que el tamaño de la sonda (20 nm), y para TEM es teóricamente posible distinguir puntos a distancias de 0,15 nm;

4. La mayor ventaja del PREM se considera la determinación de la composición química de las muestras mediante el registro de la radiación de rayos X característica (microanálisis). Aquí es posible obtener el patrón de difracción y la composición química de la misma región muy pequeña, limitada por el tamaño de la sonda. Esta radiación de rayos X característica de las series K, L, M se produce si los electrones EP tienen suficiente energía para eliminar los electrones de los átomos, mientras que el nivel vacante está ocupado por otros electrones que emiten cuantos de rayos X con un cierto Longitud de onda característica de un elemento determinado, que permite determinar la composición del área de estudio.

5. Los altos voltajes utilizados en el PREM permiten obtener una radiación intensa.

6. La aparición de pérdidas de energía electrónica características de EP permite determinar elementos con valores Z pequeños, lo que, en combinación con el método anterior, amplía las posibilidades del análisis de composición.

La llegada de STEM marcó el comienzo de la microscopía electrónica analítica, que se utiliza ampliamente en la investigación científica.

Preparación de muestras para examen de microscopía electrónica..

Como ya se mencionó, la muestra u objeto de examen microscópico debe tener un espesor muy pequeño, alrededor de 0,3 - 0,5 micrones, cuando se utilice.

PEM con tensión de aceleración de hasta 200 kV. La superficie debe estar limpia de óxidos y diversos contaminantes. Durante el proceso de preparación de la muestra, se minimizan las influencias mecánicas, térmicas y de otro tipo que pueden provocar un cambio en su estructura en comparación con el material original de la pieza. Para obtener muestras metálicas finas (láminas), se utiliza con mayor frecuencia el pulido electrolítico. La muestra se corta de la pieza de trabajo mediante el método de chispa eléctrica, una sierra de diamante u otro método menos dañino. La forma que se le da a la muestra suele ser la de un disco con un diámetro de 3-4 mm, que corresponde a la forma y tamaño del asiento en el portaobjetos. Usando un material abrasivo fino, la muestra se lleva a un espesor de aproximadamente 100 micrones, y su superficie debe quedar pulida y libre de rayones ásperos.

A continuación, la muestra se pule en un electrolito estacionario o en una corriente de electrolito. Aquí se utiliza una amplia variedad de dispositivos y dispositivos (Fig. 17): desde simples pinzas hasta celdas electrolíticas con sensores fotoeléctricos para detener el pulido.

Arroz. 17. Diagrama de dispositivos de pulido electrolítico.

La propia muestra actúa como ánodo durante el proceso de pulido, como resultado de lo cual la muestra se vuelve más delgada y su superficie se alisa. El proceso de pulido finaliza con la aparición de un pequeño agujero en la muestra, cuyos bordes serán transparentes a los electrones.

Las composiciones de electrolitos para diversos materiales de muestra y modos de procesamiento están disponibles en numerosas publicaciones; sin embargo, ajustar el proceso para obtener láminas de alta calidad es siempre una tarea que requiere mucha mano de obra. El régimen térmico de la muestra y el electrolito es de gran importancia. Una mayor generación de calor puede provocar cambios en la estructura del material. Las principales dificultades para obtener una lámina de alta calidad están asociadas con la posible desprendimiento de gas en la muestra, lo que impide el grabado y determina correctamente el momento de finalización del pulido.

Para preparar una imagen a partir de materiales conductores, se utiliza grabado iónico (Fig. 18). El adelgazamiento en este método se produce eliminando capas de material con haces de iones, como el argón. Dos pistolas de iones forman haces que pulen simultáneamente dos superficies de la muestra.

Arroz. 18. Diagrama de un dispositivo de grabado iónico. 1 – suministro, 2 – muestra, haz de iones, 4 – salida al sistema de vacío, 5 – portamuestras

El método de grabado iónico tiene menor productividad que el pulido electrolítico. Sin embargo, cabe señalar que el grabado iónico también puede resultar útil para eliminar películas de óxido u hollín en una columna de microscopio. En los espectrómetros Auger, el grabado iónico se utiliza para eliminar capas de material de muestra en un estudio capa por capa, ya que los electrones Auger se excitan sólo en una capa superficial muy delgada del material.

Para estudiar la superficie, a partir de la cual se pueden juzgar muchos eventos dentro del material, a menudo se utilizan réplicas de la superficie. Al verlos en un TEM, aparece una imagen en la pantalla cuyo contraste está determinado por el grosor del material de la réplica. El método de réplica se utilizó con especial frecuencia antes de la aparición de la microscopía electrónica de barrido por reflexión.

El material de las réplicas puede ser varios tipos de polímeros, carbono, óxidos, algunos metales, como la plata; para aumentar el contraste en la imagen, se utiliza el sombreado del relieve de las réplicas mediante pulverización catódica en el vacío en un cierto ángulo para la superficie de finas capas de metal. Conociendo el ángulo de pulverización se puede estimar a partir de la sombra la altura del relieve estudiado.

Microscopía electrónica de barrido.

Ampliación del microscopio de transmisión.

En microscopía electrónica de transmisión, TEM. (Microscopía electrónica de transmisión, TEM) Los electrones se aceleran a 100 keV o más (hasta 1 MeV), se enfocan en una muestra delgada (menos de 200 nm de espesor) usando un sistema de lentes de condensador y pasan a través de la muestra desviados o no desviados. Las principales ventajas de TEM son su alto aumento, que oscila entre 50 y 10 6 , y su capacidad para obtener tanto una imagen como un patrón de difracción de la misma muestra.

La dispersión que sufren los electrones al pasar a través de una muestra determina el tipo de información obtenida. La dispersión elástica se produce sin pérdida de energía y permite observar patrones de difracción. Las colisiones inelásticas entre electrones primarios y electrones provenientes de heterogeneidades de la muestra, como límites de grano, dislocaciones, partículas de segunda fase, defectos, variaciones de densidad, etc., conducen a procesos complejos de absorción y dispersión que conducen a variaciones espaciales en la intensidad de los electrones transmitidos. En TEM, puede cambiar del modo de formar una imagen de una muestra al modo de registrar un patrón de difracción cambiando la intensidad del campo de las lentes electromagnéticas.

El alto aumento o resolución de todos los microscopios electrónicos de transmisión resulta de la pequeña longitud de onda efectiva del electrón X, que viene dada por la relación de De Broglie:

Donde m y q son la masa y la carga del electrón, h es la constante de Planck y V es la diferencia de potencial de aceleración. Por ejemplo, los electrones con una energía de 100 keV se caracterizan por una longitud de onda de 0,37 nm y pueden penetrar eficazmente una capa de silicio con un espesor de ~0,6 µm.

Resolución del microscopio de transmisión

Cuanto mayor sea el voltaje de aceleración de un microscopio electrónico de transmisión, mayor será su resolución espacial lateral. El límite teórico de la resolución del microscopio es proporcional a λ 3/4. Los microscopios electrónicos de transmisión con alto voltaje de aceleración (por ejemplo, 400 kV) tienen un límite de resolución teórico de menos de 0,2 nm. Los microscopios electrónicos de transmisión de alto voltaje tienen la ventaja adicional de una mayor penetración de electrones, ya que los electrones de alta energía interactúan menos fuertemente con la materia que los electrones de baja energía. Por tanto, los microscopios electrónicos de transmisión de alto voltaje pueden trabajar con muestras más gruesas. Una de las desventajas de TEM es su resolución de profundidad limitada. La información de dispersión de electrones en las imágenes TEM proviene de una muestra tridimensional pero se proyecta en un detector bidimensional. En consecuencia, la información estructural obtenida a lo largo de la dirección del haz de electrones se superpone en el plano de la imagen. Aunque el principal desafío de TEM es la preparación de muestras, no es tan relevante para los nanomateriales.

La difracción de área limitada (SAD) ofrece una oportunidad única para determinar la estructura cristalina de nanomateriales individuales, como nanocristales y nanobarras, y la estructura cristalina de partes individuales de una muestra. Cuando se observa la difracción desde un área limitada, las lentes del condensador se desenfocan para crear un haz paralelo que incide sobre la muestra y se utiliza una apertura para limitar el volumen involucrado en la difracción. Los patrones de difracción de un área confinada se utilizan a menudo para determinar el tipo de red de Bravais y los parámetros de la red de materiales cristalinos utilizando un algoritmo similar al utilizado en XRD. Aunque TEM no puede distinguir átomos, la dispersión de electrones es extremadamente sensible al material objetivo y se han desarrollado varios tipos de espectroscopia para el análisis químico elemental. Estos incluyen la espectroscopia de rayos X de energía dispersiva (EDAX) y la espectroscopia de pérdida de energía de electrones (EELS).

Microscopio electrónico de transmisión y nanotecnología.

En nanotecnología, TEM se utiliza no sólo para diagnóstico estructural y análisis químico, sino también para resolver otros problemas. Entre ellos se encuentra la determinación de los puntos de fusión de los nanocristales, donde se utiliza un haz de electrones para calentar los nanocristales y el punto de fusión se determina mediante la desaparición del patrón de difracción de electrones. Otro ejemplo es la medición de parámetros mecánicos y eléctricos de nanofilamentos y nanotubos individuales. El método permite obtener una correlación inequívoca entre la estructura y las propiedades de los nanocables.

Guozhong Cao Ying Wang, Nanoestructuras y nanomateriales: síntesis, propiedades y aplicación - M.: Mundo científico, 2012

La microscopía electrónica de transmisión es uno de los métodos de investigación de mayor resolución. Donde microscopio electrónico de transmisión(TEM) es un análogo de un microscopio óptico tradicional. La analogía es que un cambio en la trayectoria de propagación de un flujo de cuantos ópticos bajo la influencia de un medio refractivo (lentes) es similar al efecto de los campos magnéticos y eléctricos en la trayectoria de partículas cargadas, en particular electrones. La similitud, desde el punto de vista de enfocar electrones y formar una imagen del objeto en estudio, resultó ser tan cercana que las columnas electrón-ópticas de los primeros TEM magnéticos y electrostáticos se calcularon utilizando las dependencias de la óptica geométrica.

Como lentes de enfoque en los TEM modernos (Fig. 15.2), se utilizan bobinas electromagnéticas encerradas en un circuito magnético, que crean campos magnetostáticos de enfoque (Fig. 15.3). El núcleo magnético de la lente realiza dos funciones: aumenta la intensidad del campo

Arroz. 15.2.

1 - cañón de electrones; 2 - bloque de lentes de condensador; 3 - unidad de lente objetivo con portaobjetos; 4 - unidad de lentes de proyección; 5 - pantallas para visualización de imágenes; 6- fuente de alimentación de alto voltaje; sistema de 7 vacíos
(es decir, mejora su capacidad de enfoque) y le da una forma que garantiza la formación de una imagen que se acerque más al objeto. A diferencia de las lentes de vidrio, el poder refractivo de una lente magnética se puede cambiar fácilmente cambiando la corriente de excitación en el devanado. Gracias a esto, el aumento proporcionado por el microscopio se puede cambiar continuamente desde varios cientos hasta millones de veces.

Arroz. 15.3. Diagrama de una lente electromagnética de un microscopio electrónico: I- circuito magnético; 2 - bobina de excitación del campo magnético;

3- campo de enfoque del haz de electrones

En TEM, las muestras se "examinan" a contraluz. Es decir, se irradian con un haz de electrones y se obtiene la información necesaria en forma de imagen formada a partir de electrones que atraviesan la muestra. Cada imagen consta de áreas de cierto tamaño que difieren en brillo. Estas diferencias en TEM surgen debido al hecho de que los electrones, al pasar a través del medio denso de la muestra, se dispersan en ella (parcialmente absorbidos, cambian la dirección del movimiento y, por regla general, pierden parte de su energía). Además, la distribución angular de los electrones que pasan a través de la muestra transporta información sobre la densidad de la muestra, su espesor, composición elemental y características cristalográficas.

Arroz. 15.4. Absorción del flujo de electrones en una muestra amorfa de película delgada que tiene una región de mayor densidad: A - b- distribución de densidad actual j

Arroz. 15.5. Absorción del flujo de electrones en una muestra amorfa de película delgada de espesor variable: A - pasar un flujo de electrones a través de la muestra; b - distribución de densidad actual j en el flujo de electrones que pasa a través de la muestra

Por tanto, las regiones que contienen átomos más pesados dispersan los electrones en ángulos mayores y provocan una absorción más eficiente (figura 15.4). De manera similar, las regiones de una muestra amorfa que son más gruesas desvían y absorben electrones en mayor medida que las regiones más delgadas (Figura 15.5). Si, utilizando lentes, el plano de la muestra y el plano del receptor-convertidor coinciden ópticamente, aparecerá una imagen ampliada en la superficie de este último.

Si la muestra es un cristal o policristalino, la interacción de un haz de electrones de onda plana con la red cristalina produce un patrón de difracción (Figura 15.6). La geometría de esta imagen se describe mediante la ecuación de Wulf-Bragg, conocida en los cursos de física, y está relacionada únicamente con los parámetros cristalográficos de la muestra. Conociendo la energía de los electrones irradiantes, estos parámetros se pueden establecer con gran precisión. Para obtener una imagen ampliada de dicho patrón (patrón de difracción), es suficiente hacer coincidir ópticamente el plano de formación del patrón de difracción (está ubicado detrás del plano de muestra) y el plano del receptor-convertidor.

Arroz. 15.6. Patrones de difracción de electrones obtenidos a partir de monocristalinos y policristalinos. (b) muestras

Para visualizar estas imágenes, los electrones transmitidos se enfocan en la superficie del receptor-convertidor mediante un sistema de lentes (objetivo, intermedio, etc.). En este caso, de todos los electrones que han pasado a través de la muestra, se aíslan los electrones dispersos en ángulos grandes o los no dispersos (con menos frecuencia, los electrones dispersos en ángulos pequeños se utilizan para formar una imagen, generalmente en difracción de ángulo pequeño). En el primer caso, las áreas caracterizadas por un bajo poder de dispersión aparecen más oscuras en la imagen resultante (este es el llamado modo de formación de imágenes de campo oscuro), y en el segundo caso ocurre lo contrario (modo de campo claro).

El diagrama esquemático del TEM se muestra en la Fig. 15.7. El microscopio consta de un cañón de electrones y un sistema de lentes electromagnéticas que forman una columna electroóptica ubicada verticalmente en la que se mantiene un vacío de 10 -3 h-10~ 2 Pa. El sistema de iluminación del microscopio incluye un cañón de electrones y un condensador de dos lentes. Un cañón de electrones, generalmente termoiónico, consta de un cátodo (un filamento calentado de W o LaB 6), que emite electrones, un electrodo de control (se le aplica un potencial negativo en relación con el cátodo) y un ánodo en forma de un plato con un agujero. Entre el cátodo y el ánodo se crea un potente campo eléctrico con una tensión de aceleración de 100-150 kV.

Cabe señalar que existe una pequeña clase de los llamados microscopios de voltaje ultra alto, en el que el voltaje de aceleración puede alcanzar varios megavoltios. Al aumentar la velocidad, la longitud de onda disminuye (A. = h/mv-h/(2teU) 0 5) electrón. A medida que disminuye la longitud de onda, aumenta la resolución del sistema óptico de cualquier microscopio, incluido el TEM. Un aumento de la tensión de aceleración conduce además a un aumento de la capacidad de penetración de los electrones. Con voltajes de funcionamiento de 1000 kV y más, es posible estudiar muestras con un espesor de hasta 5-10 micrones.

Arroz. 15.7.

1 - cátodo; 2 - ánodo; 3 - primer condensador; 4 - segundo condensador;
5 - corrector de ajuste; 6 - mesa goniométrica con portaobjetos;
7 - diafragma de apertura; 8 - diafragma sectorial; 9 - lente intermedia;
10 - lente de proyección; 11 - receptor-convertidor;
12 - apertura del campo de visión; 13 - estigmatizador de lente intermedia;
14 - lente objetivo estigmatizador; 15 - lente objetiva;
16 - objeto en estudio; 17- estigmatizador del segundo condensador;
18 - diafragma del segundo condensador; 19 - primer diafragma del condensador; 20 - electrodo de control

Sin embargo, al estudiar materiales en un TEM de alto voltaje, es necesario tener en cuenta la formación en su estructura de defectos de radiación como pares de Frenkel e incluso complejos de defectos puntuales (bucles de dislocación, poros vacíos) durante una exposición prolongada bajo un haz de electrones de alta energía. Por ejemplo, en el aluminio, la energía umbral de mezclar un átomo de un sitio de la red cristalina para un haz de electrones es 166 eV. Estos microscopios electrónicos son herramientas eficaces para estudiar la apariencia y evolución de los defectos de radiación en sólidos cristalinos.

Al pasar a través del orificio del ánodo, el haz de electrones ingresa a los condensadores y al corrector de alineación, donde finalmente el haz de electrones se dirige a la muestra en estudio. En TEM, se utilizan lentes de condensador para regular y controlar el tamaño y el ángulo de irradiación de la muestra. Además, utilizando los campos de las lentes objetivo y de proyección, se forma una imagen de información en la superficie del receptor-convertidor.

Para estudios de microdifracción, el microscopio incluye un diafragma selector móvil, que en este caso sustituye al de apertura. Para mayor versatilidad, se instala una lente adicional en el TEM entre el objetivo y las lentes intermedias. Mejora la nitidez de la imagen en todo el rango de aumento. El objetivo principal de la lente es garantizar una transición rápida al modo de investigación de difracción de electrones.

Se puede utilizar una pantalla luminiscente como receptor-convertidor, donde el flujo de electrones se convierte en un flujo de radiación óptica en la capa de fósforo. En otro diseño, el receptor-convertidor incluye una matriz sensible (placas de microcanales seccionadas, convertidores electroópticos de matriz, matrices CCD (abreviado como "dispositivo de carga acoplada")), en las que el flujo de electrones se convierte en una señal de video. y este último se muestra en la pantalla del monitor y se utiliza para crear una imagen de televisión.

Los TEM modernos proporcionan una resolución de hasta 0,2 nm. En este sentido, se acuñó el término “microscopía electrónica de transmisión de alta resolución”. La ampliación útil de la imagen final puede ser de hasta 1 millón de veces. Es interesante observar que con un aumento tan grande, un detalle estructural de 1 nm en la imagen final tiene un tamaño de sólo 1 mm.

Dado que la imagen se forma a partir de electrones que atraviesan una muestra, esta última, debido a la baja capacidad de penetración de los electrones, debe tener un espesor pequeño (generalmente décimas y centésimas de micrómetro). Existe una regla empírica según la cual el espesor de la muestra no excede la resolución requerida en más de un orden de magnitud (para una resolución ultraalta de 0,2 nm, esta regla ya no funciona). Como resultado, la muestra se prepara en forma de lámina o película de carreras, llamada réplica.

Dependiendo de cómo se prepare la muestra, su examen puede ser directo, indirecto o mixto.

Método directo proporciona la información más completa sobre la estructura del objeto. Consiste en adelgazar la muestra masiva inicial hasta el estado de una película delgada, transparente o translúcida para los electrones.

Diluir una muestra es un proceso que requiere mucha mano de obra, ya que el uso de dispositivos mecánicos en la última etapa es imposible. Normalmente, la muestra se corta en placas de tamaño milimétrico, que previamente se pulen mecánicamente hasta un espesor de ~50 μm. Luego, la muestra se somete a grabado iónico de precisión o pulido electrolítico.

(a doble cara o en el reverso de la superficie que se examina). Como resultado, se adelgaza hasta un espesor de ~ 100-1000 A.

Si la muestra tiene una composición compleja, se debe tener en cuenta que la tasa de erosión de diferentes materiales durante la pulverización catódica y el electropulido es diferente. De este modo, la capa resultante no proporciona información directa sobre toda la muestra original, sino sólo sobre la capa superficial extremadamente delgada que queda después del grabado.

Sin embargo, esta situación no es crítica si la muestra en sí es una estructura delgada, por ejemplo, una película epitaxial desarrollada o un polvo nanodisperso.

En algunos casos, generalmente relacionados con materiales plásticos no metálicos, como objetos orgánicos y biológicos, se cortan películas delgadas para investigación a partir de una muestra original masiva utilizando dispositivos especiales llamados ultramicrótomos (fig. 15.8). ultramicrotomo Es una guillotina en miniatura con un accionamiento de precisión (generalmente piezocerámico) para mover la muestra debajo del cuchillo. El espesor de la capa cortada por el dispositivo puede ser de unos pocos nanómetros.

Arroz. 15.8.

En algunos casos, las películas también se obtienen por deposición física al vacío sobre sustratos solubles en agua (NaCl, KS1).

Cuando se investiga mediante microscopía electrónica de transmisión, es posible estudiar la estructura de dislocaciones de los materiales (ver, por ejemplo, Fig. 2.28), determinar los vectores de dislocaciones de Burgers, su tipo y densidad. Además, utilizando TEM, es posible estudiar acumulaciones de defectos puntuales (incluidos los de radiación), fallas de apilamiento (con determinación de su energía de formación), fronteras gemelas, fronteras de grano y subgrano, precipitados de segundas fases (con identificación de su composición). , etc.

A veces, los microscopios están equipados con accesorios especiales (para calentar o estirar la muestra durante el proceso de investigación, etc.). Por ejemplo, cuando se utiliza un accesorio que permite estirar la lámina durante el proceso de investigación, se observa la evolución de la estructura de dislocación durante la deformación.

Al estudiar con el método TEM, también es posible realizar análisis de microdifracción. Dependiendo de la composición del material en el área de estudio, los diagramas (patrones de difracción de electrones) se obtienen en forma de puntos (las muestras son monocristales o policristales con granos que exceden el área de estudio), continuos o formados por reflexiones individuales. El cálculo de estos patrones de electrones es similar al cálculo de los patrones de Debye de rayos X. Mediante el análisis de microdifracción, también es posible determinar las orientaciones de los cristales y las desorientaciones de los granos y subgranos.

Los microscopios electrónicos de transmisión con un haz muy estrecho permiten, basándose en el espectro de pérdidas de energía de los electrones que atraviesan el objeto en estudio, realizar un análisis químico local del material, incluido el análisis de elementos ligeros (boro, carbono, oxígeno, nitrógeno). .

método indirecto está asociado con el estudio no del material en sí, sino de réplicas de películas delgadas obtenidas de su superficie. Se forma una película delgada sobre la muestra, repitiendo la estructura superficial de la muestra hasta el más mínimo detalle, y luego se separa mediante técnicas especiales (Fig. 15.9).

El método se implementa mediante la deposición al vacío de una película de carbono, cuarzo, titanio u otras sustancias sobre la superficie de una muestra, que luego se separa con relativa facilidad de la muestra, o mediante la oxidación de la superficie (por ejemplo, cobre), produciendo Películas de óxido fácilmente eliminables. Aún más prometedor es el uso de réplicas en forma de películas de polímero o barniz aplicadas en forma líquida a la superficie de la sección pulida.

El método indirecto no requiere costosos microscopios de alto voltaje. Sin embargo, es significativamente inferior al método directo en términos de contenido informativo. En primer lugar, excluye la posibilidad de estudiar las características cristalográficas de la muestra, así como evaluar las características de su fase y composición elemental.

Arroz. 15.9.

En segundo lugar, la resolución de la imagen resultante suele ser peor. La ampliación útil de tales imágenes está limitada por la precisión de la propia réplica y alcanza, en el mejor de los casos, (para réplicas de carbono) (1-2) 10 5 .

Además, pueden aparecer distorsiones y artefactos durante el proceso de fabricación de la propia réplica y su separación de la muestra original. Todo esto limita la aplicación del método. Muchos problemas asociados con la investigación por el método indirecto, incluida la fractografía, se resuelven actualmente mediante métodos de microscopía electrónica de barrido.

Tenga en cuenta que el método de deposición de una capa delgada sobre la superficie de una muestra también se utiliza en el estudio directo de objetos adelgazados. En este caso, la película creada proporciona un aumento en el contraste de la imagen generada. Se rocía un material que absorbe bien los electrones (Au, Mo, Cu) sobre la superficie de la muestra en un ángulo agudo para que se condense más en un lado de la protuberancia que en el otro (figura 15.10).

Arroz. 15.10.

Método mixto A veces se utiliza en el estudio de aleaciones heterofásicas. En este caso, la fase principal (matriz) se estudia mediante réplicas (método indirecto) y las partículas extraídas de la matriz en una réplica se estudian mediante un método directo, incluida la microdifracción.

En este método, la réplica se corta en pequeños cuadrados antes de la separación y luego la muestra se graba según un régimen que garantiza la disolución del material de la matriz y la preservación de las partículas de otras fases. El grabado se realiza hasta que la película de réplica se separa completamente de la base.

El método mixto es especialmente conveniente para estudiar fases finamente dispersas en una matriz con una fracción de volumen baja. La falta de estructura propia de la réplica permite estudiar patrones de difracción de partículas. Con el método directo, es extremadamente difícil identificar y separar dichos patrones del patrón de la matriz.

En relación con el desarrollo de la nanotecnología y, especialmente, de los métodos para producir polvos ultrafinos y nanométricos (fulleroides, NT, etc.), este método ha despertado un gran interés entre los investigadores por TEM. Las partículas ultrafinas y nanométricas que se van a estudiar se depositan en una membrana muy delgada que es casi transparente a los haces de electrones y luego se colocan en una columna TEM. De este modo es posible observar su estructura directamente, casi de la misma manera que con un microscopio óptico convencional, sólo que con una resolución incomparablemente mayor.

Microscopio electrónico de transmisión con cátodo de emisión de campo, filtro de energía OMEGA, sistema de iluminación Köhler (patentado por Carl Zeiss SMT): el microscopio está diseñado para trabajar con alta resolución.

Microscopio electrónico de transmisión Zeiss Libra 200FE

Libra 200 FE es un microscopio electrónico de transmisión analítico para investigar muestras biológicas y de estado sólido. Equipado con un emisor de emisión de campo altamente eficiente y un filtro de energía OMEGA para realizar mediciones precisas y de alta resolución de la red cristalina y la composición química de objetos de tamaño nanométrico. Imágenes tomadas en el IRC en el campo de la Nanotecnología.

Principales características del microscopio:

Tensión de aceleración:

200 kilos, 80 kilos, 120 kilos.

Aumentar:

en modo TEM (TEM) 8x - 1.000.000x;
en modo STEM 2.000x - 5.000.000x;
en modo EELS 20x - 315x.

Resolución límite:

en modo TEM 0,12 nm;
en modo STEM 0,19 nm.

Resolución del espectrómetro ELS (EELS): energía 0,7 eV.

- microscopía electrónica de alta resolución (HREM);
- microscopía electrónica de transmisión (TEM);
- microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM);
- TEM con filtrado de energía;
- difracción de electrones (ED);
- ED en haz convergente (CBED);
- microscopía electrónica analítica (EELS, EDS);
- Contraste Z;
- observación de un objeto en el rango de temperatura de -170 o C a 25 o C.

Áreas de uso:

- caracterización de la red cristalina y la naturaleza química de los nanoobjetos;
- análisis local de composición elemental;
- análisis de la perfección estructural de heteroestructuras multicapa para micro y optoelectrónica;
- identificación de defectos en la red cristalina de materiales semiconductores;
- estructura fina de objetos biológicos.

Requisitos de muestra:

El tamaño de muestra estándar en el plano del soporte TEM es de 3 mm de diámetro. Espesores típicos para FEM, por ejemplo: aleaciones de aluminio, materiales semiconductores FEM - 1000 nm; HREM - 50 nm.

Detector de rayos X de energía dispersiva X-Max

Tipo de espectrómetro – energía dispersiva (EDS).

Tipo de detector – Detector analítico de deriva de silicio (SDD): X-Max;
área de cristal activo – 80 mm 2;
refrigeración sin nitrógeno (Peltier);
deslizador motorizado.

Resolución espectral – 127 eV (Mn), corresponde a ISO 15632:2002;

Sensibilidad a la concentración – 0,1%.

Porta imágenes para LIBRA 200

Gatan Modelo 643. Soporte analítico de un solo eje

Diseñado para aplicaciones analíticas y de imágenes, como difracción de electrones y análisis EDX de muestras TEM donde no se requieren dos ejes de inclinación de la muestra.

Características principales:

velocidad de deriva 1,5 nm/min
material del soporte berilio
ángulo de inclinación máximo 60ᵒ

Gatan Modelo 646. Soporte analítico biaxial

Diseñado para imágenes de alta resolución, el soporte incluye características de diseño optimizadas para difracción de electrones y análisis EDX de muestras cristalinas.

Características principales:

velocidad de deriva 1,5 nm/min
resolución 0,34 nm con ángulo de inclinación cero
tamaño de muestra 3 mm de diámetro, 100 micrones de espesor
material del soporte berilio
ángulos de inclinación α =60ᵒ β = 45ᵒ

Gatan Modelo 626. Soporte analítico de transferencia crio uniaxial

El soporte criogénico se utiliza en aplicaciones para estudios de baja temperatura de muestras hidratadas congeladas. También se puede utilizar para estudios in situ de transiciones de fase y la reducción de la contaminación resultante de la migración de carbono, lo que reduce los efectos térmicos no deseados en EELS.

Características principales:

velocidad de deriva 1,5 nm/min
resolución 0,34 nm con ángulo de inclinación cero
tamaño de muestra 3 mm de diámetro, 100 micrones de espesor
nitrógeno líquido criógeno
material del soporte cobre
ángulo de inclinación máximo 60ᵒ

Estación de trabajo modelo 626

Gatan Modelo 636. Soporte analítico criobiaxial

El soporte criogénico se utiliza en aplicaciones para estudios de bajas temperaturas, transiciones de fase in situ y reducción de la contaminación debida a la migración de carbono. También se puede utilizar para reducir los efectos térmicos no deseados en los métodos analíticos EELS y EDX.

Características principales:

velocidad de deriva 1,5 nm/min
resolución 0,34 nm con ángulo de inclinación cero
tamaño de muestra 3 mm de diámetro, 100 micrones de espesor
Máx. temperatura de funcionamiento 110ᵒС
mín. temperatura de funcionamiento - 170ᵒС
nitrógeno líquido criógeno
estabilidad de temperatura ± 1ᵒС
tiempo de enfriamiento 30 minutos a -170ᵒС
material del soporte berilio
ángulos de inclinación α =60ᵒ β = 45ᵒ

Gatan Modelo 652. Soporte analítico biaxial con calentamiento

El soporte con capacidad para calentar la muestra está diseñado para la observación in situ de cambios de fase microestructurales, nucleación, crecimiento y disolución durante temperaturas elevadas.