Resultado de Aprendizaje

j. Alejandro Valdez Salazar

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA GRAL. MARIANO ESCOBEDO

Microscopía es el conjunto de técnicas y métodos destinados a hacer visible los objetos de estudio que por su pequeñez están fuera del rango de resolución del ojo normal.

Si bien el microscopio es el elemento central de la microscopía, el uso del mismo se requiere para producir las imágenes adecuadas, de todo un conjunto de métodos y técnicas afines pero extrínsecas al aparato. Algunas de ellas son, técnicas de preparación y manejo de los objetos de estudio, técnicas de salida, procesamiento, interpretación y registro de imágenes, etc.

Figura 1. Escala de tamaños capaces de ser visualizados por diferentes tipos de microscopios.

Principios generales de la Microscopía Electrónica de Barrido (Scanning Electron Microscope, SEM).

El fundamento del SEM radica en que los electrones emitidos por un cátodo de tungsteno pasan a través de una columna en la que se ha hecho un vacío de alrededor de 10-7 Torr. En ella, el haz inicial es concentrado por una serie de lentes electromagnéticas (condensadora, objetivo) (Fig.2) desde unos 25.000-50.000 nm hasta unos 1O nm; es decir, su diámetro va disminuyendo hasta hacerse casi puntual. Al mismo tiempo, la intensidad de corriente se disminuye desde unos 10-14 Á hasta unos 10-10-10-12 Á.

Esta disminución en la intensidad implica una menor cantidad de electrones primarios ya que la intensidad inicial de 10-14 Á supone una emisión de 1015 e-/seg, mientras que en la definitiva, de 10-12 Á, es de 6.106 e-/seg.

Figura 2. Componentes de la “Óptica” del SEM convencional.

Tipos de señales emitidas por la muestra.

Existen señales que se producen por la interacción entre eL haz electrónico y la muestra que son, en definitiva, las que darán lugar a la formación de la imagen.

Estas señales pueden ser clasificadas en tres grupos con arreglo a su categoría:

a) Señales con carácter de ondas electromagnéticas, tales como rayos X y catodoluminiscencia.

b) Señales compuestas por e-, que incluyen e- reflejados ("backscattered"), secundarios, transmitidos y absorbidos.

e) Solamente en el caso de especímenes semiconductores, señales de fuerza electromotriz (f.e.m.).

De estos tres tipos de señales solamente interesan aquellas compuestas por e -

y, en particular, las debidas a los e- secundarios y a los reflejados ya que son éstos los que serán recogidas por el detector y, finalmente, expresadas en términos de brillos y oscuros sobre la pantalla del ORC.

La procedencia de los e- varía; algunos e- del haz pueden penetrar en la muestra perdiendo energía y distribuírse dentro de ella bajo diferentes ángulos.

Figura 3. Tipos de señales emitidas por una muestra en el SEM tras su interacción con el haz electrónico.

Figura 4. Volumen relativo de interacción de electrones en muestras sólidas.

Preparación de la muestra.

La preparación de las muestras es relativamente fácil ya que la mayoría de los SEM sólo requieren que estas sean conductoras. De esta forma, la muestra generalmente es recubierta con una capa de carbono o una capa delgada de un metal como el oro para conferirle carácter conductor. Posteriormente, se barre la superficie con electrones acelerados que viajan a través del cañón. Un detector formado por lentes basadas en electroimanes, mide la cantidad e intensidad de electrones que devuelve la muestra, siendo capaz de mostrar figuras en tres dimensiones mediante imagen digital. Su resolución está entre 4 y 20 nm, dependiendo del microscopio.

Principios generales de la Microscopía Electrónica de Transmisión (Electronic Transmition Microscopy TEM).

Cuando los electrones son acelerados a altos niveles de energía (pocos cientos keV) y se enfocan en un material, se pueden dispersar o retrodispersar elástica o inelásticamente, o producir muchas interacciones, producto de señales diferentes, como los rayos X, electrones Auger o luz. Algunos de ellos se utilizan en la microscopía electrónica de transmisión (TEM).

En un TEM, los electrones son acelerados a alta tensión (100-1000 kV) a una velocidad cercana a la velocidad de la luz (entre 0.6 y 0.9c); por lo tanto, deben ser considerados como partículas relativistas.

La longitud de onda asociada es de cinco órdenes de magnitud menor que la longitud de onda de luz (desde 0.04 hasta 0.008 Å). Sin embargo, las aberraciones de lentes magnéticas limitan el ángulo de convergencia del haz

de electrones a 0,5° (en lugar de 70° para el lente de vidrio de la óptica), y reducir la resolución TEM al orden Å. Esta resolución permite obtener imágenes de materiales y determinación de la estructura a nivel atómico.

Estructura.

Debido a que los electrones tienen una longitud de onda mucho menor que la de la luz visible, pueden mostrar estructuras mucho más pequeñas.

Las partes principales de un microscopio electrónico de transmisión son:

Cañón de electrones: que emite los electrones que chocan o atraviesan el espécimen (dependiendo que tipo de microscopio electrónico es), creando una imagen aumentada.

Lentes magnéticas para crear campos que dirigen y enfocan el haz de electrones, ya que las lentes convencionales utilizadas en los microscopios ópticos no funcionan con los electrones.

Sistema de vacío es una parte muy importante del microscopio electrónico. Debido a que los electrones pueden ser desviados por las moléculas del aire, se debe hacer un vacío casi total en el interior de un microscopio de estas características.

Placa fotográfica o pantalla fluorescente que se coloca detrás del objeto a visualizar para registrar la imagen aumentada.

Sistema de registro que muestra la imagen que producen los electrones, que suele ser un ordenador.

El microscopio electrónico de transmisión emite un haz de electrones dirigido hacia el objeto que se desea aumentar. Una parte de los electrones rebotan o son absorbidos por el objeto y otros lo atraviesan formando una imagen aumentada de la muestra.

Figura 5. Partes de el Microscopio Electrónico de Transmisión.

Muestras y porta-muestras:

Debe ser transparente a los electrones (espesor entre 10 y 500 nm). Muestra sobre rejilla o anillo circular perpendicular al eje óptico del

microscopio y cerca del foco de la lente objetivo. Las partículas pequeñas, microorganismos, virus y macromoléculas

necesitan una película que actúe de soporte. La muestra puede desplazarse lateralmente ± 1mm. La muestra se puede girar 360º. La muestra se puede inclinar ± 60º. Algunos porta-muestras se pueden calentar.

Microscopía de Fuerza Atómica

El Microscopio de Fuerza Atómica monitorea la superficie de la muestra con una punta de radio de curvatura de 20 a 60 nm que se localiza al final de un cantilever. Las fuerzas entre la punta y la muestra provocan la deflexión del cantilever, simultáneamente un detector mide esta deflexión a medida que la punta se desplaza sobre la superficie de la muestra generando una micrografía de la superficie. La fuerza interatómica que contribuye a la deflexión del cantilever es la fuerza de Van der Waals.

La Figura 6 muestra la magnitud de deflexión del cantilever como una función de la distancia entre la punta y la muestra. También, se muestran dos intervalos de operación: de contacto y no contacto. Para el primer intervalo de operación, el cantilever se mantiene a pocos angstroms de la superficie de la muestra y la fuerza interatómica entre el cantilever y la muestra es repulsiva.Para el segundo, el cantilever se mantiene a decenas de angstroms de la superficie de la muestra y la fuerza interatómica entre la punta y la muestra es atractiva.

Figura 6. Magnitud de deflexión del cantilever como función de la distancia entre la punta y la muestra

El Microscopio de Fuerza Atómica utiliza múltiples modos de operación de acuerdo a las características físicas de la muestra y de las propiedades a medir.

Contacto: Mide la topografía de la muestra deslizando la punta sobre su superficie.

Tapping: También llamado contacto intermitente, mide la topografía de la muestra tocando intermitentemente su superficie.

Imagen de Fase: Proporciona una imagen contrastada generada por las diferencias de adhesión en la superficie de la muestra.

No Contacto: Mide la topografía de acuerdo a las fuerzas de Van der Waals que existen entre la superficie de la muestra y la punta.

Fuerza Magnética: Mide el gradiente de fuerza magnética sobre la superficie de la muestra.

Fuerza Eléctrica: Mide el gradiente de fuerza eléctrica sobre la superficie de la muestra.

Potencial de Superficie: Mide el gradiente de campo eléctrico sobre la superficie de muestra.

Modo Lift: Técnica que utiliza dos modos de operación usando la información topográfica para mantener la punta a una altura constante sobre la superficie.

Modulación de Fuerza: Mide la elasticidad/suavidad relativa de la superficie de las muestras.

Fuerza Lateral: Mide la fuerza de fricción entre la punta y la superficie de las muestras.

Microscopía de Tunelamiento: Mide la topografía de superficie de la muestra utilizando la corriente de tunelamiento.

Microscopía Electroquímica: Mide la estructura de la superficie y las propiedades de los materiales conductores inmersos en soluciones electrolíticas.

Litografía: Se emplea una punta especial para grabar información sobre la superficie de muestra.

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