Técnicas basadas en la interacción de electrones con una

muestra

En esta sección veremos básicamente dos técnicas: la microscopía electrónica de

barrido (en inglés SEM, Scanning Electron Microscopy) y la microscopía electrónica de

transmisión (TEM, Transmission Electron Microscopy. El TEM fue inventado en el año

1931 y su rango de operación va desde aproximadamente 100 micras hasta la resolución

atómica, normalmente 0.1 nm. El SEM fue inventado un poco después en 1942 y su

rango de operación va desde alrededor las 500 micras hasta 1 a 2 nm.

Como se puede observar un aspecto muy relevante de las microscopías en base a

electrones es su poder resolutivo. Cuando discutimos la microscopía óptica llegamos a

la conclusión que un microscopio óptico puede tener una resolución máxima de 0.2

micras (de acuerdo a la relación, Resolución = 0.61λ/NA). También podemos considerar

esta ecuación para las técnicas con electrones. De Broglie mostró que una partícula

moviéndose a una velocidad cercana a la de la luz tenía una λ asociada con ella. Esta

relación está expresada por:

donde λ es la longitud de onda, h la constante de Planck, m la masa de la partícula y v

su velocidad. Por lo tanto si la partícula es un electrón y su velocidad 1/3 de la

velocidad de la luz, λ= 0.05 Å. que es 100.000 veces más corta que la luz verde del

visible. Por lo tanto, la resolución de un microscopio que emplee este tipo de radiación

será mucho mejor que la de un microscopio óptico. Esa longitud de onda será más corta

cuanto mayor sea la velocidad a la que se mueven los electrones, es decir cuanto mayor

sea su voltaje de aceleración. La resolución teórica sería un número mucho más

pequeño que el informado arriba pero esa resolución teórica está limitada por la calidad

de las lentes electromagnéticas1 que se usan en ambas técnicas.

1 Generalmente las lentes presentan aberraciones que limitan la resolución de la técnica

Figura 1. Intervalo de operación del SEM y TEM en comparación con la microscopía

óptica.

Interacciones electrones-muestra

Cuando un haz de electrones de un microscopio incide sobre la muestra se produce una

serie de interacciones que delimitan un volumen de interacción (muchas veces llamado

pera de interacción). Esas interacciones son por una parte son responsables como

veremos más delante de las imágenes observadas y por otra parte originan distintas

radiaciones secundarias que pueden utilizarse para obtener una información

complementaria. Si la muestra es lo suficientemente delgada una gran fracción de los

electrones incidentes lograrán atravesarla (electrones transmitidos). Parte de los

electrones incidentes pueden ser retro-dispersados (o retro-reflejados) por los núcleos

del propio material alcanzando la superficie desde zonas profundas del material (en

inglés se conocen como backscattered electrons). Como resultado de la interacción de

los electrones incidentes o del haz de electrones retro-dispersado con la muestra,

algunos electrones de la superficie de la muestra pueden ser expulsados lo que se

conoce como haz de electrones secundarios. También como resultado de esa interacción

y expulsión los átomos que forman el material buscan el estado electrónico de equilibrio

o de relajación dando lugar a la emisión de rayos X o a la expulsión de electrones de

orbitales externos (electrones Auger).

Figura 2. Interacciones electrón/muestra. Volumen de interacción mostrando algunas de

las señales que se pueden producir.

La profundidad de esa pera de interacción dependerá del número atómico que tenga la

muestra y del voltaje de aceleración de los electrones que forman el haz. Cuanto más

grande es el voltaje de aceleración más grande será la zona de penetración y cuanto más

grande sea el número atómico más pequeña será el área de interacción.

Figura 3. Volumen de interacción en función del voltaje de aceleración del haz de

electrones y del número atómico de la muestra.

SEM y TEM: dispositivo experimental

Ambos microscopios cuentan con una columna que debe estar en vacío2 donde se

encuentran los siguientes componentes:

1. Cañón de electrones

2. Sistema de lentes electromagnéticas

3. Detectores

El cañón de electrones, es la fuente emisora del haz de electrones. Está constituido por

un filamento (cátodo) que se calienta por el pasaje de una corriente, emitiendo

electrones que son acelerados hacia un ánodo con apertura circular que deja pasar el

haz de electrones hacia la columna del microscopio.3 Cuanto mayor sea la energía de

aceleración, menor será la longitud de onda, aumentando la resolución la resolución de

la técnica. El voltaje de aceleración de un microscopio electrónico de barrido se

encuentra entre 2kV y 50 kV. En cambio en el TEM puede ir desde 100 kV hasta 1250

kV.

El sistema de lentes está formado básicamente por lentes condensadores y objetivo. En

el caso del TEM, las lentes condensadores focalizan el haz de electrones, mientras que

la lente objetivo forma la imagen. En el caso del SEM las lentes condensadora y

objetivo están encargadas de focalizar y reducir a un diámetro muy pequeño el haz de

electrones producido por el filamento.

En el SEM la columna tiene también unas bobinas de barrido que permiten que el haz

pueda escanear la muestra. Encima de la muestra se encuentra los detectores tanto de los

electrones secundarios como los retro-reflejados, que son básicamente las dos señales

típicas que forman las imágenes de SEM.

En el caso del TEM la detección se puede hacer a través de una pantalla fluorescente

ubicada por debajo de la muestra. La pantalla del microscopio electrónico de

transmisión está recubierta por una pintura de fluoruros de Zn y Cd, que fluoresce

cuando es bombardeada por electrones, generando una imagen en el rango de las

longitudes de onda del visible. La captura de la imagen se puede hacer con una cámara

fotográfica o una cámara CCD ubicada por debajo de la pantalla fluorescente (la cual

debe retirarse cada vez que se realiza una foto).

2 Trabajar en vacío es una obligación ya que sino los electrones no llegaría a la muestra o de llegar lo

harían muy frenados y sufriendo muchas aberraciones. 3 Hoy en día también existen otros filamentos que no necesitan ser calentados para emitir electrones,

sólo lo hacen con la aplicación de un voltaje y son los llamados filamentos de emisión de campo.

Figura 4. Esquema de la isntrumentación SEM y TEM.

Microscopía electrónica de Barrido (SEM)

El microscopio electrónico de barrido es una herramienta poderosa para el estudio de la

morfología y topografía de las superficies. También puede dar información

composicional y representa una herramienta de grandísima utilidad para la

nanofabricación. Ya discutimos la gran resolución que tiene el SEM comparado con un

microscopio óptico pero también la microscopia electrónica presenta otra gran ventaja

que es la gran profundidad de campo. La profundidad de campo es la capacidad de tener

enfocados a la vez dos puntos que se encuentran a distinta altura. Esta capacidad

permite, por ejemplo, realizar estudios de superficies de fractura a grandes aumentos,

que sería imposible en microscopía óptica.

La microscopía electrónica de barrido se basa en la detección de los electrones

secundarios y los electrones retro-dispersados. Como ya se mencionó los electrones

secundarios son los electrones que son expulsados de las capas más externas de los

átomos superficiales por el haz incidente. Estos electrones emergen de la superficie con

una energía inferior a 50 eV. La señal de los electrones secundarios es la que se emplea

normalmente para obtener una imagen de la muestra y nos da una imagen más real de la

topografía de la muestra ya que esta señal es meramente superficial.

La señal de los electrones retro-dispersados está compuesta por aquellos electrones que

emergen de la muestra con una energía superior a 50 eV. Estos electrones proceden del

haz incidente que rebota en el material después de diferentes interacciones con los

núcleos de los átomos de la muestra. La intensidad de la señal de retro-dispersados,

para una energía dada del haz, depende del número atómico del material (a mayor

numero atómico mayor intensidad) Este hecho permite distinguir fases de un material

de diferente composición química. Las zonas con menor Z se verán más oscuras que las

zonas que tienen mayor número atómico. Esta es la aplicación principal de la señal de

retro-dispersados.

Figura 5. Los electrones secundarios y electrones retro-dispersados son la base para la

generación de imagen en SEM.

Figura 6. Ejemplos de imágenes de SEM: a) composites de nanotubos de carbono, b)

autoensamblado de nanoesferas de poliestireno, c) copolimero, d) Nanotubos

verticalmente orientados formando bloques, e) nanotubos de carbono verticalmente

orientados, f) dispositivo en base a un nanotubo para uso en resonadores.

Una de las limitaciones de los microscopios electrónicos es el alto vacío. El vacío puede

modificar la morfología o topografía de la muestra (sobre todo en las muestras

biológicas que tienen alto contenido acuoso y que al hacer vacío en esas muestras puede

conllevar a estados de colapsamiento y cambios en sus estructuras). Por lo tanto en la

actualidad se están desarrollando microscopios electrónicos de barrido ambiental que

superan esa limitación permitiendo el estudio de materiales que contengan cierto

contenido de agua (materiales húmedos). Este tipo de microscopio se ha diseñado de tal

manera que la columna sigue estando a alto vacío (10-7

torr)4 mientras que la cámara

donde se encuentra la muestra el vacío es muy bajo (10 a 20 torr).

Figura 7. Esquema de un SEM medioambiental, donde se pueden tomar imágenes sin

que se colapse la muestra o cambie su estructura. Este microscopio permite estudiar

muestras húmedas sin usar ningún tratamiento5 y es de especial interés en biología.

4 1 atmósfera corresponde a 760 torr

5 Es común en el caso del SEM recubrir la muestra con una capa fina de oro o carbono para hacer la

muestra conductora. Si la muestra es aislante no se podrá obtener buenas imágenes ya que se cargan de electrones.

Figura 8. Resumen de las señales principales que forma la imagen en el SEM

Microscopia electrónica de transmisión

La microscopía electrónica de transmisión proporciona información estructural de la

muestra, información cristalográfica (organización atómica, planos cristalinos) y

composición química. Esta técnica permite obtener imágenes directas de la estructura de

secciones delgadas del material en base a los electrones transmitidos, llegando a la

resolución atómica. Por lo tanto para esta técnica las muestras tienen que ser muy

delgadas (espesores inferiores a 100 nm) para poder recolectar esos electrones

transmitidos responsables de la imagen TEM.

Figura 9. Distintos ejemplos de imágenes TEM donde se obtiene la estructura de

secciones planas. En la parte superior se observan nanotubos de multicapa, en una de las

imágenes se puede ver la partícula catalizadora (cobalto) y las líneas son las distintas

capas de carbono. Abajo se ven nanotubos con nanopartículas adsorbidas y también el

detalle de una nanopartícula con resolución atómica (cada punto es un átomo).

Una de las particularidades del TEM es la posibilidad de hacer difracción de electrones

que proporciona información cristalográfica, similar a la difracción de rayos X. En este

caso los electrones son considerados como ondas. En base a los principios básicos de la

difracción de rayos X, cuando un haz de electrones incide sobre un material, constituido

por un arreglo de átomos en planos cristalinos separados una distancia “d “puede ocurrir

que estos electrones sean dispersados satisfaciendo la ley de Bragg6. Cuando se cumpla

la condición de Bragg, los haces difractados estarán en fase (interferencia constructiva)

generando el patrón de interferencias a partir del cual se puede obtener la información

cristalográfica.

6 Recordar que en la condición de Bragg se dijo que los haces de radiación dispersados estarán en fase

siempre y cuando el camino óptico recorrido por los haces dentro de la muestra es igual a un número entero de la longitud de onda.

Figura 10. Esquema representando el fenómeno de difracción electrónica. Abajo: patrón

de interferencias (spots o puntos) que corresponden a la interacción con planos

cristalinos. En un monocristal, la cantidad de spots es pequeña. A medida que la

muestra se va haciendo policristalina, el patrón de interferencias adquiere la forma de

anillos concéntricos.

Figura 11. Ejemplo de difracción electrónica para un nanoalambre monocristalino de

oro (parte superior) y para nanoalambres de oro policristalinos.

Figura 12. Otro ejemplo donde se muestran los anillos de difracción para un material

policristalino.

En la actualidad hay muchos TEM que están modificados de tal manera que pueden

permitir la monitorización in-situ de procesos. Por otro lado una de las limitaciones de

los TEM convencionales es la poca profundidad de campo comparada con el SEM lo

que hace que no se puedan obtener imágenes tridimensionales. Pero en la actualidad esa

limitación puede ser superada con la tomografía TEM. La técnica consiste en tomas

imágenes TEM a distintos ángulos de la muestra y después se hace, por software, una

reconstrucción tridimensional obteniendo así imágenes en tres dimensiones.

Figura 13. Monitorización de procesos con el TEM: crecimiento de nanotubos de

carbono, coalescencia de nanopartículas, proceso de estabilización de partículas

(aplicando altas temperaturas sobre una membrana de grafito).

Figura 14. El SEM tiene un gran profundidad de campo mientras que en el TEM

convencional solo se obtienen imágenes de secciones planas.

Figura 14. Tomografía TEM: consiste en inclinar la muestra y obtener imágenes a cada

ángulo para posteriormente hacer una reconstrucción tridimensional.

Figura 15. Imágenes de tomografía de TEM. En el caso del virus de la gripe, como

fondo de imagen se puede observar la típica imagen del virus con TEM convencional

conjuntamente con su imagen reconstruida tridimensional. También se observa una

imagen 3D de una célula eucariota y distintas estructuras 3D de nanopartículas de oro.

Microanálisis químico con TEM y SEM

Tanto el SEM como el TM son capaces de realizar microanálisis químico. Como ya se

mencionó anteriormente el haz de electrones incidente tiene suficiente energía como

para arrancar electrones de las capas más internas del átomo. El átomo queda excitado y

se dice que está ionizado. Este sistema es inestable y en un tiempo muy corto volverá a

su situación de mínima energía. Esto puede ocurrir mediante varios procesos:

a) Un electrón de una órbita superior cae a la capa interna emitiendo un fotón de

rayos X, de energía característica del elemento. Evidentemente estos rayos X

pueden acceder a la superficie del material desde profundidades elevadas y

como estos rayos X son característicos del átomo que ha participado en la

interacción, esto nos permitirá identificar el material a nivel elemental. La

detección de estos rayos X constituye la llamada técnica de Análisis de rayos X

por dispersión de Energías (EDS) o longitudes de onda (WDS). La emisión de

rayos X característicos permite, bien analizar muestras muy pequeñas o estudiar

áreas muy pequeñas de muestras mayores. Ya que las técnicas convencionales

de análisis no permiten esto, el análisis de rayos X en microscopía electrónica se

ha convertido en una técnica muy importante para la caracterización de todo tipo

de materiales sólidos.

b) La otra posibilidad es que la energía en exceso sea cedida a un tercer electrón de

una capa externa originando la expulsión de este tercer electrón (llamado

electrón Auger) el cual volverá a ser característico del átomo. La medida de la

energía de estos electrones constituye la técnica Espectroscopia Auger.

Figura 16. Esquema mostrando los dos procesos de relajación cuando se arranca

electrones de la capa interna de la muestra. Uno de los procesos es la emisión de

rayos X característicos al caer un electrón de las capas externa a la interna. El

otro proceso es emisión de electrones Auger : un electrón de la capa más externa

cae en la capa interna y el exceso de energía es cedido a un electrón de las capa

más externa produciéndose su expulsión. Estas dos señales son características de

cada elemento pero la radiación de rayos X es más sensible para el análisis

elemental de muestras con número atómicos altos mientras que los electrones

Auger es más sensible para análisis de elementos de número atómico bajo.

Figura 17. Estas señales son recogidas como espectros. En este caso se muestra

un espectro de rayos X (intensidad de los rayos X vs la energía de los mismos).

Cada señal de emisión de rayos X es característica de un elemento y a su vez

cada elemento puede tener asociadas distintas señales de emisión de rayos X que

aparecen a determinados valores de energía. Estas señales pueden proporcionar

información cuantitativa y obtener un análisis porcentual de los elementos

presentes en una muestra.

Estas dos técnicas son complementarias. La espectroscopia Auger es más

sensible para la caracterización de elementos livianos y la detección de rayos X

es más sensible a elementos pesados. En el caso de la emisión de rayos X, la

medida de la longitud de onda o de la energía del fotón emitido permite

determinar los elementos que están presentes en la muestras, es decir hacer un

análisis cualitativo. La medida de la cantidad de rayos X emitidos por segundo

permite realizar un análisis cuantitativo pudiéndose cuantificar la composición

porcentual de elementos en una muestra.

En el caso de la técnica de rayos X también se pueden hacer mapeos de rayos X

y obtener una imagen de rayos X. Esto es bastante útil para muestras

heterogéneas, uno podría localizar físicamente elementos en una muestra.

Figura 18. Ejemplo de unas nanobarras compuestas de diferentes materiales (Ag, Au, Pt

y Ti). Espectro de emisión y composición porcentual de elementos en la muestra.

Figura 19. Mapeos de rayos X en una mezcla heterogénea. Parte superior un nanohilo

semiconductor de Sb/Ge/Te donde se puede observar la distribución homogénea de

estos elementos en la barra. Abajo una muestra heterogénea donde se ha hecho un

barrido de rayos X para localizar distintos elementos C, O, Fe y Pd.