Microscopia eletrônica de Varredura

Microscopia eletrônica de Varredura

(Parte 1 de 7)

Profa. Ana Maria Maliska

Microscopia Eletrônica de Varredura e Microanálise

1.1. Preliminares03
1.2. Introdução03

1. Introdução 1.3. Escopo do Trabalho 05

2. Princípios Básicos de Funcionamento do Microscópio Eletrônico de Varredura 06 2.1. Introdução 06 2.2. Breve Histórico 07 2.3. Componentes do MEV 08 2.4. Coluna Óptico-eletrônica 09 2.4.1. Canhão de Elétrons 09 2.4.2. Características da Fonte 12 2.5. Sistema de Lentes 16 2.6. Demagnificação do Feixe Eletrônico 19 2.7. Aberrações das Lentes 21 2.8. Varredura do Feixe de Elétrons 24

3. Formação, Processamento e Interpretação da Imagem 27 3.1. Introdução 27 3.2. Interações Elétrons-amostra 27 3.3. Origem dos Sinais 31 3.4. Imagem por Elétrons Secundários 36 3.4.1. Distribuição de energia 36

3.4.2. Dependência dos Elétrons Secundários com a composição da amostra e a energia dos ep 37 3.4.3. Profundidade de escape dos elétrons secundários 37

3.4.4. Resolução espacial 40 3.4.5. Detecção dos elétrons secundários 41 3.4.6. Mecanismos de contraste 43 3.5. Imagem por Elétrons Retroespalhados 47 3.5.1. Distribuição de energia 48 3.5.2. Profundidade de Escape 48 3.5.3. Resolução Espacial 48 3.5.4. Detecção dos Elétrons Retroespalhados 48 3.5.5. Mecanismos de Contraste 49

4. Microanálise por Energia Dispersiva 51 4.1. Introdução 51 4.2. Breve Histórico 51

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4.3. Origem dos Sinais 53 4.3.1. Radiação Contínua 53 4.3.2. Radiação Característica 54 4.3.3. Energia Crítica de Ionização 57 4.3.4. Energia dos Raios-X Característicos 57 4.3.5. Elétrons Auger 59 4.4. Características da Radiação de Raios-X 60 4.4.1. Resolução Espacial 61 4.4.2. Direcionalidade do Sinal 62 4.4.3. Profundidade de Excitação 63 4.4.4. Absorção do Raio-X 63 4.4.5. Fluorescência do Raio-X 64 4.5. Espectrômetro de Energia Dispersiva 65 4.5.1. Processamento do Sinal 6 4.5.2. Eficiência do Detector 67 4.5.3. Eficiência da Geometria do Detector 69 4.5.4. Ângulo de Saída (take-off angle) 69 4.5.5. Resolução do Detector 70 4.5.6. Relação entre Altura do Pico e Background 71 4.6. Artefatos no Processo de Detecção do Espectro 71 4.6.1. Picos de Escape 71 4.6.2. Absorções Laterais 72 4.6.3. Pico de fluorecência interna do Silício 73 4.6.4. Picos Somados (Sum Peaks) 73 4.6.5. Radiações Perdidas (Stray Radition) 73 4.6.6. Aquecimento do Detector 74 4.7. Análise Qualitativa 74 4.7.1. Guia para Análise Qualitativa por Energia Dispersiva 80 4.8. Análise Quantitativa 82 4.8.1. Procedimento para Análise Quantitativa 83 4.8.2. Fatores de Correção na Quantificação dos Elementos 84 4.8.3. Origem dos Efeitos na Matriz 85 4.8.4. Efeito do Número Atômico 86 4.8.5. Profundidade de formação dos Raios-X 8 4.8.6. Fatores ZAF na microanálise 89 4.8.7. Efeito da absorção dos Raios-X 90 4.8.8. Fluorescência dos Raios-X 95 4.8.9. Tipos de Correção de matriz 96 4.8.10. Requisitos para a Análise Química 97

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1.1. PRELIMINARES

Durante a fase de produção ou análise de materiais, quase sempre se torna necessário analisar a sua microestrutura. Esta análise microestrutural é muito importante pois permite:

• entender as correlações microestrutura - defeitos - propriedades; • predizer as propriedades do material quando estas correlações são estabelecidas.

As técnicas mais utilizadas para este tipo de análise são a Microscopia Ótica e

preparada de maneira a revelar os detalhes da microestrutura

Eletrônica. No caso da microscopia ótica, o contraste da imagem é resultado da diferença de reflectividade da luz nas diversas regiões da microestrutura, uma vez que o sistema é constituído basicamente pela fonte de iluminação e do sistema de lentes. Para materiais que são opacos a luz visível, como é o caso dos metais, da maioria dos cerâmicos e polímeros, somente a superfície pode ser observada e a mesma precisa ser cuidadosamente

Uma das limitações da microscopia ótica é o aumento máximo conseguido que fica em torno de 2 0 vezes. Como conseqüência, pequenos detalhes estruturais não são possíveis de serem detectados através desta técnica. Nesta era de intenso avanço tecnológico, cada vez mais os cientistas têm a necessidade de observar, analisar e explicar corretamente os fenômenos que ocorrem na escala micrométrica ou submicrométrica. A microscopia eletrônica de varredura se apresenta como a técnica mais adequada, pois permite alcançar aumentos muito superior ao da microscopia ótica. Dependendo do material pode atingir até 900 0 vezes, mas para a análise de materiais normalmente o aumento é da ordem de 10 0 vezes. No caso da microscopia eletrônica a área ou o microvolume a ser analisado é irradiado por um fino feixe de elétrons ao invés da radiação da luz. Como resultado da interação do feixe de elétrons com a superfície da amostra, uma

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Na microscopia eletrônica de varredura os sinais de maior interesse para a formação da imagem são os elétrons secundários e os retroespalhados. A medida que o feixe de elétrons primários vai varrendo a amostra estes sinais vão sofrendo modificações de acordo com as variações da superfície. Os elétrons secundários fornecem imagem de topografia da superfície da amostra e são os responsáveis pela obtenção das imagens de alta resolução, já os retroespalhados fornecem imagem característica de variação de composição.

O Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) se tornou um instrumento imprescindível nas mais diversas áreas: eletrônica, geologia, ciência e engenharia dos materiais, ciências da vida, etc. Em particular, o desenvolvimento de novos materiais têm exigido um número de informações bastante detalhado das características microestruturais só possível de ser observado no MEV. Podemos afirmar que onde haja um grupo de desenvolvimento de materiais, há a necessidade de um MEV para as observações microestruturais.

O MEV tem seu potencial ainda mais desenvolvido com a adaptação na câmara da amostra de detectores de raios-X permitindo a realização de análise química na amostra em observação. Através da captação pelos detectores e da análise dos raios-X característicos emitidos pela amostra, resultado da interação dos elétrons primários com a superfície, é possível obter informações qualitativas e quantitativas da composição da amostra na região submicrometrica de incidência do feixe de elétrons. Este procedimento facilita a identificação a de precipitados e mesmo de variações de composição química dentro de um grão. Atualmente quase todos os MEV são equipados com detectores de raios-X, sendo que devido a confiabilidade e principalmente devido a facilidade de operação, a grande maioria faz uso do detector de energia dispersiva (EDX).

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1.2. ESCOPO DO TRABALHO

Este trabalho foi desenvolvido com o objetivo de transmitir aos usuários da microscopia eletrônica de varredura os princípios básicos de funcionamento desta técnica e sua aplicação para a caracterização de materiais. É muito importante que as pessoas que usam esta técnica na análise de seus trabalhos não a utilizem como uma “caixa preta”, mas conheçam seus recursos e também de suas limitações. Com este objetivo no capítulo dois será apresentado a fundamentação teórica e os princípios básicos de funcionamento do microscópio eletrônico de varredura (MEV).

Apesar da imagem gerada no microscópio ser bastante clara de ser entendida é preciso que se tenha noção que existem muitos parâmetros que podem ser variados para melhorar a qualidade desta imagem. No capítulo três deste trabalho são apresentados os processos básicos de formação e obtenção das imagens, com enfoque nas imagens geradas pelos elétrons secundários e elétrons retroespalhados.

Neste trabalho será dado ênfase também à microanálise química por energia dispersiva (EDX), já que esta técnica se encontra extremamente correlacionada com a microscopia eletrônica de varredura, sendo muito usada para a determinação dos elementos presentes em volumes micrométricos. Devido a sua potencialidade e versatilidade de uso, atualmente a maioria dos microscópios eletrônicos de varredura possuem acoplado um espectrometro por energia dispersiva. Os principais fenômenos que regem esta técnica e os princípios básicos da análise qualitativa e quantitativa dos elementos químicos são obtidos no capítulo 3.

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2.1. INTRODUÇÃO

Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) é um instrumento muito versátil e usado rotineiramente para a análise microestrutural de materiais sólidos. Apesar da complexidade dos mecanismos para a obtenção da imagem, o resultado é uma imagem de muito fácil interpretação.

O aumento máximo conseguido pelo MEV fica entre o microscópio ótico (MO) e o Microscópio Eletrônico de Transmissão (MET). A grande vantagem do MEV em relação ao microscópio ótico é sua alta resolução, na ordem de 2 a 5 nm (20 - 50 Ao) - atualmente existem instrumentos com até 1 nm (10 Ao) - enquanto que no ótico é de 0,5 µm. Comparado com o MET a grande vantagem do MEV está na facilidade de preparação das amostras.

Entretanto, não são apenas estas características que fazem do MEV uma ferramenta tão importante e tão usada na análise dos materiais. A elevada profundidade de foco (imagem com aparência tridimensional) e a possibilidade de combinar a análise microestrutural com a microanálise química são fatores que em muito contribuem para o amplo uso desta técnica. A observação e análise de fratura teve um grande avanço com o uso do microscópio eletrônico de varredura.

Neste capítulo serão apresentados os diversos componentes do MEV e os seus princípios básicos de funcionamento. É muito importante que se entenda as funções desses componentes para que se possa ajustar adequadamente os diversos parâmetros

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(voltagem, diâmetro do feixe) e obter um bom sinal de elétrons secundários, elétrons retroespalhados ou raios-X.

2.2. BREVE HISTÓRICO

Historicamente, a microscopia eletrônica de varredura teve seu início com o trabalho de M. Knoll (1935), descrevendo a concepção do MEV [1]. Em 1938 von Ardenne construiu o primeiro microscópio eletrônico de transmissão de varredura adaptando bobinas de varredura ao microscópio eletrônico de transmissão. Neste caso as amostras não podiam ser amostras espessas, pois se tratava de um microscópio de transmissão, e o tempo para obter uma foto era de cerca de 20 min. O aumento máximo conseguido foi de 8 000x, com resolução aproximada de 50 nm.

O primeiro microscópio eletrônico de varredura para observação de amostras espessas foi construído em 1942 nos laboratórios da RCA usando o detector de elétrons secundários para obter a imagem [2]. No entanto, a resolução conseguida neste caso foi de apenas 1 µm, o que era muito ruim já que com o microscópio ótico era possível obter resolução de 0,5 µm. Melhoramentos foram feitos para reduzir o diâmetro do feixe de elétrons e melhorar a parte eletrônica, principalmente a relação sinal-ruído através do uso de elétron-multiplicadora. Com estas modificações se conseguiu obter imagem com resolução de 50 nm (500 Ao). A substituição das lentes eletrostáticas por lentes eletromagnéticas permitiu melhorar ainda mais a resolução passando para 25 nm.

Modificações foram sendo introduzidas através de melhoras nos detectores, como por exemplo, a introdução do cintilador que converte os elétrons em sinal de luz, e a sua captação por uma fotomultiplicadora. Em 1965 foi então construído o primeiro MEV comercial pela Cambridge Scientific Instrument. Desde então, muitos avanços têm sido feito, principalmente em relação as fontes de elétrons, a parte eletrônica e computacional. A substituição do sistema analógico pelo digital permite que as imagens sejam armazenadas e processadas facilmente. O advento dos microcomputadores e o desenvolvimento de programas específicos para operação e análise dos resultados facilitou ainda mais a utilização do MEV.

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2.3. COMPONENTES DO MEV

O MEV, conforme pode ser visto na Fig. 2.1, consiste basicamente da coluna otico-eletrônica (canhão de elétrons e sistema de demagnificação1), da unidade de varredura, da câmara de amostra, do sistema de detectores e do sistema de visualização da imagem.

Figura 2.1. Representação esquemática dos componentes do Microscópio Eletrônico de Varredura [3].

O canhão de elétrons é usado para a produção do feixe de elétrons com energia e quantidade suficiente para ser captado pelos detectores. Esse feixe eletrônico é então demagnificado por várias lentes eletromagnéticas, cuja finalidade é produzir um feixe de elétrons focado com um pequeno diâmetro numa determinada região da amostra.

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