Microscopia Eletrônica de Varredura - Apostilas - Química Part1, Notas de estudo de Química

Baixe Microscopia Eletrônica de Varredura - Apostilas - Química Part1 e outras Notas de estudo em PDF para Química, somente na Docsity! UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA – UFSC DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA – EMC LABORATORIO DE MATERIAIS – LABMAT LABORATÓRIO DE CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL E ANÁLISE DE IMAGENS – LCMAI MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA Profa. Ana Maria Maliska Microscopia Eletrônica de Varredura e Microanálise MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA E MICROANÁLISE 1. Introdução 1.1. Preliminares 03 1.2. Introdução 03 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 Profª. Ana Maria Maliska 1 Microscopia Eletrônica de Varredura e Microanálise série de radiações são emitidas tais como: elétrons secundários, elétrons retroespalhados, raios-X característicos, elétrons Auger, fótons, etc. Estas radiações quando captadas corretamente irão fornecer informações características sobre a amostra (topografia da superfície, composição, cristalografia, etc.). 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). Profª. Ana Maria Maliska 4 Microscopia Eletrônica de Varredura e Microanálise 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. Profª. Ana Maria Maliska 5 Microscopia Eletrônica de Varredura e Microanálise CAPÍTULO DOIS PRINCÍPIOS BÁSICOS DE FUNCIONAMENTO DO MICROSCÓPIO ELETRÔNICO DE VARREDURA 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 Profª. Ana Maria Maliska 6 i.exe Microscopia Eletrônica de Varredura e Microanálise 2.4. COLUNA OPTICO-ELETRÔNICA Na coluna ótico-eletrônica ficam localizados o canhão de elétrons, que gera os elétrons primários, as lentes condensadoras, que colimam o feixe de elétrons primários, as bobinas, que promovem a deflexão do feixe de elétrons primários no sentido horizontal e vertical sobre uma dada região da amostra, e ainda as bobinas que fazem as correções de astigmatismo. Toda a coluna deve estar sob vácuo durante a emissão do feixe de elétrons primários. 2.4.1. Canhão de Elétrons O canhão de elétrons é o conjunto de componentes cuja finalidade é a produção dos elétrons e a sua aceleração para o interior da coluna. Este feixe de elétrons deve ser estável e com intensidade suficiente para que ao atingir a amostra possa produzir um bom sinal. O diâmetro do feixe produzido diretamente pelo canhão de elétrons é muito grosseiro para produzir uma boa imagem em grandes aumentos e por isso precisa ser reduzido pelas condensadoras (lentes eletromagnéticas). A maioria dos MEV é capaz de produzir um feixe de elétrons que ao atingir a amostra tenha um diâmetro da ordem de 10 nm ( 100 Ao ) e que ainda possua corrente suficiente para formar uma imagem com boa resolução. Vários tipos de canhão de elétrons são usados nos microscópios variando assim a quantidade de corrente que as mesmas podem produzir, o tamanho da fonte, a estabilidade do feixe produzido e o tempo de vida da fonte. O modelo mais usado é formado por três componentes (tipo triodo ): um filamento de tungstênio, que serve como cátodo, o cilindro de Wehnelt e o ânodo, conforme pode ser visto na Fig. 2.2. O microscópio eletrônico Philips-XL30, instalado no Labmat/EMC possui este é tipo de canhão. O filamento de tungstênio tem seu funcionamento baseado no efeito termoiônico de emissão dos elétrons. A emissão termoiônica dos elétrons pelo filamento ocorre quando é fornecido calor suficiente ao mesmo e os elétrons podem ultrapassar a barreira de energia para escapar do material. Para reduzir o efeito de evaporação do filamento, que é comum a elevadas temperaturas, procura-se usar como filamento um material que precise de baixa energia para emitir elétrons. No caso do tungstênio é possível obter Profª. Ana Maria Maliska 9 Microscopia Eletrônica de Varredura e Microanálise uma boa emissão de elétrons, ou seja, produzir um feixe eletrônico com alta densidade de corrente, em temperatura bem abaixo da temperatura de fusão do tungstênio. A temperatura de emissão do tungstênio é de 2427 oC e a de fusão é de 3410 oC, ocasionando uma baixa evaporação deste filamento e consequentemente um maior tempo de vida. A duração de um filamento de tungstênio é da ordem de 60 h, podendo variar dependo da saturação. Figura 2.2. Diagrama esquemático do canhão de elétrons tipo triodo [2]. O filamento de tungstênio é aquecido resistivamente pela fonte, cuja voltagem, na maioria dos casos, varia entre 200 V e 30 KV. Durante a operação o filamento é mantido num potencial altamente negativo, pela fonte de alta voltagem, e os elétrons são emitidos pelo filamento aquecido em todas as direções. Envolvendo o filamento há o cilindro de Wehnelt ou grade catódica. Essa grade catódica funciona como um eletrodo adicional de controle e é polarizada negativamente por cerca de 500 V, através de uma resistência variável, em relação ao filamento. O cilindro de Wehnelt atua no sentido de focar os elétrons emitidos pelo filamento para dentro do canhão e controlar a Profª. Ana Maria Maliska 10 Microscopia Eletrônica de Varredura e Microanálise quantidade de elétrons emitidos pelo filamento, (Fig. 2.2). Abaixo do conjunto filamento/cilindro de Wehnelt se encontra um outro componente polar, o ânodo. O filamento ao ser aquecido pela passagem da corrente elétrica (corrente de saturação) a uma temperatura de 2700 K (2427 oC) começa a emitir elétrons. Esses elétrons são repelidos pela polarização negativa da grade catódica, passando pelo orifício central existente na grade catódica e são então acelerados para dentro da coluna do MEV, devido a diferença de potencial ( ddp ) entre a voltagem aplicada no filamento e o ânodo (terra). Para entender isso, é bom lembrar que entre o filamento e o ânodo há uma superfície equipotencial que atua no sentido de acelerar o feixe de elétrons primários do cátodo (maior potencial) para o ânodo (menor potencial). O furo no ânodo permite que somente uma fração dos elétrons emitidos continuem em direção ao interior da coluna. Em cada lente eletromagnética e abertura existente ao longo da coluna o diâmetro do feixe de elétrons se torna menor, e, consequentemente, a corrente do feixe fica algumas ordens de grandeza menor quando atinge a amostra. No caso do filamento de tungstênio a corrente de emissão que dentro do canhão (no “crossover”) é de 100 µA ao atingir a amostra é da ordem de 1 pA - 1 µA. De fato, a corrente do feixe que atinge a amostra seria a mesma corrente do “crossover” se a maioria dos elétrons não fosse interceptada pelas aberturas na coluna, especialmente pelo ânodo. Efetivamente, o cilindro de Wehnelt e o ânodo funcionam como um sistema de lentes eletrostáticas. O resultado é a produção de um feixe de elétrons com um pequeno diâmetro focalizado num ponto chamado de entrecruzamento (“crossover”), próximo ao orifício do ânodo. O ponto de entrecruzamento é o primeiro foco e é uma imagem da área de emissão do filamento, cujo tamanho depende do valor da tensão aplicada na grade. Aumentando a tensão, as linhas equipotenciais se afastam do filamento até um momento em que cessa a emissão. Portanto, para se obter uma corrente de feixe satisfatória, a área da emissão deve ser grande. Dependendo das distâncias filamento- grade catódica e grade catódica-ânodo, a imagem do primeiro foco pode ser feita menor que a área de emissão, permitindo assim a produção de um fino feixe de elétrons primários. Na realidade é o ponto de entrecruzamento, e não o filamento, que é usado como a fonte de elétrons para as lentes eletromagnéticas. Profª. Ana Maria Maliska 11 Microscopia Eletrônica de Varredura e Microanálise (a) (b) (c) Figura 2.3. Micrografia eletrônica de um filamento de W (a), LaB6 (b) e FEG (c) [1]. A boa estabilidade, na ordem de 1%, das fontes termoiônicas (W e LaB6) é outro parâmetro muito importante a ser considerado principalmente no caso do uso de microanálise. A durabilidade de um filamento de tungstênio, quando sob razoável vácuo, da ordem de 10-3 Pa (10-5 Torr), é de 30 a 100 h. Os parâmetros discutidos acima são apresentados na Tab. 2.1, onde são comparados com outras fontes. Uma maneira de melhorar o brilho da fonte é mudar o material da fonte (LaB6) ou mudar o mecanismo de emissão (FEG) aumentando em uma ou mais ordens de grandeza. Das fontes de alto brilho, a fonte termoiônica de LaB6 é a mais comum. Esta fonte oferece cerca de 5 a 10 vezes mais brilho que a fonte de tungstênio e um tempo de vida muito maior, conforme pode ser visto na tabela 2.1. No caso da fonte de LaB6 a energia necessária para que ocorra emissão termoiônica dos elétrons é aproximadamente metade da energia necessária para o caso do filamento de tungstênio. O valor típico da densidade de corrente de operação do LaB6 é de 40 A/cm2 a 1800 K (1527 oC). No caso do filamento de tungstênio é de 3,4 A/cm2 quando aquecido a uma temperatura de 2700 K (2427 oC). Uma fonte de LaB6 é geralmente de maior custo operacional do que uma fonte de tungstênio. O vácuo necessário para sua operação é bem mais elevado, menor do que 10-5 Pa (10-7 Torr), necessitando do uso de bombas turbomoleculares. O custo de uma fonte de LaB6 é cerca de 10 vezes maior que uma fonte de tungstênio. Entretanto o aumento significado da corrente do filamento e o grande tempo de vida destas fontes ( ≥ 1000 h ) justificam o seu emprego. Profª. Ana Maria Maliska 14 Microscopia Eletrônica de Varredura e Microanálise Tabela 2.1. Comparação de várias fontes a 20 kV [1]. Fonte Brilho (A/cm2sr) Tempo de vida (h) Tamanho da Fonte (no crossover) Estabilidade da corrente do feixe Tungstênio 103 40 – 100 30 - 100 mm 1% LaB6 106 200 - 1 000 5 - 50 mm 1% FEG 108 > 10 000 < 5 nm 5% As fontes de elétrons descritas anteriormente são fontes termoiônicas cuja desvantagem é o menor brilho e a evaporação da fonte. A fonte de emissão eletrostática (Field Emission Electron Guns) é normalmente um monocristal de tungstênio na forma de um fio com uma ponta extremamente fina (Fig. 2.3.c). Como a ponta do filamento é muito fina, cerca de 100 nm ou menos, o campo elétrico fica extremamente alto. Como resultado tem-se uma grande emissão de elétrons e consequente uma elevada densidade de corrente, cerca de 105 A/cm2, quando comparada com a do filamento de tungstênio que é de 3 A/cm2. Como a área do primeiro foco (fonte virtual) é de aproximadamente 10 nm a demagnificação (redução) do feixe de elétrons não precisa ser tão intensa podendo se obter uma resolução de 1 a 2 nm. As fontes de emissão eletrostáticas podem ser aquecidas ou não, sendo que as fontes frias necessitam de vácuo mais elevado (<10-10 Torr) do que as aquecidas (<10-9 Torr). As fontes de emissão eletrostáticas produzem excelentes imagens, como resultado da maior corrente e do menor tamanho do feixe eletrônico. Entretanto, devido a menor estabilidade do feixe eletrônico, quando comparado as fontes termoiônicas ( Tabela 2.1 ) torna essas fontes não adequada para o uso em micronálise. Aliada ainda a necessidade de elevado vácuo, fazem com que essas fontes sejam pouco empregadas. Profª. Ana Maria Maliska 15 Microscopia Eletrônica de Varredura e Microanálise 2.5. SISTEMA DE LENTES O objetivo do sistema de lentes do MEV, situado logo abaixo do canhão de elétrons, é o de demagnificar a imagem do “crossover” (do~10-50 µm no caso das fontes termoiônicas) para um tamanho final de 1 nm - 1 µm ao atingir a amostra. Isto representa uma demagnificação da ordem de 10 000 vezes. No caso do sistema de emissão eletrostáticas, como o tamanho da fonte já é pequeno, essa redução é da ordem de 10-100 vezes. Os elétrons podem ser focados pela ação de um campo eletrostático ou de um campo magnético. A primeira focagem dos elétrons dentro do canhão e que resultou no “crossover” é realizada pela ação de um campo eletrostático. As demais lentes dentro da coluna, na grande maioria dos microscópios, são lentes eletromagnéticas. Nos trabalhos iniciais de construção do MEV foram utilizadas lentes condensadoras eletrostáticas e que mais tarde foram substituídas pelas lentes eletromagnéticas. Essas lentes são as mais usadas pois apresentam menor coeficiente de aberração. Mesmo com a focagem magnética, as lentes eletrônicas são bem menos eficiente do que as lentes de vidro para focar a luz. Algumas aberrações que podem ser corrigidas com as lentes de vidro não é possível com as lentes eletrônicas. Fazem parte do sistema de lentes três condensadoras, sendo a última chamada de objetiva. As duas primeiras condensadoras atuam no sentido de colimar o feixe de elétrons primários o máximo possível, demagnificando a imagem do “crossover”, enquanto que a objetiva atua no sentido de reduzir aberrações esféricas. Normalmente as lentes condensadoras e a objetiva são controladas automática e simultaneamente. A lente eletromagnética consiste num cilindro de ferro com um furo central através do qual passa o eixo ótico eletrônico do microscópio. No interior do cilindro, e envolvendo o eixo ótico existem muitas bobinas de cobre (Fig. 2.4) através da qual circula uma corrente quando a lente está em operação. Esta configuração cria um campo magnético homogêneo no centro do cilindro com o campo magnético na direção norte - sul. Profª. Ana Maria Maliska 16 Microscopia Eletrônica de Varredura e Microanálise 2.6. DEMAGNIFICAÇÃO DO FEIXE ELETRÔNICO A demagnificação de um feixe eletrônico é similar a demagnificação de um feixe de luz. A equação que descreve a distância focal é a mesma que a usada na ótica: 1/f = 1/p + 1/q (2.3) onde p é a distância do objeto ao centro da lente e q é a distância do centro da lente a imagem, conforme mostrado na Fig. 2.5. Observe que a distância focal é a distância do centro da lente até um ponto onde um raio paralelo ao eixo cruza o eixo pela ação da lente. Figura 2.5. Esquema da trajetória do raio para determinação de f . A Fig. 2.6. mostra o esquema de controle dos parâmetros do microscópio para o caso de um MEV com duas lentes. É claro que os desvios do feixe causado pelas lentes estão mostrados de maneira exagerada, o ângulo α típico é da ordem de 0,001 a 0,02 radianos (0,05 - 1o). O “crossover” do canhão eletrônico, de diâmetro do e ângulo de divergência αo, ao atravessar a primeira condensadora é reduzido para um diâmetro d1 com um aumento do ângulo de divergência para α1. Nos microscópios de varredura antes da primeira condensadora existe uma abertura cujo papel é bloquear os elétrons que saem do “crossover” muito espalhados (com grande αo). Profª. Ana Maria Maliska 19 Microscopia Eletrônica de Varredura e Microanálise (a) (b) Figura 2.6. Ótica geométrica da demagnificação do feixe eletrônico para uma coluna com duas lentes: uma condensadora e uma objetiva. Em (a) com pequena distância de trabalho e em (b) com grande distância de trabalho [1]. Observa-se na Fig. 2.6 que a distância p1 do crossover até a depressão central da lente é constante, enquanto que a distância q1 entre a lente condensadora e o próximo ponto de entrecruzamento do feixe é variável variando a corrente na lente condensadora. A medida que a corrente nas bobinas da lente aumenta a distância focal f1 diminui. Como visto anteriormente, também a medida que a corrente nas bobinas da lente aumenta a demagnificação do feixe será maior, reduzindo o tamanho do diâmetro do feixe d1 e aumentando o ângulo de divergência α1 dos elétrons no ponto de entrecruzamento abaixo da lente condensadora. Profª. Ana Maria Maliska 20 Microscopia Eletrônica de Varredura e Microanálise Efeito do tamanho da abertura final A abertura final, com diâmetro de 50 a 300 µm, é colocada na última lente (objetiva), conforme pode ser visto na Fig. 2.6.a. Esta abertura diminui o ângulo de divergência α1 dos elétrons da condensadora para um ângulo αo dos elétrons que entram na objetiva. O ângulo final de divergência α2 do feixe eletrônico é que irá determinar a profundidade de foco e que está relacionado com o tamanho da abertura final. Pequenos ângulos α2 causam maior profundidade de foco. Efeito da distância de trabalho A lente objetiva pode focar o feixe final em diferentes alturas, conforme pode ser visto na Fig. 2.6. Em ambos os esquemas da Fig. 2.6 a intensidade das lentes condensadoras é igual, causando uma mesma redução do feixe. O tamanho das aberturas também é igual, de tal maneira que αa é o mesmo, em ambos os casos. Para que o feixe final possa ser focado a uma distância maior da objetiva, aumentando a distância de trabalho, a corrente na lente objetiva deve ser diminuída, aumentando a distância focal f2 da lente. O ângulo de convergência α2, neste caso, diminui e como conseqüência tem-se um aumento na profundidade de foco. Observando a Fig. 2.6 fica fácil de entender o que ocorre quando uma distância de trabalho é selecionada fixando a corrente na objetiva e se move a amostra verticalmente ao longo do eixo z até que a amostra alcance o foco. 2.7. ABERRAÇÕES DAS LENTES Como resultado da deflexão não ideal da lente magnética, erros óticos na formação do feixe são introduzidos. Esses erros são conhecidos como aberrações e causam uma defasagem dos raios eletrônicos no foco. Como resultado a imagem fica desfocada. As três principais aberrações das lente eletromagnéticas são: astigmatismo, aberração esférica e aberração cromática. Astigmatismo Profª. Ana Maria Maliska 21 Microscopia Eletrônica de Varredura e Microanálise plano da imagem (respectivamente Q e Q’). Esta aberração faz com que a imagem do ponto P seja aumentada para 2QQ’. A menor imagem do ponto P é o disco esférico dC. 2.8. VARREDURA DO FEIXE DE ELÉTRONS Nas seções anteriores foi visto a formação do crossover pelo canhão eletrônico e a demagnificação e focagem do feixe de elétrons na superfície da amostra. O resultado é a incidência sobre a amostra de um feixe estacionário. Este feixe é então defletido sobre a amostra por um par de bobinas eletromagnéticas situadas numa depressão dentro da objetiva, acima da abertura final. O feixe é defletido sobre a amostra na direção x e y, conforme pode ser visto na Fig. 2.9. A varredura do feixe de elétrons pelas bobinas defletoras é também acompanhado pela deflexão de sua imagem no video. O aumento da varredura da imagem é simplesmente a relação entre o tamanho da imagem no video pelo tamanho da área varrida na amostra. Como o tamanho da imagem do video não varia, as bobinas de deflexão é que serão as responsáveis pelo aumento da amostra. Quanto maior o aumento, menor a região varrida e menor a deflexão do feixe. É muito importante do fato de se poder variar o aumento da imagem somente variando a área varrida sem ter que modificar outros parâmetros do MEV. Uma consequencia é a possibilidade do operador selecionar um aumento maior do que o desejado para a imagem, podendo então focar adequadamente o feixe na amostra e com isso obter uma correta focagem. Profª. Ana Maria Maliska 24 Microscopia Eletrônica de Varredura e Microanálise Figura 2.9. Esquema da varredura do feixe de elétrons [3]. Conforme pode ser observado na Fig. 2.9, o tamanho do feixe considerado ideal, para um determinado aumento, é aquele cujas bordas do feixe tocam levemente a linha anteriormente varrida. Se o diâmetro do feixe é muito grande, ocorre uma sobreposição das linhas varridas e o resultado é uma imagem fora de foco. A outra situação é quando o diâmetro do feixe é muito pequeno. Neste caso ao reduzir o diâmetro do feixe pelo ajuste da corrente nas lentes condensadoras, conforme visto anteriormente, o número de elétrons no feixe, e, consequentemente, o número de elétrons que irão interagir com a amostra é também reduzido. Isto significa que para obter o mesmo brilho na imagem, como seria com o feixe ideal, o sinal reduzido precisa ser amplificado, resultando em aumento de ruído eletrônico. Outra conseqüência do tamanho do feixe muito pequeno é que algumas áreas da amostra, onde as bordas do feixe não se encontram não serão varridas pelo feixe de elétrons. Quando a voltagem de aceleração do feixe primário é diminuída, o circuito eletrônico automaticamene compensa a corrente das lentes de tal maneira a acomodar esses elétrons Profª. Ana Maria Maliska 25 Microscopia Eletrônica de Varredura e Microanálise menos energéticos e manter as mesmas condições de demagnificação do feixe e de foco como as que se tinha para elevada voltagem. Entretanto esse elétrons menos energéticos são mais sujeitos a aberrações óticas (aberrações cromáticas) e mais sensíveis a pequenas variações do campo magnético. Resumindo; as correntes nas lentes condensadoras, o material da amostra e a voltagem aplicada influenciam efetivamente no tamanho do diâmetro do feixe selecionado. De tal maneira que o procedimento mais correto para selecionar o diâmetro ideal do feixe para uma determinada condição é através da experiência. Isto normalmente é feito selecionando o aumento que se deseja da imagem e gradualmente ir reduzindo o diâmetro do feixe até que depois de ajustado a correção do astigmatismo e refocada novamente é obtida uma imagem bem nítida. Como visto anteriormente, a quantidade de ruído eletrônico irá aumentar a medida que se reduz o tamanho do feixe. Este ruído pode ser eletronicamente retirado da imagem ao selecionar uma varredura mais lenta. Geralmente quanto menor a velocidade de varredura, maior será a redução do ruído eletrônico. Profª. Ana Maria Maliska 26 Microscopia Eletrônica de Varredura e Microanálise penetração é menor do que para baixo número atômico. Com base em modelos de probabilidade de ocorrência de espalhamentos elásticos e inelásticos, foi criada a simulação de Monte-Carlo, onde são definidos os ângulos de espalhamento e transferência de energia [1-4]. Através desta simulação as direções aleatórias dos elétrons no interior da amostra são calculadas e estatisticamente os caminhos mais prováveis obtidos, resultando numa boa aproximação do volume de interações. Alguns desses tipos de simulação são mostrados na Fig. 3.1 para o C, Fe, Ag e Au. (a) (b) (c) (d) Figura 3.1. Simulação de Monte-Carlo para o volume de interação de amostra de Carbono (a), Ferro (b), Prata (c) e Ouro (d) com o feixe de elétrons primários de 20 KeV [3]. Analisando os aumentos destas figuras, observa-se que existe uma grande influência no valor de Z do material com o volume de interação. Neste caso, onde a energia do feixe Profª. Ana Maria Maliska 29 Microscopia Eletrônica de Varredura e Microanálise de elétrons primários é de 20 KeV, a profundidade de penetração para o caso do carbono é de 3 µm e para a prata é de 0,7 µm. Figura 3.2. Simulação de Monte Carlo do espalhamento dos elétrons no ferro usando diferentes energias no feixe de elétron primário [3]. Profª. Ana Maria Maliska 30 Microscopia Eletrônica de Varredura e Microanálise A influência da energia inicial do feixe de elétrons primários pode ser observada na Fig.3.2 para o caso do ferro. Como pode ser visto nestas figuras a profundidade de penetração aumenta com o aumento da energia do feixe primário. Um bom conhecimento acerca da região de interação é muito importante quando se trabalha com materiais não homogêneos, como é o caso de camadas, filmes finos, inclusões em metais. A forma do volume de interação também é influenciada pela estrutura interna do material. Por exemplo, num material com estrutura cristalina, os elétrons penetram por determinados canais preferenciais, sem muita perda de sua energia interna. Se a direção destes canais for a mesma dos elétrons primários, haverá um aumento na profundidade de penetração. 3.3. ORIGEM DOS SINAIS Como foi discutido na seção anterior, o elétron perde energia no seu caminho através do material. Esta energia é então liberada da amostra de diferentes formas, dependendo do tipo de interação entre o elétron primário e os átomos da amostra. Como resultado das interações elásticas e inelásticas o elétron pode se tornar um elétron retroespalhado (ERE), com energia máxima igual a energia do elétron primário (neste caso ocorreu somente uma única colisão). Tem-se também a ocorrência de ionização, com a produção de elétrons em todo o volume de interação. Os elétrons produzidos deixam o material com uma energia média de 2 a 5 eV. Esses elétrons são chamados de elétrons secundários e são provenientes de uma região de muito pouca profundidade, cerca de 1 nm para os metais e 10 nm para o carbono. É importante observar que os elétrons retroespalhados produzidos em regiões mais profundas na amostra, também têm energia suficiente para originar elétrons secundários quando estão voltando para a superfície. Isto significa que os elétrons secundários (ES) podem também ser gerados fora do volume de interação do elétron primário. Esta produção de elétrons secundários pode inclusive ocorrer fora da amostra. Por exemplo, quando um elétron retroespalhado (ERE) Profª. Ana Maria Maliska 31