Microscopia eletrônica de Transmissão

Microscopia eletrônica de Transmissão

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1. Introdução

Vem de longa data o interesse do homem em ampliar imagens, a fim de poder observar o comportamento do mundo microscópico e relacioná-lo com os acontecimentos nas dimensões sensíveis diretamente às percepções humanas. A resolução dos olhos humanos, que é a menor distância distinguível entre dois pontos, está entre 0,1 e 0,2 m. A utilização de um microscópio aumenta esta resolução para distâncias muito menores, podendo chegar a níveis atômicos.

A imaginação humana busca também na microscopia um amparo para a confirmação de suas hipóteses, sendo ela mesma um primeiro microscópio racional através da criação de modelos. Estes modelos servem para a compreensão das estruturas que comportam os fenômenos. É um tanto comum ouvir a frase: “ Lá dentro do material deve estar acontecendo tal coisa, o que deve explicar porque ele está se comportando assim”.

Logo, a possibilidade de observar fenômenos ou estruturas, diretamente com auxílio de um equipamento, é de vital importância para a geração de ciência.

1.1. Vendo o micro mundo

A idéia intuitiva aceita é de que para “ver” é necessário que alguma coisa interaja com o que deve ser visto e alcance uma fonte sensora, portando a informação. Uma visão direta seria algo interpretável através dos olhos.

Os nossos olhos são sensíveis a uma faixa do espectro electromagnético (de 450 a 650 nm), cuja percepção é capaz de processar uma imagem em nosso cérebro. Porém, a própria luz visível carrega um limite de resolução, dependendo das dimensões que se deseja observar. A menor distância de resolução é dada pelo critério clássico de Rayleigh:

βµ λδ sen

Nesta equação λé o comprimento de onda da radiação, µ é o índice de refração do meio e βé o semi ângulo de abertura (de coleta) da lente magnificadora. Na faixa da luz visível, um bom microscópio ótico tem uma resolução de aproximadamente 300nm, o que corresponde a uma dimensão equivalente a algo como 1000 diâmetros atômicos.

Uma possibilidade de aumentar a resolução é trabalhar-se com menores comprimentos de onda, e isto pode ser conseguido através de elétrons acelerados.

1.2 O elétron como luz

A descrição das propriedades básicas do elétron, através da Mecânica Quântica, afirma que seu comportamento pode ser tanto de partícula como de onda. Portanto, ao momentum (p) do elétron está associado um comprimento de onda (λ) através da constante de Plack (h). Esta relação é calculada pela equação de De Broglie :

h =λ (2)

O momentum final, em termos clássicos, de um elétron com carga “e” e massa m0, acelerado dentro de um potencial V, é dado por o que leva a um comprimento de onda

Quando o potencial V é alto, a velocidade do elétron pode ser relativística, necessitando da seguinte correção:

eV 1eV2m

Calculando o valor de λpara um elétron acelerado em um potencial de 100kV, que é típico em microscópios eletrônicos de transmissão, obtêm-se 0,004 ≈λnm, que é um valor bem menor que o diâmetro de um átomo. Apesar deste pequeno comprimento de onda, a resolução estará limitada pela impossibilidade de construir lentes perfeitas para elétrons.

1.3 Microscópio Eletrônico de Transmissão (TEM)

Dentre as técnicas atuais, a mais poderosa para a observação direta de estruturas, formando imagens a níveis atômicos, é o TEM (Transmission Electron Microscope). Uma ilustração de imagem está na figura 1. Ele também gera padrões de difração que contêm informações da estrutura cristalina, como a repetibilidade das distâncias na rede e sua forma.

Os primeiros pesquisadores a desenvolverem a idéia de um microscópio utilizando um feixe de elétrons foram Knoll e Ruska, em 1932. O primeiro TEM comercial foi construído em 1936, no Reino Unido, e o início de uma produção regular começou com a Siemens e Halske, na Alemanha, em 1939.

Devido a sua maneira de operação, que consiste em um feixe eletrônico incidindo sobre a amostra, aparecem sinais secundários, como, por exemplo, elétrons Auger e raios-X. Geralmente, os TEMs possuem paralelamente equipamentos para detectar tais elétrons ou raios-X, que ajudam na sondagem da composição química, cristalografia e imagens da superfície da espécimem em análise.

Apesar de ser uma técnica microscópica poderosa, ela também apresenta algumas limitações:

1. Amostragem. Paga-se um alto preço por uma imagem de alta resolução, onde se vê somente uma parte muito pequena da amostra. Em geral, quanto maior a resolução, menor a amostragem.

2. Imagens 2D. A imagem é uma média através da espessura da amostra. Portanto, é necessário tomar cuidado na interpretação da imagem, pois ela é bidimensional enquanto a amostra está em três dimensões. 3. Danos causados pelo feixe de elétrons. O feixe de elétrons funciona como uma radiação ionizante, danificando a amostra, especialmente se ela for cerâmica ou polímeros. 4. Preparação de amostras. Esta é a maior limitação do TEM. As amostras devem ser suficientemente finas, na ordem de micrometros ou menos, para que a intensidade de feixe que a atravessa consiga gerar uma imagem interpretável. O processo para preparar tais amostras pode afetar sua estrutura e composição.

Neste trabalho, a apresentação da técnica TEM seguirá a seguinte ordem: 10) Uma visão geral do instrumento, seguida de um detalhamento sobre cada uma de suas partes. 20) Preparação de Amostras

Figura 1. Imagem feita no Microscópio Eletrônico do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron. O contraste observado corresponde ao nível atômico.

2. O Instrumento

A figura 2 é uma foto de um microscópio eletrônico da JEOL modelo JEM-3010 e o arranjo de seus elementos internos são vistos na figura 3.

Figura 2. Vista exterior do microscópio eletrônico JEM-3010, instalado no Laboratório Nacional de Luz Síncrotron.

2.1 Breve descrição do funcionamento

Um feixe de elétrons é produzido e acelerado no canhão eletrônico, sofrendo uma primeira focalização na sua saída, denominada “crossover” do canhão. A seguir, o feixe passa por duas lentes magnéticas, C1 e C2 (figura 4), que são ajustadas para iluminar a amostra com um feixe de elétrons, geralmente paralelos e com uma secção de alguns micrometros. Ainda neste trecho existe uma abertura (diafragma) que controla a coerência, intensidade e paralelismo do feixe. A este conjunto que conduz os elétrons do canhão até a amostra dá-se o nome de sistema de iluminação.

Então, um conjunto de lentes magnéticas objetivas captura o feixe espalhado que atravessou a amostra, em especial na direção direta, e trabalha-o para conseguir a formação de uma imagem nítida e ampliada sob uma tela fosforescente. Muitas vezes o que se deseja enxergar é o padrão de difração. Entres estas lentes, outros diafragmas são posicionados para controle de intensidade e contraste. Todo o instrumento opera em alto vácuo, ~ 10-7 Torr (1,3 x 10-5 Pa).

Figura 4. Diagrama esquemático de uma configuração típica de um TEM.

2.2 Canhão de elétrons

Dois são os processos empregados usualmente para a geração de elétrons: fonte termo iônica e fonte de emissão por efeito de campo.

2.2.1 Fonte termo iônica

Baseia-se na propriedade de que certos materiais, quando aquecidos a uma temperatura significativamente alta, fornecem energia suficiente para os elétrons vencerem a barreira natural que impede sua fuga. Esta barreira denomina-se função trabalho (Φ) e geralmente tem o valor de poucos eVs. A densidade de corrente emitida (J) é calculada pela Lei de Richardson, equação n, e depende da função trabalho (Φ), da temperatura em Kelvin, da constante de Boltzmann kB (8,6 x 10-5 eV/K) e da constante de Richardson A (Amp/m2K2).

2Be AT JΦ = (6)

Pela equação, observa-se que para produzir maiores densidades de corrente os materiais devem possuir alto ponto de fusão e/ou baixo valor para Φ. Dentro destas características,os mais utilizados para a fabricação de filamentos são o tungstênio (fusão em 3660 K) e o LaB6 (Φ= 2,4 eV). O desenho esquemático de uma fonte termo iônica está na figura 5. Uma alta tensão é aplicada entre o filamento e o anodo, tendo suas linhas equipotenciais desenhadas pelo cilindro de Wehnelt, de forma a agir como lente focalizadora. A Wehnelt é uma simples lente eletrostática, a primeira lente do microscópio. O foco dos elétrons ocorre no “ crossover” , com um diâmetro d0 e ângulo de divergência/convergência 0α. Esta diferença de potencial entre o filamento e o anodo é o que define a energia do feixe de elétrons que incidirá sobre a amostra.

Por serem de menor custo e de maior estabilidade, as fontes termo iônicas são as mais utilizadas em TEM.

Figura 5. Diagrama esquemático de uma fonte termo iônica. Uma alta tensão é aplicada entre o filamento e o anodo, e trabalhada pelo Wehnelt. Este atua focalizando elétrons em um

“crossover” com diâmetro d0 e um ângulo de convergência/divergência 0α.

2.2.2 Fontes de emissão por efeito de campo

As fontes de emissão por efeito de campo (FEGs – field emission guns) são em muitos aspectos bem mais simples do que as termo iônicas. Seu princípio básico de funcionamento é a criação de campos elétricos intensos em formas pontiagudas. Por exemplo, uma ponta de tungstênio, com raio menor do que 0,1 microm, pode gerar sob um potencial de 1keV um campo elétrico de 1010V/m, baixando significativamente a barreira de potencial (função trabalho) e permitindo assim o tunelamento dos elétrons para fora do tungstênio.

Sua utilização é requisitada quando deseja-se altos brilhos (densidade de corrente por unidade de ângulo sólido), coerência (mesma fase entre os elétrons) e monocromaticidade (mesma energia).

2.3Lentes magnéticas e aberturas

As lentes controlam todas as funções operacionais básicas do instrumento. É possível compreender os arranjos de lentes magnéticas em analogia com a ótica geométrica. A diferença está na trajetória seguida pelos elétrons, que não são retas como no caso da luz. Isto conduz a aberrações e rotação de imagem.

O conjunto de lentes localizado antes da amostra tem por função iluminá-la com um feixe de elétrons paralelos (ou quase paralelos). O conjunto de lentes posterior à amostra captura a imagem e a magnifica.

As duas equações básicas para a compreensão dos arranjos de lentes são a “equação da lente” e a “equação da magnificação”. A formação de imagem é regida pela equação das lentes:

Onde u é a distância do objeto à lente, v a distância da imagem à lente e f é a distância focal. A magnificação (M) é dada por

2.3.1 Arranjos de lentes em um TEM

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