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PMI-2201 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE TRANSMISSÃO

Por Prof. Dr. Angelo Fernando Padilha

Microscopia Eletrônica de Transmissão

Angelo Fernando Padilha

Professor Titular do Departamento de

Engenharia Metalúrgica e de Materiais da EPUSP

1. Introdução: a microestrutura dos materiais e as técnicas de análise microestrutural

A estrutura da matéria tem despertado o interesse do homem há milhares de anos. No entanto, foi apenas no final do século XIX e início do século X que conceitos e espécies, tais como estrutura cristalina, contornos de grãos, fases e interfaces, puderam ser confirmados experimentalmente. Pode-se afirmar que o conhecimento da microestrutura dos materiais sempre dependeu da disponibilidade e do aperfeiçoamento das técnicas experimentais.

O conhecimento detalhado da microestrutura dos materiais permite o entendimento e, em muitos casos, até a previsão das propriedades e do comportamento dos mesmos.

A microestrutura dos materiais cristalinos é constituída de fases e de defeitos cristalinos tais como interfaces, contornos de grãos, contornos de macla, defeitos de empilhamento, contornos de sub-grãos, discordâncias e defeitos puntiformes. Os materiais cristalinos ordenados apresentam adicionalmente contornos de antifase, enquanto os cristalinos magnéticos apresentam outros defeitos bidimensionais, tais como fronteiras de domínio. Os materiais metálicos são predominantemente cristalinos. Por outro lado, numerosas ligas podem, em condições especiais, ser obtidas totalmente amorfas ou parcialmente cristalinas. Muitos materiais, tais como as cerâmicas tradicionais, contém também fases amorfas e poros. Já os materiais poliméricos, ou são totalmente amorfos, como é o caso das resinas termorrígidas ou termofixas e de alguns termoplásticos, ou são parcialmente cristalinos, como é o caso da maioria dos termoplásticos. No caso dos termoplásticos parcialmente cristalinos, a fase cristalina geralmente está dispersa em uma matriz amorfa. Também é possível obter pequenos cristais de alguns polímeros termoplásticos, ou seja, polímero totalmente cristalino.

Uma caracterização microestrutural desejável envolve a determinação da estrutura cristalina, composição química, quantidade, tamanho, forma e distribuição das fases. A determinação da natureza, quantidade (densidade) e distribuição dos defeitos cristalinos também é, em muitos casos, necessária. Além disso, a orientação preferencial das fases (textura e microtextura) e a diferença de orientação entre elas (mesotextura) também tem estreita relação com o comportamento dos materiais.

As espécies presentes na microestrutura apresentam características bastante diferenciadas e exigem um número relativamente grande de técnicas complementares para a sua caracterização. A determinação da estrutura cristalina normalmente envolve a utilização de técnicas de difração, tais como difração de raios x, elétrons ou nêutrons. A composição química das fases e micro-regiões pode ser estudada com uma dezena de técnicas, sendo que as mais utilizadas são análises de raios x por comprimentos de onda ou por dispersão de energia, espectroscopia de elétrons Auger e microssonda iônica utilizando espectroscopia de massas. A quantidade, tamanho, morfologia e distribuição das fases e defeitos cristalinos são estudados com auxílio de microscopia óptica, eletrônica de varredura, eletrônica de transmissão e de campo iônico. A microestrutura dos materiais normalmente apresenta defeitos e constituintes dentro de uma ampla faixa de dimensões, conforme ilustra a Tabela 1.

Além das técnicas diretas mencionadas acima, existem dezenas de técnicas indiretas tais como dureza e resistividade elétrica, que são medidas de propriedades dos materiais sensíveis às modificações microestruturais dos mesmos.

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As propriedades dos materiais de engenharia são em última análise determinadas pelas suas respectivas microestruturas, isto é, pelos defeitos e constituintes microestruturais que eles contêm.

Tabela 1 - Algumas dimensões médias (aproximadas) importantes em análise microestrutural

Tamanho (Å) Descrição 1 - 5 Distâncias interatômicas

1 - 5 Defeitos puntiformes (lacunas) 2 - 10 Espessura de contornos de grão, interfaces e falhas de empilhamento >30 Espaçamento entre falhas de empilhamento

>30 Espaçamento entre discordâncias

>1000 Diâmetro de subgrão e de grão

>10 Diâmetro de fases (zonas) coerentes

>5 Zona onde ocorre segregação de soluto em defeitos cristalinos 103-108 Segregação em peças brutas de fundição

2. Os principais tipos de microscopia

A importância do conhecimento e das análises quantitativas da microestrutura tem levado a um contínuo desenvolvimento das técnicas experimentais, particularmente da microscopia, cujos aumentos máximos possíveis tem crescido e as resoluções melhorado continuamente, conforme ilustra a Figura 1.

Figura 1: Evolução da microscopia (Segundo E.Hornbogen, Ruhr-Universität Bochum, Alemanha).

No estudo dos materiais três tipos de microscopia são utilizados em grande extensão: microscopia óptica (MO), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e microscopia eletrônica de transmissão (MET). Em menor extensão, mas em uma faixa exclusiva de alto aumento e excelente resolução, encontra aplicação a microscopia de campo iônico (MCI). Deve-se destacar que essas técnicas são complementares e cada uma delas tem seu campo específico de aplicação. Todavia, se tivéssemos que destacar a principal potencialidade de cada uma, poderíamos afirmar que:

• a microscopia óptica permite a análise de grandes áreas em curto espaço de tempo, além de ser de utilização simples, rápida e pouco dispendiosa;

• a microscopia eletrônica de varredura, por apresentar excelente profundidade de foco, permite a análise com grandes aumentos de superfícies irregulares, como superfícies de fratura;

• a microscopia eletrônica de transmissão permite a análise de defeitos e fases internas dos materiais, como discordâncias, defeitos de empilhamento e pequenas partículas de segunda fase;

• a microscopia de campo iônico, por apresentar excelente resolução, permite estudos difíceis de serem realizados com as outras técnicas, tais como observação de defeitos puntiformes, aglomerados de átomos de soluto ("cluster") e análise da "estrutura" de contornos e de interfaces.

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A tabela 2 apresenta algumas características dos principais tipos de microscopia. Deve-se lembrar, entretanto, que os valores apresentados na tabela 2 dependem muito das características particulares de cada equipamento e são apenas orientativos.

Tabela 2 - Algumas características dos principais tipos de microscopia.

Característica Microscopia óptica

Microscopia eletrônica de varredura

Microscopia eletrônica de transmissão

Microscopia de campo iônico

Tensão de aceleração (kV) − 3 a 50 50 a 1000 5 a 15

Faixa útil de

Resolução (Å) 3.0 Å 30 Å 3Å 1 Å

Profundidade de foco com 1000 X 0,1 µm 100 µm 10 µm −

Densidade máxima de discordâncias medida (cm/cm3)

105 (cavidades de corrosão) 106 (cavidades de corrosão) 1012 (lamina fina) −

3. O microscópio eletrônico de transmissão (MET)

Um microscópio eletrônico de transmissão consiste de um feixe de elétrons e um conjunto de lentes eletromagnéticas, que controlam o feixe, encerrados em uma coluna evacuada com uma pressão cerca de 10-5 m Hg. A figura 2 mostra a seção esquemática vertical de um aparelho que utiliza 100 kV como diferença de potencial máxima de aceleração do feixe.

Um microscópio moderno de transmissão possui cinco ou seis lentes magnéticas, além de várias bobinas eletromagnéticas de deflexão e aberturas localizadas ao longo do caminho do feixe eletrônico. Entre estes componentes, destacam-se os três seguintes pela sua importância com respeito aos fenômenos de difração eletrônica: lente objetiva, abertura objetiva e abertura seletiva de difração. A função das lentes projetoras é apenas a produção de um feixe paralelo e de suficiente intensidade incidente na superfície da amostra.

Os elétrons saem da amostra pela superfície inferior com uma distribuição de intensidade e direção controladas principalmente pelas leis de difração impostas pelo arranjo cristalino dos átomos na amostra.

Em seguida, a lente objetiva entra em ação, formando a primeira imagem desta distribuição angular dos feixes eletrônicos difratados. Após este processo importantíssimo da lente objetiva, as lentes restantes servem apenas para aumentar a imagem ou diagrama de difração para futura observação na tela ou na chapa fotográfica. Na figura 3 é mostrada uma fotografia de um MET de 200 kV.

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