Introdução à Nanotecnologia: Microscopia e Aplicações

Prévia do material em texto

Introdução à 
Nanotecnologia
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
Ele 1060
Aula 6
2010 - 01
Microscopia
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
Microscopia
Importância
• Visualizar objetos muitos pequenos
–Caracterizar materiais;
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
– Estudar propriedades;
–Observar defeitos;
– Investigar comportamentos.
História
• Primeiro: 1590 na Holanda;
• Primeira descrição detalhada: 1644;
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
• Entre 1660 e 1670 surgiram as primeiras
aplicações sérias: Biológicas.
Microscópio Ótico
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
Microscópio Ótico
Microscópio Ótico
• Utiliza a luz e conjuntos de lentes para
aumentar imagens;
• Resolução máxima:
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
• Resolução máxima:
– ~250 nm
Microscópio Ótico
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
Microscópio Eletrônico 
de Transmissão
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
MET
História
• 1932: imagens de folhas de alumínio 
– Ainda sem exceder a resolução dos óticos.
• 1933: imagens de fibras de algodão
– Amostra posteriormente danificada pelos elétrons.
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
– Amostra posteriormente danificada pelos elétrons.
• 1939: primeiro microscópio comercial
• 1942: primeira conferência
– Delft, Holanda
• 1950: primeira conferência internacional
– Paris, França.
História
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
Primeiro MET comercial
Informações Gerais
• Similar ao microscópio convencional;
• Feixe de elétrons de alta energia passa através
de uma amostra fina, revelando informações;
– Elétrons são obtidos de uma “arma”;
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
– Elétrons são obtidos de uma “arma”;
– Lentes sofisticadas manipulam os elétrons.
• Microscópios Comerciais.
– Aumentam 1.000.000 de vezes;
– Resolução de 0,1nm.
Informações Gerais
• Preparação de amostras – complexo;
• Aplicações em diversas áreas:
– Biologia;
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
– Biologia;
– Cristalografia;
– Análise química;
– Ciências moleculares;
– Outras.
Informações Gerais
• Diferentes tipos:
– STEM – Transmissão e Varredura;
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
– HRTEM – Alta Definição;
– EFTEM – Filtro de Energia.
Informações Gerais
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
Informações Gerais
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
• Imagens: Dr. Brian C. Holloway – The College of 
Willian and Mary – EUA.
• Exploring Nanotechnology – Nanopolis.
Vantagens
• Informações de difração;
• Detalhes de morfologia;
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
• Informação composicional;
• Informação cristalográfica;
• Análise de defeitos internos.
Desvantagens
• Difícil preparação de amostra;
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
• Imagens 2D de estruturas 3D
– Leva a erros de interpretação;
Princípios de Funcionamento
• Feixe de elétrons de alta energia (100 – 300 keV);
– Feixe fino e energia controlada (i. e. Velocidade).
• Controle do feixe;
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
• Controle do feixe;
– Lentes eletromagnéticas;
– Aberturas.
• Amostras são finas (10 – 100 nm);
• Elétrons que passam pela amostra geram as
informações.
Princípios de Funcionamento
Fonte de Elétrons
• Dois tipos de fontes:
– Termiônica
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
– Termiônica
• Elétrons emitidos pelo aquecimento do filamento.
– Emissão de Campo
• Campo elétrico é usado para extrair os elétrons
Princípios de Funcionamento
Fonte de Elétrons
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
Princípios de Funcionamento
Lentes
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
Princípios de Funcionamento
Interação Elétrons - Amostra
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
Preparação das Amostras
Fatiamento
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
Preparação das Amostras
Solução
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
Preparação das Amostras
Moagem
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
Difração
• Ocorre quando ondas passam por orifícios ou
contornam estruturas da mesma ordem de
grandeza do seu comprimento de onda.
– Gera um desvio na trajetória da onda.
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
– Gera um desvio na trajetória da onda.
Difração Eletrônica
• Elétrons sofrem difração quando passa pela amostra.
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
Imagens
HRTEM
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
Imagens
HRTEM
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
Campo Claro Campo Escuro
http://ncem.lbl.gov/frames/oam.htm
Aplicações
EELS - Espectroscopia
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
Aplicações
Filtro de Energia
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
Aplicações
Mapa Elemental
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
Aplicações
EDXS - Espectroscopia
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
Exemplos
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
http://ncem.lbl.gov/frames/oam.htm
Exemplos
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
http://ncem.lbl.gov/frames/oam.htm
Nanopartículas de FePt
Microscópio Eletrônico 
de Varredura
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
MEV
História
• 1935: primeiro uso
• 1937: primeiros estudos físicos 
– Produção de uma patente na inglaterra.
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
Produção de uma patente na inglaterra.
• 1965: primeiro equipamento comercial
– Entregue à DuPont
• 1989: possibilidade de imagens sem preparação
– ESEM
Informações Gerais
• Feixe de elétrons faz uma varredura na
amostra;
• Informações obtidas:
– Topografia;
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
– Topografia;
– Composição Química;
– Propriedades óticas e magnéticas.
• Vantagem: grande “Depth of Field”
– Proporção da imagem em foco.
• Resolução: 10 nm.
Informações Gerais
• Preparação de Amostras
–Mais simples que no MET
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
• Dois tipos
– Convencional
– Ambiental (Environmental)
• Permite a visualização no estado natural
Informações Gerais
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
Informações Gerais
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
http://www.le.ac.uk/bs/em/sem.htm
Princípio de Funcionamento
Aparatos
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
Princípio de Funcionamento
Interações Elétrons-Sólido
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
Princípio de Funcionamento
Formação das Imagens
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
Princípio de Funcionamento
Amostras não condutivas
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
Aplicações
WDX e EDX - Espectroscopia
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
Exemplos
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
http://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_electron_microscope
Fotoresistor