MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE POLÍMEROS

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MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE POLÍMEROS
Diego Saboya
Instituto de Macromoléculas Professora Eloísa Mano – IMA
Universidade Federal do Rio de Janeiro – UFRJ
08 e 09/11/2011
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MICROSCOPIA ELETRÔNICA 
O que são microscópios eletrônicos?
Microscópios eletrônicos são instrumentos científicos que utilizam um feixe de elétrons de alta energia para examinar materiais em uma escala muito pequena. Esta análise pode fornecer as seguintes informações: 
Topografia
As características superficiais de um objeto ou "como ele parece ser", sua textura; relação direta entre essas características e as propriedades dos materiais (dureza, refletividade, etc...)
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MICROSCOPIA ELETRÔNICA 
Morfologia
A forma e o tamanho das partículas que compõem o material; relação direta entre estas estruturas e as propriedades dos materiais (ductilidade, resistência, reatividade, etc...) 
Composição
Os elementos e compostos  dos quais o material é composto e suas quantidades relativas; relação direta entre a composição e as propriedades dos materiais (ponto de fusão, reatividade, dureza, etc...) 
Informação cristalográfica 
Como os átomos estão dispostos no objeto; relação direta entre esses arranjos e as propriedades dos materiais (condutividade, propriedades elétricas, força, etc...)
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De onde os microscópios eletrônicos vieram?
Os microscópios eletrônicos foram desenvolvidos devido às limitações dos microscópios de luz, limitados a uma ampliação de 500x ou 1000x e uma resolução de 0,2 micrômetros. No início da década de 30, esse limite teórico foi alcançado e houve um desejo científico em ver detalhes das estruturas internas de células (núcleo, mitocôndrias, etc.) Para isso, era necessário uma ampliação de mais de 10000x, o que não era possível com o uso de microscópios óticos.
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Microscopia eletrônica
TEM - Microscópio eletrônico de transmissão
SEM - Microscópio eletrônico de varredura
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O Microscópio Eletrônico de Transmissão (TEM) foi o primeiro tipo de microscópio eletrônico a ser desenvolvido e é idealizado exatamente no microscópio de transmissão de luz, exceto que um feixe de elétrons focalizado é usado em vez de luz para "ver através" da amostra. Ele foi desenvolvido por Max Knoll e Ernst Ruska na Alemanha em 1931. Em 1938, a Siemens Corporation construiu o primeiro modelo comercial do TEM.
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O primeiro microscópio eletrônico de varredura (SEM) foi desenvolvido em 1942, com os primeiros instrumentos comerciais produzidos por volta de 1965. Seu desenvolvimento tardio deveu-se devido à eletrônica envolvida na "varredura" do feixe de elétrons através da amostra. 
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Poder de resolução
Louis de Broglie descobriu que, aos elétrons, se encontra associada a propagação de uma onda, cujo comprimento de onda é dado pela equação:
			 λ = h / mv
onde h é a constante de Planck (h = 6,62 x 10-34 J.s), m é a massa do elétron e v a sua velocidade. Por exemplo, os elétrons acelerados por uma diferença de potencial de 75 KV, adquirem a velocidade de 145000 Km/s e o seu comprimento de onda associado é λ = 0,043 nm. Este valor é 100000 vezes inferior ao comprimento de onda das radiações azul-violeta, que correspondem ao máximo de sensibilidade das emulsões fotográficas (λ = 4300 nm).
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Este fato aponta para a possibilidade teórica de se atingirem, com os microscópios electrônicos, resoluções da ordem de 0,002 nm. Todavia, como o poder de resolução depende não só do comprimento de onda, mas também da abertura numérica, e esta está limitada por razões inerentes a natureza eletromagnética das lentes, atingem-se limites de resolução próximos de 0,1 nm. Todavia, na observação de espécimes biológicas, pela falta de contraste que os caracteriza, raramente se consegue ultrapassar a resolução de 1-2 nm.
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Ampliação
O microscópio eletrônico nos possibilita ampliações de 100000x ou mais.
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Como microscópios eletrônicos funcionam?
Os microscópios eletrônicos funcionam exatamente como os seus homólogos óptico, exceto pelo fato de utilizarem um feixe de elétrons focalizado no lugar de luz para formar a "imagem" da amostra e dar informação quanto à sua estrutura e composição.
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Como microscópios eletrônicos funcionam?
Os passos básicos envolvidos em todos os microscópios eletrônicos são:
Um fluxo de elétrons é formado (pela fonte de elétron) e acelerado em direção à amostra utilizando um potencial elétrico positivo.
Este fluxo é confinado e focalizado através de fendas metálicas e lentes magnéticas a um feixe monocromático fino e focado.
Este feixe é focalizado sobre a amostra usando uma lente magnética.
Interações ocorrem dentro da amostra irradiada, afetando o feixe de elétrons.
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Como microscópios eletrônicos funcionam?
Essas interações e efeitos são detectados e transformados em imagem.
As etapas descritas são as mesmas em todos os microscópios eletrônicos, independente do tipo. Um tratamento mais específico sobre o funcionamento de dois tipos de microscópios eletrônicos serão descritos em mais detalhes.
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MICROSCÓPIO ELETRÔNICO DE TRANSMISSÃO (TEM)
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O que podemos “ver” com o TEM?
Morfologia
A forma, o tamanho e o arranjo das partículas que compõem a amostra, bem como sua relação com o outro na escala de diâmetros atômicos.
Estrutura cristalina
O arranjo dos átomos na amostra e seu grau de ordem, a detecção de defeitos em escala atômica em áreas de poucos nanômetros de diâmetro.
Composição (se equipado)
Os elementos e moléculas que a amostra é composta e suas proporções relativas, em áreas de poucos nanômetros de diâmetro.
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Como funciona?
O TEM funciona como um projetor de slides. Um projetor brilha um feixe de luz através (transmite) do slide, à medida que a luz passa, ela é afetada pelas estruturas e objetos no slide. Estes efeitos resultam em apenas certas partes do feixe de luz a serem transmitidas através de certas partes do slide. Este feixe transmitido é então projetado na tela de visualização, formando uma imagem ampliada do slide.
O TEM funciona da mesma maneira, exceto que, ele “brilha” um feixe de elétrons (como a luz), através da amostra (como o slide). Qualquer parte transmita é projetada em uma tela de fósforo para o usuário a ver. 
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Como funciona?
A fonte no topo representa o canhão de elétrons, produzindo um fluxo monocromático de elétrons.
Este fluxo é focado para um feixe pequeno, fino e coerente com o uso de lentes condensadoras. A primeira lente (geralmente controlada pelo botão "spot size") determina em grande parte o "spot size"; a faixa de tamanho do feixe final que atinge a amostra. A segunda lente (geralmente controlada pelo botão "intensidade ou brilho") realmente muda o tamanho do feixe na amostra; mudando de um feixe amplo e disperso a um ponto.
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Como funciona?
O feixe é restrito pela abertura do condensador (geralmente selecionável pelo usuário), rebatendo para fora elétrons com alto ângulo (aqueles longe do eixo ótico)
O feixe atinge a amostra e parte dos elétrons são transmitidos
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Como funciona?
Esta parte transmitida é focalizada pela lente objetiva em uma imagem
A abertura da objetiva e de área selecionada (opcional) podem restringir o feixe; a abertura objetiva aumenta o contraste por bloquear elétrons de alto ângulo difratados, a abertura de área selecionada permite ao usuário examinar a difração periódica de elétrons por arranjos ordenados de átomos na amostra 
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Como funciona?
A imagem passa pela coluna através da lente intermediária e da lente projetora, sendo alargada pelo caminho
A imagem atinge a tela de fósforo e luz é gerada, permitindo ao usuário ver a imagem. As áreas mais escuras da imagem representam as áreas da amostra onde menos elétrons foram transmitidos (elas são mais espessas ou mais densas). As áreas mais claras da imagem representam as áreas da amostra onde mais elétrons foram transmitidos (elas são mais finas ou menos densas)
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Tingimento é uma técnica de preparação muito útil. Torna a morfologia das amostras poliméricas
visíveis por aumento do contraste de densidade. Ela tira proveito de diferentes deposições de compostos de metais pesados, por exemplo, RuO4 ou OsO4, nas regiões amorfa e cristalina de um polímero ou de diferentes afinidades do tingimento devido à natureza química e física dos componentes do polímero.
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Fonte de elétrons
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Fonte de elétrons
Todos os microscópios eletrônicos utilizam uma fonte de elétrons de algum tipo. A maioria utiliza uma fonte de elétrons termoiônica como mostrado abaixo:
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Fonte de elétrons
A fonte de elétrons termoiônica funciona da seguinte maneira:
Um potencial elétrico positivo é aplicado ao ânodo
O filamento (cátodo) é aquecido até um fluxo de elétrons serem produzido
Os elétrons são então acelerados pelo potencial positivo coluna abaixo.
Um potencial elétrico negativo (~ 500 V) é aplicado ao Whenelt Cap
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Fonte de elétrons
À medida que os elétrons se movem em direção ao ânodo, qualquer um emitidos do lado do filamento são repelidos pelo Whenelt Cap em direção ao eixo ótico (centro)
Uma coleção de elétrons ocorre no espaço entre a ponta do filamento e Whenelt Cap. Esta coleção é chamada de carga espacial
Os elétrons na parte inferior da carga espacial (mais próxima ao ânodo) podem sair da área da fonte através de um pequeno orifício (< 1 mm) no Whenelt Cap 
Estes elétrons, então, descem a coluna a serão usados mais tarde na formação da imagem
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Fonte de elétrons
Este processo assegura várias coisas:
Que os elétrons utilizados mais tarde para geração de imagens serão emitidos de uma fonte pontual quase perfeita (a carga espacial) e todos eles terão energias semelhantes (monocromáticos)
Apenas os elétrons quase paralelos ao eixo ótico serão permitidos sair da área da fonte
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Comparação de várias fontes a 20 kV
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
< 5nm
5%
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Preparação de amostras
As amostras precisam ser extremamente finas, ao ponto de serem transparentes ao feixe de elétrons, de modo que o elétron possa penetrá-las.
Ultramicrotomia é o método usado para cortar as amostras poliméricas em fatias bem finas. As fatias precisam ter entre 50-100 nm de espessura para que a análise de TEM seja eficaz e com uma boa resolução.
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Preparação de amostras
Micrótomos
Prepara seções finas (>5 μm) e semi-finas (0,5 - 5 μm) a temperatura ambiente. As seções e as superfícies planas dos blocos de onde as seções foram cortadas podem ser analisadas por SEM, AFM e HVTEM.
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Preparação de amostras
Ultramicrótomos
Prepara seções semi-fina (0,2 - 3 μm), bem como ultrafinas (< 0,2 μm) para a visualização por TEM e AFM. Dependendo das propriedades mecânicas dos materiais (dureza, por exemplo), o corte pode ser feito a temperatura ambiente, após tingimento ou em condições criogênicas. Deve-se observar que as seções semi-finas, após deformação fora ou dentro de um microscópio, também são utilizados para o estudo detalhado dos mecanismos de deformação dos materiais. Como no caso anterior, as superfícies planas remanescentes podem ser estudadas por AFM e SEM.
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Preparação de amostras
Criomicrótomos e crioultramicrótomos
Ideais para corte de materiais macios sem fixação ou tingimento. Tanto a faca como a amostra são resfriados por nitrogênio líquido, na qual a temperatura de corte pode ser ajustada até –185°C. Essas seções são principalmente estudadas por TEM, enquanto as superfícies planas pode ser verificadas por AFM.
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Preparação de amostras
Facas
Podem ser de vidro ou diamante.
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Facas de vidro
Feitas com vidro especial.
Cortada de tiras de vidro com 400 mm de comprimento e 25 mm de largura, com espessuras de 6,4, 8 ou 10 mm, respectivamente. Ao selecionar a espessura de uma tira de vidro, é importante levar em consideração os requisitos da amostra e o objetivo da análise microscópica. A ponta afiada de uma faca de vidro pode ser usada para cortar fatias finas e ultrafinas.
Devido ao processo de propagação da quebra ao longo das diagonais dos quadrados, o ângulo da faca é maior que 45 °.
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Facas de vidro
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Facas de diamante
São fabricadas a partir de diamantes naturais. 
Durante a fabricação, o ângulo da faca pode ser definido exatamente 45 ° ou 35 °. Uma vantagem importante de um menor ângulo de inclinação é o fato de que se pode reduzir significativamente o empenamento e a contração das seções. 
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Facas de diamante
As principais vantagens de facas de diamante são:
O diamante tem a maior dureza de todos os materiais, ou seja, todos os materiais podem ser cortados.
O diamante é muito forte na direção do corte.
Estão disponíveis em várias inclinações, e menores inclinações podem ser obtidas em comparação às facas de vidro.
Tempos de vida longos são possíveis se forem usadas cuidadosamente.
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Facas de diamante
A desvantagem das facas de diamante é seu alto preço, no entanto, isso é compensado com o tempo pela alta qualidade dos cortes produzidos, o que, portanto, leva à uma informação científica valiosas pela análise microscópicas.
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Facas
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Funcionamento do 
micrótomo e do ultramicrótomo
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Funcionamento do 
micrótomo e do ultramicrótomo
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Ultramicrótomo
amostra
faca
controlador de velocidade e espessura de corte
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Preparação da amostra para o corte
Embutimento
Quando as amostras não podem ser colocadas diretamente no micrótomo. No caso de amostras muito pequenas, filmes muito finos, pó, ou se existir a possibilidade da amostra ser deformada quando for fixada.
Embutida em um meio no qual a amostra não reaja
Utilizam-se como meio: resinas epóxi, poliésteres e metacrilatos.
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Preparação da amostra para o corte
Trimming
Trimming significa atingir o tamanho e a geometria ideal da amostra antes da microtomia.
Isso pode ser feito à mão usando uma lâmina sob o microscópio, ou com o auxílio de um dispositivo de corte.
As amostras também podem ser cortadas em um ultramicrótomo usando uma lâmina de corte. 
A superfície cortada, geralmente uma área retangular no topo de uma pirâmide, deve ter aproximadamente 0,5 x 0,5 mm ou menos. Para amostras que apresentam dificuldades durante o corte, é possível reduzir a área a 0,1 x 0,1 mm ou ainda menor. 
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Preparação da amostra para o corte
Trimming
É importante tomar as seguintes considerações:
A amostra não deve estar apontanda como uma agulha e não deve se estender muito para fora do porta-amostras
Tanto a faca quanto a amostra devem ser posicionadas de forma estável e fixa.
A fim de especificar a direção ou orientação da amostra, a área de superfície pode ser aparada de uma forma especial, como um trapézio ou triângulo.
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Preparação da amostra para o corte
Fixação e tingimento
Materiais poliméricos macios, polímeros contendo componentes macios ou substâncias orgânicas (tais como material biológico ou biomédico) precisam ser fixados, bem como endurecidos antes de sofrer o corte. Este endurecimento ou fixação pode ser alcançado através de processos físicos (ex.: radiação γ) ou reações químicas (ou seja, através da criação de ligações cruzadas ao reagir a amostra com OsO4 ou RuO4). Além disso, a amostra deve ser cortada abaixo da Tg. 
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Cortes ultrafinos
Parâmetros do corte:
 Se o corte pode ser feito à temperatura ambiente ou criogênico.
A temperatura da amostra e faca durante o corte criogênico.
Corte molhado ou seco.
Seleção da faca: de vidro ou de diamante.
Seleção da janela de corte e velocidade de corte.
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Cortes ultrafinos
Parâmetros do corte:
Espessura de corte (< 100 nm para substâncias orgânicas e polímeros e algumas dezenas de nanômetros para metais).
O posicionamento da amostra e da faca.
Se deve utilizar um ionizador para descarregar o corte (de modo que estes permaneção no lugar e não voem).
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Corte
Corte à seco
Corte molhado
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Corte
 
Corte a seco
Corte molhado
Pro
- Amostra e faca têm temperaturas idênticas
- Nenhum efeito do líquido
- Fácil coleta dos cortes
- Menos compressão do corte
- Baixa carga eletrostática
- Menor dano à faca
Contra
- Carga eletrostática
- Dificuldade na coleta dos cortes
- Alta compressão
- Possível reação do líquido com a amostra
- Temperatura da amostra e da faca podem variar
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Corte
Controlando o caminho dos cortes com a ajuda de um cílio durante corte à seco e molhado
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Corte
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Corte
O procedimento do corte depende também da resposta da amostra/faca na borda da faca. Por exemplo, se a amostra é muito macia, pode ocorrer compressão ou encolhimento do corte, enquanto materiais frágeis podem apresentar formação de e a amostra pode até quebrar.
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Corte
Frágil
Dúctil
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Coleta dos cortes
Coleta de cortes molhados:
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Coleta dos cortes
Coleta de cortes molhados:
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Coleta dos cortes
Coleta de cortes à seco:
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Coleta dos cortes
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Erros durante o corte
Compressão do corte
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Erros durante o corte
Compressão do corte
Este efeito pode ser minimizado pela seleção adequada dos parâmetros de corte, tais como:
Endurecimento da amostra se a fixação e tingimento da amostra não seja suficiente
Trimming da superfície do corte para torná-la a menor possível; também pode-se variar a geometria da área de corte
Variar o ângulo e a velocidade de corte, bem como a espessura e a temperatura de corte.
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Erros durante o corte
Influência de uma faca com defeitos na qualidade dos cortes
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Erros durante o corte
Série de cortes com várias espessura
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Erros durante o corte
Série de cortes com várias espessura
Estes problemas podem ser eliminados fazendo as seguintes ações:
Mudar a temperatura de corte
Melhorar a dureza da amostra a ser cortada
Alterar a velocidade e o ângulo de corte.
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Erros durante o corte
Variação da espessura dentro de uma único corte
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Erros durante o corte
Variação da espessura dentro de uma único corte
As seguintes ações podem ajudar a reduzir este efeito negativo:
Equalizar os diferentes componentes da amostra pelo endurecimento adicional ou variando a temperatura de corte
Ajustar a temperatura de corte, bem como a velocidade.
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Vantagens
O TEM pode ampliar mais de 500000x
Ele pode resolver detalhes tão pequenos quanto 1nm (melhor resolução do que SEM)
Menor estrutura de polímero observável: rede cristalina
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Desvantagens
Longa preparação de amostra para permitir que esta seja eletronicamente transparente (necessário tempo e paciência!)
As amostras podem ser danificadas pela irradiação do feixe de elétrons
Pequeno campo de visão restringe as possibilidades de obter características de toda a amostra
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Partículas de polietileno na forma de discos
Fibra de polipropileno contendo 5 % de argila
Imagens
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Morfologia de um copolímero em bloco visualizado após coloração com RuO4.
Nanopartículas de prata
Imagens
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MICROSCÓPIO ELETRÔNICO DE VARREDURA(SEM)
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O que podemos “ver” com o SEM?
Topografia
Características da superfície de um objeto ou "como ele aparenta", sua textura; características detectáveis somente a alguns nanômetros.
Morfologia
Forma, tamanho e arranjo das partículas que compõem a superfície da amostra ou que tenham sido expostos, por trituração ou ataque químico; características detectáveis somente a alguns nanômetros.
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O que podemos “ver” com o SEM?
Composição 
Os elementos e compostos da amostra e suas proporções relativas, em áreas com diâmetro em torno de um 1 micrômetro.
Informações cristalográficas
Arranjo dos átomos na amostra e sua ordenação; útil apenas em partículas com um único cristal de maiores que 20 micrômetros.
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Como funciona?
A fonte no topo representa o canhão de elétrons, produzindo um fluxo monocromático de elétrons.
O fluxo é condensado pela primeira lente condensadora (geralmente controlada pelo botão "coarse probe current"). Esta lente é usada tanto para formar o feixe e limitar a quantidade de corrente no feixe. Ele funciona em conjunto com a abertura do condensador para eliminar os elétrons de altos ângulos.
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Como funciona?
O feixe é então contraído pela abertura do condensador (normalmente não selecionável pelo usuário), eliminando alguns elétrons de alto ângulo
A segunda lente condensadora torna os elétrons em um feixe fino, apertado e coerente, geralmente controlado pelo botão “fine probe current”.
Uma abertura da objetiva selecionável pelo usuário elimina ainda mais elétrons de alto ângulo. 
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Como funciona?
Um conjunto de bobinas, em seguida, escaneia ou varre o feixe na forma de uma rede (como uma televisão), parando em pontos por um período de tempo determinado pela velocidade de varredura (geralmente na faixa de microssegundos).
A lente final, a objetiva, focaliza o feixe de varredura para a parte desejada da amostra.
Quando o feixe atinge a amostra (e fica por alguns microssegundos), interações ocorrem dentro da amostra e são detectadas por vários equipamentos.
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Como funciona?
Antes que o feixe se mova ao seu próximo ponto, estes equipamentos contam o número de interações e exibem um pixel em um tubo de raios catódicos cuja intensidade é determinada por este número (quanto mais reações, maior o brilho do pixel).
Este processo é repetido até que a varredura da rede é concluída e, em seguida, repetida. Todo o procedimento pode ser escaneado 30 vezes por segundo.
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Interações elétrons-amostra
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Interações elétrons-amostra
É resultado simultâneo de:
Interações elásticas - desvio da trajetória do feixe de elétrons 
Interações inelásticas - redução da energia do feixe de elétrons 
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Interações elétrons-amostra
Interações elásticas:
Muda a trajetória dos elétrons sem perda apreciável de energia – elétrons retro-espalhados.
Ocorre principalmente pela interação entre os elétrons e o núcleo atômico.
Interações inelásticas:
Ocorre transferência de energia entre os elétrons do feixe para os átomos da amostra – elétrons secundários, elétrons Auger, raios-X, etc.
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Interações elétrons-amostra
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Volume de interação
Forma do volume de interação:
 - Pêra ou gota
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Volume de interação
É resultado simultâneo de:
Interações elásticas - desvio da trajetória do feixe de elétrons 
Interações inelásticas - redução da energia do feixe de elétrons 
Tamanho e forma do volume de Interação é função:
dos componentes da amostra
dos parâmetros do feixe
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Volume de interação
Forma do volume de interação:
- Pêra
gargalo - resultado do espalhamento inelástico
bulbo - resultado do espalhamento elástico
Visualização do volume de interação em poli(metacrilato de metila) (PMMA)
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Volume de interação
Variação do volume de interação com o número atômico (Z)
Simulação de Monte Carlo da trajetória dos elétrons com 20 keV em matriz de carbono e ferro
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Volume de interação
Variação do volume de interação com a energia do elétron primário (ep)
Simulação de Monte Carlo da trajetória dos elétrons com diferente energia em matriz de ferro
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Origem da imagem
Imagem por elétrons retro-espalhados:
Contraste de composição
Baixa resolução
Imagem por elétrons secundários:
Mais utilizada em MEV
Imagem de maior resolução
Grande profundidade de foco
Impressão tridimensional
Fácil interpretação.
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Elétrons retro-espalhados
Compreende espalhamento elástico de elétrons cuja trajetória foi desviada em mais de 90° em relação à direção do feixe incidente. Mostram estreita relação de dependência com o número atômico e a energia dos elétrons (50 eV até valores correspondentes a energia do feixe incidente).
Permitem a individualização de fases através de contraste de tons de cinza em função do número atômico médio (Z) - diferenças Z > 0,2.
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Elétrons secundários
Compreendem os elétrons da camada de valência perdidos que emergem através da superfície
da amostra;
Englobam todos os elétrons de energia inferior a 50 eV;
Insensíveis a variação do número atômico (Z);
Aumentam com a diminuição da energia do feixe incidente;
Possibilitam a visualização da topografia da amostra, com elevada profundidade de foco.
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Energia dos elétrons
Elétrons secundários (ES)
energia inferior a 50 eV
mais de 90 % entre 2 a 5 eV
Elétrons retro-espalhados (ERE)
energia entre 50 eV e a do EP
Espectro de energia dos elétrons que deixam a amostra
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SEM - Sinais/Detectores
Detector de elétron secundário
Elétrons atingem a superfície da amostra
Como resultado, alguns elétrons "borrifam" para fora da amostra (elétrons secundários)
O detector com uma forte carga positiva atrai esses elétrons, no entanto, dependendo da topografia da superfície, nem todos os elétrons serão atraídos
Os elétrons em picos serão atraídos para o detector de carga positiva
Os elétrons em vales não serão atraídos para o detector
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Partículas cristalinas de látex
Superfície de um hidrogel
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SEM - Sinais/Detectores
Detector de elétron retro-espalhado
Os elétrons de alta energia do feixe atingem a amostra
Alguns elétrons passam perto de um núcleo e são desviados pela carga positiva
Estes elétrons retro-espalhados retornam à superfície da amostra movendo-se em alta velocidade
Elétrons retro-espalhados são dependentes do número atômico da amostra
Podem fornecer informações sobre a composição elementar de uma amostra
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Preparação da amostra
As amostras devem ser suficientemente pequenas para caber no porta amostra. Microscópios mais modernos podem acomodar com segurança amostras de até 15 cm de altura.
As amostras devem ser eletricamente condutivas.
Amostras poliméricas geralmente precisam ser revestidas por pulverização catódica para torná-las condutoras.
Revestimento metálico ultra-fino.
Geralmente ouro ou liga ouro/paládio.
Revestimento ajuda a melhorar a resolução da imagem.
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Otimização de operação do SEM
Tipos de distúrbios da imagem:
Perda de definição e contraste
Imagens instáveis
Imagens com baixa qualidade
Imagens ruidosas
Imagens apresentando bordas serrilhadas
Imagens com contraste atípico
Imagens distorcidas ou deformadas
Causas:
Defeito do equipamento
Inexperiência do operador
Amostras mal preparadas
Sala e instalações inadequadas
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Tipos de Distúrbio da Imagem e suas causas
Perda de definição
tensão de aceleração imprópria
instabilidade de emissão do canhão causada por aquecimento
insuficiente do filamento
diâmetro incorreto do feixe de elétrons
colocação imprópria e centragem incorreta da abertura da objetiva
correção insuficiente do astigmatismo
profundidade de foco imprópria
ampliação muito grande
carregamento e magnetização da imagem
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Tipos de Distúrbio da Imagem e suas causas
Baixa qualidade da imagem
tensão de aceleração imprópria
corrente do feixe imprópria
correção do astigmatismo incorreta
ruído causado pelo ganho excessivo da fotomultiplicadora
contraste e brilho impróprios
processo de preparação de amostra impróprios
relação de posição entre amostra e detector impróprios
inclinação da amostra.
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Tipos de Distúrbio da Imagem e suas causas
Ruídos
instabilidade da tensão de aceleração
descarga do detector
carregamento da superfície da amostra
perda por campo magnético externo
vibração mecânica
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Tipos de Distúrbio da Imagem e suas causas
Distorção da imagem e deformação
carregamento da amostra
perda por campo magnético externo
dano pelo feixe de elétrons
deformação da amostra durante sua preparação
deslocamento da imagem causado pelo carregamento interno da coluna
deslocamento da amostra em estágios aquecidos ou refrigerados
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Otimização Imagem - Interação Feixe de Elétrons - Amostra
Influência da tensão de aceleração na qualidade da imagem
Pela teoria ondulatória e eletro-ótica de um SEM quanto maior a tensão de aceleração aplicada ao feixe de elétrons, menor será o comprimento de onda e menor o diâmetro do feixe.
Degradações da imagem devido ao aumento da tensão de aceleração
Diminuição do detalhamento das estruturas superficiais da amostra
Efeitos de borda enfatizados
Aumento da probabilidade de efeito de carregamento
Aumento da probabilidade de danos da amostra
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Otimização Imagem - Interação Feixe de Elétrons - Amostra
Influência da tensão de aceleração na qualidade da imagem
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Alta voltagem:
- difícil contraste
Baixa voltagem:
- microestruturas mais definidas
Pó de Grafite
Tensão de aceleração alta: observa-se que que é difícil obter um bom contraste nas estruturas superfíciais da amostra e também ocorre um aumento no carregamento.
Efeito da tensão de aceleração
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A resolução e nitidez da imagem é maior a 5 kV quando a área de penetração e espalhamento dos elétrons incidentes são pequenos.
Filtro de papel
Efeito da tensão de aceleração
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A definição e a resolução são melhoradas em altas tensões
Particulas de Au evaporadas
Efeito da tensão de aceleração
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Microestrutura mais definida
Pó metálico sinterizado
Tensão de aceleração alta: observa-se que que é difícil obter um bom contraste nas estruturas superficiais da amostra.
Efeito da tensão de aceleração
110
Com aumento de aceleração, mais elétrons espalhados são produzidos da substância dentro da amostra. 
Isto elimina o contraste de microestruturas da superfície e provoca o aparecimento de diferentes contrastes devido ao espalhamento de elétrons dentro da amostra.
Efeito da tensão de aceleração
111
Efeito da corrente e do diâmetro do feixe
Relação entre a corrente do feixe e seu diâmetro
112
Efeito da corrente e do diâmetro do feixe
1 nA
0,1 nA
10 pA
113
Influência do efeito de borda na imagem
O efeito das bordas e o efeito da inclinação são ambos devido a morfologia da superfície da amostra.
protuberância
borda
circunferência
114
Influência do efeito de borda na imagem
Efeito de borda – a emissão de ES varia com a condição da superfície.
Quanto maior a voltagem de aceleração, maior o efeito de bordas, tornando as bordas brilhantes
Amostra de chip
5 kV
25 kV
Tilt angle: 50°
115
Influência da inclinação da amostra
O uso da inclinação da amostra é indicado quando deseja-se:
melhorar a qualidade dos ES
obter informações de formas diferentes que as obtidas quando a amostra não está inclinada, isto é, observar as bordas
obter imagens em modo estéreo
Cuidado: Qualquer medida na amostra deve ser feita sem inclinação. Medidas realizadas com a amostra inclinada deve ser feito a correção do ângulo.
116
Influência da inclinação da amostra
Com a inclinação da amostra, a quantidade de sinal á aumentada e os detalhes são enfatizados.
Tilt angle: 0°
Tilt angle: 45°
5 kV
5 kV
Chip
1100x
1100x
117
Influência da inclinação da amostra
Posição do detector e direção da amostra
Direcionando o eixo longitudinal da amostra para o detector de elétrons secundários, faz com que o brilho da amostra seja equalizado.
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Uso do sinal de elétrons retro-espalhados
A quantidade e a direção dos ERE variam com a:
composição da amostra – a taxa de geração dos ERE depende do número atômico médio da fase analisada.
topografia da superfície – do ângulo que os ERE fazem com a superfície da amostra.
cristalinidade e magnetismo da amostra – a intensidade de emissão dos ERE muda com a cristalinidade da amostra.
A imagem dos ERE contém dois tipos de informação: composição da amostra e topografia.
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(a) Imagem de ERE
(c) Imagem ERE de composição
(d) Imagem ERE de topografia
(b) Imagem de ES
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Influência do carregamento eletrostático da superfície
Medidas para reduzir o carregamento:
Reduzir a corrente do feixe
Diminuir a tensão de aceleração
Aumentar a velocidade de varredura 
Inclinar a amostra para achar um ponto de equilíbrio entre a quantidade de elétrons incidente e a quantidade de elétrons que saem da amostra (esta inclinação varia
com a amostra)
121
Influência do carregamento eletrostático da superfície
O carregamento pode ser prevenido ou reduzido diminuindo a tensão
3200x
4 kV
3200x
10 kV
1,0 kV
1,3 kV
Mosquito do vinagre
Resistência
122
Influência do carregamento eletrostático da superfície
Preparação da amostra para prevenir o carregamento:
Ao fixar a amostra no suporte aplique tinta condutiva (prata, carbono ou similar) nas partes da amostra que são difíceis de recobrir.
No caso de pós, se as partículas não foram desaglomeradas e estão empilhadas, o carregamento facilmente acontecerá, fazendo com que as partículas de pó se movam durante a observação.
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Influência do carregamento eletrostático da superfície
Fixação de amostras sólidas
Preparação de amostras em pó
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Em (a) e (b): pó disperso em tinta condutora de prata e levemente pressionado – sem carregamento.
Em (c) e (d) pó fixado com fita de carbono dupla face – carregamento, pois o pó não está devidamente aderido.
(b) 5 kV Tilt angle 45°
(a) 15 kV Tilt angle 0° 
720x 
1400x
(c) 15 kV Tilt angle 0° 
(d) 5 kV Tilt angle 45°
1400x
720x 
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Danificação da amostra
Dano da amostra pelo feixe de elétrons
A transferência de energia dos elétrons do feixe para a amostra pode gerar calor e danificar a região irradiada. O aumento da temperatura depende:
Tensão de aceleração do feixe
Área de varredura
Tempo de varredura
Condutividade térmica da amostra. Materiais poliméricos e biológicos, que geralmente não são resistentes ao calor, são facilmente danificados pelo feixe de elétrons, por causa da baixa condutividade térmica.
126
Danificação da amostra
Maneiras de evitar a danificação da região:
Usar baixas tensões
Diminuir o tempo de varredura
Fotografar áreas maiores com pequenos aumentos
Controlar a espessura do recobrimento
Fazer os ajustes de brilho, contraste e astigmatismo em outra região.
127
Contaminação
A contaminação da amostra ocorre quando o feixe de elétrons é irradiado por muito tempo em uma porção da amostra, sua imagem pode perder definição e ficar escura. Isto é causado por gases residuais nas redondezas da região da amostra que está sendo atingida pelo feixe.
Gases residuais na câmara:
Gás causado pelo próprio instrumento
Gás que a amostras traz para o instrumento
Gás que a própria amostra libera na câmara quando irradiada pelo feixe
128
Contaminação
Como prevenir a contaminação:
Usar pequena quantidade de fita adesiva ou tinta condutiva e deixar secar completamente.
Secar o adesivo com secador após a cura.
Usar amostras biológicas o menor possível.
As resinas podem liberar gases quando irradiadas pelo feixe. Logo, é preciso selecionar a resina, irradiar a menor área possível ou cobrir a superfície com um material condutivo.
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Contaminação
A região central apresenta uma redução de contraste e perda de definição quando comparada com a periferia menos exposta a ação do feixe.
Imagem obtida com 18000x após longo tempo de exposição a 36000x. Amostra de aço IF
5 kV 18000x
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Espuma polimérica
Micas sintéticas
Imagens
131
SEM
Vantagens
Fácil preparação de amostra
Possibilidade de visualizar amostras maiores
Possibilidade de visualizar uma maior área de amostra
Desvantagens
Ampliação máxima é inferior a do TEM (500000x)
Resolução máxima de imagem é inferior a do TEM (0,5 nm)
Processo de revestimento por pulverização catódica pode alterar a superfície da amostra
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TEM
Vantagens
Maiores ampliações são possíveis (maior que 500000 x)
Maior resolução (abaixo de 0,5 Å)
Possível visualização de átomos individuais
Desvantagens
Preparação das amostras
A estrutura da amostra pode ser alterada durante o processo de preparação
Campo de visão é muito estreito e pode não representar a amostra como um todo
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