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Lista de MET D Camila Lopes Géssica Faria Jade Barreto Luiz Guilherme Paul Juárez Soto Rosa Silveira 1a Questão: (1,0) Faça um esboço de um monocromador para fontes de elétrons, explicando o seu funcionamento. Um monocromador é um sistema EELS (Electron Energy-Loss Epectrometry) que consiste de um filtro Wien com campos elétrons e magnéticos cruzados perpendicular ao feixe de elétrons, instalado entre o canhão FEG e o acelerador. Este sistema tem o intuito de minimizar a propagação de energia do feixe de elétrons. A combinação entre os elétrons extraídos da fonte de elétrons, o canhão da lente e o monocromador formam uma lente eletrostática efetiva no microscópio. A diferença entre os potenciais de cada componente define a força efetiva do canhão da lente e da corrente do feixe de elétrons resultante. Caso o monocromador saia, o feixe de elétrons é elevado na direção ortogonal criando uma imagem ou uma linha de dispersão na fonte de elétrons, sendo esta uma distribuição de elétrons à sua energia. Esta linha é focada no plano de saída do monocromador, que é conjugado com a fenda de seleção do plano de energia, posicionado abaixo do acelerador. Esta fenda transmite apenas uma pequena porção de elétrons com propagação de energia estreita selecionada. A excitação ou força do monocromador é definida como , onde Em é o campo de deflexão elétrica do monocromador e L é o comprimento do monocromador. A redução do potencial do monocromador (Vmono) pode resultar em um aumento significativo da resistência do monocromador (dispersão). Além disso, reduzir Vmono aumenta a força total do eletrostática efetiva do canhão da lente, reduzindo a ampliação da fonte de elétrons e a sua contribuição para a largura da linha de dispersão na direção não dispersa. Isso também move a ação de focagem do canhão da lente mais longe da fonte de elétrons, reduzindo o ângulo de aceitação dos elétrons (Figura 1) e, portanto, o efeito de aberrações cromáticas e esféricas do canhão da lente. Um menor ângulo de aceitação também faz com que menos elétrons passem através do canhão de elétrons para o monocromador, diminuindo suas interações de Coulomb. Todos esses fatores juntos sugerem um aumento da ação de filtragem do monocromador sob a redução do valor de Vmono. Figura 1. Simulação das trajetórias do feixe de elétrons monocromados. Fonte: Lopatin, S, et al. Optimization of monochromated TEM for ultimate resolution imaging and ultrahigh resolution electron energy loss spectroscopy. Ultramicroscopy 184 (2018) 109–115. R: O funcionamento foi explicado corretamente pelo fato do monocromador ser um identificador óptico mais complexo, é utilizado para a verificação de espectros de luz, selecionando assim uma “cor por vez”. Por se tratarem de uma fonte de elétrons, os feixes emitidos devem conter um comprimento estreito para serem analisados com maior precisão, a lente objetiva limita o poder de dispersão do canhão fazendo com que não haja aberrações esféricas. 2a Questão: (0,0) Como lidar com amostras não condutoras no MET? As amostras em MET são suportadas por uma grade de 3 mm (tipicamente feita de Cu, Ni, Au) e amostras de pó não condutoras precisam de uma fina película transparente de elétrons (tipicamente de carbono) para ser lançada sobre a grade de modo a suportar as partículas durante a imagem. Para resolver os problemas de carregamento nas amostras não condutoras, uma das grandes preocupações é em relação a amostra ser carregada positivamente, que acarretará na geração de poucos eventos de espalhamento. Uma alternativa é inserir a abertura da lente objetiva que receberá os elétrons do feixe. Os elétrons recebidos serão retroespalhados e vão se combinar com as cargas positivas presentes na amostra, gerando então elétrons contrários com energia mais baixa. Contudo, uma das grande limitações desta configuração é que a amostra não poderá ser inclinada. Amostras com peso atômico baixo (por exemplo polímeros e materiais biológicos) muitas vezes precisam ser “manchadas” com elementos densos (exemplo tetróxido de ósmio e o acetato de uranilo) para gerar um contraste específico da amostra. Além disso, pesquisas recentes têm desenvolvido o encapsulamento de amostras biológicas em um líquido, conhecidas como “células líquidas”, para observações sem MET. Nesta preparação, a amostra é embutida em uma camada líquida confinada em duas janelas transparente ao feixe de elétrons (como nitreto de silício e o grafeno), sendo então possível a observação das amostras biológicas na sua forma molhada. Fonte: SMITH, J. Sample Preparation Strategies for Characterisation of Materials. National Center for Nano-Structured Materials, CSIR. R: Errado, pois na maioria das vezes, os materiais não condutores são brilhantes devidos ao acumulo de elétrons em partes destes. Logo, em uma análise, os flashes produzidos pelo “encontro” de elétrons em excesso impediriam uma análise detalhada. Consequentemente um revestimento de matérias condutivos como ouro, carbono deve ser feito na superfície impedindo que a superfície do objeto estudado fique negativamente carregado. 3a Questão: (0,5) Quais as vantagens trazidas pela técnica de difração com precessão em relação à técnica SAD? O princípio das duas técnicas é semelhante, porém a principal vantagem da técnica de precessão que pode ser apontada é a remoção de fortes efeitos dinâmicos a partir dos padrões de difração, fazendo assim com que seja alcançada uma qualidade elevada de dados cinemáticos, uma vez que é possível eliminar pontos (manchas) extras relacionados a tais efeitos dinâmicos. A técnica pode ainda ser usada para determinação da estrutura cristalina e simetria completa. Na figura 2 é representado o efeito da aplicação de um pequeno (a) e um grande (b) ângulo de precessão em um monocristal de silício. Para maiores ângulos os efeitos cinemáticos são reduzidos, e as reflexões 002, 006 e 00010 desaparecem. Isso ocorre porque a difração múltipla é improvável de acontecer durante os movimentos de precessão. Figura 2 - Efeito da aplicação de um ângulo de precessão pequeno (a) e grande (b) em um monocristal de silício. Fonte: Willians e Carter. Capítulo 18.8. R: Está correta pois como foi explicada, a técnica de precessão torna a imagem mais nítida no sentido de tornar as impurezas do cristal menos visíveis. 4a Questão: (0,5) Como buscar um eixo de zona de baixo índice utilizando os modos de difração? É possível buscar um eixo de zona de baixo índice utilizando a difração de Kikuchi. Os padrões de Kikuchi são formados pois há geração de uma grande quantidade de elétrons difratados incoerentemente em todas as direções. Logo estes elétrons podem ser difratados, conforme a condição de Bragg, pelos planos cristalinos. Uma vez que os são elétrons espalhados em todas as direções, o feixe difratado irá encontrar-se em um dos2 cones de kossel, como representado na figura 3: Figura 3 - Esquema do feixe difratado encontrando em um cone de kossel. Considerando que o detector é plano e está em um ânulo normal ao feixe incidente, os cones de Kossel aparecem como parábolas, e ainda considerando regiões próximas ao eixo ótico, esta parábolas aparecem como 2 linhas paralelas, produzindo “linhas” de Kikuchi. Para representar o traço de um plano (hkl), pode ser desenhada uma linha a meio caminho entre as linhas de Kikuchi obtidas. A interseção entre as linhas de Kikuchi representa, geralmente, eixos de zona de baixo índice, bem como os ângulos relativos entre as linhas. Logo, para encontrar um eixo de zona de baixo índice é necessário buscar por tais interseções entre as linhas de kikuchi. Em função disso inclusive, uma forma de indexar uma DP longe de eixos de zona de baixo índice é estendendo-se as linhas de Kikuchi. Fonte: Williams e Carter, Capítulo 19.1 a 19.4. Aula do dia 14/11/17. R: Correta a difração dos elétrons espalhados aleatoriamente pela superfície segue uma viagem ocorrida pela direção de Bragg fazendo com que a identificação da área seja transmitida para o monitor rapidamente levando em conta a espessura ideal do cristal. 5a Questão: (0,5) Quais os efeitos da morfologia de nanocristais sobre o padrão de difração observado? Em METs é possível operar o sistema de iluminação em dois principais modos: feixe paralelo para imagens com MET e difração de área selecionada (SAD) e feixe convergente para imagem de STEM e difração de feixe de elétron convergente (CBED). Portanto é possível obter um padrão de difração com METs a partir de dois métodos diferentes, SAD no qual padrões de pontos altamente focados são usados para selecionar reflexões para todos os modos de imagem e CBED são matrizes de discos. O segundo método exige uma elaboração mais complexa, portanto a abordagem será sobre o primeiro método. Os padrões de difração (DPs) dão informações diretas sobre a cristalografia do material sobre pequenas áreas dos mesmos. Para uma abordagem matemática a lei de Bragg é usada, mas é difração e não reflexão por isso o tratamento é realizado com apenas dois átomos, embora o método pareça rude a conclusão, sendo um nanocristal, é que a mesma se repetirá. Se for um monocristal, ou seja, se ele tiver apenas uma direção e portanto toda a sua cristalografia é uma repetição do mesmo plano, é esperado ver pontos dessa cristalografia, mas se ele for um policristal, ou seja, se ele tiver várias faces é necessário pegar apenas uma área pequena, mas que contenham pontos necessário para obter um padrão daquela imagem. Sempre que a orientação dos planos de difração mudarem em relação ao feixe, o contraste na imagem irá mudar, estes fazem parte das curvas de contorno. E portanto esse é o efeito da morfologia de nanocristais sobre os DPs observados. R: Resposta correta, uma vez que a análise de nanocristal, a cristalografia se repetirá no mesmo plano, onde a Lei de Bragg pode ser aplicada. 6a Questão: (0,5) Descreva uma metodologia para calcular a energia de falha de empilhamento em amostras CFC. Falha de empilhamento podem surgir em materiais CFC (como o Cu por exemplo) devido a dissociação de discordâncias parciais. A energia de falha de empilhamento (EFE) é inversamente proporcional a distância entre as discordâncias parciais. Consiste em uma tensão superficial que age no sentido de recombinar as parciais e eliminar as falhas. Materiais com uma baixa EFE tem grande densidade de falhas, formando defeitos do tipo "ribbon". Como os defeitos afetam o contraste da imagem de MET é possível caracterizar os defeitos estudando o contraste da imagem de MET, e com isso conseguir estimar a energia de falha de empilhamento de amostras CFC. A figura 4 mostra a geometria da discordância dissociada do cobre. Figura 4 - Representação da geometria do deslocamento dissociado do cobre. R: De acordo com o link http://servidor.demec.ufpr.br/pesquisas/superficie/material%20didatico/tm229/TM 229%20Indices%20e%20imperfeicoes.pdf A resposta encontra-se correta. 7a Questão: (1,0) O que é o Ronchigram e qual a sua utilidade? Ronchigrams são microdifrações coerentes fora de foco (figuras de aberração) formadas com a remoção da abertura de iluminação e que podem ser lidos e analisados por um computador para dar valores de constantes de aberração (Figura 5). Eles são rotineiramente usados para otimizar o alinhamento eletro-óptico de aberrações já corrigidas dos instrumentos TEM com a alta precisão necessária. Figura 5: Representação esquemática de uma microdifração Rochingram de uma amostra de FeS2. Fonte: CARTER, C. B.; WILLIANS, D. B. Transmission Electron Microscopy: Diffraction, Imaging, and Spectrometry. Springer, 2016. R: Correta, o Ronchigram é responsável pela ampliação da parte estudada tornando a visualização de aberrações mais nítidas para assim serem novamente corrigidas a ponto de tornar-se a imagem mais “limpa” em geral. 8a Questão: (0,5) Avalie quantitativamente o efeito da estabilidade de temperatura sobre a resolução de um MET? O efeito da temperatura sob a resolução do MET ocorre quando as ligações dos átomos em um cristal passam a vibrar coletivamente tendo em vista o aumento de energia causado pelo aquecimento da amostra. Quando submetida há uma feixe de elétrons, a amplitude dessas vibrações tendem a aumentar, há um ponto onde há o deslocamento dos átomos de sua posição original, que interfere na intensidade de sinais espalhados pelo cristal. Uma forma de quantificar esse efeito é determinar considerar os fenômenos cinemáticos que decorrem durante o aquecimento da amostra. Isso pode ser feito considerando as intensidades de difração das ondas de Bragg, que podem ser calculados através do fator de Deby e Waller (Equação 1), de modo a quantificar esses efeitos e reduzir a sua intensidade. (1) U²s onde é o deslocamento médio do átomo na direção perpendicular dos planos de Bragg. Fonte: CARTER, C. B.; WILLIANS, D. B. Transmission Electron Microscopy: Diffraction, Imaging, and Spectrometry. Springer, 2016. ; SHEVITSKI, Brian et al. Dark-field transmission electron microscopy and the Debye-Waller factor of graphene. Physical Review B, v. 87, n. 4, p. 045417, 2013. R: Correta, O coeficiente de Debye-Waller simula um decaimento na intensidade do espectro de raios X resultante da vibração térmica dos átomos. Este coeficiente também é empregado para simular o perfil de ondulações nas interfaces que afetam as intensidades dos picos de Bragg. 9a Questão: (0,5) Qual a melhor forma de corrigir o astigmatismo em MET com fonte FEG? Em MET de fonte FEG, quando o astigmatismo está presente, todas as imagens são semelhantes e não se consegue distinguir entre imagens com e sem astigmatismo. Também não se pode usar a técnica de encontrar o desfocagemde contraste mínimo usados com a fonte LaB6. Com uma FEG quando há astigmatismo todas as imagens aparecem semelhantes e não é possível usar aquela técnica de contraste mínimo de desfocagem (em 0.4 sch) para determinar a variação de foco Δf. Se tentar usar o wobbler para fazer alinhamento sem coma falha porque não se consegue interpretar a variação de foco entre duas imagens de FEG para as duas direções de wobbler. A solução é encontrar Δf; Ou usar o processamento on-line, ou convergir o feixe. A última técnica deteriora a coerência espacial. Então, as séries focais de imagens são um desafio, porque se pode usar uma faixa muito grande de valores Δf, e torna-se uma tarefa importante apenas para determinar o seu valor Δf. O efeito piora à medida que você se afasta da desfocagem de Scherzer. O efeito onde franjas das partículas de ouro podem aparecer fora da partícula. podemos expressar a deslocalização como: Dois valores foram propostos para Δfopt, a configuração de desfocagem ótima para minimizar a deslocalização, onde Cs é o efeito da lente objetiva , M é um fator entre 0,75 e 1. O valor para ΔR min é próximo de: O valor real de M é determinado pelo valor de corte para u. A deslocalização não pode ser evitada em uma FEG, exceto reduzir significativamente Cs. R: Correta. De acordo com a página 498 do livro do Carter. O alinhamento sem Coma é um método de alinhamento para a lente objetiva. Tal como acontece com o centro de rotação, o resultado é o alinhamento do feixe incidente com o eixo óptico - uma inclinação do feixe. O alinhamento e o centro de rotação sem coma afetam exatamente o mesmo parâmetro de alinhamento. A única diferença entre os dois métodos é o critério utilizado para o alinhamento. Por conseguinte, não há nenhum ponto em repetir o centro de rotação - alinhamento de alinhamento e, em seguida, novamente o centro de rotação (a mesma configuração é ajustada de volta para o que era). 10a Questão: (0,5) Descreva o que é e como obter uma imagem de campo escuro centrada. Os elétrons selecionados pela abertura deslocam-se do eixo óptico quando movemos a abertura para selecionar os elétrons espalhados. Quanto mais fora dos eixos os elétrons, maiores as aberrações e o astigmatismo que eles sofrem. Portanto, essa imagem com abertura deslocada DF (DADF) é difícil de se focar em um TEM. Se encontrará que a imagem se movimenta na tela conforme é ajustada a força da lente objetiva. Embora possa haver situações em que queira usar essa imagem DADF, quase invariavelmente terá que obter quaisquer elétrons espalhados em volta do eixo óptico e formar uma imagem DF sob esta condição. Esta operação é chamada de imagem de campo escuro centrada (CDF). É o modo convencional de fazer imagens DF. Para obter uma imagem de campo escuro: ● Comece com um área brilhante do padrão de difração SADP na tela e em vez de mover o diafragma da objetiva para que a abertura selecione elétrons espalhados, ajuste a abertura de modo que esteja no eixo, como para a imagem de campo claro BF. ● Recolha a unidade de diafragma da objetiva para que possa ver o SADP. ● Ligue e ajuste os potenciômetros de inclinação do feixe campo escuro (DF) acima da lente da objetiva para que o feixe de elétrons espalhados que deseja usar para formar a imagem do CDF se mova em direção à posição central no eixo. ● Olhando através dos binóculos, ligue e desligue os potenciômetros para garantir que o feixe espalhado se sobrepõe exatamente onde o feixe direto esteve quando os potenciômetros estavam ligados e o feixe direto voltou ao eixo quando os potenciômetros estão desligados. ● Introduza de volta o diafragma da objetiva e verifique se a abertura ainda está centrada em torno do feixe espalhado no eixo. ● Tal como acontece com a imagem BF, este procedimento de centralização de abertura é absolutamente crítico para formar a melhor imagem de CDF. ● Selecione o modo de imagem novamente e focalize a imagem CDF. O que está se acontecendo aqui é fazer o feixe incidente atingir a amostra em um ângulo igual e oposto ao ângulo de espalhamento. Desta forma, os elétrons espalhados agora viajam para baixo do eixo óptico. R: De acordo com a página 155 do Carter, a resposta se encontra correta. 11a Questão: (0,5) Qual a diferença de realizar mapeamento por EELS nos modos TEM ou STEM? EELS é a análise da distribuição de energia dos elétrons que saem da amostra, produto da interação do feixe incidente com a estrutura interna do material. Esses elétrons podem sofrer ou não perda de energia (espalhamento inelástico). Esses eventos de perda de energia trazem informação valiosa da composição química da amostra, estrutura eletrônica dos átomos, obtendo detalhes como estado de valência, espessura do material, resposta dielétrica, “gap” de energia, entre outros. O mapeamento por EELS detecta e quantifica todos os elementos da tabela periódica, especialmente os elementos leves, de forma mais eficiente em relação ao mapeamento por EDS, uma vez que tem melhor resolução espacial e sensibilidade analítica. O mapeamento pode ser realizado no modo TEM ou STEM. No modo TEM o feixe utilizado é no modo paralelo. Já no modo STEM, o feixe é convergente formando um spot da ordem de poucos angstroms que varre a amostra sem variação de inclinação. Fonte: https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/21808/21808_5.PDF R: Correto, não só a incidência dos feixes, mas também pelas informações obtidas como no modo TEM as diferentes intensidades dos raios espalhados pela amostra se conseguem várias interações produzidas por contrastes em massa e espessura. No modo STEM são detectados os diferentes compostos presentes no objeto estudado. 12a Questão: (0,0) Simule uma imagem de alta resolução de uma amostra de SiO2 em 3 diferentes eixos de zona alinhados com o eixo ótico de um MET a 200 kV. R: xx 13a Questão: (1,0) Identifique o padrão de difração obtido por NBD em uma região de uma amostra de Au fornecido no arquivo “DifNBDAuMonocristal” e calcule o eixo de zona no qual a amostra foi orientada. O arquivo fornecido apresenta o padrão de difração mostrado na Figura 6. O mesmo foi aberto no software ImageJ no qual foram medidos os espaçamentos dos spots. Figura 6 - Padrão de difração de um monocristal de Au, apresentando as distâncias entre os spots (4,19nm e 6,88nm). A partir dos valores medidos foi utilizado o software VESTA para simular o padrão de crescimento da rede cristalográfica, Figura 7, e obter o eixo de zona no qual a amostra foi orientada, sendo este [110]. (a) (b) Figura 7 - Esquema representativo do eixo de crescimento utilizando o programa VESTA. (a) corte transversal e (b) Superfície do monocristal. R: 14a Questão: (1,0) Analise o artigo EELSAnataseRutilo e responda às seguintes perguntas: a) Qual a estratégia usada neste artigo para distinguir entre Anatase e Rutilo? A espectroscopia de perda de elétrons (EELS) é usada para diferenciar rutilo de anatase. EELS mostra os espectros naregião L das bordas. Ele mostra características de densidade não preenchidos do TIO2 quando há mudança do Ti 2p para o Ti 3d. A diferença na perda de energia perto da borda (EINES) das fases rutilo e anatase é observada na banda de energia de 458,5-461,5 eV que é provocada pela transição do orbital 2p3/2 para 3d Tanto a anatase, do grupo espacial I4 / amd, quanto o rutilo, do grupo espacial P42/mnm, são de estrutura tetragonal. Ambas as estruturas do cristal consistem em octaedros de TiO6 compartilhando quatro bordas na anatase e duas no rutilo. R: Resposta correta, uma vez que o artigo utiliza a técnica EELS e EINES para analisar a mudança do Ti 2p para 3d e analisa abanda de energia para a transição orbital do material. b) Quais as características fundamentais do equipamento utilizado que impedem de realizar esta mesma análise no CBPF? Foi usado um equipamento TEM-STEM, Fei Titan G2 60-300 com um fotômetro EELS Gatan Quantum ERS e um monocromador para A voltagem máxima do Microscópio Eletrônico de Transmissão de alta resolução JEOL 2100F é de 200kV, na descrição do equipamento no site da CBPF, sendo que a voltagem usada no artigo é de 300kV além de um monocromador adicional não descrito no CBPF. R: Resposta correta. c) Que outra metodologia permitiria a distinção entre estas duas fases de forma quantitativa? A quantificação das proporções de fase geralmente pode ser feita por difração de raios X (XRD). Tais análises são muitas vezes realizadas com o método de Spurr e Myers, que utiliza a proporção do pico rutilo (110) a 27.355° 2θ em relação ao pico de anatase (101) a 25.176° 2θ. A razão das intensidades desses picos, IR / IA, é usada na fórmula empírica determinada na Eq. 1 para dar as frações de peso de anatase e rutilo: (1) A microespectroscopia laser Raman também pode ser usada efetivamente para diferenciar anatase de rutile. Os polimorfos de titânia exibem espectros Raman distintos que podem ser usados para análise mineralógica quantitativa. A microespectroscopia laser Raman foi aplicada quantitativamente para controle de processo on-line na indústria de pó de titânia da Hunstsman Tioxide, Inc. A microespectroscopia laser Raman tem várias vantagens: ● Preparação mínima ou sem amostra ● Não destrutivo ● Análises de fase local e geral (≤ 1 μm de diâmetro do feixe) ● Capacidade de mapeamento ● Análises rápidas (varredura de 1 min) ● Nenhum efeito de orientação preferido ● Maior sensibilidade do que XRD ● Fases sensíveis a nanoescala ● A principal fortaleza com a microespectroscopia laser Raman é sua aplicabilidade a filmes finos em nanoescala. Quando XRD é usado, o instrumento requer uma calibração considerável, os picos são muito difusos e o fundo é tal que qualquer fase amorfa, se presente, não pode ser determinada. Com a microespectroscopia laser Raman, nenhum desses problemas é experimentado, então as análises são mais eficientes e mais sensíveis. R: De acordo com o artigo apresentado, a resposta está correta e pode ser melhor demonstrada pela figura 5 do artigo. Review of the anatase to rutile phase transformation Hanaor, D.A.H. & Sorrell, C.C. J Mater Sci (2011) 46: 855. https://doi.org/10.1007/s10853-010-5113-0
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