Microscopia eletrônica de transmissão

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1. Microscopia eletrônica de transmissão
O microscópio eletrônico de transmissão (MET) é uma ferramenta que permite a visualização e análise de amostras em escalas da ordem de pouquíssimos nanômetros (10-9 m) com a facilidade que outros equipamentos não permitem. Essa maior resolução em grandes aumentos se deve ao fato de que, diferentemente de técnicas que utilizam a luz, como os microscópios ópticos, os microscópios eletrônicos utilizam-se de elétrons como forma de aquisição de informação [1].
Um MET consiste basicamente em uma fonte de elétrons, e várias lentes eletromagnéticas (bobinas) empilhadas verticalmente. Contudo, convenientemente, divide-se o MET em três seções distintas: o sistema de iluminação, o porta amostras, e o sistema de formação da imagem, todos operando em alto vácuo [2]. Na figura 1 está disposta uma representação esquemática de um MET.
Figura 1: Esboço da disposição dos diferentes componentes em um MET, descrevendo o caminho percorrido pelos elétrons, desde o filamento até a formação da imagem. Adaptado de [3]
O sistema de iluminação é composto de um filamento e duas ou mais lentes condensadoras. O filamento, comumente de tungstênio, atua como fonte do feixe de elétrons, onde após a aplicação de uma tensão positiva (da ordem de centenas de kV), estes são “arrancados” com energia cinética alta o suficiente para atravessar amostras com pequena espessura. As lentes condensadoras, por sua vez, têm o papel de colimar o feixe de elétrons em direção a amostra. Os parâmetros de operação do sistema de iluminação determinam o diâmetro e a energia do feixe de elétrons que atinge a amostra e, portanto, influenciam diretamente na imagem formada [2].
O porta amostras é um componente de suma importância no MET. Um porta amostras eficiente deve manter a amostra estável mecanicamente durante a análise, ou seja, em estado estacionário, para que a resolução espacial do equipamento não seja perdida. Alguns porta amostras podem inclinar-se de forma intencional, assim, diferentes regiões e ângulos de uma mesma amostra podem ser analisados [2]. Porta amostras que permitem analisar materiais em temperatura criogênica também estão disponíveis no mercado, como será visto ainda neste trabalho.
A última região de interesse em um MET é o sistema de formação da imagem. O sistema contém pelo menos três lentes que, em conjunto, produzem uma imagem ampliada, ou um padrão de difração de elétrons, em uma tela fluorescente, filme fotográfico ou, em um sistema eletrônico com uma câmera acoplada a um computador, sendo este último o mais moderno e comum atualmente. O sistema de formação da imagem é o responsável pela magnificação e resolução da imagem obtida [2]
Partindo do preceito que um MET trabalha com elétrons, é essencial que o vácuo seja mantido ao longo de toda a coluna apresentada na figura 1, assim, os elétrons não correm o risco de sofrerem desvios pelo impacto com moléculas de gás. Além disso, pelo fato de o filamento trabalhar em altas temperaturas (da ordem de 2700 K), este pode sofrer rápida oxidação e “queimar” se exposto a atmosfera que não seja controlada [2]
A formação da imagem via MET, seguindo o caminho mostrado na figura 1, é fruto da interação de elétrons que atravessam um material de espessura fina (daí o termo transmissão). Desta forma, a imagem que é observada por MET é uma projeção de uma determinada espessura de um material, e não uma superfície. A figura 2 apresenta como a projeção de uma lâmina fina pode ser observada em um plano, podendo ocorrer a superposição de informações [4].
Figura 2: Projeção da microestrutura de uma lâmina fina de um material. Adaptado de [4]
O contraste obtido em imagens de MET pode ser atribuído à muitas variáveis, por exemplo: diferença de espessura, diferença de densidade ou de coeficiente de absorção de elétrons, difração e campos elásticos de tensão [4]. No que diz respeito à materiais policristalinos, sabe-se que a direção do alinhamento dos átomos em diferentes grãos varia de forma aleatória e de forma abrupta nas regiões do contorno. Dessa forma, grãos distintos são visualizados com diferentes contrastes pelo fato de efetuarem o espalhamento de elétrons em maior ou menor grau e, portanto, entende-se que a orientação cristalográfica também tem influência no contraste observado por MET [2]. A figura 3 apresenta uma imagem obtida por MET de uma liga bifásica de Zn-22Al sujeita ao processo de deformação plástica severa de HPT (high pressure torsion) em temperatura ambiente. As diferentes colorações indicam as diferentes fases do material, podendo haver superposição [5].
Figura 3: MET de uma liga bifásica Zn-22Al processada por HPT. Adaptado de [5].
No ramo dos materiais, a microscopia eletrônica de transmissão teve como primeira aplicação prática a observação de defeitos estruturais que não podiam ser observados por outras técnicas, tais como discordâncias e defeitos de empilhamento. Na figura 4 é possível observar uma amostra de Ti-45Nb processada por extrusão hidrostática a quente onde as linhas escuras são atribuídas como discordâncias induzidas por deformação [6]. Na Figura 5 é possível observar, na forma de franjas, falhas de empilhamento nos planos basais da estrutura HC do magnésio [7].
Figura 4: MET de uma liga Ti-45Nb processada por extrusão hidrostática a quente. As linhas escuras são discordâncias induzidas por deformação [6].
Figura 5: MET de magnésio deformado plasticamente. A seta branca indica defeitos de falha de empilhamento nos planos basais da estrutura HC do Mg, que são visualizadas como "franjas" [7].
Como visto até aqui, é necessário que as amostras que serão analisadas por MET possuam espessura muito fina, da ordem de 50 a 500 nm, dependendo do material e da tensão de aceleração dos elétrons utilizada. Desta forma, é fácil perceber que técnicas convencionais de corte e preparação de amostras não podem ser utilizadas, visto que a técnica de MET demanda amostras muito mais refinadas [4].
O método convencional de preparação de amostras de materiais metálicos para MET consiste em:
1- Inicialmente, cortam-se “fatias” do material, da ordem de 250 µm, com o uso de ferramentas específicas, como um disco de corte diamantado.
2 – Das amostras cortadas, pequenos discos são retirados. O diâmetro dos discos depende do tamanho do porta amostras do microscópio que será utilizado.
3 – Os discos são polidos mecanicamente e a espessura inicial de aproximadamente 250 µm reduz-se para algo em torno de 100 a 120 µm.
4 – Em uma última etapa, realiza-se um polimento eletrolítico, onde o material é desgastado e diminui sua espessura por meio de um ataque eletroquímico. Comumente, esse processo é realizado em um equipamento onde o desgaste ocorre preferencialmente no centro da amostra, que em dado momento é perfurada. Nas regiões adjacentes ao furo, a espessura da amostra atinge os valores necessários para a análise por MET [8]. Na figura 6 é possível observar as etapas descritas anteriormente.
Figura 6: Em (a) tem-se a amostra inicial, em (b) a amostra após o primeiro corte, em (c) a amostra após a retirada de um pequeno disco e em (d) o disco retirado da amostra. Em (e) tem-se o disco após o processo de polimento mecânico e eletrolítico.[8]
Diversas outras técnicas de preparação existem e podem ser utilizadas, como por exemplo o FIB (focused ion beam), técnica de desbaste por íons e outras.
2. O microscópio FEI – Talos
Talos é uma linha de microscópios eletrônicos de transmissão fabricada pela FEI, uma empresa que faz parte do grupo americano Thermo Fisher Scientific. A FEI tem sua matriz nos Estados Unidos, contudo, possui sedes em outros locais da América do Norte, Europa, Ásia e Oceania. A empresa é líder mundial em óptica eletrônica e tecnologias de FIB, sendo que seu primeiro microscópio eletrônico de transmissão foi lançado em 1949. Desde então, a FEI vem crescendo e desenvolvendo sistemas de microscopia e análise de materiais cada vez mais avançados [9].
A linha de microscópios Talos pode ser utilizada tanto para a análise de materiaisquanto de amostras biológicas. No que diz respeito à análise de materiais, três modelos são apresentados pela empresa: Talos L120C, Talos F200S e Talos F200X. O fabricante afirma que a interface amigável de seus microscópios permite que o operador obtenha boas imagens com o mínimo de esforço e, por isso, menos tempo será gasto para a configuração ótima do microscópio. E mais tempo poderá ser utilizado na análise das amostras propriamente ditas [10]
2.1. Talos L120C
O MET Talos L120C é um microscópio que tem como principal característica a sua versatilidade, pois pode ser utilizado tanto na análise materiais como de amostras biológicas [11], no modo varredura ou transmissão, tanto em temperatura ambiente como em temperaturas criogênicas [10]. As principais vantagens citadas pelo fabricante para o Talos L120C são:
- Imagens de alto constraste, com possibilidade de operação no modo varredura e transmissão simultaneamente devido aos diversos detectores disponíveis;
- EDS de alta sensibilidade, permitindo análises químicas mais precisas do que em EDS de equipamentos convencionais;
- Alta capacidade de movimentação das amostras com porta amostras que permite inclinação e movimentação em diversas direções [10]
2.2. Talos F200S
Talos F200S, por sua vez, possui um apelo um pouco diferente. Este modelo possui uma resolução superior ao L120C, pela maior tensão de aceleração dos elétrons suportada por esse microscópio. Também, possui um EDS de altíssima precisão, ainda mais do que no L120C, permitindo medidas quantitativas rápidas e altamente precisas de composição química em nanoescala. Assim como L120C, o F200S tem alta capacidade de movimentação das amostras, por possuir um porta amostras que permite a inclinação e movimentação em diversas direções [12]
2.3. Talos F200X
No que diz respeito à caracterização química de amostras e resolução, o microscópio Talos 200X é o MET mais avançado da linha Talos. Combinando altíssima resolução e um detector de EDS que permite a caracterização de composição química de amostras em 3D, uma nova gama de aplicações pode ser pensada para este modelo. A figura 7 abaixo mostra uma imagem obtida pelo microscópio, evidenciando a composição química de uma amostra de material metálico contendo diversos elementos químicos sendo mapeados pelo EDS de alta sensibilidade deste equipamento [13].
Figura 7:Mapeamento de EDS para amostra de material metálico com o MET Talos F200X. A barra de escala é de 250 nm [13]
A tabela 1 apresenta um comparativo de algumas características técnicas dos microscópios da linha Talos [10,12,13] e a figura 8 mostra fotos dos diferentes modelos.
Tabela 1: Comparativo entre as especificações técnicas dos microscópios L120C, F200S e F200X da linha Talos (FEI).
	
	L120C
	F200S
	F200X
	Tensão de aceleração
	20-120 kV
	Até 200 kV
	Até 200 kV
	Faixa de aumento
	25x – 650 kx
	25x – 1500 kx
	25x – 1500 kx
	Resolução máxima
	0,204 nm
	0,12 nm
	0,12 nm
	Permite EDS em 3D
	NÃO
	NÃO
	SIM
	Permite análise em temperatura criogênica
	SIM
	NÃO
	NÃO
	Permite análise de amostras biológicas
	SIM
	NÃO
	NÃO
	Talos L120C
	Talos F200S
	Talos F200X
	
	
	
Figura 8 Fotos dos diferentes modelos da linha Talos de MET da FEI.
3. Aplicação da técnica na pesquisa científica de doutorado
Além das possibilidades já apresentadas anteriormente, a técnica de microscopia eletrônica de transmissão permite a obtenção de informações por meio da análise de padrões de difração de elétrons. 
A difração de elétrons consiste no espalhamento elástico dos elétrons pela interação deste com as cargas dos núcleos dos átomos de um material cristalino. Devido à regularidade do espaçamento atômico, o espalhamento dos elétrons ocorre e padrões são formados. A observação destes padrões é possível pela manipulação das lentes eletromagnéticas ao longo da coluna. A figura 9 [14] mostra um padrão típico de materiais policristalinos, onde é possível observar um ponto brilhante central, associado aos elétrons não espalhados, e vários círculos concêntricos, onde cada um destes corresponde a diferentes planos atômicos de diferentes orientações e espaço interplanar “d” [2].
Figura 9: Padrão de difração de elétrons para uma amostra policristalina de Ni2MnIn [14]
Uma observação mais cuidadosa deste padrão de círculos concêntricos, contudo, irá revelar que estes são formados de um grande número de pontos, sendo que cada um deles está associado ao espalhamento de elétrons de um único cristal, ou seja, de uma única orientação cristalográfica. Sendo a orientação cristalográfica de um policristal aleatória, o padrão de difração adquire o aspecto de um círculo completo [2]. No caso da análise de um monocristal, ou de um único grão, o padrão de difração assume a forma de pontos, como pode ser observado pela figura 10.
Figura 10: Padrão de difração de elétrons de um cristal de bismuto, cujo eixo trigonal foi disposto paralelamente ao feixe de elétrons incidente.
Pesquisadores comumente utilizam-se de padrões de difração de elétrons para estimar se os contornos de grão de uma estrutura são de alto ou baixo ângulo, visto que estes possuem influência direta nas propriedades mecânicas de materiais metálicos.
Figura 11: Microestrutura e padrões de difração de elétrons para amostras processadas por ECA em (a) 1 passe, (b) 2 passes e (c) 4 passes. Adaptado de [14].
Nakashima e colaboradores estudaram o processo de extrusão em canal angular (ECA) de alumínio (99,99%) e analisaram se, após o refino de grão associado ao processamento, os novos grãos possuíam contornos de baixo ou alto ângulo em maior número. Estudou-se o processamento por ECA em matriz com Φ=90° com 1, 2 e 4 passes, em deformações equivalentes de 1, 2 e 4, respectivamente [14]. A figura 11 mostra as microestruturas obtidas.
Na figura 11 (a) é possível observar que a estrutura após um passe se tornou dividida em bandas de subgrãos alongados paralelamente as faces superior e inferior da amostra processada. Neste caso, o padrão de difração de elétrons obtido apresenta-se na forma de pontos bem definidos, indicando que esta estrutura consiste de grãos com contornos de baixo ângulo entre si [14].
Na figura 11 (b), por sua vez, após dois passes de ECA, os grãos aparentam estar distribuídos de forma um pouco mais equiaxial e o padrão de difração de elétrons aparentou estar levemente difuso, perdendo o aspecto de pontos, como na figura 6(a). Esse resultado indica que, possivelmente, houve um aumento no grau de desorientação entre os grãos da estrutura [14].
Finalmente, na figura 11 (c), após 4 passes, a estrutura de grãos é equiaxial, com contornos de grão bem definidos. Nesse último caso, o padrão de difração de elétrons consiste em círculos concêntricos razoavelmente uniformes, o que indica que os contornos de grão deste estrutura apresentam, muito possivelmente, um alto grau de desorientação [14].
A técnica de difração de elétrons, portanto, é muito útil para a caracterização de microestruturas, especialmente no que diz respeito à defeitos microestruturais, como discordâncias, defeitos de falha empilhamento e contornos de grão e pode ser utilizada na pesquisa de materiais processados por ECA.
4. Referências bibliográficas
[1] Australian Microscopy & Microsnalysis Research Facility - http://ammrf.org.au/myscope/tem/introduction/ (acessado em 28/09/2016)
[2] Egerton, R.F., Physical Principles of Electron Microscopy – An Introduction to TEM,SEM and AEM.Springer Science. Alberta, Canada. 2005.
[3] University of Warwick – UK. https://www2.warwick.ac.uk/fac/sci/physics/current/postgraduate/regs/mpags/ex5/techniques/structural/tem/ (acessado em 28/09/2016)
[4] Padilha, A.F., PM-2201 – Microscopia eletrônica de transmissão, Apostila digital. http://www.angelfire.com/crazy3/qfl2308/1_multipart_xF8FF_3_MET_PMI-2201.pdf (acessado em 28/09/2016)
[5] Valiev, R.Z., Islamgaliev, R.K., Alexandrov, I.V., Bulk nanostructured materials from severe plastic deformation. Progress in materiais Science 45 (2000) 103-189.
[6] Panigrahi, A., Sulkowski, B.,et al. Mechanical properties, structural and texture evolution of biocompatible Ti-45Nb alloy processed by severe plastic deformation. Journal of the mechanical behavior of biomedical materials 62 (2016) 93-105.
[7] Li, B., Yan, P.F., Sui, M.L., Ma, E., Transmission electron microscopy study of stacking faults and their interaction with pyramidal dislocations in deformed Mg. Acta Materialia 58-11 (2010) 173-179.
[8] Sridhara Rao, D.V., Muraleedharan, K., Humphreys, C.J., TEM specimen preparation techniques. Microscopy: Science, Technology, Applications and Education. Formatex – A.Mendéz-Vilaz e J. Díaz - (2010) 1232-1244
[9] FEI - https://www.fei.com/about-fei/ (Acessado em 22/09/2016)
[10] FEI - https://www.fei.com/documents/talos-l120c-datasheet-for-materials-science/ (acessado em 22/09/2016)
[11] FEI - https://www.fei.com/documents/talos-datasheet-for-life-sciences/ (acessado em 22/09/2016)
[12] FEI - https://www.fei.com/documents/talos-f200s-datasheet/ (acessado em 22/09/2016)
[13] FEI - https://www.fei.com/documents/talos-f200x-datasheet/ (acessado em 22/09/2016)
[14] Nakashima, K., Horita, Z., Nemoto, M., Langdon, T.G., Influence of channel angle on the development of ultrafine grains in equal-channel angular pressing. Acta Materialia 46-5 (1998) 1589-1599.
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