Copyright : Prof. Dr. Herman S. Mansur, 2011 CARACTERIZAÇÃO DE MATERIAIS E INTERFACES

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1 Copyright : Prof. Dr. Herman S. Mansur, 2011 CARACTERIZAÇÃO DE MATERIAIS E INTERFACES

2 Microscopia Óptica: Fundamentos, Teoria e Aplicações Práticas Dra. Alexandra A. P. Mansur Prof. Dr. Herman S. Mansur

3 Sumário Introdução Histórico Fundamentos Microscopia Óptica Princípios Parâmetros Equipamento Microscopia de Luz Transmitida

4 Introdução MICROSCOPIA = micro scopio

5 Microscópios Introdução Resolução aproximada (a) Ampliação Fonte Olho Humano 100 m --- Luz Microscópio de Luz 100nm 5~1500x Luz Microscópio eletrônico de varredura -MEV Microscópio eletrônico de transmissão MET Microscópio eletrônico de transmissão de alta resolução MET 10nm 0.5nm 0.1nm 100~200,000x 1,000~300,000x 3,000~1,000,000x Feixe eletrônico Feixe eletrônico Feixe eletrônico Requisito amostra Material (Volume) Material (Superfície) polida Material (Volume) Filmes finos (espessura ~100 nm) Filmes finos (espessura ~100 nm) Cristalografia Não Não Sim/Não dependendo modelo Sim Sim Microscopia óptica Microscopia Eletrônica de Varredura Nanoscopia Microscopia Eletrônica de Transmissão

6 Fundamentos Radiação Eletromagnética vermelho azul violeta 750 nm 400 nm Comprimento de onda (nm) c =. E= h. = h. c/

7 Fundamentos Interação Radiação/Matéria: Absorção Quando a radiação atravessa um objeto sua intensidade é atenuada. Este fenômeno decorre da absorção desta radiação provocada por transições energéticas no material, sejam estas nucleares, eletrônicas, vibracionais ou rotacionais Luz Verde Luz Branca Objeto Verde Objeto Branco Objeto Preto Luz Branca Luz Branca Luz Branca

8 Fundamentos Interação Radiação/Matéria: Reflexão A reflexão da luz (e das outras formas de radiação eletromagnética) ocorre quando as ondas encontram uma superfície ou outro limite que não absorve (ou absorve parcialmente) a energia da radiação envolvida e devolve as ondas para fora desta superfície. A luz que chega à superfície é denominada onda incidente e a que deixa a superfície é denominada onda refletida. A reflexão pode ser especular ou difusa.

9 Fundamentos Interação Radiação/Matéria: Refração É a alteração na direção de propagação de um feixe incidente ao passar de um meio de densidade óptica para outro de densidade diferente. Este desvio da direção de propagação depende das diferenças de índice de refração dos meios e do comprimento de onda da radiação. n = velocidade da luz no vácuo = c/v velocidade da luz no meio n 1. sen 1 = n 2. sen 2

10 Qual é a velocidade da luz :. no vidro. no diamante

11 Fundamentos Interação Radiação/Matéria: Refração

12 Calcule o desvio das radiações limites da região do visível ao passar do ar para o vidro violeta azul vermelho Comprimento de onda (nm)

13 Fundamentos Interação Radiação/Matéria: Difração É a mudança na direção de propagação de um feixe de radiação incidente decorrente da presença de obstáculo no caminho óptico. Esta mudança de direção depende das dimensões físicas do obstáculo, do comprimento de onda da radiação incidente e do ângulo de incidência. Este fenômeno promove a formação de interferências construtivas e destrutivas.

14 Microscopia Óptica Princípio de Funcionamento A microscopia ótica se baseia na possibilidade de formação de imagens ampliadas reais ou virtuais de objetos que são colocados diante de lentes esféricas

15 Microscopia Óptica Princípio de Funcionamento Microscópio Composto

16 Microscopia Óptica Aspectos mais importantes: Resolução Contraste Profundidade de campo Distorção

17 Microscopia Óptica Parâmetros: Resolução r d = 1, n. sen( ) 2 objetos visualizados com baixa resolução 2 objetos visualizados com alta resolução

18 Microscopia Óptica Lei de Abbe (Abbe s Law) r D = resolução pontual; n= índice de refração; =comprimento de onda da radiação; = ângulo da radiação incidente; r d = 1, n. sen( ) NA = abertura numérica

19 Baseado na Lei de Abbe qual a faixa de resolução típica para a microscopia ótica? r d = 1, n. sen( )

20 Microscopia Óptica Parâmetros: Ampliação Aumento = altura da imagem/altura do objeto Aumento MO = Aumento da objetiva x Aumento da Ocular

21 Microscopia Óptica Tipicamente, as ampliações das lentes objetivas situam-se na faixa de 4X a 100X. As lentes oculares geralmente oferecem aumentos de 8X a12x, sendo 10X as mais comuns. Portanto, ampliações típicas de microscopia óptica situam-se na faixa de ~40X a ~1000X.

22 Faixa de ampliação útil: 500 x N.A x N.A.

23 Microscopia Óptica Parâmetros: Contraste Contraste: É o número de tons presentes em uma imagem.

24 Microscopia Óptica Profundidade de Campo: Dimensão linear máxima entre um plano acima (+ ) ou abaixo (- ) e o plano de foco do espécime observado (pf ou plano focal).

25 Microscopia Óptica Parâmetros: Profundidade de Campo

26 Microscopia Óptica Parâmetros: Profundidade de Campo Importância do preparo da amostra!!!!

27 Calcule a profundidade de campo para cada uma das lentes abaixo.

28 Calcule a profundidade de campo para cada uma das lentes abaixo. Ar Óleo

29 Microscopia Óptica Parâmetros: Aberrações Erros das lentes ou aberrações na microscopia óptica são causados por artefatos resultantes da interação da luz com o vidro das lentes. São dois os tipos principais de aberrações: esféricas e cromáticas

30 Microscopia Óptica Parâmetros: Aberrações Esféricas Estes artefatos ocorrem quanto as ondas de luz que passam através da periferia das lentes não são trazidas para um mesmo foco que as que passam na região mais central da lente e que sofrem apenas ligeira refração quando comparado com o maior grau de refração sofrido pelas ondas que passam nas extremidades.

31 Microscopia Óptica Parâmetros: Aberrações Cromáticas A aberração cromática é um tipo de defeito óptico resultante do fato da luz branca ser composta de diferentes comprimentos de onda. Quando a luz branca passa através de lentes convexas as diferentes radiações são refratadas de acordo com a sua freqüência

32 Microscopia Óptica Parâmetros: Curvatura de Campo

33 Copyright : Prof. Dr. Herman S. Mansur, 2011 Microscopia Eletrônica

34 Solicitações Propriedades Superfície Recobrimento Interface Volume ( Bulk ) Diagrama representativo da caracterização de um material

35 Elétron Íon Íon Elétron Fóton Fóton Superfície Interface Recobrimento Volume ( Bulk ) Diagrama esquemático da interação radiação-partículas com o material

36 Sinais resultantes da interação do feixe de elétrons primários com a amostra.

37 Representação esquemática da interação elétrons-matéria e principais sinais detectados na microscopia eletrônica

38 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) O equipamento de microscopia eletrônica de varredura possui um feixe eletrônico em foco (feixe primário), que varre a superfície da amostra, produzindo elétrons secundários, elétrons retroespalhados e raios X. Os detectores medem a intensidade do sinal em função da posição (x, y, I) na amostra formando a imagem em um monitor com aumentos de até X (Pulker, 1987) Limitação da ampliação: Aumentos de até X Limite técnico teórico Máximo de X Usualmente X X

39 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) Aplicações: Metais, cerâmicas, polímeros, semicondutores... Identificação de fases, constituintes e segregações; Análise de superfície de fraturas Caracterização microestrutural em áreas biológicas, engenharia, geologia, semicondutores... Principais características: Resolução da ordem de 2 a 5 nm Imagens com diferenciação de composição química Topografia de picos e vales (profundidade de foco: 3D) Análise química qualitativa e quantitativa, não destrutiva e com precisão de 1-2% Mapa de concentração elementar

40 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) Histórico - Imagem: 1935 Knoll fez a descrição da concepção do MEV 1938 amostras finas (TEM); 8000X; d = 50nm 1942 amostras espessas (MEV); d = 500 nm (MO=100nm) 1965 primeiro MEV comercial Dias atuais... Avanços: fontes de elétrons; eletrônica; computacional; imagens digitalizadas; desenvolvimento de programas para aquisição e processamento de imagens

41 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) Histórico Análise química: 1913 Moseley identificou que a frequência emitida pelo raio- X característico é função do número atômico do elemento (área 1mm 2 ) Década de 40 patente da ideia de microanálise utilizando microscópio óptico para focar a área e feixe de elétrons para excitar uma pequena área (1µm 2 ) Castaing converteu a intensidade do raio-x em composição química pela definição do parâmetro k que é a razão entre a intensidade da radiação emitida por um elemento da amostra (I i ) pela intensidade emitida por um padrão contendo o mesmo elemento (I (i) ): k = I i /I (i) 1956 primeira microssonda comercial Dias atuais: praticamente todo o microscópio eletrônico possui detector de raios-x característicos.

42 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) Diagrama representativo de funcionamento do microscópio eletrônico de varredura convencional.

43 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) Efeito do Vácuo É necessário em função do baixo livre caminho médio dos elétrons, comparado com a radiação: se tiver ar presente na câmara os elétrons não chegariam na amostra Problemas: Amostras com elevada umidade não são estáveis em alto-vácuo. Soluções: Retirar a umidade desde de que não destrua a estrutura do material (via química) agentes quelantes que promovem o escoramento da estrutura através da formação de ligações estáveis

44 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)

45 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)

46 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)

47 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) Distância de Trabalho

48 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)

49 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)

50 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)

51 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) Função da estabilidade do feixe Eletrons de menor energia são mais defletidos que os de maior energia

52 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) Spot size = Abertura final = é o tamanho do feixe que incide na amostra O microscópio não pode resolver detalhes menores que o spot size É função da corrente do feixe, da distância de trabalho e da aceleração da voltagem

53 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)

54 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)

55 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) Interações Elétron-Amostra

56 Modelos representativos das interações atômicas decorrentes da perturbação do material com o feixe primário.

57 Feixe primário Elétrons Auger Elétrons secundários Elétrons retroespalhados Luminescência Catódica Raios X característicos Material Raios X contínuos Raios X fluorescentes Sinais resultantes da interação do feixe de elétrons primários com a amostra. Diagrama esquemático mostrando vários dos efeitos causados pela interação de um feixe de elétrons com um alvo sólido

58 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) Elétrons secundários (SE): São elétrons da amostra que foram ejetados a partir da interação do feixe primário. São elétrons de baixa energia (< 50 ev) Em função da baixa energia são capazes de escapar somente de uma região muito rasa (<0,50µm) da superfície da amostra Oferecem a melhor resolução de imagem Este tipo de imagem fornece informações sobre a topografia da amostra: picos são brilhantes e vales são escuros

59 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) Elétrons retroespalhados (BSE): São elétrons do feixe primário que foram ejetados da amostra após choques aproximadamente elásticos com o núcleo dos átomos que compõem o material Apresentam elevada energia : 50eV até à tensão de aceleração do feixe Sua maior energia resulta em um maior volume de interação na amostra (1 a 3 µm), reduzindo a resolução Este tipo de elétrons fornece informação sobre a composição química: o contraste é resultado das diferenças de número atômico na amostra Maiores números atômicos retroespalham mais elétrons gerando áreas mais brilhantes nas imagens. Não permite a identificação dos materiais mas da heterogeneidade da composição

60 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)

61 (a) (b) Figura.7.15 Fotomicrografias de ouro em carbono observadas no MEV utilizando (a) SE e (b) BSE.

62

63 Profundidade de campo: Feixe eletrônico Superfície amostra Profundidade de campo Plano de foco Região em foco Ilustração relativa á profundidade de campo obtida em MEV.

64 Profundidade de campo:

65 Aspectos Importantes na Execução e Interpretação de Resultados de MEV Aumento de E Profundidade de penetração Volume de interação Aumento de Z Variação do volume de interação e profundidade de penetração do feixe de elétrons da amostra com o aumento da energia do feixe (E) e com o aumento do número atômico (Z) dos elementos que compõem a amostra.

66 Raios- X característicos : Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS) É uma análise de espectroscopia Usualmente está acoplada em microscópios eletrônicos de varredura

67 Sinais resultantes da interação do feixe de elétrons primários com a amostra.

68 Raios- X característicos : Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS)

69 Raios- X característicos : Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS)

70 Raios- X característicos : Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS)

71 Raios- X característicos : Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS)

72 Raios- X característicos : Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS)

73 Raios- X característicos : Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS) Ca C Au P Si Au 300 Na 200 O Al 100 Ca Au P Ca Si Ca A Os picos detectados no espectro indicam os elementos presentes na amostra A intensidade dos picos estão associados com a concentração do elementoo

74 Raios- X característicos : Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS) Accelerating voltage (kv) 15.0 Beam current (na) Magnification 30 Live time 30 Preset Time (s) 30 Elt XRay Int Error K Kratio W% A% ZAF C Ka O Ka Na Ka Al Ka Si Ka P Ka Ca Ka

75 Aplicações de Microscopia Eletrônica de Varredura e EDS (a) (b) Figura a)fratura frágil de aço (500x); b) Imagem madeira da planta Switenia macrophylla.

76 Figura Fotomicrografia de Inseto (a) Figura Olhos compostos de mosca, a) sem danificar; b) danificado pelo feixe (5 kv x 1, 100). (b)

77 Figura Papel de filtro, a) 5 kv ; b) 25 kv (x 1400) Figura Micrografia de Pó sinterizado, a) 5 kv ; b) 25 kv (x 7200)

78 Figura Fotomicrografia de Inseto Figura Fotomicrografia dos óvulos de acaro de carpete Hymenolepis dimunata.

79 Figura Imagem de elétrons secundários de espuma de poliestireno

80 (a) (b) Figura Micrografia de sistemas biológicos; a) hemácias; b) ácaro; c) Streptococcus (c)

81 Figura Espectro de EDS de liga Nd-Fe-B utilizado na fabricação de imas permanentes.

82 Copyright : Prof. Dr. Herman S. Mansur, Microscopia Eletrônica de Varredura Ambiental (MEV-Ambiental) Figura Representação esquemática de um microscópio eletrônico de varredura ambiental.

83 Figura.7.27a. Detalhe do sistema de pressão do MEV ambiental

84 Aplicações de Microscopia Eletrônica de Varredura Ambiental a) Amostras não-condutoras Figura Imagens de Nitreto de silício (esquerda) e cerâmica convencional (direita)

85 b) Amostras hidratadas Figura Imagens de grãos de pólen

86 Figura Imagens de cabelo humano com gotículas de água (esquerda) e papel úmido (direita)

87 Copyright : Prof. Dr. Herman S. Mansur, Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET) imagem Lentes de projeção Lentes objetivas amostra iluminação Figura Diagrama representativo do equipamento de microscopia eletrônica de transmissão (MET)

88 Exemplos de aplicações: Imagens da superfície do material com resolução da ordem de 0,2 nm. Análise de defeitos, degraus ; Análise de nanopartículas; Avaliação de filmes finos e contornos de grão; Análise de precipitação e recristalização "in situ"; Identificação de composição de fases.

89 (a) (b) Figura Imagem por MET de: a) ultra-estrutura de partículas poliméricas-látex; b) detalhe ampliação superior (30.000x)

90 Figura Imagens de Ultra-estrutura de Tecidos e Células: fibroblasto Figura Capilares vasculares Células sanguíneas vermelhas (vermelho), células endoteliais (azul) e colágeno (laranja)

91 Figura Fotomicrografias de microscopia eletrônica de transmissão de interface esmalte, dentina com sistema restaurador composto de polímero ( resina ) e partículas inorgânicas ( carga ou reforço )

92 Preparação de Amostras para Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET) Etapas que devem ser cumpridas no sentido de obter amostras (biológicas, poliméricas e compósitos) orgânicas estáveis para observação por MET

93 Fixação do material, geralmente utilizando glutaraldeído (agente reticulante de moléculas de proteína) e tetróxido de ósmio (estabilizador de membranas). Desidratação da amostra; Permeação com resina para polimerização em um bloco sólido. Sem esta estrutura a amostra colapsaria em alto vácuo; Corte da amostra: utilização de um equipamento ultramicrótomo, para produzir amostras com seção de nm de espessura. O ultramicrótomo consiste de finas laminas de vidro ou diamante; As amostras delgadas obtidas são colocadas em reticulados metálicos e recobertas com filme fino polimérico (formvar) para observação no microscópio;

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