O espectro eletromagnético: ref.:

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1 Microscopia Eletrônica de Varredura [4] O espectro eletromagnético: ν = λ f E = h f ref.: 1>

2 interação feixe de elétrons-amostra Comprimento de onda do feixe de elétrons (λ): V [kv] λ [pm] 1 38,7 5 17, ,2 15 9,9 20 8, ,6 6,9 3,3 2,5 λ = λ = 2 e V m 1,5 h e 2 + ( ) 6 2 V + 10 V e 2 c V 2 2 [nm] c = 2, m.s -1 e = 1, C h = 6, J.s m e = 9, kg V = voltagem [V] 2>

3 interação feixe de elétrons-amostra Interação elétron-amostra choques elásticos/inelásticos 3>

4 interação feixe de elétrons-amostra Volume de interação: 4>

5 interação feixe de elétrons-amostra Elétrons Auger: É gerado inelasticamente quando um elétron é removido de um átomo e um outro elétron de um nível mais energético passa a ocupar este orbital. Para isto é necessária a liberação de energia (fóton), que também ser transferida para um outro elétron que pode então ser ejetado do átomo. Este segundo elétron ejetado é chamado elétron Auger. A espectroscopia Auger é uma técnica importante na caracterização de camadas atômicas superficiais. 5>

6 interação feixe de elétrons-amostra Catodoluminescência (CL): Catodoluminescência (CL) é um termo que descreve o processo da emissão de radiação eletromagnética nas regiões: visíveis, ultravioletas e infravermelhas do espectro quando certos materiais são bombardeados com elétrons enérgicos. Estes materiais emissores de luz, que geralmente são isolantes ou semicondutores, têm preenchidas as bandas de valência e de condução vazia com "gaps" de banda específicos do próprio material. 6>

7 interação feixe de elétrons-amostra Elétrons secundários (SE): O espalhamento inelástico de um elétron enérgico com elétrons de valência mais externos permite a emissão de elétrons secundários que são caracterizados por terem uma energia cinética menor que 50eV. A emissão de elétrons secundários é um dos sinais mais comuns usados para produzir imagens topográficas no MEV, uma vez que a maioria do sinal está confinado a uma região da superfície próxima do feixe incidente. 7>

8 interação feixe de elétrons-amostra Elétrons retroespalhados (BSE): Um número significativo dos elétrons incidentes é re-emitido através da superfície do material. Estes elétrons, conhecidos como elétrons retroespalhados, sofreram eventos de espalhamento elástico no material. Tais eventos de espalhamento fazem com que eles se aproximem da superfície com energia cinética. A intensidade do espalhamento está relacionada ao número atômico do átomo: quanto maior o número atômico, maior será o retroespalhamento. 8>

9 interação feixe de elétrons-amostra Raios-X característicos: A interação de um elétron de alta energia com um átomo, pode resultar na ejeção de um elétron de uma camada atômica interna. Isto deixa o átomo em estado ionizado ou excitado, com uma lacuna nesta camada. A restauração do estado fundamental pode acontecer quando um elétron de uma camada mais externa que venha a preencher esta lacuna, mas para isto terá que emitir um quanta (fóton) de energia. Este fóton possui uma quantidade de energia que é única para cada elemento químico. 9>

10 interação feixe de elétrons-amostra Raios-X característicos: K α K β 10>

11 interação feixe de elétrons-amostra Raios-X característicos: L α L β 11>

12 interação feixe de elétrons-amostra Volume de interação: efeito do Número Atômico, Energia do Feixe e Inclinação C (Z=6) Fe (Z=26) Au (Z=79) 5 kv 10 kv BSE 5kV: 0,07/0,28/0,48 BSE 10kV: 0,07/0,29/0,48 Tilt = 0 o 20 kv BSE 20kV: 0,04/0,30/0,47 Monte Carlo simulation (em escala) 12>

13 interação feixe de elétrons-amostra Volume de interação: efeito do Número Atômico, Energia do Feixe e Inclinação C (Z=6) Fe (Z=26) Au (Z=79) 5 kv 10 kv BSE 5kV: 0,36/0,59/0,67 BSE 10kV: 0,32/0,58/0,68 Tilt = 70 o 20 kv BSE 20kV: 0,30/0,57/0,69 Monte Carlo simulation (em escala) 13>

14 Arquitetura do MEV Microscópio Eletrônico de Varredura Zeiss EVO modelo LS >

15 Canhão de elétrons Fonte de elétrons Canhão de elétrons (electron gun) Componentes: filamento (cátodo) cilindro de Wehnelt (grade) ânodo Imperativa a existência de alto vácuo no canhão e na coluna do microscópio; A diferença de potencial entre o filamento e o ânodo determina a velocidade, a energia e o comprimento de onda do feixe de elétrons. Esta ddp é chamada de tensão de aceleração (acceleration voltage). 15>

16 Canhão de elétrons Canhão de elétrons (electron gun): crossover O campo eletrostático gerado entre o cátodo e o ânodo resulta em um ponto de cruzamento (foco) do feixe de elétrons, chamado de crossover. O feixe de elétrons nesta região apresenta diâmetro d o e ângulo de divergência α o. Tipicamente o diâmetro deste crossover varia na faixa de 30 e 100 μm para um filamento de tungstênio. O feixe incidente na amostra corresponde a uma imagem/projeção reduzida do crossover (spot size entre 0,4 a 5nm). 16>

17 Canhão de elétrons Canhão de elétrons (electron gun): cilindro de Wehnelt (grade) Finalidades: controle do grau de emissão de elétrons pelo filamento. focalização dos elétrons dentro do canhão (crossover). A grade é mantida a um potencial mais negativo que o filamento. Em uma polarização adequada somente os elétrons da ponta do filamento serão atraídos pela grade. Reduzindo a polarização, ocorre um aumento adicional da corrente do canhão pela atração de mais elétrons do filamento mas sua focalização fica comprometida. A posição do filamento em relação à grade é crítica, pois se está muito distante (para dentro), a máxima corrente disponível é reduzida e o canhão se extingue com uma polarização muito pequena. 17>

18 Canhão de elétrons Canhão de elétrons (electron gun): alta tensão (high tension) No MEV a alta tensão aplicada à grade é negativa e pode variar entre várias centenas a alguns milhares de volts, promovendo a aceleração dos elétrons ao encontro da amostra. Quanto mais alta a tensão de aceleração, maior a energia e mais curto o comprimento de onda dos elétrons. Os elétrons são acelerados do alto potencial negativo do filamento para o ânodo, cujo afastamento com a grade deve estar a uma distância suficiente da grade pra evitar descargas elétricas. A corrente emitida é tipicamente 50 ma, e é consideravelmente maior que a corrente que eventualmente atinge a amostra. 18>

19 Canhão de elétrons Canhão de elétrons (electron gun): brilho Densidade de corrente (J): J = (corrente do feixe)/(área do feixe) [A.m -2 ] Brilho ( β): β = (densidade de corrente J)/(ângulo de divergência α) [A.(m -2.sr -1 )] 19>

20 Canhão de elétrons Tipos de filamento para canhão de elétrons: W LaB 6 FEG W LaB 6 FEG Tensão (V) Temperatura (K) Crossover ( μ m) <0.01 Brilho (A/m 2.sr) Vácuo (Pa) Vida (h) > >

21 Canhão de elétrons Comprimento de onda do feixe de elétrons (λ): V [kv] λ [nm] 1 0, , , , , ,0076 0,0069 0,0033 0,0025 λ = λ = 2 e V m 1,5 h e 2 + ( ) 6 2 V + 10 V e 2 c V 2 2 [nm] c = 2, m.s -1 e = 1, C h = 6, J.s m e = 9, kg V = voltagem [V] 21>

22 Vácuo Sistema de vácuo: Evita o choque dos elétrons com moléculas de gases durante a trajetória entre o canhão de elétrons e a amostra/tela. Depende do tipo de microscópio e electron gun usado. Preserva a amostra e a fonte de elétrons. Bombas de vácuo: mecânica difusora turbomolecular iônica criogênica Níveis de pressão (Pa) atmosfera 10 5 Vácuo grosseiro > 0.1 Baixo vácuo Alto vácuo Ultra alto vácuo < atm = 760 torr = 1,033 kgf.cm -2 = Pa = 1,013 bar 22>

23 Vácuo Sistema de vácuo: Bomba mecânica (< 10-1 Pa) Difusora ( Pa) Turbomolecular ( Pa) Iônica ( Pa) 23>

24 Vácuo Sistema de vácuo em MEV ambiental (ESEM): Zeiss EVO modelo LS-15 specimen Conductive High Vacuum (HV) Non-Conductive Variable Pressure (VP/EP) EVO VP 10 Pa to 400 Pa Air or water EVO EP 600 Pa to 3000 Pa Air or water 24>

25 Vácuo Sistema de vácuo em MEV ambiental (ESEM): SED VPSE alto vácuo SED BSD pressão variável VPSE modo ESEM: uso de aberturas limitadoras de pressão (PLA) 25>

26 Vácuo Sistema de vácuo em MEV ambiental (ESEM): SEM Application Hardware * Min/Max pressure Filament + or Pa W LS 10 LS 15 LS 25 Hydrated Imaging Processes EP aperture 1000 µm EDS 1000 µm + or and LaB Pa EP aperture EDS 500 µm 500 µm aberturas limitadoras de pressão (PLA): modo VP - 10 a 400 Pa modo EP a 3000 Pa 26>

27 Vácuo Sistema de vácuo em MEV ambiental (ESEM): MODO ALTO VÁCUO (HV) Both Gun and Chamber at High Vacuum DPA - (Differential Pumping Aperture) can be in or out Isolation Valve Open 27>

28 Vácuo Sistema de vácuo em MEV ambiental (ESEM): MODO PRESSÃO VARIÁVEL (VP) Chamber at Variable Pressure Gun at High Vacuum Isolation Valve Closed Single DPA - (Differential Pumping Aperture) Fitted in bottom of Objective lens Water vapour kit (de-ionised) 28>

29 Vácuo Sistema de vácuo em MEV ambiental (ESEM): MODO EXTENDED PRESSURE (EP) Chamber at Variable Pressure Isolation Valve Closed Through lens pumping Two DPA - (2 Differential Pumping Aperture) Fitted in bottom of Objective lens Water vapour Kit (de-ionised) + or Gun at High Vacuum EP apertures: 100 µm µm Pressure range 10Pa- 3000Pa Second rotary pump; Pumping the chamber 29>

30 Lentes magnéticas Lentes magnéticas: F = e ( E + v B) ação do campo magnético B gerada pelas lentes sobre o feixe de elétrons faz com que o sua trajetória seja helicoidal em torno do eixo óptico do MEV, causada pela variação de orientação da força F atuante sobre o elétron. 30>

31 Lentes magnéticas Lentes magnéticas: Uma lente ideal é uma bobina rotacionalmente simétrica um eletro-ímã. A distância focal (f) ou intensidade do campo magnético gerado pela lente no microscópio pode ser variada/controlada pela intensidade da corrente elétrica que passa nessas bobinas. Altas corrente elétricas geram calor (efeito Joule) nas lentes, que requerem arrefecimento controlado. 31>

32 Lentes magnéticas Lentes condensadoras: O papel principal da lente condensadora é controlar o tamanho do feixe e, para um determinado tamanho de abertura de objetiva, determina o número de elétrons no feixe que atingirão a amostra. A lente condensadora controla o tamanho do "crossover" e o ângulo de divergência do feixe de elétrons que passa para a lente objetiva. 32>

33 Lentes magnéticas Lente objetiva: A intensidade da corrente na lente objetiva varia a posição do ponto no qual os elétrons são focalizados na amostra. Este ponto pode ser focado em diferentes distâncias de trabalho, definida como a distância entre a peça polar da lente objetiva e o ponto de foco sobre a amostra. Para que a imagem final esteja em foco, o porta-amostra deve ser ajustado de forma que a amostra esteja na mesma altura que o ponto de focal do feixe de elétrons. 33>

34 Varredura do feixe de elétrons Bobinas de varredura: A ação de varredura do feixe é conseguida pela variação da corrente que passa pelas bobina de varredura X e Y, de forma que o feixe de elétrons possa deslocar tanto continuamente como discretamente sobre a superfície da amostra. 34>

35 Varredura do feixe de elétrons Modo de varredura: área Imagens sincrozinadas entre amostra e tela podem ser visualizadas em diferentes velocidades de varredura. Diferentes velocidades podem ser usadas para filtrar e reduzir o ruído na imagem. 35>

36 Varredura do feixe de elétrons Modo de varredura: linha ou ponto perfil superficial (line profile) microanálise 36>

37 Varredura do feixe de elétrons Modo de varredura: ampliação o aumento é a razão entre o tamanho da largura da tela (L CRT ) e a largura da área de varredura na amostra (L SPEC ). 37>

38 Varredura do feixe de elétrons Correções na imagem: astigmatismo 38>

39 Detectores Elétrons detectores sinais imagem SE BSE VPSE EDS EBSD 39>

40 Detectores Emissão de elétrons secundários (SE): energia entre 5-50 ev 40>

41 Detectores Imagem SE: Sprayed-metal; SE-detector, HV, 15 kev 41>

42 Detectores Emissão de elétrons retroespalhados (BSE): 42>

43 Detectores CZ BSD backscattered Detector : Universal detector system able to provide imaging solutions in High Vacuum (HV) Variable Pressure (VP) Extended Pressure (EP) Low energy secondary electrons are detected by SE/VPSE detector. Higher energy electrons or backscattered Electrons travel upwards in the chamber towards the Backscattered detector (BSD). Backscattered electrons are detected by BSD, converted to electrical signal and used to form an image. SED BSD SE, VPSE and BSE detectors VPSE In VP mode, backscattered electrons and secondary electrons collide with the introduced gas molecules and produce ions that dissipate the charge on the sample surface. 43>

44 Detectores Imagem BSE: Polished alloy; BSD-detector, HV, 20 kev 44>

45 Detectores VPSE Detector : The unique VPSE detector enables the detection of SE electrons at high pressures. Solutions for imaging insulators; Gas molecules scintillate when ionized by secondary electrons from the specimen. The photons emitted are detected. True surface images & Excellent SE imaging with VP ; As slow secondary electrons are very effective at scintillating gas molecules, images collected using the VPSE detector provide excellent surface detail. Backscattered electrons do not contribute to the signal. Single Click on the movie to STOP and START. Return key to move to next slide. 45>

46 Detectores Imagem VPSE: Caterpillar-Egg; VPSE-detector, 15 Pa, 25 kev, -25 C 46>

47 Microanálise (EDS) Espectroscopia por dispersão de energia (EDS) 47>

48 Microanálise (EDS) EDS geração de pulsos no cristal detector: Um fóton de raios-x incidente é primeiro absorvido por um evento fotoelétrico que produz um fotoelétron e um átomo de Si ionizado que então emite um elétron Auger, ou mais raramente, um fóton Si Kα. São estes fotons ou elétrons de Auger que perdem energia e geram os pares de elétron-lacuna. Uma tensão de polarização aplicada através do cristal impulsiona os portadores de carga (elétrons e lacunas) para eletrodos opostos, produzindo um sinal de carga cumulativo, o tamanho do qual é diretamente proporcional à energia do foton de raios-x. geração de pares elétron-lacuna 48>

49 Microanálise (EDS) EDS processador de pulsos: A função primordial do processador de pulsos é determinar com precisão a energia dos fótons de raios-x que são coletados, cuja ocorrência é contada sistematicamente para cada faixa de energia (canal) por um computador analisador multi-canal (MCA). Porém, o trabalho do processador de pulsos é mais complexo que um simples conversor analógico-digital (ADC), além de otimizar a remoção de ruído presente no sinal do espectro de raios-x original. Tempo (relógio) = live time (100s) + dead time (20-40%) 49>

50 Microanálise (EDS) Resultados EDS microanálise em ponto ponto P1 ponto P2 Elmt - P1 mass (%) Atomic (%) Ti K 0,68 1,27 Cr K 0,74 1,27 Fe K 3,46 5,57 Nb L 95,12 91,90 Total Elmt - P1 mass (%) Atomic (%) Ti K 0,68 1,27 Cr K 0,74 1,27 Fe K 3,46 5,57 Nb L 95,12 91,90 Total Elmt - P2 Mass (%) Atomic (%) Cr K 10,60 12,39 Mn K 0,48 0,53 Fe K 66,42 72,34 Nb L 22,51 14,74 Total revestimento duro com carbonetos de nióbio 50>

51 Microanálise (EDS) Resultados EDS microanálise em linha revestimento duro com carbonetos de nióbio 51>

52 Microanálise (EDS) Resultados EDS microanálise em área Elmt Mass (%) Atomic (%) Cr K 2,28 3,73 Fe K 11,00 16,71 Ni K 0,61 0,88 Nb L 86,11 78,68 Total revestimento duro com carbonetos de nióbio 52>

53 Microanálise (EDS) Resultados EDS mapeamento químico 53>

54 Análise cristalográfica (EBSD) Notação de Miller direções cristalinas [hkl] / <hkl> planos cristalinos (hkl) / {hkl} 54>

55 Componentes do EBSD Tela fluorescente (revela padrão das linhas de Kikuchi) Sensor CCD (charge coupled device) Controlador de posicionamento/movimento Controle eletrônico e comunicação entre MEV/EBSD Amplificador e processador de sinais Software para interpretação das linhas de Kikuchi EBSD Animation peak module.avi 55>

56 Formação do padrão/linhas de Kikuchi λ = 2 d hkl senθ Ni@20kV Os átomos próximos à superfície podem interagir com os elétrons do feixe incidente, promovendo choques (quase)elásticos que causam o espalhamento (difração) pela Lei de Bragg. Os elétrons são espalhados numa trajetória que forma um par de cones, cuja intersecção com a tela fluorescente do sensor CCD forma o par de linhas de Kikuchi. Estas linhas estão intimamente relacionadas à cristalografia da amostra, tornando possível sua análise. 56>

57 EBSD: análise por ponto Na análise EBSD por ponto o feixe de elétrons é posicionado no ponto de interesse sobre a amostra, sendo colhido o padrão de difração. A partir do padrão a orientação cristalográfica é calculada. 57>

58 EBSD: identificação de fases Liga Ti64, composta por Ti-α (HCP) e Ti-β (CCC). O mapeamento de fases mostra que 94,5% da AOI é Ti-α (vermelho) e 5,5% é Ti-β. O mapa foi coletado a 20kV, com passo (step size) de 0,0626 µm, produzindo um total de pontos. EBSD Ti-α EBSD Ti-β 58>

59 EBSD: mapa de orientação cristalográfica Liga Ti64, composta por Ti-α (HCP) e Ti-β (CCC). O feixe varre a amostra como uma matriz de pontos e em cada ponto um padrão de difração é obtido, juntamente com a sua orientação cristalográfica. Graficamente uma cor é relacionada, de acordo com rspectiva a figura de polo inversa (IPF). 59>

60 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) Bibliografia: Johnson, R. Environmental Scanning Electron Microscopy: An Introduction to ESEM. Philips Electron Optics, Eindhoven, 1996, pp Egerton, R. F. Physical Principles of Electron Microscopy: An Introduction to TEM, SEM and AEM. Springer Science+Business Media, Inc., New York, 2005, pp Goldstein, J. I. et al. Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis, third edition. Kluwer Academic/Plenum Publishers, New York, 2003, pp Goodhew, P. J.; Humphreys, J.; Beanland, R. Electron Microscopy and Analysis. Taylor & Francis Inc.,New York, 2001, pp Reed, S. J. B. Electron Microprobe Analysis and Scanning Electron Microscopy in Geology. Cambridge University Press, Cambridge, 2005, pp Jorge Jr, A. M.; Botta, W. J. Notas de classe Escola de Microscopia. Laboratório de Caracterização Estrutural, DEMa/UFSCar. Kugler, V. EVO Operator Training. Carl Zeiss SMT. Notas de aula preparadas pelo Prof. Juno Gallego para a disciplina CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL DOS MATERIAIS Permitida a impressão e divulgação. 60