Microscopia Eletrônica na Engenharia

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1 Microscopia Eletrônica na Engenharia 1. INTRODUÇÃO Diego Augusto de Sá policristalino de material opticamente anisotrópico é analisado sob luz polarizada, cada grão do material aparece com uma Este trabalho tem a intenção de mostrar o funcionamento dos microscópios óptico (MO), eletrônico de varredura (MEV) e eletrônico de transmissão (MET). Os tipos de microscopia serão comparados e com uma explicação básica de seu funcionamento dando ênfase à microscopia eletrônica de varredura, que será abordada com maior profundidade. Será também vista a utilização na engenharia de materiais. determinada cor, para uma dada posição da platina rotativa. A razão deste comportamento se dá pelo fato de as propriedades ópticas de uma superfície opticamente anisotrópica variarem com as direções cristalográficas. 1.2 Comparações, Funcionamento e utilização dos tipos de Microscopia As estruturas dos materiais são em última análise determinadas pelas suas respectivas microestruturas, ou seja, pelos defeitos e constituintes microestruturais que eles contém. A importância do conhecimento e das análises quantitativas das microestruturas tem levado a um contínuo desenvolvimento das técnicas experimentais, particularmente a microscopia. A. Microscopia Óptica A microscopia óptica tem como principal potencialidade permitir a análise de grandes áreas, além de ser de utilização simples, rápida e pouco dispendiosa. Dois tipos de microscópio óptico são utilizados na análise de materiais: de reflexão, também conhecido como metalúrgico e de transmissão. O microscópio óptico de transmissão é bastante utilizado na análise de materiais cerâmicos e poliméricos, como por exemplo no estudo e determinação da fração cristalizada em plásticos e vidros. As regiões cristalinas (opticamente anisotrópicas) podem ser facilmente "separadas" das regiões amorfas (opticamente isotrópicas) com auxílio de luz polarizada. Nos metais e semicondutores a penetração da luz, devido à sua interação com os elétrons de condução, é muito pequena. Nestes casos, utiliza-se exclusivamente o microscópio óptico de luz refletida. A resolução do microscópio óptico é determinada pelo comprimento de onda da luz visível, que é relativamente alta. Por microscopia pode-se observar grande parte dos defeitos cristalinos (contornos de grão, contornos de macla e contornos de subgrão) e constituintes microestruturais maiores que 0,5 mm. Materiais bem recozidos podem ter sua densidade de discordâncias determinada pela técnica de cavidades de corrosão. Neste caso, faz-se a contagem da quantidade de locais onde as discordâncias "furam" a superfície do cristal. Com relação ao comportamento sob luz polarizada, as superfícies de corpos de prova podem ser divididas em dois tipos: isotrópicas e anisotrópicas. Quando um corpo de prova Figura 1 - Tipos de Microscopia Óptica Após a deformação, mesmo dentro de um mesmo grão, não se tem uma cor homogênea como no caso das regiões recristalizadas, uma vez que devido à deformação, os grãos apresentam regiões que sofreram rotação em relação à vizinhança. Este efeito possibilita a identificação e a quantificação das regiões recristalizadas e não recristalizadas. Os metais opticamente anisotrópicos são geralmente os não-cúbicos. As superfícies dos metais cúbicos sendo opticamente isotrópicas, podem de duas maneiras tornar-se opticamente ativas sob luz polarizada: por meio de ataque da superfície do material ou por meio da deposição de uma película epitaxial na superfície do material, a qual se comporta anisotropicamente. Esta película, além de comportar-se anisotropicamente, tem uma relação de orientação definida com o metal base, possibilitando seu estudo sob luz polarizada a exemplos dos metais não-cúbicos. B. MICROSCOPIA ELETRÔNICA a) Interação entre o elétron e a matéria A Figura 2 ilustra os processos de interação possíveis durante a incidência de um feixe de elétrons.

2 amostra. amostra, constituindo a chamada corrente da Figura 2 - Interação do elétron e da matéria Cada um destes eventos fornece informações sobre a amostra. Os diversos tipos de elétrons refletidos e os elétrons absorvidos são utilizados em microscopia eletrônica de varredura. Os raios X são utilizados para identificar e quantificar os elementos presentes (vide Análise química de micro-regiões ). Os elétrons transmitidos, particularmente os espalhados elasticamente, são utilizados em microscopia eletrônica de transmissão. A Figura 3 mostra de maneira esquemática a interação do feixe de elétrons com a amostra sólida e as profundidades típicas de escape. Resumidamente, os sinais mais utilizados são os seguintes: Figura 4 Interações b) Microscopia eletrônica de transmissão(met) 1 - O microscópio Figura 3 - Esquemático das Interações - Elétrons Auger: energia levemente superior a 1500 ev e profundidade de escape entre 2 e 20Å, utilizados em espectroscopia Auger. - Elétrons secundários: baixa energia, 50 ev, emergem de uma profundidade de 100 a 200 Å. Sua emissão depende sensivelmente da topografia da superfície da amostra e apresenta imagem com boa profundidade de foco para aumentos entre 10 e X. - Elétrons retroespalhados: apresentam imagem com menor resolução que os elétrons secundários; são refletidos principalmente por colisões elásticas, de uma profundidade entre 300 e 400 A. Têm energia alta, podendo ser aproximadamente igual à do feixe incidente. Indicado para aumentos até X. - Elétrons absorvidos: correspondem à fração dos elétrons primários que perdem toda sua energia na Figura 5 - Microscopio Eletrônico de Transmissão

3 Um microscópio eletrônico de transmissão consiste de um feixe de elétrons e um conjunto de lentes eletromagnéticas encerrados em uma coluna evacuada com uma pressão cerca de 10-s mm Hg. A Figura 5 mostra a secção esquemática vertical de um aparelho que utiliza 100 kv como voltagem máxima de aceleração do feixe. Um microscópio moderno de transmissão possui cinco ou seis lentes magnéticas, além de várias bobinas eletromagnéticas de deflexão e aberturas localizadas ao longo do caminho do feixe eletrônico. Entre estes componentes, destacam-se os três seguintes pela sua importância com respeito aos fenômenos de difração eletrônica: lente objetiva, abertura objetiva e abertura seletiva de difração. A função das lentes projetoras é apenas a produção de um feixe paralelo e de suficiente intensidade incidente na superfície da amostra. Os elétrons saem da amostra pela superfície inferior com uma distribuição de intensidade e direção controladas principalmente pelas leis de difração impostas pelo arranjo cristalino dos átomos na amostra. Em seguida, a lente objetiva entra em ação, formando a primeira imagem desta distribuição angular dos feixes eletrônicos difratados. Após este processo importantíssimo da lente objetiva, as lentes restantes servem apenas para aumentar a imagem ou diagrama de difração para futura observação na tela ou na chapa fotográfica. Deve-se finalmente destacar que embora existam em operação alguns aparelhos cuja tensão de aceleração é de l000kv, a maioria dos equipamentos utilizados no estudo de materiais dispõe de tensão de aceleração de até 200 kv. 2 - A preparação de amostras As amostras utilizadas em MET devem ter as seguintes características: espessura de 500 a 5000 A, dependendo do material e da tensão de aceleração utilizada e superfície polida e limpa dos dois lados. Durante a preparação a amostra não deve ser alterada, como por exemplo através de deformação plástica, difusão de hidrogênio durante o polimento eletrolítico ou transformações martensíticas. Os corpos de prova podem ser de dois tipos: lâminas do próprio material ou réplicas de sua superfície. A preparação de laminas finas de metais e ligas segue normalmente a seguinte seqüência: corte de laminas de 0,8 a 1,0 mm de espessura, afinamento por polimento mecânico até 0,10-0,20 mm de espessura e polimento eletrolítico final. O afinamento final por polimento eletrolítico duplo é mostrado na Figura 6. A Figura 7 mostra defeitos cristalinos e precipitados observados por MET de lâminas finas. Quando se está interessado na superfície da amostra, freqüentemente utiliza-se a técnica da réplica (Fig.8). Figura 6 - Polimento eletrolítico duplo Figura 7 - Micrografias obtidas por MET de um aço inoxidável austenítico. Três tipos de réplica são normalmente utilizados: plástico, carbono e óxido. Na técnica de réplica de plástico, uma solução fraca de plástico em um solvente volátil, por exemplo formvar em clorofórmio, é gotejada na superfície da amostra. O solvente se evapora e deixa um filme, podendo ser retirado, e que representa o "negativo" da superfície. Na réplica de carbono, este material é evaporado na superfície da amostra. Esta

4 técnica pode ser utilizada também para arrancar partículas de precipitados da amostra, a chamada réplica de extração. Na réplica de óxido, usada principalmente para ligas de alumínio, o filme de óxido é obtido por anodização de uma superfície previamente polida eletroliticamente. Nos três tipos de réplica o contraste tem origem nas variações de espessura. No caso de partículas extraídas, um contraste adicional aparece, pois as partículas, se forem cristalinas, difratam elétrons. contendo uma região mais densa, B. e uma região, A, menos densa. A região mais densa B espalha mais intensamente os elétrons, de modo que estes são em maior fração retidos pela abertura do que aqueles provenientes da região A. Figura 10 - Origem do contraste em sólidos amorfos 4 - Formação de imagens: sólidos cristalinos Figura 8 - Preparação de réplicas 3 - Formação de imagens: sólidos amorfos Durante a passagem de elétrons através de uma lamina fina de sólido amorfo ocorre espalhamento dos elétrons em praticamente todas as direções (Fig. 9). Figura 9 - Interação do feixe de elétrons incidentes com amostra sólida Este espalhamento é causado pela interação do elétron incidente com o núcleo dos átomos da amostra. Ele é tanto mais intenso quanto mais denso for o material, mais espessa a amostra e maior o número atômico do material da amostra. A Figura 10 ilustra o aparecimento do contraste na formação da imagem de um material amorfo Enquanto que para sólidos amorfos é razoável supor uma distribuição uniforme de elétrons espalhados, para sólidos cristalinos a transparência a elétrons depende das condições de difração que diferem bastante conforme a direção. Quando um feixe de elétrons passa por uma lamina fina de material cristalino, somente aqueles planos quase paralelos ao feixe incidente contribuem para a figura de difração (vide Fig. 11). Por exemplo, um feixe acelerado com 100 kv tem comprimento de onda 0,04 A e pela lei de Bragg difratará para o ângulo de 0,01, isto é, planos praticamente paralelos ao feixe incidente. Conforme utilizemos os elétrons difratados ou os elétrons transmitidos para se fazer imagem, obteremos os chamados campo escuro e campo claro, respectivamente. As várias possibilidades de formação de imagem em uma amostra cristalina estão ilustrados na Figura 12. A micrografia da Figura 13 mostra a mesma região em campo claro e em campo escuro.

5 Figura 11 - Formação de imagem de material cristalino Figura 14 - Dedução da fórmula básica de difração em MET Figura 12 - Tipos de imagens obtidas em MET Todo spot de difração em MET representa um ponto do espaço recíproco* que, por sua vez, corresponde a um plano (h, k, 1) no espaço real. O diagrama de difração corresponde aproximadamente a uma secção plana através do espaço recíproco, perpendicular ao feixe incidente. A Figura 15 ilustra as figures de difração que podem ser obtidas para os diferentes materiais: monocristais, policristais e materiais amorfos. Figura 13 - Micrografias obtidas por MET de aço inoxidável austenítico 5 - Difração de elétrons em MET Em 1924, De Broglie afirmava que partículas podem atuar como ondas; em 1927, Davisson e Germer realizavam experimentalmente a difração de elétrons confirmando as previsões de De Broglie. O advento da MET possibilitou o estudo de micro-regiões da ordem de 1,um por difração de elétrons. Combinando-se as relações geométricas obtidas da Figura 14 (sen = R/2L) com a lei de Bragg obtém-se: difração Figura 15 - Tipos característicos de figures de

6 c) Microscopia eletrônica de varredura A Figura 16 ilustra o modo de funcionamento do microscópio eletrônico de varredura. aumentos crescentes e em MET só com o auxilio de réplicas podem-se analisar superfícies, com MEV qualquer superfície boa condutora elétrica e estável em vácuo pode ser analisada com boa profundidade de foco. Materiais isolantes devem ser recobertos com uma fina camada de material condutor. 1 - A fonte de elétrons O feixe de elétrons vem de um filamento, feito de vários tipos de materiais. O mais comum é o tungstênio. Esse filamento é um loop de tungstênio que funciona como catodo. O anodo, o qual é positivo em relação ao filamento, fortes forças atrativas para os elétrons. Isso faz com que os elétrons sejam acelerados através do anodo e través da coluna, até atingir a amostra. Figura 16 - Princípio de funcionamento do microscópio eletrônico de varredura Neste tipo de microscópio, os elétrons são acelerados na coluna através de duas ou três lentes eletromagnéticas por tensões de 1 a 30 kv. Estas lentes obrigam um feixe de elétrons bastante colimado (50 a 200 A de diâmetro) a atingir a superfície da amostra. Bobinas de varredura obrigam o feixe a varrer a superfície da amostra na forma de uma varredura quadrada similar a uma tela de televisão. A corrente que passa pela bobina de varredura, sincronizada com as correspondentes bobinas de deflexão de um tubo de raios catódicos, produz uma imagem similar mas aumentada. Os elétrons emitidos atingem um coletor e a corrente resultante é amplificada e utilizada para modular o brilho do tubo de raios catódicos. Os tempos associa dos com a emissão e coleta dos elétrons, comparados com o tempo de varredura, são desprezíveis, havendo assim uma correspondência entre o elétron coletado de um ponto particular da amostra e o brilho do mesmo ponto na tela do tubo. O limite de resolução de um MEV é cerca de uma ordem de grandeza melhor do que o do microscópio óptico (MO) e um pouco mais que uma ordem de grandeza pior do que a do microscópio eletrônico de transmissão (MET). Enquanto em MO a profundidade de foco decresce sensivelmente para Figura 17 - Fonte de Elétrons 2 - Passagem do Feixe através da Coluna Os elétrons são criados no acelerador de elétrons, localizados no topo da coluna. Esse feixe é atraído pelo ânodo, condensado pelas lentes condensadoras e, focalizadas em um ponto na amostra pelas lentes objetivas. As bobinas de varredura são energizadas (variando a tensão produzida pelo gerador de varredura) e criando um campo magnético o qual desvia o feixe de um lado para o outro de uma maneira controlada. A variação de tensão é também aplicada às bobinas que envolvem o tubo de raios catódicos (TRC) que produz um feixe padrão que é desviado pra frente e para trás

7 na superfície do TRC. O padrão de desvio do feixe de elétrons é o mesmo do desvio do ponto de luz no TRC. O feixe de elétrons atinge a amostra, produzindo elétrons secundários que são coletados por um detector secundário, convertidos em uma tensão, e amplificado. A tensão amplificada é aplicada à malha do TRC e causa a mudanças na intensidade do ponto de luz. A imagem consiste em milhares de pontos de variação de intensidade luminosa na face do TRC que correspondem à topografia da amostra. Figura 19 - Lentes Magnéticas 4 - Preparação Figura 18 - Passagem dos Elétrons pela Coluna 3 - Usando o Vácuo Quando um MEV é usado, a coluna sempre deve estar no vácuo. Existem muitas razões para isto. Se a amostra está num ambiente gasoso, um feixe de elétrons não pode ser gerado ou mantido devido à grande instabilidade no feixe. Gases podem reagir com a fonte de elétrons, causando a queima, ou fazendo os elétrons ionizarem, o que produz descargas aleatórias e leva à instabilidade no feixe. A transmissão do feixe através da coluna óptica de elétrons também será impedida pela presença de outras moléculas. Essas outras moléculas, que podem ser da própria amostra ou do microscópio, podem formar compostos e condensar na amostra. Isto poderá diminuir o contraste e esconder detalhes da imagem. Existem dois tipos básicos de microscópios eletrônicos de varredura. O tipo normal que requer uma amostra condutora. Um microscópio eletrônico de varredura ambiental pode ser usado para examinar uma amostra não condutiva sem revesti-lo com material condutor. São necessários três requisitos para preparar amostras para o SEM normal: 1. Remover toda a água, solventes ou outros materiais que possam vaporizar no vácuo amostras 2. Monte firmemente todas as Amostras não-metálicas, como insetos, plantas, unha e cerâmica, devem ser revestidos com uma camada metálica, para se tornarem condutores. Amostras metálicas podem ser colocadas diretamente no SEM. Um ambiente à vácuo é também necessário na parte de preparação da amostra

8 Figura 20 - Amostra Preparada Figura 21 - Lentes Objetivas Figura 22 - Vista de um espaçador ampliado com o MEV