Microscopia Eletrônica de Transmissão [5]

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1 Microscopia Eletrônica de Transmissão [5] from: Williams & Carter (2009) Electron Beam Wavelength as Function of Accelerating Voltage Low energy interaction: - Auger electrons (AE) - Secondary electrons (SE) - Visible light higher kv High energy interaction: - Backscattered electrons (BSE) - Characteristic X-rays higher δ 1>

2 Comparativo MET - MEV MEV MET Feixe transmitido ou difratado pela amostra em lâmina fina 2>

3 Um breve relato histórico 1895: O físico alemão W. C. Roentgen descobriu os raios X. 1912: trabalhando independentemente, O. von Laue e W. L. Bragg estudaram a difração de raios X em materiais cristalinos. 1921: O físico alemão P. P. Ewald formulou e aplicou o conceito de rede recíproca aos materiais cristalinos. 1925: Em sua tese de doutoramento Louis de Broglie propos que o elétron pode ser descrito teoricamente tanto como partícula quanto como onda eletromagnética. 1927: Os pesquisadores G. Davinsson e L. H. Gremer comprovaram experimentalmente a difração de elétrons em cristais de níquel. 1932: M. Knoll e E. Ruska desenvolveram o primeiro microscópio eletrônico de transmissão. 1949: R. D. Heidenreich analisou a primeira amostra metálica preparada como lâmina fina. 3>

4 Um breve relato histórico Ernst Ruska e Max Knoll trabalhando no primeiro MET (1931) Primeiro protótipo do MET, desenvolvido por Ruska e Knoll (1931) Primeiro MET comercial construído pela Siemens (1933) 4>

5 Um breve relato histórico 5>

6 Um breve relato histórico JEOL CX-100 ZEISS EM-912 6>

7 Um breve relato histórico Philips CM-120 FEI TECNAI G² F20 HRTEM 7>

8 O Microscópio Eletrônico de Transmissão canhão de elétrons condensadora 1 condensadora 2 abertura condensadora amostra objetiva abertura objetiva abertura SA intermediária projetiva imagem 8>

9 Vácuo Evita o choque dos elétrons com moléculas de gases durante a trajetória entre o canhão de elétrons e a 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 < 10-7 iônica criogênica Coluna MET reservatório difusora mecânica 9>

10 Vácuo Bomba mecânica (< 10-1 Pa) Difusora ( Pa) Turbomolecular ( Pa) Iônica ( Pa) 10>

11 Canhão de elétrons Comprimento de onda : λ = 2 m o ev h 1+ ev 2 m c o 2 Voltagem (kv) Comprimento de onda (Å) Massa do elétron ( x m o ) Velocidade ( x 10 8 m/s) >

12 Canhão de elétrons W La 6 B FEG W LaB 6 FEG Tensão (V) Temperatura (K) Crossover (μ m) <0.01 Brilho (A/m 2.sr) Vácuo (Pa) Vida (h) > >

13 Lentes magnéticas F = e ( E + v B) B z v + - Peça polar (permalloy) bobina de cobre r z 13>

14 Lentes magnéticas Ampliação da imagem Poder de resolução do MET: limitado pelo comprimento de onda do feixe e a aberração esférica da lente objetiva. δ variação discreta MET Philips CM 120: 2050; 2650; 3400; 4400; 5600; 7100; 8800; 11.5k; 15k; 19.5k; 25k; 31k; 40k; 53k; 66k; 88k; 101k; 140k; 175k; 230k; 300k; 380k; 510k; 660k. 4 3 = 0, 91 C λ min S C S - coeficiente de aberração esférica (fabricante) Resolução típica do MET: 0,3 a 0,5 nm 14>

15 Lentes magnéticas Sistema de lentes condensadoras Condensadora 1 Condensadora 2 Abertura condensadora amostra 15>

16 Sistema de lentes projetivas Lentes magnéticas amostra lente objetiva abertura objetiva abertura de área selecionada lente intermediária lente projetiva imagem na tela 16>

17 Aberturas aberturas Condensadora Objetiva Área Selecionada As aberturas são orifícios calibrados, usinados em folha fina de molibdênio com espessura entre 25 a 50 m com diâmetro reduzido (10 a 300 m), empregadas para restringir o espalhamento dos elétrons. jogo de aberturas 17>

18 Porta-amostra Porta-amostra Suporte para amostras que permite movimentos de translação e rotação ( 30º) (goniometer) para orientação relativa ao feixe. A B C D E A - rotation holder B - heating holder C - cooling holder D - double-tilt holder E - single-tilt holder 18>

19 Microanálise (EDS) Microanálise: Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) Permite a determinação (qualitativa e quantitativa) da composição química da amostra através de sensores semicondutores Si-Li que separam os raios X característicos com um analisador multi-canal. computador amostra detetor amplificador raios X cargas sinal Analisador multi-canal Espectro EDS de carbonitretos eutéticos em aço microligado 19>

20 Interação feixe-amostra Bragg s Law: n λ = 2 senθ dhkl e (120kV): λ = nm θθ d hkl Cu (Kα): λ = nm Diffraction (i) coherent scattering of X-radiation by the atoms of a crystal which necessarily results in beams in characteristic directions. (ii) the scattering of electrons, by any crystalline material, through discrete angles depending only on the lattice spacings of the material and the velocity/kv of the electrons. Fator de estrutura (F) (metais cúbicos) CCC - (h + k + l) é par CFC - h, k, l não misturados (todos são pares ou ímpares) 20>

21 Modos de operação MET modo de operação imagem difratograma campo claro campo escuro Imagem em campo claro: emprega o feixe transmitido para a formação de contraste, selecionado pela abertura objetiva. Utilizada para análise de fases e defeitos cristalinos. Imagem em campo escuro: emprega um dos feixes difratados para a formação de contraste, selecionado pela abertura objetiva. Utilizada na observação de partículas muito pequenas. Padrão de difração: imagem do espaço recíproco de uma região da amostra, escolhida pela abertura de área selecionada. 21>

22 Modos de operação MET 22>

23 Modos de operação MET Imagem diferenças na intensidade eletrônica após interação com cada região da amostra (contraste) Campo claro: abertura objetiva no feixe transmitido Campo escuro: abertura objetiva em um feixe difratado 23>

24 Modos de operação MET Difratograma informações vinculadas ao arranjo cristalino da amostra analisada utilização da abertura de área selecionada 24>

25 Formação de Imagens no MET 25>

26 Formação de Imagens no MET Exemplos de imagens: partículas de ouro em filme de carbono. BF DF 26>

27 Formação de Imagens no MET 27>

28 Formação de Imagens no MET Crystalline defects identified on AISI 316 steel, used as substrate for nitriding from: Gallego (2010) Pile-up dislocations on austenite GB (BF) Stacking faults (DF) Twins (BF) 28>

29 Formação de Imagens no MET Crystalline defects identified on AISI 316 steel, used as substrate for nitriding BF DF twin dislocation 29>

30 Formação de Imagens no MET Amostra fina de liga Al-Fe-Cu recristalizada: BF DF 30>

31 Formação de difratogramas 31>

32 Formação de difratogramas 32>

33 Formação de difratogramas 33>

34 Interpretação de difratogramas Constante de câmara (λ. L): amostra Semelhança de triângulos: 1 λ 1 plano recíproco 1 λ = L 1 1 = λ L 1 d R 1 d hkl hkl 1 R d hkl L λ L = R d hkl R tela ou fotografia L - comprimento de câmara (MET) 34>

35 Interpretação de difratogramas Um difratograma representa geometricamente a difração de elétrons por planos (hkl) da amostra e é normalmente associado ao eixo de zona [uvw]. (hkl) 1 (hkl) 2 1 d hkl (1) φ 0wv φ g d hkl (2) w0u Metais cúbicos: g 2 [uvw] cosφ = ( h 2 1 h 1 + a dhkl = 2 h + k h + k k + l l k l ) ( h 1 + k 2 o l + l ) 35>

36 Análise de materiais Estudo de defeitos cristalinos: - discordâncias (cunha e hélice) - falhas de empilhamento - contornos e interfaces Critério de invisibilidade: g ( b u) = 0 200nm 36>

37 Análise de materiais Estudo da precipitação de partículas de 2 a. fase Precipitação fina em aço microligado Nb-Ti. AlN em aço Interstitial free 37>

38 Análise de materiais Análise da estrutura: Estudo de interfaces de juntas intermetálicas Ti-Cu 38>

39 Análise de materiais Microanálise EDS Microanálise EDS de um precipitado identificado em uma liga Mg-Ca-Zn-Si por melt spinning 39>

40 Preparação de amostras Lâminas finas polimento eletrolítico para obtenção de áreas com espessura máxima de 1000 Å + Vantagens: - rápido - barato - análise volumétrica amostra - - Desvantagens: - amostras metálicas bomba reservatório 40>

41 Preparação de amostras Lâminas finas polimento iônico para obtenção de áreas com espessura máxima de 1000 Å Vantagens: - Amostras frágeis - Estudo de interfaces - análise volumétrica Desvantagens: -Alto custo - Artifatos 41>

42 Preparação de amostras 42>

43 Preparação de amostras Réplicas de extração deposição de filme de carbono sobre a amostra. Amostra polida Ataque químico Filme de carbono e Remoção do filme Sombreamento - Au Tela de cobre Vantagens: Desvantagens: - simples - efeito do ataque - elimina efeito da matriz - análise de superfície - revela detalhes da estrutura - difícil reprodutibilidade 43>

44 Preparação de amostras Outras técnicas de preparação Materiais metálicos: Polimento iônico (ion milling) Materiais cerâmicos: Clivagem Polimento iônico (ion milling) Materiais poliméricos: Ultramicrotomia 44>

45 Operação Básica do MET 45>

46 Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET) Bibliografia: Williams, D.B.; Barry Carter, C. Transmission Electron Microscopy: A Textbook for Materials Science, 2nd edition. Springer, DOI: / Egerton, R. F. Physical Principles of Electron Microscopy: An Introduction to TEM, SEM and AEM. Springer Science+Business Media, Inc., New York, 2005, 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. Notas de aula preparadas pelo Prof. Juno Gallego para a disciplina CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL DOS MATERIAIS Permitida a impressão e divulgação. 46