Preparação de Amostras para MET em Ciência dos Materiais I Escola de Microscopia Eletrônica de Transmissão do CBPF/LABNANO Junho/2008 Ana Luiza Rocha
Sumário 1. Condições de uma amostra adequada para MET Considerações 2. Afinamento inicial / intermediário da amostra Pré-afinamento mecânico Dimple 3. Afinamento final da amostra Polimento Eletrolítico Ion Milling 4. Outros métodos de preparação Réplica Ultramicrotomia FIB = Focused Ion Beam Preparação de amostras em pó 5. Considerações Finais
Condições de uma amostra adequada para MET A amostra deve ser: Representativa do material de estudo Estável sob ação do feixe de elétrons Transparente ao feixe de elétrons Espessura das amostras para MET: até 100 nm. Em casos específicos (HREM) < 50 nm. Questões Importantes: 1- A deformação mecânica deve ser evitada a todo custo? 2- A amostra é susceptível ao calor/radiação? Etc...
Preparação de Amostras Pergunta básica: Folha Fina do próprio material ou Grade metálica Seleção de Grades 1) são feitas de Cu ou Ni em geral. 2) diferentes espaçamentos/ formas. D. Williams & B. Carter/ TEM Textbook
Grades
Porta Amostras Vários modelos: - Rotation holder; - Heating holder; - Cooling holder; - Double-tilt holder; - Single-title holder; - Two specimen
AFINAMENTO INICIAL DO DISCO
Afinamento Inicial Seqüência de preparação Corte do material Amostras de Folha Fina D. Williams & B. Carter/ TEM Textbook Corte Lixamento/Polimento mecânico Corte de discos de 3mm de diâmetro Abertura do Furo Diferentes técnicas
Dimple Grinder Afinamento Intermediário Dimple Grinder - Objetivo: afinar o centro do disco de 3 mm através da ação mecânica de abrasão. D. Williams & B. Carter/ TEM Textbook - Pressão, velocidade e profundidade do desgaste podem ser controlados.
Preparação da amostra para o MET Como recebida Marcas de usinagem Exemplo: Amostra Finemet FeSiBCuNb (fita) Após Dimple Amostra nanocristalizada Grade 40 microns 5 microns
AFINAMENTO FINAL DO DISCO
Polimento Eletrolítico - Só pode ser realizado em amostras condutoras; - Produz amostras sem deformação mecânica e polida nas duas faces; - Eletrólitos conhecidos; - Processo rápido e barato que permite a produção de várias amostras; Parâmetros importantes: 1) temperatura, 2) voltagem, 3) corrente, 4) solução utilizada.
Polimento Eletrolítico PROCESSO DE ABERTURA DO FURO Dissolução anódica do material da superfície da amostra por uma pilha eletrônica. O eletrólito atua em ambos os lados da amostra sob uma pressão constante. Sensor detecta transparência e produz um aviso sonoro. Após este aviso a amostra tem que ser retirada imediatamente e lavada com solvente para remover completamente o eletrólito. Williams & Carter, 1996, Fig. 10-7
Polimento Eletrolítico 1. A curva de polimento eletrolítico apresenta um aumento na corrente entre o anodo e o catodo a medida que a voltagem aplicada aumenta. 2. O polimento ocorre numa posição intermediária. Baixas voltagens: ataque químico Altas voltagens: corrosão 3. As condições ideais para obter uma superfície polida requer a formação de um filme viscoso entre o eletrólito e a superfície da amostra. Williams & Carter, 1996, Fig. 10-6
Preparação de amostra de Al utilizando o método de polimento eletrolítico. Melhores resultados foram obtidos utilizando uma solução 30% HNO 3 em CH 3 OH. Temperatura -20 0 C e voltagem entre15-20 V. Este método apresentou melhores resultados do que Ion beam (mais regiões transparentes ao feixe de elétrons). http://www.phys.rug.nl/mk/research/98/hrtem_localprobe.html
Afinamento por feixe de íons - Ion Mill Procedimento: Bombardeio de íons ou átomos neutros. Preparação é finalizada quando a amostra está fina o suficiente (transparente ao feixe de elétrons) ou quando foi perfurada. Processo versátil!!! Velocidade do afinamento é controlado por: (1) voltagem aplicada, (2) natureza do íon (Ar, He), (3) ângulo de incidência, (4) temperatura da amostra (em alguns equipamentos é possível adicionar nitrogênio líquido), (5) tempo. Observação: Nunca comece o processo com uma amostra grossa!!!
Gatan Dual Ion Mill Porta amostra tanque de Ar Seletor do canhão Controle do ângulo de incidência Medidor de vácuo tempo decorrido Voltagem aplicada Rotação
Ion Milling Diagrama esquemático do dispositivo de afinamento por feixe de íons: A voltagem aplicada cria um feixe de íons de Ar. Um ou ambos os canhões podem ser selecionados. O progresso no afinamento pode ser observado utilizando um microscópio monocular. Amostra pode ser resfriada, evitando contaminação e deterioração da superfície. Williams & Carter, 1996, Fig. 10-8
Ion Milling Ângulo de incidência - Ângulos utilizados variam entre 15-25 o. D. Williams & B. Carter/ TEM Textbook
Preparação da amostra para o MET Espessura Inicial= 40 µm Amostra nanocristalizada Largura 1,7 mm Após Dimple Amostra Finemet: FeSiBCuNb (fita) Necessário o uso de uma grade Ion milling t = 50 min Marcas das linhas de usinagem da roda de cobre Grade Cu Furo
Réplica de Relevo Amostras em Réplica D. Williams & B. Carter/ TEM Textbook
Réplica de Extração Amostras em Réplica D. Williams & B. Carter/ TEM Textbook
Ultramicrotomia Utilizada para materiais biológicos e polímeros D. Williams & B. Carter/ TEM Textbook
Preparação de amostra por FIB Método: -É feita uma deposição de metal (Pt) na superfície da área de interesse para proteção durante a operação de desbaste; - Consiste no desbaste por íons de Ga + de duas áreas paralelas, delimitando a área de interesse; - Extensão área da amostra: ~ 15-20 microns.
Preparação de amostra por FIB Características do processo: 1) permite a escolha de regiões de interesse específico; 2) processo demorado; 3) processo caro; 4) requer treinamento. Amostra: Metal Nb3Sn/bronze
Preparação de amostras em pó Materiais Cerâmicos, Minerais, etc. - Solução = pó + líquido inerte. - Solução é misturada no ultra-som (homogeneidade). - Gota da solução é colocada na grade contendo um filme de carbono. Pó 100 nm Par de imagens BF-DF
Considerações Finais A preparação de amostra é uma etapa importante no estudo por MET pois a qualidade dos resultados está diretamente relacionada a qualidade das amostras observadas; É recomendável observar as amostras logo após preparação das mesmas; Encontre o método de preparação de amostra que melhor funcione para o seu material de estudo. Cada método apresenta suas vantagens, desvantagens e artefatos.
Referências Williams DB, Carter CB (1996). Transmission Electron Microscopy. I. Basics. Specimen preparation (Cap. 10) Plenum Press, New York, pp 155-173. Websites: http://temsamprep.in2p3.fr/ http://www.phys.rug.nl/mk/research/