O espectro eletromagnético: ref.:

Microscopia Eletrônica de Varredura [4]

¾

O espectro eletromagnético:

f

⋅

=

λ

ν

f

⋅

= h

E

¾ Comprimento de onda do feixe de elétrons (λ):

(

6 2

)

2 2 2 2 10 5 , 1 2 V V c V e m V e h e ⋅ + = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ _⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ = −

λ

λ

[nm] 6,9 30 7,6 25 2,5 200 3,3 120 8,6 20 9,9 15 12,2 10 17,3 5 38,7 1 λ [pm] V [kV] c = 2,998.108 _m.s-1 e = 1,602.10-19 _C h = 6,62.10-39 _J.s m_e = 9,109.10-31 _kg V = voltagem [V]

interação feixe de elétrons-amostra

interação feixe de elétrons-amostra

interação feixe de elétrons-amostra

¾ 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.

interação feixe de elétrons-amostra

¾ 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

interação feixe de elétrons-amostra

¾ 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.

interação feixe de elétrons-amostra

¾ Elétrons retroespalhados (BSE):

Um número significativo dos elétrons incidentes é re-emitido através da superfície do material. Estes elétrons, conhecidos como elétrons

retro-espalhados, 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.

interação feixe de elétrons-amostra

¾ 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.

interação feixe de elétrons-amostra

¾ Raios-X característicos:

K

_α

interação feixe de elétrons-amostra

¾ Raios-X característicos:

L

_α

interação feixe de elétrons-amostra

¾ Volume de interação:

12>

efeito do Número Atômico, Energia do Feixe e Inclinação

C (Z=6) Fe (Z=26) Au (Z=79)

Tilt = 0

o 5 kV 10 kV 20 kV BSE yield @ 5kV: 0,07/0,28/0,48

Monte Carlo simulation

http://web.utk.edu/~srcutk/htm/simulati.htm

BSE yield @ 10kV: 0,07/0,29/0,48

interação feixe de elétrons-amostra

¾ Volume de interação: efeito do Número Atômico, Energia do Feixe e Inclinação

C (Z=6) Fe (Z=26) Au (Z=79)

Tilt = 70

o 5 kV 10 kV 20 kV BSE yield @ 5kV: 0,36/0,59/0,67

Monte Carlo simulation

http://web.utk.edu/~srcutk/htm/simulati.htm

BSE yield @ 10kV: 0,32/0,58/0,68

Arquitetura do MEV

http://www4.nau.edu/microanalysis/Microprobe-SEM/Instrumentation.html Microscópio Eletrônico de Varredura

Canhão de elétrons

Componentes: ƒ filamento (cátodo) ƒ cilindro de Wehnelt (grade) ƒ ânodo

¾ Fonte de elétrons Canhão de elétrons (electron gun)

• 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

Canhão de elétrons

¾ 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

Canhão de elétrons

¾ Canhão de elétrons (electron gun): cilindro de Wehnelt (grade)

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.

Finalidades:

• controle do grau de emissão de elétrons pelo filamento. • focalização dos elétrons

Canhão de elétrons

¾ 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.

Canhão de elétrons

¾ Canhão de elétrons (electron gun): brilho

• Densidade de corrente (J): J = (corrente do feixe)/(área do feixe) [A.m-2_]

Canhão de elétrons

¾ Tipos de filamento para canhão de elétrons:

W LaB6 FEG W LaB 6 FEG Tensão (V) 4.5 2.4 4.5 Temperatura (K) 2700 1700 300 Crossover ( μ m) 50 10 <0.01 Brilho (A/m2.sr) 10 9 5 . 10 10 10 13 Vácuo (Pa) 10 -2 10 -4 10 -8 Vida (h) 100 500 >1000

Canhão de elétrons

¾ Comprimento de onda do feixe de elétrons (λ):

(

)

2 2 2 2 5 , 1 2 c V e m V e h e = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ _⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ = −

λ

λ

[nm] 0,0069 30 0,0076 25 0,0025 200 0,0033 120 0,0086 20 0,0099 15 0,0122 10 0,0173 5 0,0387 1 λ [nm] V [kV] c = 2,998.108 _m.s-1 e = 1,602.10-19 _C h = 6,62.10-39 _J.s m_e = 9,109.10-31 _kg V = voltagem [V]

Vácuo

¾ 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 ≈ 105

Vácuo grosseiro > 0.1

Baixo vácuo 0.1 10-4

Alto vácuo 10-4 10-7

Ultra alto vácuo < 10-7

Vácuo

¾ Sistema de vácuo:

Bomba mecânica (< 10-1 _Pa)

Vácuo

¾ Sistema de vácuo em MEV “ambiental” (ESEM):

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 specimen

Vácuo

¾ Sistema de vácuo em MEV “ambiental” (ESEM):

SED VPSE

SED VPSE

BSD modo ESEM: uso de aberturas limitadoras

de pressão (PLA) alto vácuo

SEM _{Application  Hardware}  * Min/Max pressure Filament LS 10 LS 15 LS 25 Hydrated Imaging Processes   +    

 

or 10 – 1000 Pa W and LaB6     +

 

or     10 – 3000 Pa EP aperture _{500 µm EDS 500 µm} EP aperture 1000 µm EDS 1000 µm

Vácuo

¾ Sistema de vácuo em MEV “ambiental” (ESEM):

aberturas limitadoras de pressão (PLA):

modo VP - 10 a 400 Pa modo EP - 400 a 3000 Pa

Vácuo

¾ Sistema de vácuo em MEV “ambiental” (ESEM):

Both Gun and Chamber at High Vacuum

DPA - (Differential

Pumping Aperture) can be in or out

Isolation Valve Open

Vácuo

¾ Sistema de vácuo em MEV “ambiental” (ESEM):

Chamber at Variable Pressure

Isolation Valve Closed

“Single” DPA

-(Differential Pumping Aperture) Fitted in bottom of Objective lens

Gun at High Vacuum

Water vapour kit (de-ionised)

Vácuo

¾ Sistema de vácuo em MEV “ambiental” (ESEM):

Water vapour Kit (de-ionised)

Gun at High Vacuum Chamber at Variable

Pressure

Isolation Valve Closed

Through lens pumping

“Two” DPA - (2

Differential Pumping Aperture) Fitted in bottom of Objective lens

Second rotary pump;

+ or

EP apertures: 100 µm + 500 µm

Lentes magnéticas

¾

Lentes magnéticas:

)

(

E

v

B

e

F

=

−

⋅

+

∧

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

Lentes magnéticas

¾

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

Lentes magnéticas

¾

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

Lentes magnéticas

¾

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.

Varredura do feixe de elétrons

¾

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.

Varredura do feixe de elétrons

¾

Modo de varredura:

área

Imagens sincrozinadas entre amostra e tela podem ser visualizadas em diferentes velocidades de varredura. Diferentes velocidades

Varredura do feixe de elétrons

¾

Modo de varredura:

linha ou ponto

• perfil superficial (line profile) • microanálise

Varredura do feixe de elétrons

¾

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 ).

Varredura do feixe de elétrons

¾

Correções na imagem: astigmatismo

Detectores

¾

Elétrons

detectores

sinais

imagem

¾ SE

¾ BSE

¾ VPSE

¾ EDS

Detectores

¾

Emissão de elétrons secundários (SE):

Detectores

Detectores

Detectores

¾

CZ BSD backscattered Detector

:

¾ In VP mode, backscattered electrons and secondary electrons collide with

the introduced gas molecules and produce ions that dissipate the charge on

¾ Higher energy electrons or

back-scattered Electrons travel upwards in the chamber towards the Backscattered detector (BSD).

¾ Backscattered electrons are detected

by BSD, converted to electrical signal and used to form an image.

¾ Low energy secondary electrons

are detected by SE/VPSE detector.

SE, VPSE and BSE detectors

SED VPSE

BSD

¾ Universal detector system able to

provide imaging solutions in

• High Vacuum (HV)

• Variable Pressure (VP)

Detectores

¾

Imagem BSE:

Detectores

¾

VPSE Detector

:

¾ Solutions for imaging insulators;

Gas molecules scintillate when ionized by secondary electrons from the specimen. The photons emitted are detected.

¾ The unique VPSE detector enables the

detection of SE electrons at high pressures.

¾ 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.

Detectores

¾

Imagem VPSE:

Microanálise (EDS)

Microanálise (EDS)

¾

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”

Microanálise (EDS)

¾

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%)

Microanálise (EDS)

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 100 100 50>

¾

Resultados EDS

microanálise em ponto

ponto P1 ponto P2

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 100 100 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 100 100

Microanálise (EDS)

Microanálise (EDS)

¾

Resultados EDS

microanálise em área

revestimento duro com carbonetos de nióbio

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

Microanálise (EDS)

Análise cristalográfica (EBSD)

¾ Notação de Miller – direções cristalinas [hkl] / <hkl> planos cristalinos (hkl) / {hkl}

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

Formação do padrão/linhas de Kikuchi

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.

Ni@20kV

θ λ = 2⋅d_hkl ⋅sen

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.

EBSD: identificação de fases

¾ 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 2883584 pontos.

EBSD Ti-α

EBSD Ti-β

EBSD: mapa de orientação cristalográfica

¾ 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).

Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)

Notas de aula preparadas pelo Prof. Juno Gallego para a disciplina CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL DOS MATERIAIS. ® 2017. Permitida a impressão e divulgação.

http://www.feis.unesp.br/#!/departamentos/engenharia-mecanica/grupos/maprotec/educacional/

¾ Johnson, R. Environmental Scanning Electron Microscopy: An Introduction to ESEM. Philips Electron Optics, Eindhoven, 1996, pp. 1-17.

¾ Egerton, R. F. Physical Principles of Electron Microscopy: An Introduction to TEM, SEM and AEM. Springer Science+Business Media, Inc., New York, 2005, pp. 125-153.

¾ Goldstein, J. I. et al. Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis, third edition. Kluwer Academic/Plenum Publishers, New York, 2003, pp. 21-60.

¾ Goodhew, P. J.; Humphreys, J.; Beanland, R. Electron Microscopy and Analysis. Taylor & Francis Inc.,New York, 2001, pp. 122-168.

¾ Reed, S. J. B. Electron Microprobe Analysis and Scanning Electron

Microscopy in Geology. Cambridge University Press, Cambridge, 2005, pp. 21-40.

¾ Jorge Jr, A. M.; Botta, W. J. Notas de classe – Escola de Microscopia. Laboratório de Caracterização Estrutural, DEMa/UFSCar.

http://www.lce.dema.ufscar.br/cursos/escola.html

¾ Kugler, V. EVO Operator Training. Carl Zeiss SMT.