Microscópio electrónico escaneando -Scanning electron microscope

Imagen de granos de polen tomada en un SEM que muestra la profundidad de campo característica de las micrografías SEM
El primer SEM de M. von Ardenne
Principio de funcionamiento de un microscopio electrónico de barrido (SEM)
SEM con cámara de muestras abierta
SEM de tipo analógico

Un microscopio electrónico de barrido ( SEM ) es un tipo de microscopio electrónico que produce imágenes de una muestra escaneando la superficie con un haz de electrones enfocado . Los electrones interactúan con los átomos de la muestra, produciendo varias señales que contienen información sobre la topografía de la superficie y la composición de la muestra. El haz de electrones se escanea en un patrón de barrido de trama y la posición del haz se combina con la intensidad de la señal detectada para producir una imagen. En el modo SEM más común, los electrones secundarios emitidos por los átomos excitados por el haz de electrones se detectan mediante un detector de electrones secundarios (detector Everhart-Thornley ). El número de electrones secundarios que se pueden detectar y, por tanto, la intensidad de la señal, depende, entre otras cosas, de la topografía de la muestra. Algunos SEM pueden lograr resoluciones superiores a 1 nanómetro.

Las muestras se observan en alto vacío en un SEM convencional, o en condiciones de bajo vacío o humedad en un SEM de presión variable o ambiental, y en una amplia gama de temperaturas criogénicas o elevadas con instrumentos especializados.

Historia

McMullan ha presentado un relato de la historia temprana de la microscopía electrónica de barrido. Aunque Max Knoll produjo una fotografía con un ancho de campo de objeto de 50 mm que mostraba la canalización del contraste mediante el uso de un escáner de haz de electrones, fue Manfred von Ardenne quien en 1937 inventó un microscopio de alta resolución mediante el escaneo de una trama muy pequeña con una lente desmagnificada. y haz de electrones finamente enfocado. Ardenne aplicó la exploración del haz de electrones en un intento por superar la resolución del microscopio electrónico de transmisión (TEM), así como para mitigar problemas sustanciales con la aberración cromática inherente a la imagen real en el TEM. Discutió además los diversos modos de detección, las posibilidades y la teoría de SEM, junto con la construcción del primer SEM de alta resolución . El grupo de Zworykin informó sobre trabajos adicionales , seguidos por los grupos de Cambridge en la década de 1950 y principios de la de 1960 encabezados por Charles Oatley , todo lo cual finalmente condujo a la comercialización del primer instrumento comercial de Cambridge Scientific Instrument Company como "Stereoscan" en 1965. que fue entregado a DuPont .

Principios y capacidades

Fuente de electrones emisor Schottky
Volumen de interacción electrón-materia y tipos de señales generadas

Las señales utilizadas por un SEM para producir una imagen son el resultado de interacciones del haz de electrones con átomos a varias profundidades dentro de la muestra. Se producen varios tipos de señales, incluidos los electrones secundarios (SE), los electrones reflejados o retrodispersados ​​(BSE), los rayos X característicos y la luz ( catodoluminiscencia ) (CL), la corriente absorbida (corriente de muestra) y los electrones transmitidos. Los detectores de electrones secundarios son equipo estándar en todos los SEM, pero es raro que una sola máquina tenga detectores para todas las demás señales posibles.

Los electrones secundarios tienen energías muy bajas del orden de 50 eV, lo que limita su camino libre medio en materia sólida. En consecuencia, los SE solo pueden escapar de los primeros nanómetros de la superficie de una muestra. La señal de los electrones secundarios tiende a estar muy localizada en el punto de impacto del haz de electrones primarios, lo que permite recopilar imágenes de la superficie de la muestra con una resolución inferior a 1 nm . Los electrones retrodispersados ​​(BSE) son electrones de haz que se reflejan en la muestra mediante dispersión elástica . Dado que tienen mucha más energía que los SE, emergen de lugares más profundos dentro de la muestra y, en consecuencia, la resolución de las imágenes BSE es menor que la de las imágenes SE. Sin embargo, los BSE se utilizan a menudo en el SEM analítico, junto con los espectros elaborados a partir de los rayos X característicos, porque la intensidad de la señal del BSE está fuertemente relacionada con el número atómico (Z) de la muestra. Las imágenes de EEB pueden proporcionar información sobre la distribución, pero no sobre la identidad, de los diferentes elementos de la muestra. En muestras predominantemente compuestas por elementos ligeros, como las muestras biológicas, las imágenes de EEB pueden generar imágenes de inmunomarcadores de oro coloidal de 5 o 10 nm de diámetro, que de otro modo serían difíciles o imposibles de detectar en imágenes de electrones secundarios. Los rayos X característicos se emiten cuando el haz de electrones elimina un electrón de la capa interna de la muestra, lo que hace que un electrón de mayor energía llene la capa y libere energía. La energía o longitud de onda de estos rayos X característicos se puede medir mediante espectroscopía de rayos X de dispersión de energía o espectroscopía de rayos X de dispersión de longitud de onda y se utiliza para identificar y medir la abundancia de elementos en la muestra y mapear su distribución.

Debido al haz de electrones muy estrecho, las micrografías SEM tienen una gran profundidad de campo que produce una apariencia tridimensional característica útil para comprender la estructura de la superficie de una muestra. Esto se ejemplifica en la micrografía de polen que se muestra arriba. Es posible una amplia gama de aumentos, desde unas 10 veces (casi equivalente a la de una potente lupa de mano) hasta más de 500.000 veces, unas 250 veces el límite de aumento de los mejores microscopios ópticos .

preparación de la muestra

Una araña recubierta de oro por pulverización catódica, preparada para su visualización con un SEM
Micrografía de bajo voltaje (300 V) de distribución de gotas de adhesivo en un Post-it . No se aplicó ningún revestimiento conductor: tal revestimiento alteraría este frágil espécimen.

Las muestras SEM tienen que ser lo suficientemente pequeñas para caber en la platina del espécimen y pueden necesitar una preparación especial para aumentar su conductividad eléctrica y estabilizarlas, de modo que puedan resistir las condiciones de alto vacío y el haz de electrones de alta energía. Las muestras generalmente se montan rígidamente en un portamuestras o en un trozo utilizando un adhesivo conductor. SEM se usa ampliamente para el análisis de defectos de obleas de semiconductores, y los fabricantes fabrican instrumentos que pueden examinar cualquier parte de una oblea de semiconductores de 300 mm. Muchos instrumentos tienen cámaras que pueden inclinar un objeto de ese tamaño a 45° y proporcionar una rotación continua de 360°.

Las muestras no conductoras acumulan carga cuando son escaneadas por el haz de electrones y, especialmente en el modo de imagen de electrones secundarios, esto provoca fallas de escaneo y otros artefactos en la imagen. Para obtener imágenes convencionales en SEM, las muestras deben ser conductoras de electricidad , al menos en la superficie, y estar conectadas a tierra eléctricamente para evitar la acumulación de carga electrostática . Los objetos metálicos requieren poca preparación especial para SEM, excepto para la limpieza y el montaje conductivo en un trozo de muestra. Los materiales no conductores generalmente se recubren con una capa ultrafina de material conductor de la electricidad, que se deposita sobre la muestra ya sea por pulverización catódica de bajo vacío o por evaporación de alto vacío. Los materiales conductores que se utilizan actualmente para el recubrimiento de muestras incluyen oro , aleación de oro/ paladio , platino , iridio , tungsteno , cromo , osmio y grafito . El recubrimiento con metales pesados ​​puede aumentar la relación señal/ruido para muestras de bajo número atómico (Z). La mejora surge porque se mejora la emisión de electrones secundarios para materiales de alto Z.

Una alternativa al recubrimiento de algunas muestras biológicas es aumentar la conductividad a granel del material mediante la impregnación con osmio utilizando variantes del método de tinción OTO (tetróxido de O- osmio , T - tiocarbohidrazida , O - osmio ).

Se pueden obtener imágenes de muestras no conductoras sin recubrimiento utilizando un SEM ambiental (ESEM) o un modo de operación SEM de bajo voltaje. En los instrumentos ESEM, la muestra se coloca en una cámara de presión relativamente alta y la columna óptica de electrones se bombea diferencialmente para mantener el vacío adecuadamente bajo en el cañón de electrones. La región de alta presión alrededor de la muestra en el ESEM neutraliza la carga y proporciona una amplificación de la señal del electrón secundario. El SEM de bajo voltaje generalmente se realiza en un instrumento con pistolas de emisión de campo (FEG) que es capaz de producir un alto brillo de electrones primarios y un tamaño de punto pequeño incluso a bajos potenciales de aceleración. Para evitar la carga de especímenes no conductores, las condiciones de operación deben ajustarse de modo que la corriente del haz entrante sea igual a la suma de las corrientes de electrones secundaria y retrodispersada salientes, una condición que se cumple con mayor frecuencia en voltajes de aceleración de 0,3 a 4 kV.

La incrustación en una resina con un pulido adicional hasta un acabado similar al de un espejo se puede utilizar tanto para muestras biológicas como de materiales al obtener imágenes en electrones retrodispersados ​​o al realizar microanálisis cuantitativos de rayos X.

Las principales técnicas de preparación no se requieren en el SEM ambiental que se describe a continuación, pero algunas muestras biológicas pueden beneficiarse de la fijación.

Muestras biológicas

Para SEM, normalmente se requiere que una muestra esté completamente seca, ya que la cámara de la muestra está a alto vacío. Los materiales duros y secos como madera, huesos, plumas, insectos secos o caparazones (incluidas las cáscaras de huevo) se pueden examinar con poco tratamiento adicional, pero las células y tejidos vivos y los organismos completos de cuerpo blando requieren fijación química para preservar y estabilizar su estructura . estructura.

La fijación generalmente se realiza mediante incubación en una solución de un fijador químico tamponado , como el glutaraldehído , a veces en combinación con formaldehído y otros fijadores, y opcionalmente seguida de una fijación posterior con tetróxido de osmio. A continuación, el tejido fijado se deshidrata. Debido a que el secado al aire provoca el colapso y la contracción, esto se logra comúnmente reemplazando el agua en las celdas con solventes orgánicos como etanol o acetona , y reemplazando estos solventes a su vez con un fluido de transición como dióxido de carbono líquido mediante secado en punto crítico . El dióxido de carbono finalmente se elimina mientras se encuentra en un estado supercrítico, de modo que no haya una interfaz gas-líquido presente dentro de la muestra durante el secado.

La muestra seca generalmente se monta en un trozo de muestra usando un adhesivo como resina epoxi o cinta adhesiva de doble cara eléctricamente conductora, y se recubre con oro o una aleación de oro/paladio antes de examinarla en el microscopio. Las muestras se pueden seccionar (con un micrótomo ) si se va a exponer información sobre la ultraestructura interna del organismo para obtener imágenes.

Si el SEM está equipado con una platina fría para criomicroscopía, se puede usar la criofijación y se puede realizar una microscopía electrónica de barrido de baja temperatura en las muestras fijadas criogénicamente. Las muestras criofijadas pueden criofracturarse al vacío en un aparato especial para revelar la estructura interna, recubrirse por pulverización catódica y transferirse a la platina criogénica SEM mientras aún están congeladas. La microscopía electrónica de barrido a baja temperatura (LT-SEM) también es aplicable a la obtención de imágenes de materiales sensibles a la temperatura, como el hielo y las grasas.

La congelación-fracturación, congelación-grabado o congelación y rotura es un método de preparación particularmente útil para examinar las membranas lipídicas y sus proteínas incorporadas en una vista "cara a cara". El método de preparación revela las proteínas incrustadas en la bicapa lipídica.

Materiales

La obtención de imágenes de electrones retrodispersados, el análisis cuantitativo de rayos X y el mapeo de rayos X de especímenes a menudo requieren esmerilar y pulir las superficies hasta obtener una superficie ultrasuave. Las muestras que se someten a análisis WDS o EDS suelen estar recubiertas de carbono. En general, los metales no se recubren antes de la formación de imágenes en el SEM porque son conductores y proporcionan su propio camino a tierra.

La fractografía es el estudio de superficies fracturadas que se puede realizar en un microscopio óptico o, comúnmente, en un SEM. La superficie fracturada se corta a un tamaño adecuado, se limpia de cualquier residuo orgánico y se monta en un portamuestras para ver en el SEM.

Los circuitos integrados se pueden cortar con un haz de iones enfocado (FIB) u otro instrumento de fresado de haz de iones para verlos en el SEM. El SEM en el primer caso puede incorporarse a la FIB, lo que permite obtener imágenes de alta resolución del resultado del proceso.

Los metales, las muestras geológicas y los circuitos integrados también pueden pulirse químicamente para verlos en el SEM.

Se requieren técnicas especiales de recubrimiento de alta resolución para obtener imágenes de gran aumento de películas delgadas inorgánicas.

Proceso de escaneado y formación de imágenes.

Esquema de un SEM

En un SEM típico, un haz de electrones se emite termiónicamente desde un cañón de electrones equipado con un cátodo de filamento de tungsteno . El tungsteno se usa normalmente en cañones de electrones termoiónicos porque tiene el punto de fusión más alto y la presión de vapor más baja de todos los metales, lo que permite que se caliente eléctricamente para la emisión de electrones y por su bajo costo. Otros tipos de emisores de electrones incluyen hexaboruro de lantano ( LaB
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) cátodos, que se pueden usar en un SEM de filamento de tungsteno estándar si se actualiza el sistema de vacío o pistolas de emisión de campo (FEG), que pueden ser del tipo de cátodo frío que usa emisores de cristal único de tungsteno o del tipo Schottky asistido térmicamente , que usan emisores de monocristales de tungsteno recubiertos de óxido de circonio .

El haz de electrones, que normalmente tiene una energía que oscila entre 0,2 keV y 40 keV, se enfoca mediante una o dos lentes condensadoras en un punto de aproximadamente 0,4 nm a 5 nm de diámetro. El haz pasa a través de pares de bobinas de exploración o pares de placas deflectoras en la columna de electrones, generalmente en la lente final, que desvían el haz en los ejes x e y para que explore en forma de trama sobre un área rectangular de la superficie de la muestra. .

Mecanismos de emisión de electrones secundarios, electrones retrodispersados ​​y rayos X característicos de los átomos de la muestra.

Cuando el haz de electrones primario interactúa con la muestra, los electrones pierden energía por dispersión aleatoria repetida y absorción dentro de un volumen en forma de lágrima de la muestra conocido como volumen de interacción , que se extiende desde menos de 100 nm hasta aproximadamente 5 µm en la superficie. El tamaño del volumen de interacción depende de la energía de aterrizaje del electrón, el número atómico de la muestra y la densidad de la muestra. El intercambio de energía entre el haz de electrones y la muestra da como resultado la reflexión de electrones de alta energía por dispersión elástica, la emisión de electrones secundarios por dispersión inelástica y la emisión de radiación electromagnética , cada uno de los cuales puede ser detectado por detectores especializados. La corriente del haz absorbida por la muestra también se puede detectar y utilizar para crear imágenes de la distribución de la corriente de la muestra. Se utilizan amplificadores electrónicos de varios tipos para amplificar las señales, que se muestran como variaciones de brillo en un monitor de computadora (o, para modelos antiguos, en un tubo de rayos catódicos ). Cada píxel de la memoria de video de la computadora se sincroniza con la posición del haz en el espécimen en el microscopio y, por lo tanto, la imagen resultante es un mapa de distribución de la intensidad de la señal que se emite desde el área escaneada del espécimen. Los microscopios más antiguos capturaban imágenes en película, pero la mayoría de los instrumentos modernos capturan imágenes digitales .

Serie de aumentos SEM de baja temperatura para un cristal de nieve . Los cristales se capturan, almacenan y recubren con platino a temperaturas criogénicas para obtener imágenes.

Aumento

La ampliación en un SEM se puede controlar en un rango de aproximadamente 6 órdenes de magnitud desde aproximadamente 10 a 3.000.000 de veces. A diferencia de los microscopios electrónicos ópticos y de transmisión, la ampliación de la imagen en un SEM no es una función de la potencia de la lente del objetivo . Los SEM pueden tener lentes de condensador y objetivo, pero su función es enfocar el haz en un punto y no generar imágenes de la muestra. Siempre que el cañón de electrones pueda generar un haz con un diámetro suficientemente pequeño, un SEM podría, en principio, funcionar completamente sin condensador ni lentes de objetivo, aunque podría no ser muy versátil o lograr una resolución muy alta. En un SEM, como en la microscopía de sonda de barrido , la ampliación resulta de la relación entre las dimensiones de la trama en la muestra y la trama en el dispositivo de visualización. Suponiendo que la pantalla de visualización tiene un tamaño fijo, se obtiene una mayor ampliación al reducir el tamaño de la trama en la muestra, y viceversa. Por lo tanto, la ampliación está controlada por la corriente suministrada a las bobinas de exploración x, y, o el voltaje suministrado a las placas deflectoras x, y, y no por la potencia de la lente del objetivo.

Detección de electrones secundarios

El modo de imagen más común recolecta electrones secundarios de baja energía (<50 eV) que se expulsan de las bandas de conducción o valencia de los átomos de la muestra mediante interacciones de dispersión inelástica con los electrones del haz. Debido a su baja energía, estos electrones se originan dentro de unos pocos nanómetros por debajo de la superficie de la muestra. Los electrones son detectados por un detector Everhart-Thornley , que es un tipo de sistema colector - centelleador - fotomultiplicador . Los electrones secundarios se recolectan primero atrayéndolos hacia una rejilla polarizada eléctricamente a aproximadamente +400 V, y luego se aceleran aún más hacia un fósforo o centelleador polarizado positivamente a aproximadamente +2,000 V. Los electrones secundarios acelerados ahora tienen suficiente energía para hacer que el centelleador emiten destellos de luz (catodoluminiscencia), que se conducen a un fotomultiplicador fuera de la columna SEM a través de un tubo de luz y una ventana en la pared de la cámara de muestras. La salida de la señal eléctrica amplificada por el fotomultiplicador se muestra como una distribución de intensidad bidimensional que se puede ver y fotografiar en una pantalla de video analógica , o se puede someter a una conversión de analógico a digital y se puede mostrar y guardar como una imagen digital . Este proceso se basa en un haz primario escaneado en trama. El brillo de la señal depende del número de electrones secundarios que llegan al detector . Si el haz entra en la muestra perpendicular a la superficie, entonces la región activada es uniforme alrededor del eje del haz y un cierto número de electrones "escapan" del interior de la muestra. A medida que aumenta el ángulo de incidencia, aumenta el volumen de interacción y disminuye la distancia de "escape" de un lado del haz, lo que da como resultado que la muestra emita más electrones secundarios. Por lo tanto, las superficies y los bordes empinados tienden a ser más brillantes que las superficies planas, lo que da como resultado imágenes con una apariencia tridimensional bien definida. Es posible utilizar la señal de electrones secundarios con una resolución de imagen inferior a 0,5 nm.

Detección de electrones retrodispersados

Comparación de técnicas SEM:
Arriba: análisis de electrones retrodispersados ​​- composición
Abajo: análisis de electrones secundarios - topografía

Los electrones retrodispersados ​​(BSE) consisten en electrones de alta energía que se originan en el haz de electrones, que se reflejan o retrodispersan fuera del volumen de interacción de la muestra mediante interacciones de dispersión elástica con los átomos de la muestra. Dado que los elementos pesados ​​(número atómico alto) retrodispersan los electrones con más fuerza que los elementos ligeros (número atómico bajo) y, por lo tanto, aparecen más brillantes en la imagen, los BSE se utilizan para detectar el contraste entre áreas con diferentes composiciones químicas. El detector Everhart-Thornley, que normalmente se coloca a un lado de la muestra, es ineficaz para la detección de electrones retrodispersados ​​porque se emiten pocos electrones en el ángulo sólido subtendido por el detector y porque la rejilla de detección con polarización positiva tiene poca capacidad. para atraer la EEB de mayor energía. Los detectores de electrones retrodispersados ​​dedicados se colocan sobre la muestra en una disposición de tipo "rosquilla", concéntricos con el haz de electrones, lo que maximiza el ángulo sólido de recolección. Los detectores de EEB suelen ser de tipo centelleador o semiconductor. Cuando todas las partes del detector se utilizan para recolectar electrones simétricamente alrededor del haz, se produce un contraste de números atómicos. Sin embargo, se produce un fuerte contraste topográfico al recolectar electrones retrodispersados ​​de un lado por encima de la muestra usando un detector BSE direccional asimétrico; el contraste resultante aparece como iluminación de la topografía desde ese lado. Los detectores de semiconductores se pueden fabricar en segmentos radiales que se pueden activar o desactivar para controlar el tipo de contraste producido y su direccionalidad.

Los electrones retrodispersados ​​también se pueden usar para formar una imagen de difracción de retrodispersión de electrones (EBSD) que se puede usar para determinar la estructura cristalográfica de la muestra.

Análisis de inyección de haz de semiconductores

La naturaleza de la sonda del SEM, los electrones energéticos, la hace especialmente adecuada para examinar las propiedades ópticas y electrónicas de los materiales semiconductores. Los electrones de alta energía del haz SEM inyectarán portadores de carga en el semiconductor. Por lo tanto, los electrones del haz pierden energía al promover electrones de la banda de valencia a la banda de conducción , dejando huecos .

En un material de banda prohibida directa , la recombinación de estos pares de huecos de electrones dará como resultado una catodoluminiscencia; si la muestra contiene un campo eléctrico interno, como el presente en una unión pn , la inyección de portadores del haz SEM hará que fluya la corriente inducida por haz de electrones (EBIC). La catodoluminiscencia y el EBIC se conocen como técnicas de "inyección de haz" y son sondas muy poderosas del comportamiento optoelectrónico de los semiconductores, en particular para estudiar características y defectos a nanoescala.

catodoluminiscencia

Superposición de catodoluminiscencia de color en imagen SEM de un policristal de InGaN . Los canales azul y verde representan colores reales, el canal rojo corresponde a la emisión UV.

La catodoluminiscencia , la emisión de luz cuando los átomos excitados por electrones de alta energía regresan a su estado fundamental, es análoga a la fluorescencia inducida por UV , y algunos materiales como el sulfuro de zinc y algunos tintes fluorescentes exhiben ambos fenómenos. Durante las últimas décadas, la catodoluminiscencia se experimentó más comúnmente como la emisión de luz desde la superficie interna del tubo de rayos catódicos en televisores y monitores CRT de computadora. En el SEM, los detectores CL recogen toda la luz emitida por la muestra o pueden analizar las longitudes de onda emitidas por la muestra y mostrar un espectro de emisión o una imagen de la distribución de la catodoluminiscencia emitida por la muestra en color real.

microanálisis de rayos X

Los rayos X característicos que se producen por la interacción de los electrones con la muestra también se pueden detectar en un SEM equipado para espectroscopia de rayos X de dispersión de energía o espectroscopia de rayos X de dispersión de longitud de onda . El análisis de las señales de rayos X se puede usar para mapear la distribución y estimar la abundancia de elementos en la muestra.

Resolución de la SEM

Un video que ilustra un rango de aumento práctico típico de un microscopio electrónico de barrido diseñado para muestras biológicas. El video comienza en 25×, aproximadamente 6 mm en todo el campo de visión, y aumenta hasta 12000×, aproximadamente 12  μm en todo el campo de visión. Los objetos esféricos son perlas de vidrio con un diámetro de 10 μm, similar en diámetro a un glóbulo rojo .

SEM no es una cámara y el detector no forma imágenes continuamente como una matriz CCD o una película . A diferencia de un sistema óptico, la resolución no está limitada por el límite de difracción , la finura de las lentes o espejos o la resolución de la matriz de detectores. La óptica de enfoque puede ser grande y tosca, y el detector SE tiene el tamaño de un puño y simplemente detecta la corriente. En cambio, la resolución espacial del SEM depende del tamaño del punto de electrones, que a su vez depende tanto de la longitud de onda de los electrones como del sistema electrónico-óptico que produce el haz de exploración. La resolución también está limitada por el tamaño del volumen de interacción, el volumen del material de la muestra que interactúa con el haz de electrones. El tamaño del punto y el volumen de interacción son grandes en comparación con las distancias entre los átomos, por lo que la resolución del SEM no es lo suficientemente alta para obtener imágenes de átomos individuales, como es posible con un microscopio electrónico de transmisión (TEM). Sin embargo, el SEM tiene ventajas compensatorias, incluida la capacidad de obtener imágenes de un área comparativamente grande de la muestra; la capacidad de obtener imágenes de materiales a granel (no solo películas delgadas o láminas); y la variedad de modos analíticos disponibles para medir la composición y las propiedades de la muestra. Dependiendo del instrumento, la resolución puede caer entre menos de 1 nm y 20 nm. A partir de 2009, el SEM convencional (≤30 kV) de mayor resolución del mundo puede alcanzar una resolución puntual de 0,4 nm utilizando un detector de electrones secundarios.

SEM ambiental

El SEM convencional requiere que las muestras se tomen imágenes al vacío , porque una atmósfera de gas se propaga rápidamente y atenúa los haces de electrones. Como consecuencia, las muestras que producen una cantidad significativa de vapor , por ejemplo, muestras biológicas húmedas o rocas que contienen petróleo, deben secarse o congelarse criogénicamente. Los procesos que implican transiciones de fase , como el secado de adhesivos o la fusión de aleaciones , el transporte de líquidos, las reacciones químicas y los sistemas sólido-aire-gas, en general, no se pueden observar con SEM de alto vacío convencional. En SEM ambiental (ESEM), se vacía el aire de la cámara, pero el vapor de agua se retiene cerca de su presión de saturación y la presión residual permanece relativamente alta. Esto permite el análisis de muestras que contienen agua u otras sustancias volátiles. Con ESEM, las observaciones de insectos vivos han sido posibles.

El primer desarrollo comercial del ESEM a fines de la década de 1980 permitió observar muestras en ambientes gaseosos de baja presión (p. ej., 1–50 Torr o 0,1–6,7 kPa) y alta humedad relativa (hasta 100 %). Esto fue posible gracias al desarrollo de un detector de electrones secundarios capaz de operar en presencia de vapor de agua y al uso de aberturas limitadoras de presión con bombeo diferencial en la trayectoria del haz de electrones para separar la región de vacío (alrededor de la pistola). y lentes) de la cámara de muestras. Los primeros ESEM comerciales fueron producidos por ElectroScan Corporation en EE. UU. en 1988. Philips se hizo cargo de ElectroScan (quien luego vendió su división de electrónica y óptica a FEI Company) en 1996.

ESEM es especialmente útil para materiales no metálicos y biológicos porque no es necesario recubrir con carbón u oro. Los plásticos y elastómeros sin recubrir se pueden examinar de forma rutinaria, al igual que las muestras biológicas sin recubrir. Esto es útil porque el recubrimiento puede ser difícil de revertir, puede ocultar pequeñas características en la superficie de la muestra y puede reducir el valor de los resultados obtenidos. El análisis de rayos X es difícil con un recubrimiento de un metal pesado, por lo que los recubrimientos de carbono se utilizan de forma rutinaria en los SEM convencionales, pero ESEM permite realizar microanálisis de rayos X en muestras no conductoras sin recubrimiento; sin embargo, algunos artefactos específicos para ESEM se introducen en el análisis de rayos X. ESEM puede ser el preferido para la microscopía electrónica de muestras únicas de acciones penales o civiles, donde es posible que varios expertos diferentes deban repetir el análisis forense . Es posible estudiar muestras en líquido con ESEM o con otros métodos de microscopía electrónica en fase líquida .

SEM de transmisión

El SEM también se puede usar en modo de transmisión simplemente incorporando un detector apropiado debajo de una sección delgada de muestra. Los detectores están disponibles para campo claro, campo oscuro, así como detectores segmentados para campo oscuro anular de campo medio a ángulo alto . A pesar de la diferencia en la instrumentación, esta técnica todavía se conoce comúnmente como microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM) .

Color en SEM

Los microscopios electrónicos no producen imágenes en color de forma natural, ya que un SEM produce un solo valor por píxel ; este valor corresponde al número de electrones recibidos por el detector durante un pequeño período de tiempo de la exploración cuando el haz se dirige a la posición de píxel (x, y).

Este único número suele estar representado, para cada píxel, por un nivel de gris, formando una imagen monocromática. Sin embargo, se han utilizado varias formas para obtener imágenes de microscopía electrónica en color.

Color falso usando un solo detector

  • En imágenes compositivas de superficies planas (típicamente BSE):

La forma más sencilla de obtener el color es asociar a este único número un color arbitrario, utilizando una tabla de búsqueda de colores (es decir, cada nivel de gris se reemplaza por un color elegido). Este método se conoce como color falso . En una imagen de BSE, se puede realizar un color falso para distinguir mejor las distintas fases de la muestra.

  • En imágenes de superficie texturizada:

Como alternativa a simplemente reemplazar cada nivel de gris por un color, una muestra observada por un haz oblicuo permite a los investigadores crear una imagen topográfica aproximada (consulte la sección adicional "Representación 3D fotométrica a partir de una sola imagen SEM" ). Dicha topografía puede luego ser procesada por algoritmos de representación 3D para una representación más natural de la textura de la superficie.

Coloración de imágenes SEM

Muy a menudo, las imágenes SEM publicadas están coloreadas artificialmente. Esto se puede hacer por efecto estético, para aclarar la estructura o para agregar una apariencia realista a la muestra y generalmente no agrega información sobre la muestra.

La coloración se puede realizar de forma manual con un software de edición de fotografías o de forma semiautomática con un software dedicado que utiliza la detección de características o la segmentación orientada a objetos.

Color construido usando múltiples detectores de electrones

En algunas configuraciones, se recopila más información por píxel, a menudo mediante el uso de múltiples detectores.

Como ejemplo común, los detectores de electrones secundarios y retrodispersados ​​se superponen y se asigna un color a cada una de las imágenes capturadas por cada detector, con el resultado final de una imagen de color combinada donde los colores están relacionados con la densidad de los componentes. Este método se conoce como SEM de color dependiente de la densidad (DDC-SEM). Las micrografías producidas por DDC-SEM conservan la información topográfica, que es mejor capturada por el detector de electrones secundarios y la combinan con la información sobre la densidad obtenida por el detector de electrones retrodispersados.

Señales analíticas basadas en fotones generados

La medición de la energía de los fotones emitidos por la muestra es un método común para obtener capacidades analíticas. Algunos ejemplos son los detectores de espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDS) que se utilizan en el análisis elemental y los sistemas de microscopio de catodoluminiscencia (CL) que analizan la intensidad y el espectro de la luminiscencia inducida por electrones en (por ejemplo) especímenes geológicos. En los sistemas SEM que utilizan estos detectores, es común codificar por colores estas señales adicionales y superponerlas en una sola imagen de color, de modo que las diferencias en la distribución de los diversos componentes de la muestra puedan verse claramente y compararse. Opcionalmente, la imagen estándar de electrones secundarios se puede fusionar con uno o más canales de composición, de modo que se puedan comparar la estructura y la composición de la muestra. Estas imágenes se pueden crear manteniendo la integridad total de los datos de la señal original, que no se modifica de ninguna manera.

3D en SEM

Los SEM no proporcionan naturalmente imágenes en 3D a diferencia de los SPM . Sin embargo, los datos 3D se pueden obtener utilizando un SEM con diferentes métodos, como se indica a continuación.

Reconstrucción SEM 3D a partir de un par estéreo

  • La fotogrametría es el método metrológicamente más preciso para llevar la tercera dimensión a las imágenes SEM. A diferencia de los métodos fotométricos (próximo párrafo), la fotogrametría calcula alturas absolutas utilizando métodos de triangulación . Los inconvenientes son que funciona solo si hay una textura mínima y requiere que se adquieran dos imágenes desde dos ángulos diferentes, lo que implica el uso de un escenario de inclinación. ( La fotogrametría es una operación de software que calcula el cambio (o "disparidad") para cada píxel, entre la imagen de la izquierda y la imagen de la derecha del mismo par. Tal disparidad refleja la altura local).

Reconstrucción fotométrica 3D SEM a partir de un detector de cuatro cuadrantes por "forma a partir del sombreado"

Este método suele utilizar un detector de BSE de cuatro cuadrantes (alternativamente, para un fabricante, un detector de 3 segmentos). El microscopio produce cuatro imágenes del mismo espécimen al mismo tiempo, por lo que no es necesario inclinar la muestra. El método proporciona dimensiones 3D metrológicas en la medida en que la pendiente de la muestra sigue siendo razonable. La mayoría de los fabricantes de SEM ahora (2018) ofrecen un detector BSE de cuatro cuadrantes incorporado u opcional, junto con un software propietario para calcular una imagen 3D en tiempo real.

Otros enfoques utilizan métodos más sofisticados (ya veces intensivos en GPU) como el algoritmo de estimación óptimo y ofrecen resultados mucho mejores a costa de una gran demanda de potencia informática.

En todos los casos, este enfoque funciona mediante la integración de la pendiente, por lo que se ignoran las pendientes verticales y los voladizos; por ejemplo, si una esfera entera se encuentra sobre una superficie plana, poco más que el hemisferio superior se ve emergiendo por encima de la superficie plana, lo que da como resultado una altura incorrecta del vértice de la esfera. La prominencia de este efecto depende del ángulo de los detectores BSE con respecto a la muestra, pero estos detectores suelen estar situados alrededor (y cerca) del haz de electrones, por lo que este efecto es muy común.

Representación 3D fotométrica a partir de una sola imagen SEM

Este método requiere una imagen SEM obtenida con iluminación oblicua de ángulo bajo. Luego, el nivel de gris se interpreta como la pendiente y la pendiente se integra para restaurar la topografía de la muestra. Este método es interesante para la mejora visual y la detección de la forma y posición de los objetos; sin embargo, las alturas verticales generalmente no se pueden calibrar, a diferencia de otros métodos como la fotogrametría.

Otros tipos de reconstrucción 3D SEM

  • Reconstrucción inversa utilizando modelos interactivos de electrones y materiales.
  • Reconstrucción multiresolución con un solo archivo 2D: las imágenes 3D de alta calidad pueden ser una solución definitiva para revelar las complejidades de cualquier medio poroso, pero adquirirlas es costoso y requiere mucho tiempo. Las imágenes SEM 2D de alta calidad, por otro lado, están ampliamente disponibles. Recientemente, se presenta un novedoso método de reconstrucción de tres pasos, multiescala y multiresolución que utiliza directamente imágenes 2D para desarrollar modelos 3D. Este método, basado en la entropía de Shannon y la simulación condicional, se puede usar para la mayoría de los materiales estacionarios disponibles y puede construir varios modelos 3D estocásticos usando solo unas pocas secciones delgadas.
  • Ion-abrasion SEM (IA-SEM) es un método de imágenes 3D a nanoescala que utiliza un haz enfocado de galio para desgastar repetidamente la superficie de la muestra 20 nanómetros a la vez. Luego, cada superficie expuesta se escanea para compilar una imagen 3D.

Aplicaciones de SEM 3D

Una posible aplicación es medir la rugosidad de los cristales de hielo. Este método puede combinar SEM ambiental de presión variable y las capacidades 3D del SEM para medir la rugosidad en facetas de cristales de hielo individuales, convertirlo en un modelo de computadora y ejecutar más análisis estadísticos en el modelo. Otras medidas incluyen la dimensión fractal, el examen de la superficie de fractura de los metales, la caracterización de los materiales, la medida de la corrosión y las medidas dimensionales a nanoescala (altura de paso, volumen, ángulo, planitud, relación de carga, coplanaridad, etc.).

Galería de imágenes SEM

Los siguientes son ejemplos de imágenes tomadas usando un SEM.

Ver también

Referencias

enlaces externos

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