Principios de análisis instrumental

pía de sonda de barrido, que incluyen microscopía de efecto túnel y microscopía de fuerzas atómicas, se han vuelto métodos importan– tes para la caracterización de superficies y se analizan en la sec– ción 21G. Los métodos de microscopía electrónica de barrido y de transmisión tienen muchas similitudes, pero se puede pensar que la primera proporciona imágenes de la morfología externa, simi– lares a las que se ven con el ojo humano. En cambio, la segunda explora la estructura interna de los sólidos y proporciona infor– mación sobre detalles microestructurales que no son familiares a la vista del ser humano. Se limitará el estudio a los métodos de microscopía electrónica de barrido, (SEM, por sus siglas en inglés). Para obtener una imagen por microscopía electrónica de barrido, se enfoca un haz de electrones muy fino sobre la super– ficie de la muestra sólida. Con instrumentos análogos, el haz de electrones se escanea a través de la muestra en un barrido de trama mediante bobinas de barrido. El patrón de barrido de trama resul– tante es similar al que se usa en el tubo de rayos catódicos (CRT) de un televisor en el cual el haz de electrones 1) barre la superficie en línea recta en la dirección x , 2) vuelve a la posición inicial, y 3) se desplaza hacia abajo en la dirección y con un incremento estándar. Este proceso se repite hasta que el área deseada de la superficie ha sido barrida. En instrumentos más recientes, el mismo efecto se logra mediante control digital para ubicar el haz sobre la muestra. En el caso del barrido analógico o en los sis– temas digitales, se recibe una señal por encima de la superficie (dirección z), y se almacena en una computadora donde en última instancia se convierte en una imagen. En este proceso se producen varios tipos de señales desde la superficie, incluidos electrones retrodispersados, secundarios y Auger; fotones debidos a la fluo– rescencia de rayos X y otros fotones de diversas energías. Todas estas señales se han utilizado en estudios de superficies. En los instrumentos para microscopía electrónica de barrido, los electro– nes retrodispersados y secundarios se detectan y se utilizan para construir la imagen. Para fines de análisis químico, muchos de los instrumentos también están equipados con detectores de rayos X que facilitan las determinaciones cualitativas y cuantitativas mediante fluorescencia de rayos X. Como se explica en la sección anterior, los analizadores de microsonda de electrones son instru– mentos hechos específicamente para análisis de rayos X. Instrumentación En la figura 21.17 se muestra el esquema de un instrumento para microscopía electrónica de barrido combinado con una micro– sonda.24Tanto el detector de electrones como el detector de rayos X están presentes. Para simplificar la explicación, se ilustra el sis– tema de barrido analógico. Cañones de electrones y sistemas ópticos. La fuente de electrones es un filamento de tungsteno, pero también se utilizan cañones de emisión de campo en los trabajos de alta resolución. Los electrones se aceleran a una energía de entre 1 y 30 keV. Los sistemas magnéticos de las lentes condensadoras y de las lentes del objetivo reducen las dimensiones del punto a un diámetro de 2 a 10 nm cuando llega a la muestra. El sistema de lentes conden- '"Consulte). Goldstein et al., Scanning Electron Microscopy and X Ray Microanal– ysis, 3a. ed., New York: Springer, 2003 para un análisis de los principios e instru– mentación de SEM. )}) 21F Métodos de microanálisis estimulados por electrones 541 sadoras, que puede constar de una o más lentes, se encarga de que el haz de electrones llegue a la lente del objetivo, y ésta determina el tamaño del haz de electrones que incide sobre la superficie de la muestra. El barrido con un microscopio electrónico se logra mediante los dos pares de bobinas electromagnéticas ubicadas dentro de la lente del objetivo (véase la figura 21.17); un par desvía el haz en la dirección x de la muestra, y el otro par lo desvía en la dirección y. El barrido se controla aplicando una señal eléctrica a un par de las bobinas de barrido, de modo que el haz de electrones choca contra la muestra a un lado del eje central del sistema de lentes. Si se hace variar la señal eléctrica de este par de bobinas, es decir, las bobinas x en función del tiempo, el haz de electrones se desplaza en una línea recta por la muestra y luego regresa a su posición original. Después de completar el barrido lineal, el otro conjunto de bobinas (las bobinas y en este caso), desvía ligeramente el haz y se repite el barrido con el haz que utiliza las bobinas x. Por con– siguiente, al desplazar con rapidez el haz, la superficie completa de la muestra se irradia con el haz de electrones. Las señales de las bobinas de barrido pueden ser analógicas o digitales. El barrido digital tiene la ventaja de que se pueden reproducir el movimiento y la ubicación del haz de electrones. La señal procedente de la muestra se puede codificar y almacenar en forma digital junto con las representaciones digitales de las posiciones x y y del haz. En la microscopía electrónica analógica de barrido, las seña– les que se utilizan para mover el haz de electrones en las direc– ciones x y y también activan los barridos horizontal y vertical de un tubo de rayos catódicos. La imagen de la muestra se obtiene mediante la salida de un detector que permite controlar la intensi– dad en un punto determinado con el CRT. Por tanto, este método de barrido produce un mapa de la muestra en el que hay una rela– ción uno a uno entre la señal producida en un lugar particular de la superficie de la muestra y el punto correspondiente de la pantalla de CRT. La amplificación (M) alcanzada en la imagen del microscopio electrónico de barrido viene dada por M= W!w (21.10) donde W es la anchura de la pantalla de CRT y w es la anchura de una línea de barrido a lo largo de la muestra. Puesto que W es constante, la amplificación se logra al disminuir w. Por ejemplo, si el haz de electrones explora una trama de 10 X 10 ¡J-m en la muestra y la imagen se despliega en una pantalla de CRT de lOO X lOO mm, la amplificación lineal será lOOOOX. La rela– ción inversa entre amplificación y anchura de barrido en la muestra significa que un haz de electrones enfocado en un punto infinitamente pequeño podría proporcionar una amplifi– cación infinita. Sin embargo, una variedad de factores limita la amplificación que se puede conseguir a valores que varían desde lO X a lOO OOO X. Muestras y portamuestras. Las cámaras para la muestra están diseñadas para permitir cambios rápidos de las mismas. Para ello se utilizan bombas de vacío de gran capacidad que permiten agili– zar el cambio de presión ambiente a -10- 4 Pa o incluso menos en la microscopía electrónica de barrido convencional. En el caso de muchos instrumentos, el portamuestras o portaobjetos es capaz de sujetar por el borde muestras de varios centímetros. Además, se puede mover en las direcciones x, y y z, y girar alrededor de cada uno de los ejes.