Nanotecnología. Mónica Lucía Álvarez-Láinez
que garanticen tanto alta resolución como elevados niveles de flexibilidad, referidos no solo a las funcionalidades convencionales (topografía y detección de electrones secundarios y retrodispersos), sino además a rayos X y, de preferencia, a la habilidad de realizar experimentos in situ.
En este sentido, los experimentos dinámicos in situ, incluyendo la variación de temperaturas y la introducción de corrientes de gas durante las operaciones de análisis, requieren de mayor atención, dado que muchos de los fenómenos que tienen lugar en sistemas nanoestructurados son del tipo electroquímico y catalítico, que implican variaciones en la temperatura, y para la observación directa de ciertos tipos de reacciones químicas.
Tomando en cuenta la elevada resolución, las tecnologías actuales de microscopios sem han evolucionado desde sistemas convencionales de alto vacío con pistolas de emisión de W, ideales para análisis de falla, inspección y caracterización general, hasta el punto de incorporar sistemas de emisión de campo —como la microscopía electrónica de barrido-emisión de campo (fe-sem) o las pistolas de emisión de campo (feg)—, así como detectores tipo stem. Los sistemas de emisión de campo permiten alcanzar elevadas resoluciones con escasos valores de voltajes de aceleración. Igualmente, al incorporar un detector stem, se cuenta con la posibilidad de desarrollar análisis en modos semejantes a los utilizados en microscopía electrónica. Esta última, sin embargo, y dado su modo de operación, es la que permite alcanzar los mayores niveles de resolución.
Las imágenes de alta resolución se utilizan en nanociencias para mostrar y validar la naturaleza de nanoestructuras conformadas, principalmente, a partir de la presencia de monocristales. En este sentido, la tem ha desempeñado un papel clave para comprender la defectología y las propiedades de materiales: desde la observación de dislocaciones hasta el uso de los actuales sistemas tem, equipados con corrección de aberración, para obtener imágenes con resolución espacial cercana a 0,05 nm[38].
Un microscopio tem es un instrumento en el cual se utiliza un haz de electrones para visualizar un objeto. En general, el microscopio tem más sencillo es, en principio, bastante similar al microscopio óptico. Ambos poseen lentes y condensadores para concentrar la iluminación o las ondas electrónicas sobre la muestra; sin embargo, debido a que la potencia amplificadora de un microscopio óptico está limitada por la longitud de onda de la luz visible, en el microscopio tem lo que resulta característico es que la imagen se obtiene a partir de los electrones que atraviesan especímenes o muestras muy finas.
En ciertos casos, la tem puede ser la única herramienta para caracterizar ciertos tipos de nanomateriales, no solo porque permite extraer computacionalmente patrones de difracción, sino por la posibilidad que ofrece de generar imágenes que de otra manera no se podrían alcanzar de forma directa[39]. En este apartado se resumen los componentes y modos operativos básicos para obtener imágenes en microscopios tem, y se reúne información de carácter técnico y de consulta que resulta de utilidad como primer acercamiento a una de las tecnologías más relevantes para la caracterización de materiales y componentes nanoestructurados.
3.6.1 Componentes básicos del microscopio tem
En cuanto a los componentes que resultan especiales en el microscopio tem, se incluyen inicialmente la fuente termoiónica, el cañón de electrones y la pistola de emisión de campo (feg) (ver figura 3.15).
Figura 3.15 Esquema general que ilustra los componentes de un microscopio tem. En el extremo izquierdo, se detalla el sistema (goniómetro) para el posicionamiento de muestras
El denominado cañón de electrones ubicado en la parte superior de la columna del microscopio incluyen un emisor de campo (como la feg), en el cual una fuente termoiónica es mantenida a un potencial negativo de varios kilovoltios en relación con un electrodo vecino; de suerte que en la superficie se genere suficiente energía para remover electrones por la acción exclusiva del campo eléctrico. La fuente termoiónica, o feg, puede estar conformada, bien por un filamento de tungsteno, o bien por uno de hexaboruro de lantano (LaB6). Para el caso del tungsteno, el filamento es generalmente pequeño y en forma de púa, mientras que las fuentes de LaB6 constan de un pequeño monocristal. Conectando entonces el cañón a una fuente de alto voltaje (~120 kV para muchas aplicaciones), se dará comienzo a la emisión de electrones al vacío.
Para conseguir un flujo constante de electrones se requiere garantizar una diferencia de voltaje entre cátodo y tierra —sin generar un arco voltaico—, y también, reducir al máximo las colisiones de los electrones con átomos presentes en la columna del microscopio. Estas dos condiciones se aseguran operando el instrumento a bajas presiones (típicamente entre 10-4 y 10-8 kPa). Para garantizar tales condiciones de presión, el elemento estructural del microscopio tem, incluyendo los sistemas de imagen y fotografía, lo constituye entonces un recipiente de sección cilíndrica.
De forma paralela, dado que el microscopio de transmisión es un instrumento que debe permitir, entre otras, la reposición de componentes, la ubicación de muestras y demás funciones, se hace necesario generar vacío regularmente. Por tal motivo, los microscopios tem están equipados con sistemas de bombeo y vacío para sellado momentáneo. En general, desde el punto de vista de la seguridad del instrumento, la mayoría de los equipos cuentan además con dispositivos que no permiten conectar a alto voltaje el filamento hasta que no se haya conseguido el vacío apropiado.
En otra ubicación del instrumento se encuentra la plataforma portaobjetos. Este dispositivo, situado frente al objetivo (ver figura 3.15), cuenta también con una abertura que permite la introducción de la muestra en la columna del microscopio, además de un goniómetro para la ubicación espacial.
El objetivo (o lente de difracción) es el más importante en el microscopio. Debido a que el haz de la imagen tiene la máxima apertura angular en el primer lente objetivo, este lente controla la calidad de la imagen producida. Otro accesorio regula la apertura del objetivo, limitando la dispersión de los electrones y evitando la degradación de la imagen.
El lente intermedio, que va a continuación, se encarga de aumentar o disminuir la imagen mediante el incremento o la disminución de la potencia eléctrica suministrada. Los proyectores, o lentes de proyección de la imagen, actúan en una amplia gama de aumentos que permiten obtener imágenes de elevada resolución.
3.6.2 Principales modos de operación
En el modo de imagen de contraste de difracción (dci) pueden obtenerse imágenes a partir de ciertos campos de deformación que difractan los electrones de manera preferencial (es decir, dislocaciones, fronteras de grano, precipitados y fases secundarias, entre otros). De igual manera, aunque la difracción de electrones resulta de especial utilidad para la caracterización de monocristales, por sí sola esta carece de la capacidad visual que proporciona la tem, precisamente porque esta permite analizar la estructura cristalina en el denominado modo de difracción de electrones, sin excluir el caso de materiales amorfos.
En el modo de imagen de contraste de fases (pci), o tem de alta resolución (hrtem), en lugar de utilizar una única onda incidente de electrones se utilizan múltiples ondas, de suerte que la interferencia entre ondas transmitidas y difractadas con diferente fase, o fase de contraste (hrem), permite obtener imágenes de resolución atómica hasta del orden de 0,7 Å.9 Este modo es utilizado, por lo tanto, para la caracterización de muestras muy delgadas, de hasta unos cientos de ángstroms.
Para detallar señales analíticas o átomos específicos en muestras de materiales, es posible también hacer uso de herramientas de barrido. En este modo, identificado comúnmente como microscopía analítica (am), se pueden realizar espectroscopías de energía dispersiva de rayos X (eds), mediante la detección de rayos X característicos excitados por electrones incidentes, cuya resolución espacial puede ser del orden del tamaño de la sonda (tan bajo como 2 a 3 Å), lo cual permite el análisis químico específico en volúmenes muy pequeños de material.
Así mismo, en el modo am es posible llevar a cabo espectroscopías de pérdida de energía de electrones (eels). El modo eels se basa en la medición de la pérdida de energía cinética de electrones incidentes sobre una muestra sólida,