Cuprins

S.E.M.- ................................................................................................................................2

ATR cu FTIR.......................................................................................................................5

Schema unui microscop SEM (Scanning Electron Microscope)

I. SEM

Microscopia de baleiaj reprezinta o ramura a microscopiei in care se obtin imagini ale

suprafetelor folosind o sonda fizica ce baleiaza mecanic specimenul de masurat.

Instrumentul pus in functiune in INCD Fizica Materialelor face parte din clasa

microscoapelor optice de camp apropiat, care depasesc cu ordine de marime limita de

rezolutie a microscoapelor clasice. Ceea ce este unic la prezentul instrument este faptul ca

fiecare punct al imaginii suprafetei microscopice (punct ce este asociat unei arii a probei

cu diametrul de pana la 30 de nanometri) reprezinta un spectru de emisie de fluorescenta.

Practic, aceasta imagine multidimensionala ne poate oferi o harta extrem de detaliata a

calitatii materialului. Aceasta harta nu va prezenta numai informatii vagi de tipul in zona

x-y sunt defecte, ci analiza spectrului va permite identificarea tipului de defecte – e.g.

impuritati sau defecte intrinseci. In modul clasic de masurare a luminescentei pentru

nanostructuri precum punctele cuantice (componente ale generatiilor viitoare de

computere – asa numitele computere cuantice) este posibila masurarea proprietatilor

acestora doar pe arii extinse, pe cand, folosind noul microspectrometru pot fi masurate

proprietatile unor nanostructuri individuale. Acesta este modul ideal de a caracteriza

aceste nano-obiecte pentru a le intelege proprietatile si in consecinta pentru a dezvolta

aplicatii bazate pe acestea. Un microscop electronic SEM, este alcatuit dintr-un sistem

electrono-optic aflat într-o coloană vidată, un sistem de vacuum şi partea electronică.

A. Detecţia electronilor

Pentru detecţia electronilor se folosesc detectori cu scintilaţie sau cu semiconductori. În

primul caz electronii interacţionează cu un ecran fluorescent care emite lumină care este

amplificată şi convertită în semnal electric de către un tub fotomultiplicator. În cel de-al

doilea caz electronii produc un semnal electric într-un strat semiconductor care apoi este

amplificat.

B. Observarea şi înregistrarea imaginii

De obicei un SEM este dotat cu două monitoare pentru afişarea şi prelucrarea imaginii.

Pentru că la SEM imaginea este produsă electronic, aceasta poate fi apoi supusă la o

multitudine de prelucrări ca de exemplu îmbunatăţirea contrastului.

unul de electroni produce un fascicul de electroni cu un diametru de 4 nm pe proba de

studiat. Acest fascicul este scanat pe o suprafaţă rectangulară a probei. Electronii

secundari emişi de probă sunt analizaţi cu ajutorul unui detector. Amplitudinea curentului

de electroni secundari variază în timp conform cu topografia probei. Semnalul este

amplificat şi utilizat pentru a controla strălucirea unui fascicul de electroni pe ecranul

unui monitor. Atât fasciculul de electroni din SEM cât şi de pe monitor sunt scanaţi cu

aceeasi viteza şi deci există o relaţie de corespondenţă între suprafaţa probei şi imaginea

afişată.

C. Orientarea si manipularea probei

După cum s-a specificat calitatea imaginii SEM depinde de orientare şi de distanţa dintre

probă, detector şi lentila finală. Suportul probei permite ca aceasta să fie mişcată în planul

orizontal (direcţiile X şi Y), în sus şi în jos (direcţia Z) precum şi efectuarea unor mişcări

de înclinare şi rotire. La echipamentele noi aceste mişcări sunt motorizate cu ajutorul

unor motoare electrice şi sunt controlate de către calculator. Diferite modele de SEM au

camere pentru probe cu diferite dimensiuni ceea ce permite ca să fie observate şi

analizate probe cu forme şi dimensiuni diferite. Dimensiunea camerei pentru probă

determină de asemenea şi preţul echipamentului pentru că pe măsură ce proba este mai

mare atunci şi sistemul pentru poziţionarea probei este mai mare ş drept consecinţă

sistemul de pompare pentru obţinerea şi mentinerea vidului este mai mare. Modelele cele

mai simple acceptă probe de câţiva cm în diametru şi acestea pot fi mişcate pe o distanţă

de 50 mm în direcţia X şi Y. Camerele mai mari acceptă probe până la 200 mm în

diametru şi pe care le pot deplasa până la 150 mm în ambele direcţii. Toate modelele

permit ca probele să fie înclinate cu unghiuri mari şi să fie rotite cu până la 360 grade.

Unele modele sunt prevăzute cu accesorii pentru incălzirea şi răcirea probelor.

D. Pregătirea probelor

Pregătirea probelor poate fi minimală sau poate fi complexă în funcţie de natura acestora

şi de informaţiile necesare. Pregătirea minimă presupune prelevarea probelor care trebuie

să aibă dimensiuni potrivite pentru a intra în camera de analiză şi operaţii pregătitoare

pentru cele izolatoare electric. Probele care sunt izolatoare electric sunt acoperite cu un

strat subţire dintr-un material conductor. În mod uzual se foloseşte carbonul, aurul sau

unele aliaje metalice. Alegerea materialului pentru acoperire depinde de informaţiile

necesare în urma analizei probelor: carbonul este utilizat dacă este necesară o analiză a

elementelor din care este constituită proba iar acoperirile metalice sunt potrivite dacă se

doreşte o rezoluţie mare a imaginii obţinute. Ca o alternativă probele izolatoare electric

pot fi analizate (fără depunerea unui strat conductor) cu un microscop electronic care

poate lucra la presiune mare (ESEM).1

II. ATR CU FRIR

In practica spectrele IR pot fi inregistrate utilizand doua tipuri diferite de spectrometre

IR:

a) aparate clasice cu fascicul dublu de radiatie electromagnetica si nul optic.

b) aparate moderne cu iradiere in pulsuri si transformata Fourier (FTIR),

Ambele tipuri de spectrometre IR se bazeaza pe acelasi principiu de functionare: radiatia

electromagnetica din domeniul IR emisa de o sursa luminoasa este trecuta peste proba si

apoi este analizata radiatia emergenta a carei intensitate apare modificata de interactiunea

cu moleculele compusului organic. In Figura 1.1 este prezentataschema generala de

principiu a acestor doua tipuri de aparate.

Fig. 1.1 Schema de principiu a spectrometrului IR clasic si a Spectrometrului FTIR

Spectrometrul IR clasic este un aparat in care radiatia electromagnetica furnizata de o

sursa (de exemplu sursa Globar carbura de siliciu incandescenta) este ramificata in doua

fascicule: un fascicul de referinta si unul care trece prin proba. Rolul acestui spectrometru

cu dublu fascicul este de a masura diferenta intensitatilor celor doua fascicule pentru

1 Viorel Meling Note de curs, Lentile Instrumente opticeMicroscopie electronică, pag 50

fiecare lungime de unda in parte. Cele doua fascicule sunt reflectate de un "separator"

(chopper) format dintr-o oglinda rotitoare. Atunci cand chopper-ul se roteste de 10 ori pe

secunda, fasciculul care trece prin proba si fasciculul referinta sunt reflectate alternativ pe

reteaua de difractie a monocromatorului. 2

Frecventele individuale sunt trimise la detector (de obicei un termocuplu), care

converteste energia infrarosie in energie electrica. Atunci cand proba absoarbe radiatia de

o anumita frecventa, detectorul primeste alternativ de la chopper atat un fascicul intens

(fascicolul de referinta) cat si un fascicul slab (dupa trecerea prin proba). Fasciculul slab

determina aparitia unui curent pulsatoriu sau alternativ care va trece prin detector spre

amplificator. (Daca proba nu absoarbe deloc radiatia, fascicolul emergent si fascicolul de

referinta au aceeasi intensitate, iar semnalul de la detector este un curent direct).

Amplificatorul este destinat exclusiv pentru intensificarea curentului alternativ.

Semnalul este primit pe amplificator, acesta fiind cuplat la un servo-motor de dimensiuni

mici, care comanda un piepten optic in fascicolul de referinta pana cand eventual

detectorul primeste radiatie de aceeasi intensitate de la proba si fascicolul de referinta.

Aceasta miscare a pieptenului (sau atenuatorului) este cuplata cu un inregistrator astfel

incat miscarea pieptenului in interiorul si in afara fascicolului arata ca si benzile de

absorbtie din spectrul IR.

Exista si aparate dotate cu prisme optice care functioneaza pe un principiu identic,

reteaua de difractie fiind inlocuita cu o prisma, iar o oglinda rotitoare separa frecventele

individuale.

Spectromerele IR cu transformata Fourier au inlocuit aparatele clasice abia dupa

dezvoltarea tehnicilor informatice moderne capabile sa inregistreze si sa prelucreze mari

cantitati de date. Tehnica folosita se bazeaza pe operatia matematica cunoscuta sub

numele de transformataFourier prin care o functie exprimata in domeniul de timp este

transformata intr-o functie in domeniul de frecvente; desi aceasta transformare necesita o

mare putere de calcul, ea nu mai reprezinta un factor limitativ pentru calculatoare de serie

larga produse in prezent.

Intr-un aparat FTIR, radiatia IR emisa de sursa (continand toate frecventele domeniului

2 I.Samusi, N. Burbulea, M. Nazarov. Metode Microscopice de analiza structurala. Chisinau U.T.M. 1996., PAG 130.

de analiza de intensitate egala in timp), este mai intai trecuta printr-un interferometru,

apoi traverseaza alternativ proba sau referinta si in final interferogramele astfel obtinute

sunt transformate in spectre IR cu ajutorul transformatei Fourier(care realizeaza

transformarea domeniului de timp caracteristic interferogramei, in domeniul de frecvente

caracteristic unui spectru). Aparatul FTIR foloseste un singur fascicul de lumina

(monofascicol), spectrul referintei fiind scazut numeric din cel al probei. Aceasta tehnica

prezinta mai multe avantaje printre care ar fi de mentionat: o durata mult mai scurta

necesara inregistrarii spectrului (fiind inlaturat timpul de aproximativ 10 minute necesar

baleiajului de frecvente) si o mult mai mare precizie de citire a numerelor de unda

caracteristice maximelor benzilor de absorbtie.

Proba analizata prin spectroscopie IR poate avea orice stare de agregare: gazoasa,

lichida sau solida:

- Inregistrarea unui spectru IR al unui compus organic in stare gazoasa este o tehnica rar

utilizata, folosita in special in cazul cuplajelor spectrometru IR/Gaz Cromatograf

(IR/GC), in care proba adusa de un gaz purtator (H2 sau He) din cromatograf este lasata

sa curga printr-o cuva a spectrometrului FTIR dotata cu ferestre de NaCl (material

transparent pentru radiatia IR in regiunea 4000-667 cm-1).

- Pentru inregistrarea spectrului IR in film lichid al unei probe aflate in stare de agregare

lichida, celula de masura este formata dintr-o picatura din acest lichid comprimata intre

doua placi de NaCl cu suprafete plane.

- O solutie obtinuta prin dizolvarea unui compus organic intr-un solvent nepolar si fara

absorbtii intense in domeniul de masura (tetraclorura de carbon, sulfura de carbon,

cloroform) poate fi introdusa intr-o cuva speciala din clorura de sodiu de grosime

interioara de 0,1-1 mm. Concentratia solutiei este de obicei sub 10%. Mai rar se folosesc

celule cu ferestre de clorura de argint ce permit sa se lucreze cu solutii apoase.3

- Cel mai adesea sunt supuse acestei metode de analiza probe in stare de agregare solida.

Proba solida poate fi conditionata sub forma de pastila in KBr(prin comprimarea cu

ajutorul unei prese hidraulice sub vid a amestecului de 1-2 mg proba cu o cantitate de 10-

100 de ori mai mare de bromura de potasiu anhidra) sau poate fi conditionata sub forma

de suspensie in ulei de parafina (prin mojararea probei cu nujol).4

3 http://www.scritub.com/stiinta/fizica/SPECTROSCOPIE-IR24166.php4 I. Samusi, M. Rusanovschi. Practicum de analiza structurala. Chisinau U.T.M. 1993. Pag, 89

BIBLIOGRAFIE:

1. I.Samusi, N. Burbulea, M. Nazarov. Metode Microscopice de analiza structurala. Chisinau U.T.M. 1996

2. I. Samusi, M. Rusanovschi. Practicum de analiza structurala. Chisinau U.T.M. 1993

3. Viorel Meling Note de curs, Lentile Instrumente optice Microscopie electronică

4. http://www.scritub.com/stiinta/fizica/SPECTROSCOPIE-IR24166.php