TEHNICI DE CARACTERIZARE A NANOSTRUCTURILOR

Clasificarea metodelor optice de analiza

Domeniile spectrale ale radiatiei electromagnetice:

metode de emisie si absorbtie atomica

metode de emisie, absorbtie si difuzie moleculara

metode bazate pe interactiuni neabsorbtive (difuzie, polarizare , refractie, difractie Modul de interactie a radiatiei cu substanta:

metode ale spectrometriei optice

metode refractometrice si interferometrie de analiza

metode polarimetrice de analiza

metode de analiza prin difractia razelor x Metodele spectrometriei optice, implica emisia si absorbtia radiatiilor de catre atomi sau molecule. Din acest grup fac parte si metodele nefelometrice si turbidimetrice. Radiatia electromagnetica este o unda care se propaga singura in spatiu, avand o componenta electrica si una magnetica, care oscileaza in faza perpendicular una pe cealalta, in directia de propagare a energiei.

Clasificarea radiatiei electromagnetice se realizeaza in functie de frecventa lungimii de unda:

unde radio

microunde

radiatie infrarosie

lumina vizibila

radiatia ultravioleta

radiatiile x

radiatiile gamma. Dintre acestea radiatiile radio au cea mai mare lungime de unda, iar radiatiile gamma

au cea mai mica lungime de unda. Din motive de ordin practic domeniul ultraviolet si infrarosu se impart in subdomenii. Domeniul ultraviolet este subimpartit in ultraviolet indepartat (10-200nm) si

ultraviolet apropiat (200-400nm).

Domeniul infrarosu se subdivide in infrarosu indepartat (200-10 cm-1), mediu (4000-200 cm-1) si apropiat (12500-4000cm-1).

In domeniul infrarosu se prefera numarul de unda (cm-1) in locul lungimii de unda. Doar o mica parte din aceste lungimi de unda este perceputa de ochiul uman, si se numeste spectrul vizibil.

Metodele optice de analiza au la baza interactia radiatiei electromagnetice cu substanta. Studii asupra luminii au fost realizate in sec al XVII de Isaac Newton, care a emis teoria corpusculara, iar alti cercetatori ca C. Huygens, A.J. Fresnel si T. Young au emis

toeria ondulatorie a luminii. Huygens a demonstrat ca un corp care emite lumina imprima un impuls particulelor

unui mediu ipotetic numit eter, particule care la randul lor transmit starea de miscare altor particule, lumina propagandu-se ondulatoriu.

Huygens emite principiul: orice punct de pe suprafata de unda este centrul unei noi unde elementare, astfel incat infasurarea tuturor undelor elementare, va fi o suprafata de unda la un moment ulterior.

Fresnel completeaza acest principiu aratand ca excitatia luminoasa intr-un punct oarecare P, poate fi considerat un rezultat al interferentei tuturor undelor elementare emise de o suprafata de unda.

Conform principiului lui HuygensFresnel, oscilatiile luminoase sunt oscilatii longitudinale ale eterului, asemanatoare sunetului. O serie de fenomene ca polarizarea sau dubla refractie a luminii contrazic aceasta ipoteza.

In 1873, J.C.Maxwell, a dedus din ecuatiile stabilite pentru campul electromagnetic ca deplasand o sarcina electrica inainte si inapoi in mod alternativ, pot fi produse unde electromagnetice, care au aceleasi proprietati ca lumina.

Teoria lui Maxwell arata si, experientele lui H.Hertz confirma ca, intr-o unda electromagnetica, vectorul electric E si vectorul magnetic B oscileaza in faza in plane

perpendiculare intre ele si perpendiculare pe directia de propagare a undei.

Daca undele se propaga cu viteza c (m.s-1) frecventa undelor, notata cu este =c/. Frecventa reprezinta numarul de unde care trec in unitatea de timp(secunda) printr-un

anumit punct, iar lungimea de unda reprezinta distanta intre doua maxime ele undei. Teoria electromagnetica a luminii nu poate explica modul in care corpurile

incandescente emit lumina si distributia energiei luminoase dupa lungimile de unda in spectrul emis de aceste corpuri incandescente.

Aceste fenomene sunt explicate prin caracterul corpuscular al luminii, Max Plank

elaborand in anul 1900, teoria cunatica a luminii. Conform acestei teorii lumina este emisa sub forma de cuante de energie luminoasa

sau fotoni, numiti corpusculi. Fiecare foton contine o cantitate de energie determinata de frecventa luminii.

Ecuatia care coreleaza energia cu lungimea de unda este:

h=constanta lui Plank=6.62606896(33)1034 J x s c=viteza luminii = 299,792,458 m/s

Din aceasta ecuatie rezulta ca un foton cu frecventa mica, respectiv lungime de unda mare are energie mai mica decat un foton cu frecventa mare, respectic lungime de unda mica.

Din cele prezentate mai sus se poate concluziona faptul ca lumina este de natura electromagnetica si are caracter dual unda-corpuscul.

Daca radiatiile unui fascicul luminos au aceeasi frecventa, respectiv lungime de unda, avem de-aface cu o radiatie monocromatica.

Lumina in care toti vectorii electrici si magnetici se afla in acelasi plan se numeste

lumina total polarizata sau liniar polarizata.

Lumina in care vectorii electrici sau magnetici ating maximul sau minimul in acelasi

timp se numeste coerenta.

Emisie optica si absorbtie de radiatie Emisia atomica:

In urma fenomenului de emisie atomica in domeniul vizibil si ultraviolet se obtin spectrele liniilor atomilor in stare gazoasa.

Aspectul acestor spectre este strans legat de structura electronica a atomilor diferitelor elemente si in mod deosebit de numarul si de asezarea electronilor in invelisul exterior. Fiecare atom este constituit dintr-un nucleu cu masa atomica A, care are Z sarcini pozitive si Z electroni. Numarul de protoni plus numarul de neutroni din nucleu este egal cu numarul de masa al atomului, A.

Electronii din atom por exista numai pe anumite nivele de energie, numite nivele de energie cuantificate.

Pentru fiecare nivel de energie exista mai multi orbitali. Un orbital reprezinta o regiune din jurul nucleului unde este cel mai probabil sa se gaseasca electronul. Nivelul cu energia cea mai mica E0 se numeste nivelul fundamental sau starea fundamentala. La temperatura obisnuita, toti atomii in stare libera sunt in starea fundamentala. Celelalte nivele se numesc nivele excitate ( E1, E2, E3, ... En ). Trecera unui atom din starea fundamentala in starea excitata se face prin absorbtie de enrgie. Fiecare nivel este caracterizat de o anumita energie exprimata in electron volt (eV). De exemplu nivelul E1 al atomului de sodiu este situat la 2,102 eV, al potasiului la 1,610 eV, al calciului la 2,2932 eV. Aceste nivele sunt reprezentate prin diagrame (diagrama Grotian), unde fiecare nivel este reprezentat printr-o linie orizontala, iar pe ordonata este energia.

Diagrama nivelelor de energie a sodiului In aceasta diagrama in dreptul fiecarui nivel de energie sunt trecute numerele cuantice principale 3,4,5 etc., in partea de sus literele S,P,D,F corespund L= 0,1,2 si 3. cifra din stanga sus corespunde sumei 2S+1 numita multiplicitatea liniei spectrale, iar cea din dreapta jos este valoarea lui j. Liniile oblice reprezinta tranzitiile permise. Diagrama mai cuprinde lungimile de unda ale radiatiilor in nm, numarul de unda masurat in cm-1 si potentialul eV.

Mai multi atomi ai aceluiasi element in urma excitarii, pot trece in diverse stari de energie E1, E2, ... En , pe masura ce fiecare atom trece la un nivel mai scazut de energie sau revine la starea fundamentala, prin intermediul tranzitiilor permise emite o radiatie de o anumita frecventa, specifica tranzitiei respective.

Totalitatea acestor frecvente constituie spectrul de emisie al elementului supus excitarii. Deoarece fiecare element poseda anumite stari energetice caracteristice si radiatia emisa, respectiv spectrul de emisie va fi caracteristic.

Daca se foloseste un aparat spectral care are ca sistem de receptie placa spectrala, spectrul de emisie are forma unor linii inguste, de aici provenind denumirea de spectrul de linii.

Structura atomului:

Parametrii de stare:

Numarul cuantic principal n, caracterizeaza nivelul energetic al electronilor si poate

lua valori intregi si pozitive: n=1,2,3,4..., el definind stratul electronic. Pentru fiecare nivel de energie exista n2 orbitali.

Numarul cuantic orbital (secundar), l , indica substratul energetic pe care se afla electronul dintr-un strat.

Acesta poate lua valorile 0,1,.. n-1 si se noteaza simbolic s,p,d,f.

Numarul cunatic magnetic, m, determina starea electronului, cand atomul se gaseste intr-un camp magnetic exterior.

Poate lua valorile l,.....,-3,-2,-1,0,1,2,3,...,l.

Numarul cuantic de spin, ms , care arata rotatia proprie a electronului si are valoarea: ms = + 1/2

Intr-un atom nu pot exista doi electroni cu aceleasi valori pentru toate cele patru numere cuantice, electronii trebuie sa difere cel putin prin numarul cuantic (principiul lui Pauli).

Consecinta acestui principiu: un orbital nu poate fi ocupat decat de maxim doi electroni cu spin opus.

Electronul poseda moment cinetic orbital, moment cinetic de spin, moment magnetic orbital si moment magnetic de spin. Aceste momente interactioneaza intre ele vectorial si au ca rezultat un moment cinetic

(magnetic) total al electronului, caracterizat de un numar cuantic intern j, rezultanta compuneriii vectoriale a lui l cu s este j=l + s. In cazul atomilor care contin mai multi electroni in invelisul atomului, compunerea

vectoriala a momentelor cinetice (magnetice) ale tuturor electronilor unui atom, conduc la momentul cinetic (magnetic) total al atomului. Astfel starea energetica a atomului este caracterizata de numerele cuantice totale L,S si J. L este numarul cuantic secundar (orbital) total, corespunzator momentului cinetic orbital total al atomului, S este numarul cuantic de spin total corespunzator momentului cinetic de spin total al atomului si J este numarul cuantic intern total corespunzator momentului cinetic al

atomului.

Pentru un strat complet (2n2 electroni) momentul cinetic rezultant este egal cu zero. Momentul cinetic total al electronilor se reduce la acela al electronilor care nu fac parte dintr-un strat complet. Acesti electroni se numesc electroni optici si in majoritatea cazurilor sunt electroni de valenta. Numarul cunatic J este un numar intreg pentru atomii care au un numar par de electroni si un numar intreg plus pentru ceilalti atomi. Diferitele valori ale lui J determina scindarea nivelelor energetice ale atomului, aceste nivele au energii diferite si se numesc termeni spectrali. Spectrele nu se obtin in urma tranzitiilor intre toate nivelele electronice datorita regurilor de selectie :

L = + l si J= 0, +l.

Energia de tranzitie E dintre cele doua nivele intre care are loc tranzitia este data de relatia E= E1- E0.

Se va obtine o linie spectrala cu frecventa data de relatia = (E1- E0)/ h= E/h si lungimea de unda = hc/E

Mai multi atomi ai aceluiasi element in urma excitarii, pot trece in diverse stari de enrgie E1, E2, ... En.

Pe masura ce fiecare atom trece la un nivel mai scazut de energie sau revine la starea fundamentala, prin intermediul tranzitiior permise emite o radiatie de o anumita frecventa, specifica tranzitiei respective.

Totalitatea acestor frecvente constituie spectrul de emisie al elementului supus excitarii. Deoarece fiecare element poseda anumite stari energetice caracteristice si radiatia emisa, respectiv spectrul de emisie va fi caracteristic. Liniile inguste corespund radiatiilor monocromatice ce compun lumina provenita de la proba. Atomii metalelor alcaline, care poarta un numar mic de electroni in stratul exterior dau spectre sarace in linii, spre deosebire de atomii metalelor cu mai multi electroni in stratul exterior care dau spectre bogate in linii. Liniile spectrale ale diferitelor elemente sunt cataloagate in atlase spectrale, aceste atlase fiind folosite pentru identificarea diferitelor elemente in cazul analizei calitative. Intensitatea liniei spectrale in cazul unui numar mare de atomi identici care provin dintr-o proba aflata intr-o sursa de excitare care este dependenta de numarul de atomi in stare excitata si de spectrul tranzitiei energetice. Numarul atomilor aflati intr-o anumita stare energetica se poate calcula cu ajutorul relatiei de distributie a lui Maxwell- Blotzmann:

N0= N0 gn/g0 x e - ( En- E0)/KT

Nn este numarul de atomi in starea de energie En N0 este populatia starii fundamentale gn si g0 sunt ponderile statistice ale nivelelor energetice individuale En E0 = E este energia de excitare K= este constanta lui Boltzmann

T este temperatura absoluta Pentru o teperatura data raportul Nn/ N0 este dependent de diferenta intre nivelele energetice apropiate.

Daca En E0 >> KT, atunci starea fundamentala este mult mai populata si Nn

Absorbtie de radiatie Absorbtie atomica in vizibil si ultraviolet: Legea emisa de Kichoff in anul 1859: Orice substanta chimica poate sa absoarba radiatiile pe care le va emite in conditii determinate, sta la baza absorbtiei atomice in vizibil si ultraviolet. Proprietatile de emisie si de absorbtie sunt complementare. Exista totusi o diferenta pentru ca sa aiba loc emisia unei radiatii, trebuie sa fie suficienti atomi in stari excitate.

Acest lucru se realizeaza prin utilizarea unor surse de excitare ce produc temperaturi mari, cum sunt arcul, scanteia si plasma.

Din contra, pentru ca sa existe absorbtie atomii probei probei trebuie sa se gaseasca in stare energetica fundamentala, cu energie E0. Energia sursei de excitare termica (flacara) sau energia termoelectrica (cuptorul Massmann sau Lvov) este suficienta pentru aducerea probei in stare de atomi. La trecerea unei radiatii electromagnetice monocromatice de frecventa , printr-un strat de atomi de grosime l, o parte din radiatie va fi absorbita in conformitate cu legile absorbtiei radiatiilor.

I = I0 x e -Kl

I= intensitatea radiatiei transmise I0= intensitatea radiatiei incidente l este grosimea stratului de vapori atomici K este coeficientul de absorbtie atomica

Coeficientul de absorbtie atomica este o marime ce nu depinde de I0 si de l, fiind dependend de frecventa si de proprietatile mediului. Reprezentarea grafica a coeficientului de absorbtie K functie de frecventa radiatiei (sau lungimea de unda), da profilul liniei de absorbtie si a intensitatii radiatiei functie de frecventa (sau de lungimea de unda), da profilul liniei de emisie.

Profilul unei linii spectral de absorbtie si de emisie Liniile spectrale nu au o largime infinit de mica, nu sunt perfect monocromatice. Ele au forma unui clopot, reprezentand un maxim pentru o anumita frecventa 0 (lungime de unda 0). Pentru a caracteriza largimea liniei spectrale, se defineste largimea (1/2 sau 1/2) la jumatatea intensitatii maxime sau a coeficientului de absorbtie maxim. Liniile de emisie au semi-largimea foarte mica de ordinul 0,001 nm. Liniile de absorbtie ai o semilargime cava mai mare de ordinul 0,005 nm. Forma si largimea liniei spectrale, de emisie sau de absorbtie sunt determinate de:

largirea naturala

largirea prin efect Doppler

largirea prin presiune (efect Lorentz) Largirea naturala .

Acest efect este o consecinta a duratei de viata limitate a nivelelor de energie, corelat cu principiul lui Heisenberg; fiecare nivel acopera un domeniu mic de energie. Linia rezultata prin combinarea a doua nivele prezinta o incertitudine asupra pozitiei sale. Acest efect este foarte slab si neglijabil in conditiile obisnuite de lucru.

Largirea prin efect Doppler .

Acest efect este o consecinta a deplasarii atomilor gazului care emite sau absoarbe radiatia electro-magnetica.

Daca un atom efectueaza o tranzitie cu lungimea de unda si se misca cu viteza v in raport cu un observator, acesta constata ca lungimea de unda este diferita de 0 . Deplasarea este data de relatia :

- 0 = x 0 c=viteza luminii in vid Se demonstreaza ca valoarea coeficientului de absorbtie este dependent de lungimea de uda prin relatia:

K= K0 x e [ ( 0 ) / 1/2 x 2 ln 2] 2

Unde largimea la jumatate coeficientului de absorbtie maxim 1/2 este data de relatia: 1/2 = 7,16 x 10 -7 x 0 T/A T este temperatura absoluta A este masa atomica

Largirea prin efect Doppler este de ordinul zecilor de mili-angstromi. Largire prin presiune (efect Lorentz)

Efectul Lorentz este datorat ciocnirilor dintre atomi si moleculele unui alt gaz. Aceste ciocniri au ca efect, schimbarea starii de excitare a atomilor, prin aceasta diminuindu-se durata de viata in stare excitata. Rezulta o largire asemanatoare cu largirea naturala, dar cu valori mult mai mari. Coeficientul de absorbtie in cazul largirii prin efect Lorentz este dat de relatia:

K0

K =

2( - 0) l + [ ] 1/2

K0 este coeficientul de absorbtie maxim (pentru = 0 ) 1/2 este largimea la semiinaltime

Largirea liniei prin efect Lorentz este de acelasi ordin de marime ca largirea prin efect Doppler.

In absorbtia atomica forma liniilor de absorbtie depinde atat de efectul Lorentz cat si de efectul Doppler.

Trebuie remarcat faptul ca aceste fenomene de largire nu deplaseaza linia, maximul se situeaza intotdeauna la = 0 . Acest fenomen este utilizat in practica spectrometriei de absorbite atomica.

Variatia intensitatii si a coeficientulului de absorbitie cu lungimea de unda a) Linie largita prin efect Doppler b) Linie largita prin efect Lorentz c) Interactia radiatiei cu substanta:

La interactia radiatiei electromagnetice cu materia au loc tranzitii diferite in functie de domeniul din care provine radiatia. Radiatia gama va produce tranzitii energetice la nivel nuclear. Razele x vor produce tranzitii electronice, la nivelul straturilor interioare ale atomului K,L,M. Radiatiile ultraviolete si cele din domeniul vizibil produc tranzitii la nivelul straturilor de valenta. Radiatiile din domeniul infrarosu apropiat si mediu produc schimbari de vibratie si rotatiwe ale moleculelor, iar cele din domeniul infrarosu indepartat si din domeniul microundelor produc numai tranzitii de rotatie.

Aducerea unui sistem format din atomi sau molecule intr-o stare de energie superioara, numita stare de excitatie se face prin absorbtie de energie. Energia poate fi primita sub forma de lumina, caldura sau energia unei particule accelerate. La revenirea sistemului din starea de energie superioara la starea de energie inferioara se emite energie.

Daca energia schimbata de sistemcu mediu se face sub forma de radiatie electromagnetica, tranzitia respectiva este o tranzitie radiativa. Tranzitiile pot fi radiative dar si neradiative.

In cazul tranzitiilor neradiative transferul de energie realizandu-se prin ciocniri cu molecule, ioni, electroni liberi. Intr-un caz sistemului i se furnizeaza energie termica, pentru al aduce in starea excitata E1, tranzitia fiind neradiativa. Din starea excitata sistemul revine in starea fundamentala, prin tranzitie radiativa. Energia pierduta de sistem:

E= E1- E0= h

Se gaseste sub forma unui foton de frecventa , care transporta energia h.

Acest tip de tranzitie sta la baza spectrometriei de emisie. In cazul al doilea sistemul trece in starea excitata E1 prin tranzitie radiativa , absorbind un foton cu energia h, iar revenirea la nivelul E0 se face prin tranzitii neradiative.

E0 + h= E1

= (E1-E0)/h= E/h Aceasta relatie este identica cu cea de la emisie E= E1- E0 si arata ca un sistem nu poate sa absoarba decat radiatiile pe care este capabil sa le emita. Acest tip de tranzitii sta la baza spectrometriei de absorbtie. La diagrama tranzitiei pentru fluorescenta sistemul trece in stare excitata E1 prin tranzitie radiativa, de unde pierde o parte din energie prin tranzitie neradiativa, ramanand instare excitata pe un nivel cu energie mai mica E1. De aici prin tranzitie radiativa revine pe nivelul E0.

Frecventa radiatiei emise, numita fluorescenta este mai mica decat frecventa radiatiei absorbite 1 ( 2 < 1 ). Acest tip de tranzitii se intalnesc in fluorimetrie. Metodele de emisie si absorbtie atomica sau moleculara sunt folosite pentru analiza cantitative si calitative.

Frecventa sau lungimea de unda a radiatiilor contine informatii calitative asupra naturii substantei, iar intensitatea radiatiilor emise sau absorbite contine informatii cantitative. Radiatia electromagnetica este folosita si in cazul metodelor optice de analiza:

refractometria

polarimetria

turbidimetria

nefelometrie

difractie de raze x In cazul acestor metode interactia cu substanta nu are loc prin tranzitii radiative si nu se face cuantificat.

1. Principiile fizice al microscopiei electronice de baleiaj O seciune transversal printr-un microscop electronic modern relev urmtoarele elemente constructive: coloana electrono-optic, sistemul de vidare, sistemele de detecie, prelucrare, procesare i redare a informaiei i blocul de alimentare cu energie a tuturor componentelor. Coloana electrono-optic se compune din tunul de electroni, lentilele condensoare i lentila obiectiv.

Principial, construcia unui microscop electronic este ntr-o oarecare msur analog

construciei proiectorului optic obinuit. Prile principale, comune celor dou instrumente, sunt urmtoarele: sursa (de iluminare la microscopul optic, de electroni la microscopul electronic), lentila condensoare (sau condensorul), obiectul de studiat, lentila proiectoare i sistemul de vizualizare i nregistrare a informaiei. Condensorul are rolul de a focaliza fasciculul de electroni pe prob, asigurnd un paralelism ct mai bun al radiaiilor cu axa optic. Obiectivul formeaz imaginea primar, mrit, a obiectului; aceasta este preluat de lentila proiector care o mrete mai mult, pentru observarea pe ecranul instrumentului. Tunul de electroni are rolul de a genera fasciculul de electroni. n interiorul tunului de electroni un cmp electrostatic dirijeaz electronii emii de o poriune foarte mic a suprafeei unui filament, printr-o apertur foarte ngust. Dup aceea, tunul accelereaz

electronii prin coloan spre prob, cu energii cuprinse ntre cteva zeci i zeci de mii de electronvoli.

Fasciculul de electroni, emis de tunul electronic, care bombardeaz suprafaa probei, este compus din electroni monocinetici i poart numele de fascicul incident sau primar. El poate fi supus unei tensiuni de accelerare de la 100V pn la 40.000V, n funcie de tipul de microscop folosit.

n momentul de fa sunt utilizate cteva tipuri de tunuri de electroni: cu wolfram, cu hexaborur de lantan (LaB6) i cu emisie de cmp. Constructiv, sunt utilizate materiale i principii fizice diferite pentru obinerea tunurilor de electroni, dar au ca scop comun generarea unui fascicul de electroni direcionat, avnd curent stabil i diametru ct mai mic posibil. Electronii parcurg tunul ca un fascicul divergent. O serie de lentile electromagnetice i de diafragme din coloan reconverg i focalizeaz fasciculul ntr-o imagine micorat. Aproape de zona de jos a coloanei exist cteva bobine de scanare n rastere, care deflecteaz fasciculul de electroni ntr-o gril de baleiere pe suprafaa probei. Lentila final focalizeaz fasciculul ntr-o arie cu o dimensiune ct mai mic pe suprafaa probei.

Reprezentarea schematic

Dup parcurgerea coloanei de electroni, fasciculul ajunge n camera probei. Aceasta ncorporeaz dispozitivul de manevrare a probei, o ueantionului analizat i cteva dispozitive pentru montarea detectorilor de semnale sau a altor accesorii. n momentul interacde semnale, care dup ce sunt detectate, ampinformaii privind morfologia, structura Semnalele rezultate n urma interacsecundari, electronii retrodifuzacazul probelor foarte subindus. Mrimea semnalelor obcompoziia chimic a acesteia

O reprezentare schematicprob solid este prezentatutilizabile n diversele moduri de lucru specifice microscopiei electronice.

Reprezentarea schematic a microscopului electronic de baleiaj

parcurgerea coloanei de electroni, fasciculul ajunge n camera probei. Aceasta dispozitivul de manevrare a probei, o u pentru introduce

i cteva dispozitive pentru montarea detectorilor de semnale sau a altor accesorii. n momentul interaciei fasciculului de electroni cu suprafaa probei rezult

ce sunt detectate, amplificate i procesate permit obii privind morfologia, structura i compoziia probelor.

Semnalele rezultate n urma interaciei fasciculului primar cu proba sunt: electronii secundari, electronii retrodifuzai (retromprtiai), electronii Auger, electronii transmicazul probelor foarte subiri), radiaiile X, catodoluminiscena i tensiunea electromotoare

rimea semnalelor obinute, depinde de trei factori: grosimea probei investigate, a acesteia i tensiunea de accelerare a electronilor.

O reprezentare schematic a diverselor tipuri de interaciuni ale unui fascicul electronic cu o este prezentat n figura 2, unde sunt evideniate mecanismele de interac

duri de lucru specifice microscopiei electronice.

a microscopului electronic de baleiaj

parcurgerea coloanei de electroni, fasciculul ajunge n camera probei. Aceasta pentru introducerea sau extragerea

i cteva dispozitive pentru montarea detectorilor de semnale sau a altor iei fasciculului de electroni cu suprafaa probei rezult o serie

i procesate permit obinerea unor

iei fasciculului primar cu proba sunt: electronii tronii Auger, electronii transmii (n

i tensiunea electromotoare

inute, depinde de trei factori: grosimea probei investigate,

iuni ale unui fascicul electronic cu o

iate mecanismele de interaciune duri de lucru specifice microscopiei electronice.

Semnalele rezultate n urma interaciei dintre fasciculul de electroni i corpul solid

n microscopia electronic de baleiaj, al crui principiu a fost expus anterior, se utilizeaz fascicule de electroni incideni, cu energii de 1-50 keV, care fie sunt parial mprtiai napoi (retromprtiai, prin reflexie elastic pe atomii probei), fie determin emisia de electroni secundari prin interaciune cu proba. Electronii retromprtiai i electronii secundari sunt efectiv utilizai pentru formarea imaginii n microscopul electronic de baleiaj. n microscopia electronic de transmisie convenional, informaia este obinut prin intermediul electronilor transmii, nedeviai, sau mprtiai nainte, n diafragma unei lentile care va forma imaginea electronomicroscopic. n acest caz, energiile electronilor fasciculului incident sunt cuprinse ntre 40 i 200 keV, pentru microscopele convenionale i ntre 200 keV i 3 MeV pentru microscoapele electronice de nalt tensiune. mprtierea electronilor poate fi elastic (fr pierderi energetice importante i cu schimbare de direcie) sau inelastic (cu pierderi energetice n care energia poate fi transferat atomilor probei sau probei ca atare n diverse moduri). n cazul mprtierii inelastice, transferul energetic poate produce excitarea sau ionizarea electronilor legai, fie excitarea electronilor

Fascicul electronic incident

Electroni retroimparstiati (reflectati elastic)Electroni secundari (emisi)

Radiatii XRadiatii infrarosii

Radiatii luminoase (fotoni optici)

Microscopie electronica cu baleiaj sau de tip analitic

Microscopie electronica prin transmisie, microsopie electronica cu baleiaj prin transmisie, analiza dispersiva in energie

Electroni absorbitiCurent indus

Imprastiere elastica necoerentaImprastiere neelastica Fascicul nedeviat

de electroni transmisi

Imprastiere elastica coerenta

PROBA

liberi sau a vibraiilor reelei (vibraii fononice), fie nclzirea probei sau formarea de defecte de iradiere. Msurarea acestor pierderi energetice poate da informaii asupra naturii chimice a probei. O alt clasificare a mprtierii electronilor ine seama de numrul de evenimente de mprtiere implicate: monomprtiere i mprtiere multipl. n primul caz, electronul sufer o singur interaciune, fapt observat de exemplu n straturile sau foliile subiri studiate n microscopul electronic de transmisie. mprtierea multipl conduce la o mprtiere de tip difuziv n care micarea electronilor devine ntmpltoare. Acest tip de mprtiere este caracteristic probelor masive, groase, studiate n microscopia electronic de baleiaj. La impactul fasciculului electronic cu proba are loc o emisie de radiaii X care poate fi analizat cu aparate dispozitive speciale (spectrometre), care permit identificarea i determinarea concentraiei elementelor constituente ale probei.

1.2 Volumul de interacie al fasciculului primar cu corpul solid Semnalul obinut pentru formarea imaginii n microscopia electronic de baleiaj nu este obinut numai din suprafaa probei analizate. Fasciculul de electroni penetreaz o anumit distan n interiorul probei i poate interaciona o dat sau de mai multe ori de-a lungul traiectoriei sale. Regiunea din prob dintre care semnalul original i scprile subsecveniale care nu mai pot fi detectate, se numete volum de interacie.

Schema volumului de interacie al fasciculului cu substana

Tipul semnalului, compoziia probei i tensiunea de accelerare au un efect asupra rezoluiei microscopului, prin modificarea mrimii i formei volumului de interacie. n figura urmtoare este reprezentat schematic detecia semnalelor n microscopia electronic de baleiaj i zonele volumetrice unde sunt generate. n cele mai multe cazuri volumul de interacie este semnificativ mai mare dect mrimea spot-ului, iar acest volum va deveni limita actual a rezoluiei.

1.3 Tipuri de semnale 1.31. Electronii secundari

Electronii secundari (SE) sunt electronii atomilor din prob care sunt ejectai n mediu datorit interaciei cu electronii primari din fascicul. n general, ei au energii foarte mici (prin convenie mai mici de 50 eV). Datorit faptului c au energii foarte mici, acest tip de electroni poate scpa din suprafaa probei doar dintr-o regiune de foarte mic adncime. Prin urmare, electronii secundari ofer imagini de cea mai bun rezoluie. n imaginile de electroni secundari este oferit n principal de toporafia suprafeei probei. Cu ct volumul de interacie este mai aproape de suprafaa probei, cu att mai muli electroni secundari pot fi emii din prob, acest fenomen producndu-se att n zonele cu vrfuri, ct i n cele mai joase. Astfel se obin imagini n care vrfurile vor fi mai luminoase, iar vile mai ntunecate. Datorit acestui fapt, interpretarea imaginilor de electroni secundari devine foarte intuitiv.

1.3.2. Electronii retrodifuzai Electronii retrodifuzai (BSE), sunt electronii primari care au fost mprtiai n afara suprafeei probei, datorit ciocnirilor elastice cu nucleele din atomii probei. Aceti electroni posed energii mari, cuprinse (prin convenie ntre 50eV i tensiunea de accelerare a fasciculului). Acest tip de electroni provin dintr-un volum mai mare de interacie cu substana, ceea ce contribuie la pierderea rezoluiei n imaginile de electroni retrodifuzai. n aceste imagini, contrastul este determinat de diferena numerelor atomice din fiecare punct bombardat cu fasciculul de electroni, de la media numerelor atomice ale elementelor din compoziia probei. Din zonele ce conin elementele cu numere atomice mai mari vor fi reflectai mai muli electroni, ceea ce conduce la obinerea unei arii mai luminoase n imagine. Imaginile de electroni retrodifuzai nu sunt att de uor de interpretat dar, evaluate corect, pot oferi informaii importante privind compoziia probei. n general, intensitatea curentului de electroni retromprtiai crete cu creterea unghiului de mprtiere, nu variaz sensibil cu energia fasciculului primar i crete cu numrul atomic al probei.

Semnalul oferit de electronii retrodifuzai este detectat de doi detectori cu corp solid, care lucrnd n regim de substituie, adiie permit obinerea unor imagini privind topografia sau compoziia suprafeelor analizate.

1.3.3. Recombinarea i catodoluminiscena Prin interaciunea unui fascicul incident cu o prob, muli electroni secundari produi nu pot prsi proba i sunt anihilai, n urma mprtierilor, prin procese de recombinare electron-gol. Dac procesul de recombinare este nsoit de emisia de fotoni optici, apare fenomenul de catodoluminiscen. Mecanismul acestei fotoemisii este similar cu luminiscena n sensul c este stimulat de o serie de elemente active, aflate n cantiti foarte mici n aria probei bombardate cu fasciculul de electroni. Exact la fel ca n cazul luminiscenei normale, catodoluminiscena poate indica distribuia n prob a acestor elemente cu concentraii mici, completnd astfel informaia privind compoziia chimic a ariei bombardate, obinute prin emisie de radiaii X sau electroni Auger. Catodoluminiscena n probele semiconductoare este dependent de tensiunea electric aplicat i, n consecin, strile de suprafa n unele materiale semiconductoare pot fi studiate prin acest efect care furnizeaz date privind timpul de via al purttorilor de sarcin majoritari, lungimi de difuzie, etc. Fenomenul de catodoluminiscen este afectat de asemenea de topografia superficial i de prezena unor defecte interne (dislocaii, precipitate, limite intercristaline). Acest fenomen de excitare a luminiscenei prin bombardament electronic a fost observat i n unele materiale plastice, organice i n unele probe minerale.

1.3.4. Emisia de radiaii X i electroni Auger Emisia de radiaii X se produce dac un electron de pe un nivel energetic inferior este excitat de fasciculul primar de electroni i trece pe un nivel energetic superior, sau prsete complet atomul (fotoelectron). Locul vacant este ulterior ocupat de un alt electron care cade de pe un nivel energetic superior i emite un foton de radiaie X, de energie h egal cu diferena h dintre energiile corespunztoare celor dou niveluri energetice ntre care a avut loc tranziia.

Este posibil ca anumii electroni s fie reflectai din prob, dup ce n prealabil au interacionat neelastic cu atomii din prob. Ceilali electroni, care sunt mprtiai la unghiuri mai mici spre interiorul probei, i pierd din ce n ce mai mult din energie, dup fiecare coliziune, pn cnd nu mai pot participa la un proces de ionizare prin impact (de obicei energia de ionizare este cuprins ntre 3 i 8 eV).

Energia rezultat n urma frnrii acestor electroni este emis sub forma unor fotoni de radiaii X ce alctuiesc spectrul continuu de emisie a probei. Intensitatea maxim a spectrului continuu crete cu tensiunea de accelerare, cu intensitatea fasciculului i cu numrul atomic al probei.

Lk EEhv =

ML EE

1 21K

2K

1

ILIILIIIL

t

V

MM

N

K

aM

KronigCoster

112 MMLAugerElectron

E

AE

1

2

3

0

0

1

01122

21

2121

212123

23

2325

1

KE

n l slj =

Tranziiile posibile i notaiile radiaiilor X rezultate

Un proces de ionizare se desfoar astfel: un electron rapid, din fasciculul incident, se apropie de un electron legat de unul din atomii probei (situat pe unul din nivelele interioare ale atomului) i n urma schimbului de energie produs datorit interaciunii ntre cmpurile coulombiene ale celor doi electroni, electronul legat este forat s treac pe o stare excitat permis, adic pe un nivel energetic superior din atom sau este expulzat din atom (fotoelectron), n timp ce electronul incident i pierde din energie. Locul vacant de pe nivelul energetic inferior va fi ocupat de ctre un electron de pe un nivel energetic superior,

cu respectarea regulilor de tranziie ( 1= i oj = sau 1=j ), iar diferena dintre energia pe care o avea electronul pe nivelul superior i cea pe care o are pe noul nivel se va

emite sub forma unui foton (cuant) ce corespunde domeniului radiaiilor X. Energia fotonilor rezultai n urma tranziiilor electronice depinde de energia nivelelor ntre care au loc tranziiile i, prin urmare, este caracteristic fiecrei specii atomice (

Lkk EEh = ). Aceste radiaii alctuiesc spectrul caracteristic de emisie al probei i se suprapun peste spectrul continuu.

Lungimea de und sau frecvena radiaiilor X caracteristice, emise de prob, se noteaz cu K sau K pentru tranziiile efectuate ntre nivelul L i K i respectiv M i K. n figura de mai sus este prezentat schematic modul de efectuare a tranziiilor posibile pentru trei nivele electronice i notaiile radiaiilor rezultate. Radiaia emis n urma tranziiei de pe nivelul L pe nivelul K const dintr-un dublet K i

K. Raportul ntre intensitatea radiaiei K i K (

2K

K 1

II ) rezultate din tranziiile LII la K,

respectiv LIII la K este proporional cu numrul electronilor n subnivelele corespunztoare

care este 224

= (regula sumei). Raportul intensitilor liniilor K i K descrete de la 10

pentru aluminiu (Z=13) pn la 3 pentru staniu (Z=50). Motivul acestei variaii este probabilitatea efecturii unei tranziii care crete pentru nivelele N i M odat cu creterea

numrului atomic. O deviaie puternic de la regula sumei este observat pentru seria L, care

poate fi atribuit tranziiilor Coster-Kroning n care un loc gol de pe LI sau LII este ocupat de

un electron de pe subnivelul LIII, iar energia rezultat este transferat unui electron de lng

nivelul Fermi i liniile care rezult din tranziiile pe subnivelul LIII sunt relativ mai intense.

Emisia radiaiilor X caracteristice

Din punctul de vedere al analizei microscopice, este foarte important faptul c fiecare

element chimic posed un spectru unic de radiaii X. Partea discret a spectrului (adic partea format din linii de maxime distincte) cuprinde linii care corespund tranziiilor

electronilor ntre pturile electronice L i K din atom, tranziiilor ntre pturile M i K, tranziiilor ntre pturile M i L. Spectrul continuu de radiaii X cuprinde fotonii provenii din ciocnirile inelastice ale electronilor fasciculului incident cu electronii intei. Prezena spectrului unic de radiaii X servete deci att la analiza elementelor constituente dintr-un material, ct i ca surs potenial de contrast de imagine. n scopul producerii radiaiei X caracteristice unui element, este necesar ca tensiunea de accelerare s depeasc un potenial critic. n cazul unei tensiuni de accelerare de 30 kV, o radiaie K suficient de intens poate fi excitat n atomi cu numrul de ordine pn la Z=40. n general, radiaiile X provin dintr-un volum al probei de ordinul ctorva m2 situat n imediata vecintate a suprafeei, din partea inferioar a volumului de interacie a fasciculului cu substana (vezi figura 3). Analiza radiaiei X emise de prob se poate efectua cu ajutorul unor spectrometre de construcie special, prin dou moduri: metoda dispersiv dup lungimea de und i metoda dispersiv dup energii. Rezultatul este prezentat sub forma unui spectru compus din intensitatea semnalului radiaiilor X, pe axa vertical, respectiv energia, pe axa orizontal. Maximele reprezentate n spectrul de radiaii X corespund elementelor prezente n prob, care se identific dup energia caracteristic. Concentraia elementelor prezente n prob se evalueaz dup intensitatea maximelor caracteristice.

Din schema volumului de interacie a fasciculului de electroni cu substana prezentat anterior, rezult c rezoluia spaial n imaginile de radiaii X este mai sczut dect n imaginile de electroni secundari sau n imaginile de electroni retrodifuzai (volumul de prob de unde provin radiaiile X este mult mai mare dect cel din care provin electronii secundari). Este posibil ca n urma tranziiilor electronice ntre nivelele interne ale unui atom s nu rezulte un foton de radiaii X, ci energia rezultat s fie preluat de un electron legat i acesta s fie emis. Energia electronului emuis este egal cu energia sa de pe nivelul pe care se afla plus energia rezultat din tranziie. Electronnul astfel emmis se numete electron Auger. Pentru elementele uoare, probabilitatea de emisie a unui electron Auger este mai mare dect cea de emisie a unui foton de radiaii X. Mecanismul de producere a unui elecron Auger este urmtorul: dac un electron de pe nivelul LI va efectua o tranziie pe nivelul K, unde exist un loc neocupat creat prin ionizare,

i energia rezltat ILk EE va fi preluat de un electron de pe nivelul LII, acesta va fi

expulzat din atom.

Energia electronului expulzat va fi egal cu energia pe care o are nivelul K minus suma

energiilor nivelelor IL

E i IIL

E , )(III LLk EEEE += , energia electronilor Auger fiind

caracteristic fiecrei specii atomice.

Deoarece energia electronilor Auger este foarte mic pot s ias din prob numai acei electroni formai n imediata apropiere a suprafeei, fenomen evideniat n schema volumului de interacie a fasciculului cu substana prezentat anterior. Se consider c reuesc s emearg din prob numai electronii formai n primele dou trei plane atomice de la suprafa.

Fenomenele de emisie a radiaiilor X caracteristice i a electronilor Auger constituie baza microanalizei cu radiaii X i a electronilor Auger.

1.4. Principii tehnice ale microscopiei electronice de baleiaj n microscopul electronic de baleiaj, fasciculul de electroni, produs de tunul de electroni, este micorat la maximum prin intermediul a 2 sau 3 lentile electromagnetice, urmrindu-se astfel obinerea unui fascicul extrem de ngust, care este proiectat pe suprafaa probei. Cu ajutorul a dou bobine de deflexie, plasate n interiorul ultimei lentile electromagnetice, activate de un curent produs de un generator de baleiaj, fasciculul primar de electroni astfel focalizat, este determinat s efectueze o micare n zig zag (raster), linie cu linie, a unei zone rectangulare de pe suprafaa probei, realizndu-se un fel de mturare a acesteia. La orice moment dat din timpul de scanare a suprafeei probei, fasciculul de electroni ilumineaz un singur punct pe tiparul delimitat pe suprafaa probei. Pe msur ce fasciculul se deplaseaz pe suprafaa probei punct cu punct, este generat o variaie a intensitii semnalului, ceea ce va reflecta diferenele prezente pe suprafaa probei investigate. Semnalul de ieire obinut va fi o niruire de date formate din cureni seriali. Instrumentele de baleiaj mai noi includ posibilitatea obinerii unor imagini digitale, care sunt obinute prin conversia semnalului analog obinut de detectori ntr-o serie de valori numerice. Ca urmare, fasciculul de electroni se afl la perioade diferite de timp, n puncte diferite pe suprafaa preparatului. n urma impactului fasciculului primar de electroni cu preparatul, semnalele generate sunt captate de detectori, transformate n semnal electric, amplificate i trimise ntr-un modulator electronic, urmnd ulterior ca intensitile semnalelor s fie prelucrate digital i afiate pe un ecran.

Baleierea se poate realiza prin dou metode:

deviaia fasciculului de electroni cu ajutorul unor cmpuri electrostatice sau electromagnetice variabile pe dou direcii reciproc perpendiculare;

prin deplasarea mecanic a probei n fasciculul electronic meninut fix.

Generatorul de baleiaj trimite un curent n form de dinte de fierstru n bobinele de deflexie ale microscopului, n vederea producerii micrii de baleiere a fasciculului pe suprafaa probei. Fiecare punct scanat pe suprafaa probei va corespunde unui punct din imaginea final.

Analog luminii la microscopul optic, electronii nu formeaz o imagine real n microscopia

electronic de baleiaj, fiind construit o imagine virtual din semnalul emis de prob. Fiecare semnal colectat i amplificat se aplic pe o gril de nregistrare a semnalului. n majoritatea cazurilor, modul standard de lucru este cel emisiv n care sunt colectai electronii secundari emii de prob. Colectorul se afl la un potenial de 250-300 V fa de prob, ceea ce determin atragerea electronilor secundari. Dup o accelerare suplimentar pn la o energie eU de circa 10 keV, electronii ajung pe un scintilator de plastic acoperit cu un strat subire de aluminiu. Lumina creat n scintilator trece printr-o fibr optic spre un fotomultiplicator, unde este convertit n curent electric care poate fi amplificat. Timpul de zbor al electronilor este foarte scurt, de aproximativ 10-7 s. Acelai dispozitiv poate servi de asemenea pentru detectarea electronilor reflectai (retromprtiai), cu condiia aplicrii unui potenial mrit care s nu permit colectarea electronilor secundari de energii mai joase. Un detector utilizat pe scar larg este detectorul cu semiconductori n care electronii incideni care lovesc detectorul produc perechi electron-gol, care determin apariia unui curent electric n circuitul exterior. Deoarece detecia este realizat electronic (neformndu-se propriu-zis o imagine n sensul optic) se pot imagina diverse proceduri de prelucrare a semnalelor, acestea putnd fi adunate, sczute sau multiplicate. La nceput, era utilizat un sistem de obinere a imaginii simplu, format dintr-un tub catodic sau un sistem CRT. Sistemul CRT era format dintr-un tub vidat nchis la un capt cu o suprafa destinat imaginii, acoperit cu fosfor, care emitea lumin. La cellalt capt al tubului se aflau tunul de electroni i un set de bobine electromagnetice de deflecie. Similar cu SEM-ul, sistemul CRT utiliza un fascicul de electroni accelerai spre suprafaa acoperit cu fosfor. Bobinele de deflecie scanau cu fasciculul tiparul imaginii pe suprafaa afiajului. Fosforul avea rolul de a realiza conversia energiei electronilor incideni n lumin vizibil. Intensitatea luminii depindea de intensitatea curentului din fasciculul de electroni. Prin sincronizarea sistemului de scanare CRT cu sistemul de scanare SEM i prin modularea curentului din CRT cu semnalul imaginii, sistemul cartografia semnalul punct cu punct pe o suprafa de formare a imaginii a sistemului CRT, ceea ce ducea la obinerea unei imagini de electroni.

Avnd n vedere cele prezentate mai sus, schematic, funcionarea unui microscop electronic de baleiaj se bazeaz pe cteva etape:

formarea i accelerarea unui fascicul de electroni;

fasciculul de electroni este delimitat si concentrat folosind diafragmele metalice i lentilele condensoare;

utiliznd lentila obiectiv (final), fasciculul este focalizat pe suprafaa probei; interaciile generate n interiorul probei bombardate genereaz semnale care sunt

identificate i transformate ntr-o imagine sau n date privind coninutul sau concentraia elementelor din prob.

Din punct de vedere constructiv, sistemul electrono-optic este constituit din coloana microscopului, camera de lucru n care se monteaz proba i sistemul de detectori. Coloana microscoapelor electronice de baleiaj nu depaeste 80 cm n nalime i este aezat de obicei pe aceiai mas pe care se afl sistemul de operare i afiaj, sau este fixat pe un suport separat n raport cu panoul de operare. n partea superioar a coloanei se afl tunul electronic. Aproape la toate microscoapele de baleiaj se utilizeaz tunurile triod cu termocatod de wolfram.

Formarea imaginii n microscopul electronic de baleiaj

Tensiunea de accelerare aplicat la tun nu depaete 40.000 V i se aplic n trepte de la 100 V n sus, n funcie de proba examinat. Fasciculul de electroni accelerai are la ieirea din cilindrul Wehnelt un diametru cuprins ntre 250.000 i 500.000 . Pentru a putea fi exploatat, acest fascicul trebuie redus mult i adus la nivelul preparatului, pn la un diametru de 100 sau chiar mai mic. La unele microscoape, reducerea n diametru a fasciculului se realizeaz cu ajutorul a dou lentile condensoare, iar altele cu un sistem format din trei lentile condensor. Aceste lentile de tip electromagnetic, alturi de lentila obiectiv, constituie partea principal a coloanei microscopului. Trecnd prin acestea i prin aperturile centrate din planul principal al lentilei finale, fasciculul, care la emiterea din tunul de electroni are o densitate electronic de aproximativ 1015 electroni pe secund i un curent de 10-4 A, ajunge la final doar cu 6x106 electroni pe secund, cu un curent extrem de mic, de ordinul a 10-10 10-12 A i un diametru de 100 . Lentila final, fie c este vorba de o coloan cu dou lentile, fie de una cu trei, este cea mai important; adesea este denumit lentila obiectiv, dei rolul este de focalizare final a fasciculului pe preparat. n partea central ea include sistemul de deflexie sau de baleiaj al fasciculului i un stigmator pentru corectarea astigmatismului lentilei.

n partea inferioar a coloanei se afl camera probei i detectorii pentru semnalele emise de ctre prob. n interior, camera propriu-zis este circular, cu diametrul i nalimea variabile, n funcie de instrument. Suportul pentru probe este format dintr-o msu pe care se pot fixa preparate, cu diametrul de pn la 50 mm i nalimea de 10-20 mm, sau chiar mai mari. Suportul este mobil, astfel c preparatul poate fi rotit i nclinat sub diferite unghiuri, pentru a fi expus fasciculului de electroni. De asemenea, el poate fi adus pn la 5 mm distan de lentila final, n special pentru obinerea unor imagini de nalt rezoluie. Sistemul de detectori reprezint partea cea mai important a microscoapelor de baleiaj, care permit funcionarea instrumentelor n unul sau mai multe moduri de operare. Sistemul de baz, din dotarea standard a microscoapelor, este format din detectorul pentru electroni secundari i detectorul de electroni retrodifuzai. Foarte multe dintre cele mai moderne microscoape de baleiaj au i detectori pentru electroni transmii, catodoluminiscen, fore electronomotoare i detectorul de radiaii X, utilizat pentru analize privind compoziia chimic a probei. Tipurile de semnale care se obin n microscopia electronic de baleiaj i modalitile de detectare pot fi diferite.

Fiecare detector este conectat cu o unitate electronic montat pe consola de control. Cu ajutorul unitilor de control se poate trece uor de la captarea unui semnal la altul, dac aparatul este dotat cu toate tipurile de detectori. Deoarece la toate microscoapele se utilizeaz n principal electroni secundari i retrodifuzai, prezentm n cele ce urmeaz principiul de detectare i amplificare a acestora. Detectorul de electroni este format dintr-un colector, un scintilator i un fotomultiplicator. Electronii rezultai din prob n numar destul de mic, sunt captai de colector i accelerai cu o tensiune de peste 10.000 V, nainte de a atinge scintilatorul. Acesta din urm este confecionat fie din materiale plastice, dar n acest caz are o via scurt i sensibilitate redus, fie din silicat de ytriu, cunoscut in literatur i sub denumirea de P-47 i care are sensibilitate ridicat i o durat lung de exploatare. n urma impactului cu scintilatorul, fiecare electron d natere la un numar mare de fotoni care sunt dirijai ntr-un fotomultiplicator, unde fiecare fotoelectron formeaz un numr impresionant de mare de electroni secundari care sunt trimii n tubul catodic i utilizai la modularea fasciculului acestuia.

n tabelul nr.2 sunt prezentate diversele moduri de lucru i tipurile de informaii obinute n microscopia electronic de baleiaj.

Tabelul nr. 2

Emisie Electroni secundari emii

Topografie Potenial electric Cmpuri electrice i magnetice

10 nm

100 nm

1 m

Luminiscen

Fotoni Compoziional 100 nm

Conducie Cureni de prob

Conductibilitate indus 100 nm

Absorbie Cureni de prob absorbii

Topografie 1 m

Radiaii X Fotoni X Compoziional 1 m

Auger Electroni Auger

Compoziional 1 m

Transmisie Electroni transmii

Cristalografic 1-10 nm

Ultima generatie de microscoape electronice scanning, microscoapele ESEM (Environmental Scanning Electron Microscope) permit efectuarea investigatiilor tuturor categoriei de probe: probe metalice, ceramice, biologice, umede, murdare uleioase fara nici o pregatire prealabile. Mai mult, pot fi investigate probe aflate inmediul lor natural de viata sau de lucru.

2.1 Principii generale de functionare amicroscopului electronic de transmisie Partea principala a microscopului electronic de transmisie o constituie coloana vidata care contine tunul electronic si ansamblul de lentile electromagnetice, dupa cum s-a aratat in capitolul anterior. Dupa iesirea din tun, electronii sunt focalizati pe proba prin intermediul a doua lentile condensoare. In timp ce prima lentila condensoare formeaza o imagine de spot de circa 1 m diametru, a doua lentila condensor o mareste de doua ori. Deci spotul final al fasciculului observat pe ecran este de circa 2 m, dar pata luminoasa a fasciculului va ocupa intreg ecranul la mariri mari.

Proba consta dintr-un strat subtire sau o folie de material supusa iradierii cu fasciculul electronic. In urma proceselor de interactiune (v. cap. 4), electronii transmisi si difractati (imprastiati elastic) trec prin aperture (diafragma) lentilei obiectiv. Imaginea I1 formata de lentila obiectiv este preluata de o lentila intermediara P1 care va forma o imagine intermediara I2. Aceasta va fi in final marita cu ajutorul lentilei proiector P2 si proiectata pe ecran. In figura 2.1este prezentata schematic diagrama traiectoriilor electronice pentru obtinerea imaginii unei probe in microscopul electronic prin transmisie. Prin excitarea diferita a lentilelor P1 si P2, este posibila asigurarea unui domeniu de mariri de la circa 1000 si pana la peste 100 000 .

Fig.2.1

Daca fasciculul incident este paralel, atunci fasciculele difractate care parasesc proba pot fi focalizate in planul focal posterior al lentilei obiectivdifractie. In acest scop lentila Pplasata in jurul fasciculului nedeviat pentru a produce conditiile favorabile contrastului de difractie. Diagrama traiectoriilor difractie, este reprezentata schematic in figura 2.1.b.

In figura 2.2 este prezentata o sectiune transversala printr

transmisie de tip JEM-100 S in care se obser

Daca fasciculul incident este paralel, atunci fasciculele difractate care parasesc proba pot fi focalizate in planul focal posterior al lentilei obiectiv si formeaza astfel o imagine de difractie. In acest scop lentila P1 este excitata la curenti mici, iar apertura obiectiv este plasata in jurul fasciculului nedeviat pentru a produce conditiile favorabile contrastului de difractie. Diagrama traiectoriilor electronice, corespunzatoare obtinerii unei imagini de difractie, este reprezentata schematic in figura 2.1.b.

Fig.2.2

In figura 2.2 este prezentata o sectiune transversala printr-un microscop electronic de 100 S in care se observa principalele parti componente ale acestuia:

Daca fasciculul incident este paralel, atunci fasciculele difractate care parasesc proba si formeaza astfel o imagine de

este excitata la curenti mici, iar apertura obiectiv este plasata in jurul fasciculului nedeviat pentru a produce conditiile favorabile contrastului de

electronice, corespunzatoare obtinerii unei imagini de

un microscop electronic de va principalele parti componente ale acestuia:

tunul electronic (1); anodul (2); lentila condensoare (3); diafragma condensor (4); a doua lentila condensoare (5); suportul probei (6); diafragma obiectiv (7); lentila obiectiv (8); diafragma pentru microdifractie (9); lentila intermediara (10); lentila proiectoare (11); binocularul (12); ecranul (13); camera fotografica (14). In tabelul 2 sunt prezentate comparativ caracteristicile unor microscoape electronice de transmisie moderne.

2.2 Formarea imaginii Bazele fizice ale microscopiei electronice prin transmisie sunt determinate pe de o parte de interactiunea campurilor electromagnetice, produse in lentile, cu electronii, care influenteaza parametrii electronooptici ai instrumentului, si pe de alta parte de interactiunea electronilor cu proba de investigat. Ultimul factor joaca rolul hotarator in formarea imaginii in microscopia electronica.

Dupa cum s-a aratat anterior, electronii sunt puternic imprastiati de corpurile solide; deci pentru ca electronii sa poata traversa proba este necesar ca aceasta sa aiba o grosime suficient de mica, iar electronii sa posede energii suficient de mari. Interactiunea electronilor cu substanta poate conduce la doua tipuri de imprastiere (v.cap.4); imprastiere inelastica si imprastiere elastica. Imprastierea inelastica rezulta in urma ciocnirii fluxului de electroni cu norii electronici ai atomilor substantei imprastietoare ceea ce duce la pierderea unei parti din energia fasciculului, cu schimbarea corespunzatoarea a lungimii de unda asociata. Energia pierduta se regaseste sub forma de energie termica, care ridica temperatura probei, sau sub forma de energie a fotonilor de radiatii X emisi de proba. Imprastierea elastica se produce fara pierderea de energie si variatie a lungimii de unda a electronilor, aparand ca rezultat al devierii electronilor sub actiunea nucleelor atomice din substanta imprastietoare. Intrucat intensitatea imprastierii electronilor pe nuclee este mult mai mare decat cea a imprastierii pe norii electronici, contributia imprastierii elastice la imprastierea totala va fi mult mai mare decat cea corespunzatoare imprastierii inelastice. De asemenea, imprastierea elastica a fasciculului electronic creste cu cresterea numarului de ordine al elementului respectiv.

Avand in vedere cele mentionate anterior, datorita imprastierii, fasciculul incident de electroni, paralel si cu sectiune mica, devine dupa traversarea probei un fascicul divergent mult largit. Astfel electronii imprastitati vor forma un con spatial a carui axa este

reprezentata de traiectoria nedeviata a fasciculului incident.

Cu cat este mai mic unghiul conului sub care sunt deviate electronii de la directia initiala, cu atat mai mare va fi densitatea electronilor imprastiati, deci implicit a electronilor care vor atinge in final ecranul sau placa fotografica. In general, imprastierea electronilor, deci marimea unghiului conului de deviatie, este influentata de densitatea substantei imprastietoare si de grosimea probei. Prin cresterea grosimii sau densitatii probei, fractia de electroni imprastiati la unghiuri mari creste. Acelasi fenomen se observa si la micsorarea energiei electronilor incidenti. Datorita acestui fapt, in microscopia electronica prin transmisie, probele au grosimi de cateva sute de angstrmi la energii ale fasciculului electronic de 50 100 keV. In aceste conditii, fasciculul electronic este imprastiat la unghiuri mici, de ordinal a 1, iar dispersia energetica la traversarea probei nu depaseste 10 eV. Imaginea elecrono-optica a obiectului se formeaza prin intermediul lentilei obiectiv cu ajutorul electronilor imprastiati. Fasciculul paralel, format in tunul electronic si lentilele condensoare, contine electroni de aproximativ aceeasi energie (fascicul monocromatic).Dupa traversarea probei, fasciculul emergent contine electroni deviati sub unghiuri diferite. Ulterior, acest fascicul electronic transmis intra in lentila obiectiv, prevazuta cu o diafragma circulara cu deschidere de 0,03-0,04 mm, care joaca un rol important intrucat opreste electronii deviati la unghiuri mai mari decat deschiderea sa. Electronii care nu trec prin diafragma nu vor participa la formarea imaginii in timp ce electronii nedeviati sau slab deviate vor trece prin lentila obiectiv si vor forma pe ecranul fluorescent imaginea electronooptica a obiectului de studiat (fig. 10). Probele supuse investigarii electrono-microscopice sunt de obicei asezate pe straturi suport care imprastie mult mai slab electronii decat proba, deci pe un fond luminos se va obtine imaginea mai intunecata a probei. Imaginea obtinuta astfel se numeste imagine in camp luminos (fig. 10a).

Fig.2.2

Un alt tip de imagine care se poate obtine in microscopul electronic prin transmisie este imaginea in camp intunecat ( dark field), unde pe un fond intunecat se obtine imaginea luminoasa a obiectului. In acest caz, fasciculul electronic cade pe proba sub un anumit unghi fata de axa optica a microscopului, in asa fel incat electronii nedeviati sa fie stopati (absorbiti) de diafragma, prin deschiderea acesteia trecand si formand imaginea doar electronii care au suferit o imprastiere (difractie) suficient de intensa in proba (fig. 10b). Astfel, portiunile cele mai dense si mai groase vor aparea pe ecran cele mai luminoase, iar detaliile slab imprastietoare vor fi cele mai intunecate. Pentru formarea imaginii in camp intunecat se poate utiliza fie inclinarea sistemului de iluminare (tunului electronic), fie deplasarea diafragmei din pozitia sa centrala. Imaginea in camp intunecat are o rezolutie ceva mai slaba decat cea in camp luminos, intrucat la obtinerea sa participa electronii imprastiati la unghiuri mari, cu o dispersie energetica relativ mare, ceea ce determina cresterea aberatiilor cromatica si sferica ale lentilei obiectiv. Este interesant de observat ca, desi imaginea in camp intunecat poate fi considerata ca un negativ al imaginii in camp luminos, totusi exista o serie de detalii fine care nu coincid in cele doua tipuri de imagini. Din acest motiv, cele doua metode de obtinere a imaginii in camp luminos si intunecat sunt utilizate complementar.

Formarea imaginii unor seturi de plane ale retelei cristaline in probe metalice a fost posibila prin trecerea prin apertura lentilei obiectiv atat a fasciculului direct transmis cat si a fasciculelor difractate pe respectivul set de plane. Imaginea formata poate fi considerata ca un tip de imagine de interferenta, utilizata curent ca test de rezolutie pentru microscopul electronic.

2.3 Formarea contrastului Datorita neomogenitatii probei, diferitele sale zone vor imprastia electronii in mod diferit. Intrucat stralucirea imaginii va depinde de cantitatea de electroni care cad pe ecran, densitatea minima de electroni pe ecran va corespunde acelor detalii ale probei, cu cu grosime si densitate maxima, reprezentand zone de imprastiere puternica. Aceste detalii ale probei vor aparea in imagine mai intunecate. Invers, unele detalii slab imprastietoare ale probei vor apare pe ecran ca zone mai luminoase. Diferenta de stralucire intre zone invecinate ale imaginii probei defineste contrastul imaginii in microscopia electronica. Pentru obtinerea contrastului in imagine pe ecranul fluorescent este necesar ca densitatea electronilor sa nu fie aceeasi pe sectoarele corespunzatoare diferitelor detalii ale obiectului, ceea ce va face ca aceste sectoare sa apara distincte. In cazul

contrar, al unei densitati egale de electroni, ecranul se va lumina uniform, neaparand deci nici o imagine.

Contrastul imaginii creste cu cresterea diferentelor de densitate si grosime in diferitele zone ale obiectului si cu micsorarea deschiderii diafragmei lentilei obiectiv si a tensiunii de accelerare. Intr-adevar, cresterea tensiunii de accelerare produce cresterea vitezei elctronilor si, prin urmare, micsorarea imprastierii lor, ceea ce va slabi contrastul in imagine. Un contrast foarte bun va permite observarea celor mai fine detalii existente in structura probei. Din punct de vedere cantitativ, in microscopia electronica prin transmisie,, contrastul dintre doua zone diferite ale probei este dat de diferenta relativa a numarului de electroni care trec prin diafragma dupa imprastierea in cele doua zone; deci intensitatea contrastului, G, se defineste prin

1

2

1

21 1NN

NNNG == , (19)

unde N1 si N2 reprezinta numarul de electroni pe unitatea de suprafata proveniti din cele doua zone invecinate ale probei. In cazul probelor de grosimi mici, un calcul bazat pe proportionalitatea numarului de electroni imprastiati cu numarul de electroni incidenti si cu grosimea probei, duce la urmatoarea relatie:

( )12 xxANG A =

, (20)

unde NA este numarul lui Avogadro, A masa atomica, densitatea, capacitatea de imprastiere a electronilor de catre un anumit tip de atomi sub un unghi mai mare decat cel al diafragmei lentilei obiectiv, iar x1 si x2 sunt grosimile zonelor respective din proba. Marimea

ANA /= reprezinta coeficientul de transparenta al probei fata de fasciculul de electroni.

Din relatia (20) rezulta ca , la grosimi foarte apropiate, diferenta de contrast este legata exclusiv de diferenta dintre numerele atomice si masele atomice caracteristice elementelor din proba. In cazul unei probe care contine acelasi tip de atomi, contrastul depinde numai de variatia grosimii probei.

Din punctual de vedere al formarii contrastului exista o diferenta principiala intre microscopul electronic prin transmisie si microscopul optic obisnuit. In microscopul optic, contrastul apare din cauza absorbtiei diferite a luminii in zonele invecinate ale probei. In microscopul electronic, contrastul se formeaza pe baza imprastierii diferite a electronilor in portiuni adiacente din proba. In probele amorfe (fara structura cristalina, deci cu o distributie haotica a atomilor substantei), fasciculul de electroni sufera o imprastiere dezordonata pe nucleele atomice avand ca rezultat devierea de la directia initiala. O fractie oarecare din flux patrunde prin diafragma, ceea ce conduce la formarea in imagine a unui contrast slab, numit contrast de absorbtie. In cazul probelor cristaline, constratul imaginii in microscopia electronica prin transmisie este in principal un contrast de difractie, deoarece grosimea mica a probelor si tensiunile mari de accelerare fac ca absorbtia electronilor sa joace un rol neglijabil. Contrastul de difractie este legat de imprastierea prin difractie a electronilor pe planele retelei cristaline dupa anumite directii preferentiale ( aceasta problema va fi analizata in cap.2.5). Electronii din fasciculul primar, difractati sub anumite unghiuri, modifica densitatea de electroni care formeaza imaginea, ceea ce explica aparitia contrastului de difractie. Intrucat, de obicei, unghiurile sub care electronii sunt difractati depasesc unghiul de deschidere al diafragmei lentilei obiectiv, zonele cristaline din imaginea in camp luminos vor aparea mult mai intunecate decat cele amorfe. Contrastul de difractie este dependent de tensiune ade accelerare si de particularitatile de difractie ale obiectului (gradul de cristalinitate, orientarea cristalografica, numerele atomice ale elementelor din proba, grosimile diferitelor zone ale probei). In cazul in care reteaua cristalina are defecte (dislocatii, defecte de impachetare, pori, granite intercrstaline, limite de macle), conditiile locale de difractie vor fi alterate, fata de cazul unei periodicitati ideale a retelei cristaline, ceea ce va permite evidentierea acestor defecte prin metoda contrastului de difractie. Concomitent poate fi evaluata densitatea si distributia diferitelor tipuri de defecte in proba studiata.

2.4 Prepararea probelor 2.4.1 Metode de preparare a probelor fizico-metalurgice Probele preparate pentru microscopia electronica prin transmisie trebuie sa tina seama, in privinta grosimii, de tensiunea acceleratoare, pentru ca transmisia electronilor sa se faca fara pierderi energetice excesive. In general, pentru tensiuni acceleratoare pana la 100 kV,

grosimea probelor poate varia intre 100 si 1000 , in functie de natura materialului si caracterul studiului intreprins. In principiu se disting doua tipuri diferite de metode de pregatire a probelor in functie de scopul urmarit in cadrul investigatiilor structurale: metode de studiu a topografiei si morfologiei suprafetei si metode in vederea examinarii structurii interne. a) metode de preparare a probelor pentru studiul topografiei si morfologiei superficiale. Una dintre tehnicile cele mai utilizate pentru investigarea suprafetelor este metoda replicilor. Aceasta metoda consta in depunerea pe suprafata probei investigate a unui strat subtire de substanta, care apoi se separa de proba, constituind o replica care se studiaza in microdcopul electronic prin transmisie, tinand seama ca replica reprezinta o copie negativa a topografiei suprafetei. Principala cerinta a unor replici de calitate este preluarea exacta prin replicare a topografiei superficiale a probei. Se pot obtine replici de pe suprafete rugoase, de pe suprafete de rupere (fractura) sau de pe suprafete polizate si lustruite, atacate chimic, electrochimic sau prin bombardament ionic. In cazul suprafetelor atacate, morfologia unor constituent5i sau faze secundare poate fi usor relevata datorita ratei diferite de atac a acestora in rapot cu matricea.

In functie de natura si propietatile materialelor investigate exista mai multe tipuri de replica: 1) replici in plastic; 2) replici obtinute prin evaporare; 3) replici obtinute prin oxidare. Replicile in plastic se obtin prin depunerea pe suprafata probei a unei solutii de material plastic intr-un solvent organic corespunzator. Dupa evaporarea solventului, pe suprafata

probei ramane un strat de lac solid si subtire, care se poate desprinde de proba pe cale mecanica sau chimica (prin dizolvarea probei). In acest scop se utilizeaza curent solutii de 0,5 2% colodiu in acetat de amil sau 1-5% formvar in dioxin. Uneori aceste replici sunt insa putin transparente pentru fasciculul de electroni si contrastul in imagine este scazut. Mult mai utilizate sunt replicile obtinute prin evaporare care confera in general rezolutii inalte si contrast ridicat. In mod obisnuit aceste replici se obtin prin evaporarea termica in vid a carbonului in instalatii speciale de evaporare. Replicile oxidice pot fi obtinute numai in cazul unor metale si aliaje care se oxideaza usor ( de exemplu aluminiul si aliajele sale). Stratul de oxid se poate obtine de exemplu ca rezultat al unui proces de electroliza si se desprinde de proba intr-un solvent corespunzator, fiind apoi asezat pe un suport special pentru studiul direct in microscopul electronic. Frecvent, in functie de numarul etapelor parcurse pentru obtinerea preparatului de studiat, metodele de pregatire a replicilor ( replicare) se clasifica in :

- metode de replicare cu o singura treapta;

- metode de replicare cu doua trepte. In prima metoda ( fig. 11a) se obtine replica direct de pe suprafata investigate, asa cum s-a descries anterior, aceasta copie negativa fiind studiata ulterior in miocroscopul electronic prin transmisie.

In a doua metoda (fig.11b), replica se obtine in doua etape: la inceput se obtine o replica intermediara groasa ( matrita) de pe suprafata probei, iar ulterior, dupa separarea mecanica a acesteia, se pregateste replica finala ( prezentand acelasi microrelief ca si proba initiala) printr-un procedeu asemanator primei metode. In acest scop, se executa evaporarea de carbon in strat subtire pe suprafata matritei, urmand ca replica finala de carbon sa se separte de matrita de plastic prin dizolvarea acesteia intr-un solvent organic.Ca materiale plastice pentru matrite se pot utiliza: polistirol, formvar, colodiu sau celuloza, iar ca silventi tipici pentru acestea se folosesc: benzol, dioxin, acetat de amil si acetona.

Replica monotreapta Replica in doua trepte Replica de extractie

a b c Fig. 2.3 Contrastul in imaginea microscopica este neomogen in diferitele portiuni ale replicii, in functie de microrelieful suprafetei probei. In unele cazuri, contrastul poate fi atat de slab, incat unele detalii investigate nu pot fi distinse pe fondul general al imaginii. Pentru intensificarea contrastului se utilizeaza metoda umbririi cu metale grele care au o putere mai mare de imprastiere a electronilor. In principiu, metoda consta in depunerea prin evaporare in vid , sub anumite unghiuri fata de suprafata probei, a unor straturi subtiri de metal. Depunerea are loc prin incalzirea electrica a materialului metalic intr-o spirala sau cosulet de wolfram sau tantal care se monteaza in acelasi dispozitiv de evaporare mentionat.

Particulele de metal formeaza straturi cu grosimi diferite, in functie de unghiul format de diversele portiuni al replicii in directia fluxului particulelor evaporate. Zonele din relieful replkicii, care se afla situate normal pe directia fluxului, vor fi acoperite cu un strat mai gros de metal, spre deosebire de celelalte zone unde grosimea stratului va depinde de unghiul de inclinare. Portiunile mascate de alte elemente de relief vor fi umbite, deci in acele zone nu se va depune metal. Aceste regiuni vor fi mai transparente la electroni si, deci, in imaginea electrono-miocroscopica mai luminoasa decat portiunile acoperite cu un strat mai gros de metal, unde luminozitatea va fi in functie de grosime acestuia. Metoda umbririi permite valoarea inaltimii h a elementelor de microrelief prin masurarea lungimii umbrelor lasate de acestea pe imagine, cu ajutorul relatiei:

tghl /= , (21)

unde l este lungimea umbrei, iar unghiul sub care s-a facut umbrirea. Prin urmare, in cazul unor detalii de dimensiuni mari, se vor utilize unghiuri de cca 45, raportul inaltime-umbra fiind in acest caz de 1:1, iar in cazul unor detalii mai fine ale reliefului se recomanda folosirea unor unghiuri mici de umbrire de pana la 10-12. Metalele grele cele mai utilizate pentru umbrire sunt: crom, aur, platina, aliaje de platina cu paladiu sau aur, uraniu, oxid de uranium, oxid de wolfram etc. Un tip special de replici il constituie repliocile de extractie ( fig.11c), care sunt replica obisnuite extrase de pe suprafete atacate chimic un timp mai indelungat, deci in replica vor fi retinute doar microparticule sau faze izolate. Microparticulele sau fazele extrase isi vor pastra morfologia si localizarea, iar prin tehnici de microdifractie sau microanaliza se va putea preciza natura acestora.

O alta metoda de preparare pentru investigarea suprafetelor prin microscopie electronica prin transmisie este metoda decorarii care consta in depunerea prin evaporare de scurta durata pe suprafata probei a unor germeni cristalini metalici, care vor forma aglomerari sau lanturi de particule in zonele continand defecte cristaline, pe care le decoreaza, marcand prezenta si locul acestora in imagine. Prin metoda decorarii este posibila vualizarea directa a acelor elemente de relief superficial care constituie centre electric active sau concentratoare de tensiuni. De asemenea, se poate urmari evolutia defectelor respective ca rezultat al diverselor interactiuni fizico-chimice.

Toate tipurile de replici, fiind de grosimi reduse si, in general, fragile, sunt asezate pe suporti metalici sub forma de retea, avand uzual un diametru de cca 3mm. b) metode de preparere a probelor in vederea examinarii structurii interne. O mare varietate de metode a fost propusa pentru reducerea grosimii probelor pana la obtinerea unor folii subtiri, cu grosimi adecvate investigatiilor electrono-microscopice. Straturi subtiri au fost obtinute prin evaporare si depunere in vid, sau prin pulverizare cu fascicule ionice a materialului respective pe suporti convenabili. Unele cristale ( de exemplu mica) pot fi direct clivate la grosimi suficient de subtiri, pentru a permite examinarea in microscopul electronic prin transmisie.

Metodele curente de obtinere a unor probe cu grosimi sub 0,5mm constau in taierea mecanica, eroziunea chimica sau electrochimica. Materialele ceramice pot fi de asemenea subtiate prin utilizarea bombardamentului ionic. In final, probele cu grosime redusa trebuie sa fie aduse la transparenta electronica printr-un process controlat de polizare electrolitica. Electropolizarea se efectueaza prin doua tehnici standard: metoda ferestrei si metoda Bollmann. In prima metoda, proba acoperita cu un lac protector in zona marginilor, pentru a preveni un atac chimic excesiv, este suspendata intr-un electrolit. In fata probei, care constituie anodul, se afla catodul confectionat din acelasi material. Aplicand o tensiune si o densitate de curent adecvate, in fereastra constituita de zona nelacuita a suprafetei probei se formeaza gauri, pe marginea carora sau intre care se afla portiuni transparente pentru fasciculul electronic,

acestea din urma putand fi decupate si studiate in microscop. In metoda Bollmann, proba de subtiat (anodul) se afla intre doi catozi de otel inoxidabil ascutiti. Acesti doi electrozi sunt plasati la cca 0,5mm de centrul suprafeti probei. Dupa obtinerea unei perforatii, proba este deplasata astfel incat electrozii sa se afle intre perforatia anteriaoa si marginea cea mai apropiata a probei. Subtierea continua in acelasi regim, pana in momentul in care marginile perforatiei si probei aproape se unesc. Zona foliei cuprinsa intre cele doua margini poate fi taiata si examinata direct in microscop. Solutiile de electroliti se aleg in functie de natura materialului iar regimul de subtiere electrolitica( tensiune, densitate de curent) este variabil si necesita uneori lucrul la temperature fie scazute, fie ridicate. Un exemplu tipic de electrolit, utilizat pentru subtierea otelurilor inoxidabile, este cel format din 42% H3PO4, 34% H2SO4 si 24% H2O, intr-un regim de polizare caracterizat prin U= 8-9 V, I=9-10A, t=30 -60 C . Dupa cum s-a mentionat anterior, stratul subtiri metalice sau ceramice pot fi obtinute prin procedee de depunere prin evaporare in vid, prin pulverizare catodica sau cu fascicule ionice,

prin depunere electrolitica, sau prin depunere chimica in faza de vapori (CVD). Straturile obtinute de grosimi variabile pot fi mono sau policristaline. Factorii esentiali pentru controlul dimensiunii grauntilor, orientarea cristalografica si compozia chimica a straturilor depuse sunt: viteza de depunere, temperature suportului, natura chimica a suportului si stratului. In calitate de suport se utilizeaza curent halogenuri alcaline, carboni, sticla, mase plastice etc. 2.4.2 Metode de prepare in domeniul biomedical Deoarece probele biologice sunt extreme de fine si au rezistenta mecanica scazuta, obtinerea preparatelor biologice necesita utilizarea unor metode specifice de pregatire. In functie de natura preparatelor biologice ( suspensii continand virusuri sau bacterii, sectiuni ultrafine de tesuturi, replici ale unor probe biologice) se adopta diverse tehnici de preparare, avand in vedere faptul ca grosimea probei nu trebuie sa depaseasca 100 nm la o tensiune acceleratoare de 100 kV. In foarte putine cazuri ( virusuri, organite subcelulare izolate) grosimea este suficient de mica pentru observare directa. Suspensiile pot fi depuse pe grilele suport (discuri de retea metalica acoperite cu un strat subtire organic lipsit de structura) prin pipetare, adsorbtie, intindere sau pulverizare. Tehnicile de replicare ale probelor biologice sunt similare cu cele descrise in 2.4.1. In multe cazuri, replicare este precedata de o operatie de uscare prin congelare (freeze-drying) sau corodare prin inghetare (freezeetching). Pentru marirea constratului preparatelor biologice se utilizeaza metalizarea sau umbrirea cu maetale grele prin evaporare in vid. Investigarea aspectelor morfologice implica metalizarea pentru observarea electronomicroscopica a virusurilor, bacteriilor, structurilor subcxelulare sau macromoleculare (acizi nucleici, proteine, enzime). Principalele etape de preparare a unor sectiuni ultrafine de probe biologice sunt: fixarea, deshidratarea, inglobarea si sectionarea. Scopul principal al intregii proceduri este de a produce felii subtiri de preparat in care structura fina sa fie conservata cu o alterare minima fata de realitatea biologica. Fixarea are ca scop stabilizarea organizarii celulare astfel incat relatiile ultrastructurale sa fie pastrate in cursul etapelor ulterioare de deshidratare, inglobare si expunere la fasciculul electronic. Fixarea poate avea loc in vivo (pe viu) sau imediat dupa moartea organismului. Mentionam printre agentii de fixare curent utilizati: tetraoxidul de osmium, aldehidele (in special glutaraldehidele), acetatul de uranil. Deshidratarea se efectueaza imediat dupa fixare. Cei mai folositi agenti de deshidratare sunt etanolul si acetona. Intrucat rasinile poliesterice utilizate ca mediu de inglobare, sunt

insolubile in etanol, probele sunt deshidratate in acetona sau in etanol cu utilizarea unei trepte intermediare de deshidratare in stiren sau acetona. Inglobarea se aplica in stadiul final de preparare a unei probe biologice; pentru obtinerea prin taiere a unor sectiuni subtiri, proba este infiltrata cu un mediu de inglobare lichid care produce prin polimerizare un corp solid. Un mediu ideal de inglobare trebuie sa fie solubil in etanol sau acetona inaintea polimerizarii, san u altereze proba fizic sau chimic, sa se durifice uniform, dar sa ramana totusi destul de plastic in vederea taierii sis a fie relativ stabil la bombardament electronic. Principalele tipuri de medii de inglobare sunt rasinile epoxidice, rasinile poliesterice si metacrilatii, primele fiind cele mai des folosite. Sectionarea se face cu aparate speciale numite ultramicrotoame, care taie felii subtiri de 0,01-0,2 m din blocul de inglobare continand tesutul de studiat. Taierea se face cu cutite speciale de sticla sau diamante. In scopul imbunatatirii contrastului si rezolutiei se utilizeaza metode speciale, cum ar fi: colorarea pozitiva, colorarea negativa si umbrirea sau metalizarea. Colorarea pozitiva consta in impreganarea structurilor biologice cu un colorant compus din saruri ale unor metale grele. Deoarece fiecare tip de molecula prezinta o afinitate chimica caracterisrica fata de colorant, imprastierea electronilor de catre atomii grei ai colorantului va fi diferita, in functie de cantitatea de colorant retinuta de molecula respective. Prezenta ionilor metalice mareste densitatea specifica a preparatului, ceea ce implica o marire a contrastului in imaginea electrono-microscopica, conform relatiei (20). Colorantii cei mai utilizati sunt sarurile de uraniu, de plumb, de thorium, de lantan, etc. Colorarea negativa, metoda larg utilizata in studiul virusurilor, microorganismelor si fractiunilor celulare, consta in plasarea preparatului biologic intr-o solutie care contine un pigment cu putere foarte mare de imprastiere si care nu reactioneaza chimic cu preparatul. Dintre substantele utilizate ca pigmenti amintim fosfotungstenatii, acetatul de lantan, wolframatul de sodium , acetatul de uranil, etc. Metalizare sau umbrirea este o metoda descrisa deja in 2.4.1.. In scopul evidentierii aspectelor morfologice ale unor preparate biologice ca virusuri, bacterii, structuri celulare sau macromoleculare (acizi nucleici, proteine, enzyme), pentru evaporate in vid se utilizeaza metale cum ar fi: aur, aliaj aur-paladiu, oxizi de uraniu, platina-carbon etc.. 2.5 Difractia de electroni Datorita proprietatilor ondulatorii ale electronilor, la trecerea acestora prin reteaua cristalina a probelor, are loc un fenomen de imprastiere dupa anumite directii, numit difractie. Electronii imprastiati formeaza, prin suprapunere, maxime de difractie a caror pozitie

ordonata corespunde distributiei regulate a atomilor in reteaua cristalina. Astfel, ca urmare a difractiei electronilor, se obtine pentru fiecare substanta o imagine de difractie caracteristica, care permite identificarea stConsiderand, intr-o prima aproximatie, difractia electronilor ca un rezulata al reflexiei fasciculului electronic pe unele plane atomice ale retelei cristaline, se poate stabili, pe baza directiei fasciculelor difraclegea de difractie descoperita de W. H. Bragg: 2dsinIntr-adevar, in fig.12 se observa ca, daca un fascicul de electroni cade pe un cristal sub unghiul fata de un set de plane cristalograficetrei numere denumite indici Miller ( se produce, conform legilor din fixica clasica, daca drumul electronilor reflactati de plane atomice adiacente difere cu un numar intreg de lungimi de unda.

Daca raza difractata pleaca de la prazelor, n., care corespunde drumului suplimentar parcurs de fiecare raza in raport cu precedenta (distanta ABC) va fie gala cu mentionata anterior.

Fenomenul de difractie a electronilor prezinta o mare similitudine cu fenomenul de difractie a radiatiilor X in cristale. Totusi difractia electronilor prezinat o serie de particularitati legate de lungimile de unda mici associate electronilor si de imprretelei. Astfel se explica faptul ca dimensiunea limita a particulelor cristaline care formeaza imagini de difractie corespunde la cca 10pentru radiatiile X. De asemenea, cu

ordonata corespunde distributiei regulate a atomilor in reteaua cristalina. Astfel, ca urmare a difractiei electronilor, se obtine pentru fiecare substanta o imagine de difractie caracteristica, care permite identificarea structurii si naturii probei investigate.

o prima aproximatie, difractia electronilor ca un rezulata al reflexiei fasciculului electronic pe unele plane atomice ale retelei cristaline, se poate stabili, pe baza directiei fasciculelor difractate, oreintare in spatiu a acestor plane, ceea ce echivaleaza cu legea de difractie descoperita de W. H. Bragg:

2dsin = n. (22)adevar, in fig.12 se observa ca, daca un fascicul de electroni cade pe un cristal sub

fata de un set de plane cristalografice-complet caracterizate ca pozitie spatiala prin trei numere denumite indici Miller ( h,k,l) situate la distanta interplanara d, atunci difractia se produce, conform legilor din fixica clasica, daca drumul electronilor reflactati de plane atomice adiacente difere cu un numar intreg de lungimi de unda.

Fig. 2.4

Daca raza difractata pleaca de la planul de reflexie sub unghiul , atunci diferenta de drum a ., care corespunde drumului suplimentar parcurs de fiecare raza in raport cu

precedenta (distanta ABC) va fie gala cu 2dsin, ceea ce reprezinta legea lui Bragg (22)

Fenomenul de difractie a electronilor prezinta o mare similitudine cu fenomenul de difractie a radiatiilor X in cristale. Totusi difractia electronilor prezinat o serie de particularitati legate de lungimile de unda mici associate electronilor si de imprastierea lor puternica pe atomii retelei. Astfel se explica faptul ca dimensiunea limita a particulelor cristaline care formeaza imagini de difractie corespunde la cca 102 103 pentru electroni si la cca 10pentru radiatiile X. De asemenea, cu ajutorul difractiei de elctroni se pot studia straturi foarte

ordonata corespunde distributiei regulate a atomilor in reteaua cristalina. Astfel, ca urmare a difractiei electronilor, se obtine pentru fiecare substanta o imagine de difractie caracteristica,

o prima aproximatie, difractia electronilor ca un rezulata al reflexiei fasciculului electronic pe unele plane atomice ale retelei cristaline, se poate stabili, pe baza

tate, oreintare in spatiu a acestor plane, ceea ce echivaleaza cu

(22) adevar, in fig.12 se observa ca, daca un fascicul de electroni cade pe un cristal sub

complet caracterizate ca pozitie spatiala prin

situate la distanta interplanara d, atunci difractia se produce, conform legilor din fixica clasica, daca drumul electronilor reflactati de plane

, atunci diferenta de drum a ., care corespunde drumului suplimentar parcurs de fiecare raza in raport cu

, ceea ce reprezinta legea lui Bragg (22)

Fenomenul de difractie a electronilor prezinta o mare similitudine cu fenomenul de difractie a radiatiilor X in cristale. Totusi difractia electronilor prezinat o serie de particularitati legate

astierea lor puternica pe atomii

retelei. Astfel se explica faptul ca dimensiunea limita a particulelor cristaline care formeaza pentru electroni si la cca 103 106

ajutorul difractiei de elctroni se pot studia straturi foarte

subtiri de substanta (grosimi intre 20 si 1000 ), fapt dificil de realizat prin investigatii roentgeno-structurale.

Cea mai simpla camera de difractie a electronilor consta dintr-un tun electronic, o lentila obiectiv, proba si ecranul de observare (fig. 13). Notand cu R distanta dintre pata centrala, corespunzatoare fasciculului electronic incident nedifractat, si un maxim de difractie, eset evident din figura ca: R = L tg 2, (23)

unde L este lungimea camerei de difractie (in principiu, distanta proba-ecran). Masurand R si L se poate calcula unghiul de imprastiere . Apoi, cu ajutorul relatiei lui Bragg, se poate determina distanta inter