FUNDAMENTOS
DE LA TÉCNICA
En el microscopio electrónico de
transmisión (MET o TEM) se irradia una muestra delgada con un
haz de electrones de densidad de corriente uniforme, cuya
energía está dentro del rango de 100 a 200 keV. Parte de
esos electrones son transmitidos, otra parte son dispersados y otra
parte da lugar a interacciones que producen distintos fenómenos
como emisión de luz, electrones secundarios y Auger, rayos X,
etc. Todas estas señales se pueden emplear para obtener
información sobre la naturaleza de la muestra
(morfología, composición, estructura cristalina,
estructura electrónica, etc.). El microscopio electrónico
de transmisión emplea la transmisión/dispersión de
los electrones para formar imágenes, la difracción de los
electrones para obtener información acerca de la estructura
cristalina y la emisión de rayos X característicos para
conocer la composición elemental de la muestra.
Para que se produzca la transmisión de electrones a
través de la muestra es necesario que ésta sea delgada,
es decir, transparente a los electrones. Es recomendable no utilizar
muestras de más de 100 nm de grosor ya que cuanto menor sea el
espesor de la muestra mejor calidad de imágenes se puede
obtener.
Formación
de la
imagen:
Los electrones muestran
características
tanto de onda como de partícula. Cuando se atiende a su
comportamiento
ondulatorio se pueden observar variaciones tanto en la amplitud como en
la fase de la onda al atravesar la muestra y ambos tipos de
variación
dan lugar al contraste en la imagen. (Se define el contraste como
diferencias
en intensidad entre dos zonas adyacentes). Así, en TEM se hace
una
distinción fundamental entre contraste de amplitud y contraste
de
fase. En la mayoría de situaciones ambos tipos
contribuyen
a la formación de la imagen pero uno de ellos tiende a
dominar.
En las imágenes de contraste de amplitud se obtienen
imágenes de campo claro o campo oscuro seleccionando mediante
diafragmas o aperturas, el haz directo o los haces dispersados,
respectivamente. Dentro del contraste de amplitud existen dos tipos
principales: contraste debido al grosor o masa de la muestra y el
contraste debido a la difracción de los electrones. En el primer
caso el contraste se produce debido a la dispersión incoherente
y elástica de los electrones al atravesar la muestra y depende
fuertemente del número atómico y del grosor de la misma.
Este contraste es el más importante en el caso de muestras no
cristalinas, como polímeros, y es el contraste crítico de
las muestras biológicas. El contraste de difracción se
produce debido a la dispersión coherente y elástica de
los electrones al atravesar la muestra y está controlado por la
estructura cristalina y la orientación de la misma. Se da cuando
la dispersión de los electrones se produce a un ángulo
(de Bragg) determinado y por tanto sólo aparece en muestras
cristalinas.
Las imágenes de contraste de fase se forman seleccionando
más de un haz de electrones y generalmente se asocia con la
microscopía electrónica de alta resolución (HRTEM)
aunque a bajos aumentos también se produce este tipo de
contraste. Este contraste se utilizan ampliamente de tres formas: a)
imágenes que se relacionan directamente con la estructura
periódica de una muestra cristalina; b) imágenes de
franjas de Moiré; c) imágenes de contraste de Fresnel.
Formación del patrón de difracción de electrones:
Como se ha señalado anteriormente los electrones, en su
comportamiento ondulatorio, pueden ser difractados al atravesar una
muestra cristalina dando lugar a un patrón de difracción
que contiene información acerca de la estructura cristalina de
ésta. Se pueden obtener dos tipos de patrones de
difracción:
Patrones de difracción de un área seleccionada (patrones
SAD) y patrones de difracción de haz convergente (patrones
CBED). Los patrones SAD son diagramas de puntos muy nítidos que
se forman usando un haz de electrones prácticamente paralelo y
colocando una apertura en el plano de la imagen para seleccionar un
área determinada. Los patrones CBED son un conjunto de discos
que se forman enfocando el haz en un área pequeña de la
muestra. Dependiendo de las características de ésta y
atendiendo al tamaño de grano se utilizará SAD o CBED
(siempre teniendo en cuenta que si el tamaño de grano es muy
pequeño, menor de 10 nm, no se puede analizar un grano
individual).
El indexado posterior de los patrones de difracción asocia cada
punto con un plano cristalino (hkl) y a partir de ahí se puede
deducir la orientación del cristal en términos de los
ejes de zona [UVW] a los cuales pertenecen los planos indexados.
Espectrometría de dispersión de energía de rayos
X:
Los electrones considerados como partículas son un tipo de
radiación ionizante, es decir, son capaces de quitar electrones
de las capas más internas de los átomos con los que
interaccionan lo que produce la ionización de éstos. En
este estado un electrón de una capa más externa salta
inmediatamente a la capa deficitaria, y rellena el hueco producido.
Este salto implica una liberación de energía, cuyo valor
es igual a la diferencia entre las energías que tenía
cada electrón en su orbital correspondiente. Esta energía
se manifiesta de dos formas: electrones Auger o rayos X y es
única para cada elemento. Cuando se representa la intensidad de
esta radiación electromagnética frente a su
energía se obtiene un espectro de rayos X, constituido por una
serie de picos, designados como líneas, de intensidad variable,
a los que se denomina rayos X característicos, que está
superpuesto a un fondo continuo de menor intensidad (Rayos X
continuos). En algunos casos aparecen además unas líneas
satélite, asociadas a las líneas características.
El microscopio JEOL JEM-2010 está equipado con un detector capaz
de distinguir elementos de número atómico comprendido
entre los del Be y el U lo que lo convierte en un microscopio
analítico.
APLICACIONES
Las aplicaciones de la técnica son muy numerosas
tanto en Ciencia de Materiales, como en Ciencia Biomédica:
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Determinación de la
morfología: forma dimensiones y posición de
microcristales o partículas observadas en la muestra.
-
Determinación de la
cristalografía: posición de los planos cristalinos,
estudio de los defectos, etc.
-
Determinación de la
composición:
composición química de fases o mezcla de fases.
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Difracción de electrones de un cristal de oro
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Partículas de platino, a 500.000 aumentos *
Cortesía del Dr. José Solla
Dep. de Química Física
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REQUISITOS
Y LIMITACIONES
Como
se ha señalado anteriormente es fundamental que las muestras que
vayan a ser observadas en TEM sean lo más delgadas posible, por
debajo de 100 nm de grosor. Además las muestras deben tener 3.05
mm de diámetro o ir soportadas sobre una rejilla de dichas
dimensiones. Para garantizar la estabilidad de la muestra durante el
análisis, la rejilla sobre la que se soporte la muestra
deberá llevar una película de formvar, parlodión o
similar y además estar recubierta con carbono. Para el corte de
determinadas muestras la unidad dispone de un ultramicrotomo.
DESCRIPCIÓN
DEL EQUIPO
El
microscopio electrónico de transmisión disponible en los
Servicios Técnicos de Investigación es de la marca JEOL
modelo JEM-2010. Puede trabajar en los modos de tensión de
aceleración 100, 120, 160, 200 kV. Se obtiene una
resolución entre líneas de 0.14 nm y entre puntos de 0.25
nm.
El
microscopio lleva acoplado un sistema de microanálisis (EDS) de
la marca OXFORD instruments modelo INCA Energy TEM100. EL detector es
de Si(Li) con un área de detección de 30 mm2 y una
resolución de 142 eV. La ventana es del tipo SATW y el rango de
detección es del Be al U.
El microscopio está equipado con una cámara de
adquisición de imágenes ORIUS SC600 de la marca GATAN con
sensor CCD de 2672 x 2672 pixels que proporciona un aumento respecto a
la película fotográfica de 1,3-1,4 X. La cámara
está montada en eje con el microscopio en la parte inferior y
está integrada dentro del programa de adquisición y
tratamiento de imágenes GATAN DigitalMicrograph 1.80.70 para GMS
1.8.0.
Para el corte de determinadas muestras la unidad cuenta con un
ultramicrotomo marca RMC, modelo MTXL y una máquina de hacer
cuchillas de la misma marca.
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EQUIPO
COFINANCIADO POR LA UNIÓN EUROPEA A TRAVÉS DEL FONDO
EUROPEO
DE DESARROLLO REGIONAL
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EXPERIENCIA
DEL EQUIPO
Se
han llevado a cabo análisis de muestras tanto biológicas
como de ciencia de materiales. Entre las muestras biológicas
cabe destacar el análisis de retinas, ovocitos,
vesículas, etc. Entre las muestras de ciencia de materiales se
han estudiado catalizadores (Pt, Sn, Zn, Cu, Co, Au, ...) soportados en
materiales diversos como alúmina, zeolitas, carbones activados,
telas de carbón, además se han estudiado
polímeros, adhesivos, zeolitas, monocristales (Pd, Pt), etc.
Sinapsis de retina a 40.000 aumentos *
Cortesía de la Dra. Antonia Angulo. Dep.
Interuniversitario de Optica
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Nanocuernos de Carbono, a 250.000 aumentos.*
Cortesía de la Dra. Ana Huidobro
Dep. de Química Inorgánica
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Imágenes obtenidas
en el Microscopio Electrónico de Transmisión de los
Servicios
Técnicos de Investigación de la Universidad de Alicante
PERSONAL
Dra. Cristina Almansa Carrascosa
Tel: 96590 9713
Fax: 96590 3643
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