Principios físicos de un microscopio electrónico en transmisión (MET)
Primero, voy a describir las diferentes maneras de producir un haz des electrones. Existe dos principales tipos de cañones de electrones: un que utiliza la energía térmica para extraer los electrones de un filamento de metal (en muchas cases el filamento es de tungsteno), y un que utiliza un principio de mecánica quántica (el efecto túnel) para extraerles de una punta muy fina (algunos nanómetros de diámetro).
I – Producción del haz de electrones
1 – El cañón térmico
El principio físico de este cañón es muy simple: se calenta (con el efecto Joule) un filamento de tungsteno hasta una temperatura muy elevada (2700°C) y los electrones sacan del filamento gracias a la enorme energía térmica. Se utiliza el metal tungsteno porque es el material que necesita una energía baja para extraer los electrones. Después, un gran campo eléctrico es aplicado para acelerar los electrones. Gracias a unos efectos magnéticos, podemos focalizar los electrones y, por eso, formar un haz de electrones. El esquema que sigue representa este tipo de canon de electrones.
La tensión eléctrica que existe entre la ánodo y la cátodo es mas o menos 100 kV.
2 – El cañón FEG (“Field Emission Gun”)
Esta tecnología se apoya en un principio físico completamente diferente de lo del cañón térmico. De hecho, los electrones son extraídos de una punta muy fina de tungsteno gracias de un enorme campo eléctrico (107 V/cm). Pues, como la punta es muy fina, el campo es muy elevado a cerca de ella, y la intensidad de este campo permite à los electrones que contienen los átomos del metal de franquear una barrera de potencial bastante elevada.
Arriba: esquema del cañón a emisión de campo. Abajo: fotografía de una punta de tungsteno
3 – Diferencias entre las dos tecnologías
Hay muchas diferencias entre las dos tecnologías presentadas más arriba, como la duración de vida, las condiciones de utilización (temperatura, nivel de vació, corriente eléctrica) o las características geométricas de la punta. El cuadro grafico que sigue presenta las diferencias entre la tecnología “FEG” y el cañón térmico.
De hecho, la tecnología “FEG” es mucho mas interesante porque es mucho mas precisa y resistente que el otro sistema, pero, por otro lado, el precio y las condiciones de utilización son mucho mas exigentes.
II – Focalizar un haz de electrones
Este parte describe como podemos desviar los electrones con una lentilla magnética y, por eso, focalizar un haz de electrones. Mas el haz es fino y mejor es la resolución lateral. Además, si la resolución lateral del haz es pequeña, podemos hacer gordo a la imagen final de la muestra observada.
1 – Elementes característicos
Una lentilla magnética es constituida de una bobina de cobre en la cual pasa un corriente eléctrico (para creer un campo magnético), y de un sistema metálico (el entrehierro) que permite de modificar localmente las líneas del campo. Por eso, el haz de electrones es desviado: en efecto cada electrón esta sometido a la fuerza de Lorentz que existe con un campo magnético.
Fuerza de Lorentz
F: Fuerza de Lorentz
q: carga de un electrón
B: campo magnético
v: velocidad de los electrones
Esquema del sistema
Aquí es el esquema que permite de haber una vista de conjunto del sistema.
2 – Modo de funcionamiento
En este parte vemos mas precisamente como el sistema funciona. Vamos a estudiar como son las líneas del campo magnético en el entrehierro.
Esquema del entrehierro
El esquema permite de visualizar como son las líneas del campo magnético.
Vemos en el esquema que el campo magnético tiene un componente radial y un componente axial. Según la fuerza de Lorentz, cada componente tiene un efecto específico sobre la desviación de los electrones. Por fin, los electrones son desviados a cerca del eje del sistema y padece un movimiento de rotación alrededor del eje, y por eso forman un haz de electrones.
III – Estudiar una muestra
El esquema que sigue permite de visualizar la trayectoria del haz de electrones en todo el microscopio en transmisión. Ayuda a comprender el funcionamiento global del sistema.
El haz de electrones es difractado para la estructura cristalina de la muestra (si la muestra es metálico) y se decompone en varios haces con ángulos que dependen de la estructura cristalina encontrada. En un material metálico, hay varias fases químicas, y cada fase tiene una estructura cristalina característica. Por ejemplo, el esquema que sigue presenta las estructuras cristalinas de dos fases químicas diferentes.
En orange y azul son representados los átomos de hierro, y en gris son representados los átomos de carbono.
Después, como el esquema le muestra, se necesita una otra lentilla magnética para desviar los haces difractados y entonces ver la imagen de la muestra en el plano imagen del sistema electromagnético.
Podemos ver la imagen sobre un pantalla fluorescente: los electrones reaccionan con el pantalla para formar un imagen en blanco y negro. El contraste que obtenemos proviene de las diferencias de los ángulos y por eso, de las diferencias entre las fases del material.
Lo interesante de esta técnica muy compleja es primero la gran resolución espacial que podemos obtener con un haz de electrones (2 nanometros contra 0,2 micrómetros para un microscopio óptico) y segundo las técnicas cuantitativas que podemos asociar al microscopio (como la técnica “Parallel Electron Energy Loss Spectroscopy” que permite de calcular la proporción en carbono de una fase por ejemplo).
Página precedente