21.3: Microscopía Electrónica de Barrido

En microscopía óptica utilizamos fotones para proporcionar imágenes de una muestra. Aunque extraordinariamente útil y potente, la capacidad de resolver características en microscopía óptica está limitada por la fuente de luz; en general, podemos distinguir entre dos objetos si están separados por una distancia que es mayor que la longitud de onda de los fotones que se utilizan. La resolución máxima para un microscopio óptico es de aproximadamente 0.2 µm (200 nm), lo que significa que podemos usar un microscopio óptico para ver un cabello humano (20-200 µm), una célula eucariota (10-100 µm), un cloroplasto (5-8 µm) y una mitocondria (1-3 µm), pero no un ribosoma (0.01 µm-0.02 µm). En esta sección consideraremos el microscopio electrónico, el cual tiene un límite de resolución de aproximadamente 0.2 nm, o aproximadamente\(1000 \times\) más que un microscopio óptico. En la Sección 21.4, examinaremos dos tipos adicionales de microscopía no óptica.

Instrumentación

En microscopía electrónica de barrido rasterizamos un haz de electrones de alta energía sobre una superficie usando una cuadrícula bidimensional. La figura\(\PageIndex{1}\) muestra las necesidades instrumentales básicas. El cañón de electrones suele ser solo un simple alambre de tungsteno que libera electrones cuando se calienta resistivamente. Otras fuentes incluyen cristales en estado sólido de hexaboruro de lantano (LaB ₆) o hexaboruro de cerio (CeB ₆) y la pistola de emisión de campo, que utiliza un alambre de tungsteno con una punta que tiene un radio de aproximadamente 100 µm. Independientemente de su fuente, estos electrones son acelerados a una energía de 1-40 keV y pasan a través de una serie de lentes que los estrechan y los enfocan en un haz con un diámetro que cae dentro de un rango de 1 nm a 1000 nm (0.001 µm a 1 µm). Un conjunto de controles de escaneo en espiral desvía el haz de electrones en un patrón de trama a través de la superficie de la muestra (ver recuadro en la parte inferior izquierda de la figura\(\PageIndex{1}\)). Un detector de electrones monitorea los electrones que se dispersan de la muestra; el tipo de detector utilizado varía con el tipo de emisión de la muestra que elegimos monitorear, consulte el siguiente subtítulo para los tipos de emisión, pero generalmente son dispositivos de centelleo cuando monitorean electrones y dispersivo de energía detectores al monitorear rayos X.

Figura\(\PageIndex{1}\): Diagrama esquemático de un instrumento para microscopía electrónica de barrido, el cual consiste en un cañón electrónico, un sistema de lentes magnéticas, un control de barrido y un detector. La inserción en la parte inferior izquierda muestra un patrón de trama en el que el haz de electrones se escanea hacia adelante y hacia atrás a través de la superficie de la muestra.

Interacción de haces de electrones con sólidos

La figura\(\PageIndex{1}\) sugiere que el único tipo de señal es la medición de electrones que se dispersan de nuevo hacia el detector. La interacción entre el haz de electrones y la muestra, sin embargo, crea una variedad de señales, incluyendo tanto electrones como rayos X. La figura\(\PageIndex{2}\) ilustra los tipos de emisión que se derivan de la interacción del haz de electrones con la muestra. El haz de electrones penetra aproximadamente 1-2 µm en la muestra. Como cabría esperar de la sección anterior sobre espectroscopía electrónica, la interacción de un haz de electrones con una muestra da como resultado la emisión de algunos electrones Auger; estos electrones provienen de un volumen cercano a la interfaz vacío-muestra. De mayor importancia son los electrones secundarios y los electrones retrodispersados.

A medida que el haz de electrones penetra en la muestra, los electrones experimentan colisiones con los átomos de la muestra. Algunas de estas colisiones son elásticas en las que el electrón cambia su dirección, pero conserva su energía cinética. Con el tiempo suficiente, estos electrones eventualmente sufren una colisión en la que cruzan la interfaz muestra-vacío y salen del sólido. Estos electrones retrodispersados se recogen y pasan al detector. Otros electrones sufren colisiones inelásticas, perdiendo energía cinética y, eventualmente, se incrustan en la muestra. Los electrones retrodispersados provienen de una profundidad tan grande como el 50% de la profundidad a la que penetra el haz de electrones. Otra fuente de electrones proviene de un proceso en el que el haz de electrones induce la expulsión de electrones de la banda de conducción de la muestra. Estos electrones secundarios son menos numerosos que los electrones retrodispersados y también provienen de una profundidad mucho menor, típicamente 5-50 nm.

El haz de electrones también estimula la liberación de rayos X, incluyendo los rayos X característicos de los elementos de la muestra, un continuo amplio y la emisión de rayos X fluorescentes. Consulte el Capítulo 12 para obtener más detalles sobre la emisión atómica de rayos X.

Figura\(\PageIndex{2}\): Ilustración que muestra los tipos de emisión que resultan de la interacción de un haz de electrones con una muestra. El haz de electrones penetra a una profundidad de aproximadamente 1-2 µm, con el volumen de interacción aumentando con la profundidad. Los rayos X se emiten desde más profundo en la muestra que los electrones.

A medida que el haz de electrones se rastrea a través de la muestra, la intensidad de los electrones retrodispersados desde una posición específica en la muestra que llega al detector se almacena en el píxel correspondiente en el monitor del instrumento. La imagen creada de esta manera no es una imagen óptica, sino una reproducción electrónica digitalizada de la superficie de la muestra. El grado de aumento depende de la longitud del monitor del detector en relación con la longitud de un solo escaneo a través de la muestra; escanear una distancia más corta resulta en un aumento mayor. Un microscopio óptico generalmente proporciona un aumento máximo de\(1000 \times\); un SEM puede lograr un aumento de\(1,000,000 \times\).

Aplicaciones

La figura\(\PageIndex{3}\) muestra cuatro ejemplos de aplicaciones de microscopía electrónica de barrido para la medición del tamaño de partícula (superior izquierda), para la evaluación de nanocables (superior derecha), para caracterizar los canales en un dispositivo microfluídico (inferior izquierda), y para examinar la punta de un voladizo y punta utilizados para microscopía de fuerza atómica. Otras aplicaciones incluyen muestras biológicas, películas y recubrimientos, fibras y polvos, por nombrar algunas.

Figura\(\PageIndex{3}\): Imágenes de microscopio electrónico de barrido. La imagen en (a) muestra seis esferas particuladas con diámetros de aproximadamente 2 µm cada una. La imagen en (b) muestra un cúmulo de nanocables, cada uno con un diámetro de aproximadamente 200 nm. La imagen en (c) muestra la intersección de canales en un dispositivo microfluídico. Los canales tienen anchuras de aproximadamente 10 µm, aunque el canal superior se estrecha a aproximadamente 2-4 µm en la intersección de los canales. La imagen en (d) es la punta de un voladizo utilizado para microscopía de fuerza atómica, que exploraremos con más detalle en la Sección 21.4. Todas las imágenes están publicadas bajo licencia CC-BY y están disponibles aquí.