Interação do feixe de elétrons com a amostra
O Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) produz imagens sondando a amostra com um feixe de elétrons focalizado que é varrido sobre uma área retangular da amostra (varredura raster).
Existem duas famílias de canhões de elétrons:
O canhão de emissão de campo (FEG, na sigla em inglês) é usado para produzir um feixe de elétrons com diâmetro menor, maior coerência e densidade de corrente ou brilho até três ordens de magnitude maior.
| Filamento | Tungstênio-W | LaB6 | FEG (Schottky) | FEG frio |
| Tamanho da fonte | 30-50 µm | 5-50 µm | 15 nm | 3 nm |
| Temperatura (° C) | 1700-2400 | 1500 | 1500 | Ambiente |
| Serviço | Barato | Caro | Caro | Caro |
| Vácuo (Torr) | 10-5 | 10-7 | 10-10 | 10-10 |
| Vida | 180.200 | >1000 h | >1 ano | >1 ano |
| Brilho | 106 | 107 | 108 | 109 |
| Corrente de emissão (µA) | 100-200 | 50 | 50 | 10 |
| Delta E/E | 2,5 eV | 1,5 eV | 1 eV | 0,25 eV |
A energia dos elétrons depende da voltagem: de 1 keV a 50 keV.
Corrente (A): Número de elétrons por unidade de tempo
1 ampère = 1 coulomb/seg 1 coulomb ~ 6 x 10¹⁸ elétrons
Por exemplo, se a corrente medida na amostra for de cerca de 10-9 A a 10-12 A, então o número de elétrons será de cerca de 6X10 6 a 6X10 9 elétrons/seg.
O ESEM é uma variante do MEV (Microscopia Eletrônica de Varredura Ambiental). Ele pode produzir imagens com qualidade e resolução suficientes mesmo com as amostras úmidas ou contidas em baixo vácuo ou gás. Isso facilita muito a obtenção de imagens de amostras biológicas que são instáveis no alto vácuo dos microscópios eletrônicos convencionais. A principal desvantagem do microscópio eletrônico de transmissão é a necessidade de seções extremamente finas das amostras, tipicamente com cerca de 100 nanômetros. Amostras biológicas geralmente precisam ser fixadas quimicamente, desidratadas e embutidas em resina polimérica para estabilizá-las o suficiente para permitir o seccionamento ultrafino. Seções de amostras biológicas, polímeros orgânicos e materiais similares podem exigir tratamento especial com marcadores de átomos pesados para atingir o contraste de imagem necessário.
A microscopia eletrônica de varredura ambiental (ESEM) é especialmente útil para materiais não metálicos, sem revestimento e biológicos. A presença de gás, principalmente argônio, ao redor da amostra permite trabalhar com pressão superior a 500 Pa, em comparação com os requisitos dos microscópios eletrônicos de varredura convencionais, que exigem vácuo de cerca de 10⁻³ a 10⁻⁴ Pa. Esse nível de vácuo possibilita a análise de amostras não condutoras sem qualquer preparação ou de amostras hidratadas sem a necessidade de carregamento.
Em um Microscópio Eletrônico de Transmissão (MET), o feixe de elétrons é acelerado por um ânodo tipicamente a +100 keV (40 a 400 keV) em relação ao cátodo, focalizado por lentes eletrostáticas e eletromagnéticas e transmitido através da amostra, que é parcialmente transparente aos elétrons e parcialmente os dispersa para fora do feixe. Ao emergir da amostra, o feixe de elétrons carrega informações sobre a estrutura da amostra, que são ampliadas pelo sistema de lentes objetivas do microscópio.
A variação espacial dessa informação (a “imagem”) pode ser visualizada projetando-se a imagem eletrônica ampliada em uma tela fluorescente revestida com um material fosforescente ou cintilador, como o sulfeto de zinco. Alternativamente, a imagem pode ser registrada fotograficamente expondo-se um filme ou placa fotográfica diretamente ao feixe de elétrons, ou um fósforo de alta resolução pode ser acoplado, por meio de um sistema óptico de lentes ou um guia de luz de fibra óptica, ao sensor de uma câmera digital. A imagem detectada pela câmera digital pode ser exibida em um monitor ou computador.
Um microscópio eletrônico de transmissão (MET) pode atingir resolução melhor que 50 pm e ampliações de até cerca de 10.000.000x, enquanto a maioria dos microscópios ópticos é limitada pela difração a uma resolução de cerca de 200 nm e ampliações úteis abaixo de 2000x. Geralmente, a resolução da imagem de um MEV (Microscópio Eletrônico de Varredura) é pelo menos uma ordem de magnitude inferior à de um MET. No entanto, como a imagem do MEV se baseia em processos de superfície em vez de transmissão, ele é capaz de gerar imagens de amostras volumosas de até vários centímetros de tamanho e (dependendo do projeto e das configurações do instrumento) possui uma grande profundidade de campo, podendo, portanto, produzir imagens que representam bem a forma tridimensional da amostra.
O Microscópio Eletrônico de Transmissão por Varredura (STEM) utiliza um feixe de elétrons focalizado para varrer uma amostra que (assim como no TEM) foi adelgaçada para facilitar a detecção dos elétrons dispersos através dela. A alta resolução do TEM é, portanto, possível no STEM. A focalização (e as aberrações) ocorre antes que os elétrons atinjam a amostra no STEM, mas posteriormente no TEM.
O feixe de íons focalizado, também conhecido como FIB, é uma técnica utilizada principalmente na indústria de semicondutores, na ciência dos materiais e, cada vez mais, na área biológica para análise, deposição e ablação de materiais em locais específicos. Um sistema FIB é um instrumento científico que se assemelha a um microscópio eletrônico de varredura (MEV). No entanto, enquanto o MEV utiliza um feixe focalizado de elétrons para obter imagens da amostra na câmara, um sistema FIB utiliza um feixe focalizado de íons. Ao contrário de um microscópio eletrônico, o FIB é inerentemente destrutivo para a amostra.
Quando os íons de gálio de alta energia atingem a amostra, eles removem átomos da superfície por pulverização catódica. Os átomos de gálio também são implantados nos poucos nanômetros superficiais da superfície, tornando-a amorfa. Um FIB-SEM consiste em um sistema com colunas de feixes de elétrons e íons, permitindo que a mesma característica seja investigada usando qualquer um dos feixes. Um sistema FIB-SEM utiliza um feixe de íons Ga+ para perfurar a superfície e localizar uma característica ou defeito de interesse. O MEV integrado utiliza então um feixe focalizado de elétrons para obter a imagem da amostra na câmara.
