¿Qué es un Microscopio Electrónico de Barrido (SEM)?
Un microscopio electrónico de barrido (SEM) es un tipo de microscopio electrónico que permite observar el estado de la superficie de una muestra gracias a la irradiación de la muestra con un haz de electrones y a la detección de los electrones secundarios emitidos por la muestra.
Los microscopios electrónicos de barrido (SEM) permiten observar incluso estructuras diminutas que son difíciles de observar con un microscopio óptico. Por eso se utiliza en campos tan diversos como la ingeniería de materiales o la bioquímica.
Usos de los Microscopios Electrónicos de Barrido (SEM)
Los microscopios electrónicos de barrido (SEM) pueden aumentar su aumento hasta varios cientos de miles de veces y su resolución hasta varios nm. También tienen características como una gran profundidad de enfoque, que facilita la observación de irregularidades en la muestra.
El límite de aumento en microscopía óptica es de unas 1.000 veces y el límite de resolución es de unos 150 nm, por lo que los microscopios electrónicos de barrido permiten la observación con un aumento y una resolución mucho mayores que la microscopía óptica.
Además, a diferencia de las imágenes obtenidas con microscopios ópticos, los microscopios electrónicos de barrido proporcionan imágenes tridimensionales con contraste, en las que el plano perpendicular a la dirección de incidencia del haz de electrones es más oscuro y cuanto más cerca está el plano paralelo, más brillante se vuelve la imagen, lo que permite una observación intuitiva.
Aprovechando estas características, los microscopios electrónicos de barrido se utilizan para observar las condiciones superficiales de diversos materiales, como materiales semiconductores y cerámicos, microorganismos como bacterias y virus, y especímenes biológicos como células. En cambio, los microscopios electrónicos de transmisión se utilizan generalmente para observar la estructura interna de las muestras.
Principios de los Microscopios Electrónicos de Barrido (SEM)
En un microscopio electrónico de barrido, un haz de electrones acelerados se enfoca sobre la superficie de una muestra y se irradia. Los electrones secundarios (SE) y los electrones retrodispersados (BSE) generados durante este proceso se detectan y analizan, y el estado de la muestra puede observarse como datos de imagen mediante el barrido de toda la zona de observación.
La resolución puede aumentarse hasta unos pocos nm aumentando la tensión de aceleración y la energía de los electrones irradiados. El aumento de la tensión de aceleración aumenta la resolución, pero una tensión de aceleración demasiado alta suele provocar problemas como el efecto de los electrones reflejados desde posiciones más profundas de la muestra y la carga (charge-up), por lo que se suelen utilizar tensiones de aceleración de varios kV a varias decenas de kV.
Los electrones secundarios son electrones expulsados desde cerca de la superficie de la muestra cuando se aplica un haz de electrones.
El estado de los electrones difiere en función de la irregularidad de la muestra, lo que crea un contraste en los datos de imagen obtenidos midiendo los electrones secundarios y permite observar las irregularidades de la superficie y la forma de las partículas.
Los electrones retrodispersados, por su parte, son electrones rebotados por la interacción de un haz de electrones con un átomo.
La reflectancia de los electrones emitidos difiere en función del átomo. La medición de los electrones retrodispersados aumenta el contraste para cada tipo de átomo y permite observar la distribución de los átomos en la muestra.
Estructura de los Microscopios Electrónicos de Barrido (SEM)
Un microscopio electrónico de barrido consta principalmente de un cañón de electrones que emite haces de electrones, una lente de electrones que enfoca los haces sobre la muestra y un detector que recoge los electrones secundarios y retrodispersados. Además, incluye un sistema de control y una pantalla para ajustar parámetros y visualizar imágenes. Este equipo permite una observación detallada a nivel microscópico de muestras.
Existen tres tipos de cañones de electrones: de emisión térmica, de emisión de campo y de tipo Schottky, cada uno con características diferentes. Las lentes de electrones suelen ser del tipo en el que se hace pasar una corriente eléctrica a través de una bobina y el haz de electrones se controla mediante un campo magnético, y existen varios tipos, incluidos los sistemas de lente externa y lente interna.
El interior del microscopio electrónico de barrido se mantiene en un alto vacío de unos 10^-4 Pa durante la medición, pero en los últimos años se han desarrollado algunos microscopios que pueden medir en condiciones de bajo vacío (unos 10^2 Pa) o presión atmosférica, y se utilizan a menudo en el campo biológico donde se utilizan muestras con alto contenido de humedad.
Más Información sobre Microscopios Electrónicos de Barrido (SEM)
1. Preparación de Muestras para Microscopios Electrónicos de Barrido (SEM)
Los microscopios electrónicos de barrido pueden utilizarse para medir una amplia gama de muestras, pero algunas de ellas requieren una preparación de la muestra y unas condiciones de medición adecuadas.
Muestras aislantes
Cuando se utilizan muestras aislantes, la superficie de la muestra puede cargarse con el haz de electrones irradiado. La electrización puede dar lugar a imágenes distorsionadas y contrastes anormales, lo que puede dificultar la obtención de datos de imagen precisos. Para evitar la carga, es necesario tomar medidas como recubrir la superficie de la muestra con una fina pulverización de metal, observar a bajas tensiones de aceleración o en condiciones de bajo vacío.
Muestras que se evaporan o subliman en condiciones de alto vacío
La evaporación o sublimación en condiciones de alto vacío no sólo modifica la estructura y la forma de la muestra, sino que también puede provocar fallos en el equipo. Para evitarlos, es eficaz tomar medidas como la medición en condiciones de bajo vacío. Además, las muestras biológicas, etc. que contienen mucha agua suelen requerir un tratamiento previo por separado, incluso para la observación en bajo vacío.
Muestras magnéticas
Cuando se utilizan muestras magnéticas, si la distancia entre la lente de electrones y la muestra es demasiado corta, la muestra se magnetizará, lo que dificultará el ajuste del haz de electrones, y en el caso de muestras grandes, existe la posibilidad de que la muestra se salga del soporte de muestras y sea absorbida por la lente. Para evitarlo, es necesario utilizar un microscopio electrónico de barrido en el que la muestra y la lente estén fuera del objetivo y la muestra se fije con tornillos o pegamento.
Cuando se desea observar el interior de la muestra
Si desea observar el interior de una muestra sin utilizar el modo de transmisión descrito a continuación, deberá procesar la muestra utilizando un haz de iones focalizado (FIB) o similar y observar la sección transversal.
2. Principales Dispositivos de Análisis Acoplados a los Microscopios Electrónicos de Barrido (SEM)
Cuando se irradia una muestra con haces de electrones acelerados, pueden obtenerse señales como electrones de transmisión, rayos X, catodoluminiscencia y electrones absorbidos, así como electrones secundarios y electrones retrodispersados. Puede instalarse un analizador para detectar estas señales.
Electrones transmitidos
Si la muestra es suficientemente fina, o si el material es particulado, una parte de los electrones irradiados puede transmitirse y detectarse como electrones transmitidos. Esto se mide generalmente con un microscopio electrónico de transmisión o un instrumento de medición independiente como un microscopio electrónico de transmisión por barrido (STEM), aunque los microscopios electrónicos de barrido a veces están equipados con un modo de transmisión. Microscopio electrónico de transmisión de barrido (STEM). Permite observar estructuras internas, algo para lo que los microscopios electrónicos de barrido (SEM) no son muy buenos.
Rayos X
Cuando un átomo es irradiado por un haz de electrones, a veces se emiten rayos X además del haz de electrones. Estos rayos X tienen su propia energía específica para cada átomo, por lo que detectando los rayos X emitidos es posible identificar el tipo de átomo presente en la superficie de la muestra.
Existen dos tipos de detectores de rayos X: los detectores de rayos X de dispersión de energía (EDS) y los detectores de rayos X de dispersión de longitud de onda (WDS), Cada uno tiene características diferentes y debe seleccionarse en función de la finalidad.
Catodoluminiscencia
La catodoluminiscencia es la luz emitida cuando una muestra es irradiada por un haz de electrones, y mediante la detección de esta luz se pueden medir las propiedades cristalinas de la muestra, como los defectos cristalinos, las impurezas y la concentración de portadores.
Pueden añadirse otras funciones añadiendo opciones. En comparación con las mediciones realizadas con un dispositivo de medición independiente, tiene la ventaja de que la posición de medición puede seleccionarse mientras se visualiza la imagen del microscopios electrónicos de barrido (SEM), lo que permite realizar mediciones más detalladas.