Universidad Nacional de Ingeniería

Facultad de Ciencias

Escuela Profesional de Física

PREPARACIÓN DE MUESTRAS PARA UN

MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE BARRIDO I

Introducción a la Microscopia Electrónica

ALUMNOS: GONZALES LORENZO CARLOS DAVID

20030196E

Prof. Alcides López

2009-I

9 de Mayo del 2009

(3) Preparación de Muestras para SEM I

Gonzales Lorenzo Carlos David

Facultad de Ciencias, Universidad Nacional de Ingeniería

E-mail: lorentz19_3abn@hotmail.com

La prepararación de muestras para un Microscopio Electrónico de Barrido (SEM) se distingue según el tipode muestra que se quiere analizar. Si la muestra es orgánica no conductora, primero se debe limpiarcuidadosamente y luego debe hacerse un recubrimiento metálico mediante la técnica del Sputtering esto paraque en la muestra haya desprendimiento de electrones y sean captados en el SEM. Para una muestra inorgánicaconductora simplemente se debe limpiar la superficie con cuidado de no dañarla para ello se usa acetona y unaparato ultrasónico para desprender las suciedades de la muestra por efecto cavitación.

Palabras Claves: Sputtering, ultrasónico, cavitación.

The prepararación samples for Scanning Electron Microscope (SEM) differ depending on the typeof sample to be analyzed. If the sample is organic non-conductive, it must first be carefully cleanedand then made a metallic coating by sputtering technique in this so that the sample has electrondetachment are captured in the SEM. To sample an inorganic conductive simply clean the surface withcare not to damage it and for it uses him acetone and an ultrasonic appliance to remove the dirts of thesample for effect cavitation.

Keywords: Sputtering, ultrasonic, cavitations.

1. Introducción

La imagen que se forma en un SEM a diferencia delTEM donde la imagen se forma con los electrones delhaz que traspasan la muestra, en el SEM la imagen segenera con los electrones que rebotan sobre lasuperficie de la muestra. Estos electrones daninformación sobre las características topográficas de lamuestra. Es decir la calidad de la imagen que seobtenga dependerá de la capacidad que tenga la muestrapara emitir electrones. Así que la preparación demuestras conductoras solo consiste en su limpiezapegado sobre el porta muestras, utilizando para ello unpegamento especial conductor. En el caso de muestrasno conductoras se requiere un recubrimiento porpelícula delgada de un elemento conductor.

La preparación de muestras es, en general, sencilla. Losrequisitos indispensables que deben cumplir sonausencia de líquidos, es decir, la muestra tiene que estarseca y además debe ser conductora de la corrienteeléctrica. Este último requisito se cumple en los metalespero no así en otro tipo de materiales, por lo que parahacer a la muestra conductora se la recubre de una capade algún material conductor tal como el carbón o el oro.

Este recubrimiento ha de ser suficientemente gruesocomo para que circule la corriente eléctrica que sedeposita en la muestra y suficientemente delgado paraque no enmascare o tape las características superficialesde interés.

Un proceso muy utilizado para recubrir con películasconductoras es el Sputtering y Evaporación Térmica.

Figura1. Tipos de Monturas para SEM.

2. FUNDAMENTO TEÓRICO

2.1 Monturas para muestras [1]

Las monturas que sostienen las muestras en el SEMpueden ser de carbón o de aluminio. Vienen endistintas formas y tamaños como se pueden observar enla figura 1.Las monturas más usadas están hechas deuna aleación de Aluminio que es seleccionado por sufácil maquinado y donde las superficies son pulidasprimero por métodos mecánicos y luego mediantetécnicas metalográficas, se obtiene un terminado deespejo; esta montura es ideal para estudios querequieren superficies totalmente lisas.

2.2 Limpiador ultrasónico: Branson 2210. [2]

El funcionamiento de este limpiador ultrasónico sebasa en el fenómeno físico llamado cavitación en lacual con cuidado y a fondo limpia la superficie de susmuestras. Un transductor ultrasónico conectado altanque de limpieza transmite una alta frecuencia desonidos (de 47 KHz) en la solución de limpieza.

Figura.2 Limpiador Branson 2210

Durante la etapa de presión baja de cada onda sonora,burbujas diminutas se forman y crecen. Durante la altapresión organizan este derrumbamiento de burbujas,quitando la suciedad, la herrumbre y otroscontaminantes. Esta acción de limpieza puede alcanzarcualquier superficie expuesta, aún en grietas profundas.

2.3 Cavitación [3]

La cavitación o aspiración en vacío es un efectohidrodinámico que se produce cuando el agua ocualquier otro fluido pasa a gran velocidad por unaarista afilada La implosión causa ondas de presión queviajan en el líquido. Estas pueden disiparse en lacorriente del líquido o pueden chocar con unasuperficie. Si la zona donde chocan las ondas de presión

es la misma, el material tiende a debilitarsemetalúrgicamente y se inicia una erosión que, ademásde dañar la superficie, provoca que ésta se convierta enuna zona de mayor pérdida de presión y por ende demayor foco de formación de burbujas de vapor.

2.4 Cintas Conductoras

Para pegar la muestra a la montura se utilizan cintas opegamentos conductores, las más requeridas son lascintas de carbón y las cintas de cobre.

Son pegamentos de dos caras, cintas eléctricamenteconductoras fueron desarrollados para adjuntarmuestras para ser examinadas por SEM o EDS. Serecomienda un producto conductor basado en carbónpara el trabajo de EDS donde es importante eliminar losrayos X que entran en el detector del sustrato.

I. Cintas Conductoras De Cobre [4]

Las cintas de cobre además de ser conductivas yadhesivas proveen un fondo ideal contra el que puedeobservarse el espécimen. El uso de cintas reduceconsiderablemente la cuenta de rayos X. Ya sea que seesté capturando imagen o analizando una muestra selogra un efecto igual al trabajo con microscopía decampo oscuro.

Las ventajas de usar cintas de cobre son

Permite la montura de muestras sincontaminación de pintura de plata o carbón.

Permite la montura de muestras altamenteporosas o absorbentes sin distorsión generadapor líquido absorbido por la muestra.

Proveen buena conductividad.

Figura 3. Cinta conductora de cobre.

II. Cintas Conductoras De Carbón [5]

Las cintas conductoras de carbón, así como esconductor y adhesivo no tienen casi ninguna estructuraperceptible y proporciona el fondo ideal para ver su

espécimen entero. El empleo de las cintas tambiénreduce enormemente las cuentas de rayo X de fondo,dando a la exactitud mayor y límites de deteccióninferiores para su trabajo de EDS.

Figura 4. Cinta conductora de carbón.

2.5 Plata coloidal. [6]

Consisten en las partículas de plata minúsculassuspendidas en una base líquida la cual es conductora.Es utilizado en la preparación de muestras para SEMcomo pegamento cuando la muestra es orgánicagenerando una conexión entre la muestra y un caminode descarga de los electrones.

Figura 5. Pegamento de Plata coloidal.

2.6 La plastilina conductora LEIT-C-PLAST [7]

Este material altamente conductivo y moldeable, este

plástico Es diseñado para montar especímenes grandes

en un SEM, y con mayor efectividad de agarre a la

muestra con respecto a los demás pagamentos a fin de

que las muestras se queden pegadas si las muestras son

volteadas mirando hacia arriba o hacia abajo.

Características:

La plastilina conductora LEIT-C-PLAST es muyutilizado en muchas muestras para SEM/EDS por sucombinación de propiedades favorables:

1. Conductividad eléctrica alta

2. Plasticidad permanente

3. No afectado por las condiciones altas de vacío,también UHV "compatible"

4. Suficiente fuerza adhesiva

Densidad: 1.2 g/cc

Figura 6. Plastilina Conductora LEIT-C-PLAST.

2.7 Pulverización Catódica (Sputtering) [8]

El proceso de pulverización catódica esprincipalmente un proceso de bombardeo iónico,que consigue la deposición en fase de vapor,sobre un sustrato de vidrio, del materialbombardeado. En esta técnica, los iones formadosen un plasma son acelerados hacia el material quese desea depositar, mediante un campo eléctrico.El alto voltaje entre el cátodo y el ánodo provocaque los iones del gas de proceso (como el argón)golpeen el blanco con la energía suficiente paraarrancar átomos de la superficie del cátodomediante un proceso de transferencia demomento. Cuando el ión golpea la superficie delmaterial, transfiere parte de su energía a losátomos que lo forman, y se produce entonces una

colisión en cascada. Las múltiples colisioneshacen posible que algunos átomos del materialadquieran la suficiente energía para abandonar lasuperficie, alcanzar el sustrato y adherirse a él. Lamayor parte de la energía proporcionada por losiones incidentes se transforma en calor, siendoeste disipado mediante un circuito derefrigeración que evita el sobre calentamiento delcátodo.

Figura 7. Interacción de iones de argón con unasuperficie del target.

2.8 La Celulosa [9]

La celulosa, en términos generales se puede definircomo un polisacárido constituido por moléculas deD-glucosa unidas por enlaces B glucosídicos. Es elcompuesto orgánico más difundido en lanaturaleza; componente principal de las paredescelulares vegetales (por ejemplo en las maderas, enlas fibras de algodón) en las cuales se encuentrajunto con hemicelulosa, pectina, extensina (queactúan como aglutinante entre las fibrascelulósicas) y lignina. La nitrocelulosa, el acetatode celulosa, y el xantato de celulosa (rayón) sonesteres de la celulosa que tienen una granaplicación técnica; la que se obtiene de la maderaes la pasta de celulosa.

Es el principal componente en la manufactura depapeles y cartones y también, en pequeñascantidades, se encuentra en productos como elrayón, películas fotográficas, celofanes, explosivos,etc. La celulosa blanca de fibra larga se usaprincipalmente para agregar resistencia a los

papeles y cartulinas, y la celulosa blanca de fibracorta se usa para dar suavidad y como relleno.Dependiendo de la proporción en las mezclas seobtienen papeles para diferentes usos. En nuestrocaso usaremos papel celulosa para hacer la replicade una superficie metálica con ayuda de la acetona.

2.9 Técnica de la Replica:

Debido a que todas las muestras no pueden ser

introducidas en el SEM (ya sea por tamaño, forma,

etc.), la técnica de la replica permite obtener una copia

fiel de la muestra conservando sus características

superficiales. La muestra a la cual se aplico este

procedimiento fue una moneda, y su procedimiento es

el siguiente:

Se limpia con alcohol la superficie que será copiada

(moneda) y se seca. Luego se coloca un pequeño

fragmento de celulosa en la parte de la superficie que

se desea copiar, y después se le hecha de 2 a 3 gotas de

acetona en el fragmento de celulosa. Se deja secar la

acetona 5 a 10 minutos y se retira el fragmento, de esta

manera obtenemos la replica de la superficie. Luego

colocamos esta replica sobre la base que contiene la

cinta de carbón. Seguidamente llevamos las muestras al

metalizador que hará el recubrimiento por Sputtering.

2.10 Técnica de recubrimiento de las muestrasen un SEM

I. Técnica de recubrimiento con Oro(Sputtering) [10]

Cuando el propósito del análisis de una muestra noincluye la obtención de un espectro de RX, un elementoque se utiliza frecuentemente para recubrir la superficiees el oro. La figura 6 muestra esquemáticamente loque se conoce como "Sputtering". Consiste en unafuente de alimentación en corriente continua regulablede 1 a 3 KV conectada por una parte a una tarjeta de orou oro-paladio y por otra parte al porta muestras. Elconjunto va acoplado a una bomba de vacío. Laintroducción de un gas tal como el argón en la campanade vacío provoca que los átomos de argón impacten enla tarjeta de oro y se desprendan átomos de dicha tarjetaque son atraídos hacia la muestra en la cual quedandepositados proporcionando un espesor derecubrimiento que depende del tiempo de exposición.En nuestro caso se uso como gas el aire con su

componente el nitrógeno para que impacten en el targetde oro y se desprendan átomos de dicha target.

Figura 8. Recubrimiento de una muestra medianteSputtering.

II. Técnica de recubrimiento con carbono(Evaporación Térmica) [10]

En el caso de precisarse un análisis elemental enuna muestra no conductora es necesario recubrir lasuperficie de un elemento lo más transparente posible alos RX. Este elemento es el carbono.Uno de los tipos de metalizadores de carbono semuestra esquemáticamente en el gráfico. Consiste endos electrodos conectados a una fuente de corrientealterna de bajo voltaje y alta intensidad entre los que seintercala una barra de carbono terminada en una puntaafilada. Al pasar la corriente, la punta de la barra se vaevaporando, de forma que rocía la muestra con una finacapa de carbono. La punta va acoplada a un muelle quela mantiene en todo momento en contacto con el otroelectrodo. Todo el conjunto está encerrado en vacío conel fin de facilitar la deposición de la película de carbonosobre la muestra.

Figura 9. Recubrimiento con carbono medianteEvaporación Térmica.

En nuestro laboratorio para el proceso deSputtering usamos el EMS 550 Sputter Coater,el cual tiene un target de oro (Au) para elrecubrimiento de la muestra.

Figura 10. EMS 550, usado en el laboratorio deSputtering.

3. MATERIALES UTILIZADOS

Fragmentos de celulosa. Acetona purificada. Muestras no conductoras. Monturas de SEM. Limpiador ultrasónico: Branson 2210 Pegamento de Plata coloidal Cinta conductora de carbón. Pinza. Tijerita. Algodón. Pipeta Pasteur. Bisturí. Aparato para hacer la pulverización catódica

EMS 550.

Figura 11.Materiales utilizados en el laboratorio.

4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

A. Muestra Inorgánica:

Lavamos los objetos metálicos con abundante

agua destilada, luego colocamos las monedas en

la cubeta ultrasónica. Para esto se colocaron las

monedas en un pequeño vaso que fue colgado en

uno de los lados de la cubeta de tal manera que

no toque la superficie, pero que este lo

suficientemente sumergido. Se activo el

ultrasonido por 5 minutos. Esto hará que la grasa

que aun esta pegada a la moneda sea despegada

por efecto cavitación.

Figura 12. Cubeta Ultrasónica con vaso sumergido.

Luego colocamos las monedas en papel

absorbente y cortamos un pedazo pequeño de

cinta de celulosa (más pequeño que el tamaño de

la moneda) y usando las pinzas, con mucho

cuidado lo colocamos en la moneda; al mismo

tiempo, usando la pipeta pasteur extraemos

acetona del frasco y colocamos una gota encima

de la moneda (antes de colocar la celulosa) y otra

gota después de haber colocado la celulosa.

Esperamos que se evapora la acetona y que la

celulosa recupere su dureza, luego, con mucho

cuidado, desprendemos la celulosa con las pinzas

sin tocar la parte que queremos observar por el

microscopio y la pegamos en el porta muestra

con el pegamento de plata coloidal.

Figura 13. Colocando las monedas en papel

absorbente.

Figura 14. Colocando la celulosa en el porta

muestra.

Figura 15. Moneda con celulosa, copiando la

superficie “técnica de la replica”.

B. Muestra Orgánica:

En este caso usamos una muestra de papel bulki

con tinta de lapicero, recortamos un pedazo

pequeño y luego es colocado en el porta muestras

usando para ello el pegamento de plata coloidal.

C. Proceso de laminado

Luego dejamos a que seque el pegamento y lo

colocamos en las ranuras portadoras de muestras

del EMS 550 Sputter Coater para proceder con

el recubrimiento metálico de oro.

Figura 16. Muestras preparadas, colocadas en la

ranuras portadoras de muestras del EMS 550 Sputter

Coater para el proceso de laminado “Sputtering”.

Luego esperamos unos cinco minutos hasta

recubrir adecuadamente la muestra.

Figura 17. Proceso de laminado de la muestra en lacampana de vacío del EMS 550 Sputter Coater.

Figura 18. Muestras con recubrimiento de oroluego del proceso de laminado por Sputtering.

Hecho esto, se tenía que insertar las muestras en

el microscopio de barrido y luego poder observar

la muestra, pero esto no se pudo hacer; esto se

hará en una continuación de este laboratorio.

5. OBSERVACIONES

A veces la muestra que se quiere analizar esmuy grande o muy difícil de reducir paracolocarla en el SEM, es por ello que se emplea laTécnica de la Replica con la cual podemosobtener un duplicado de la superficie de lamuestra utilizando la cinta de celulosaconservando así las características superficialesde la muestra original.

Las muestras deben tener una buena capacidad

para desprender electrones. En el caso de

muestras metálicas no hay inconveniente, en este

caso es suficiente limpiarlas adecuadamente sin

dañar la superficie.

Las muestras orgánicas (no metálicas) requieren

de un recubrimiento de película delgada de

material conductor para que su superficie pueda

desprender electrones y sean detectadas por el

SEM.

6. CONCLUCIONES

La técnica de la replica es valida debido a que loque hace el SEM es detectar los electronessecundarios que salen disparados de la superficiey por ello el objetivo de conocer la morfologíade la muestra.

El funcionamiento del limpiador ultrasónicoBranson 2210 se basa en el fenómeno físicollamado cavitación en la cual con cuidado y afondo limpia la superficie de la muestra(moneda), quitando la grasa que aun esta pegadaa esta.

El proceso de laminado por Sputtering se basa enel que los átomos del gas que se encuentra dentrode la cámara de vacío en este caso los del aire(hidrogeno) se ionicen debido a una diferencia depotencial aplicado, provocando que impacten enel target de oro y se desprendan átomos de dichotarget que son atraídos hacia la muestra en la cualquedan depositados produciéndose así elrecubrimiento.

Para poder metalizar las superficies de unamuestra orgánica se realiza el proceso deSputtering el cual produce una capa muy fina yhomogénea sobre la muestra para luego sercolocada en el porta muestras del SEM.

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[1] http://www.2spi.com/catalog/mounts/mounts.html

[2] http://www.bransonic.com/pdf/p214-142ra.pdf

[3] http://es.wikipedia.org/wiki/Cavitaci%C3%B3n

[4] http://www.emsdiasum.com/microscopy/cartmxc/addtocart.asp?UCII_AddId=77802-22

[5] http://www.2spi.cn/catalog/spec_prep/cond_adhes-tapes.shtml

[6] http://www.emsdiasum.com/microscopy/products/chemicals/adhesive.aspx#12686

[7] http://www.2spi.cn/catalog/spec_prep/cond_adhes3.shtml

[8] Sputtering by Particle Bombardment I, H.Andersen, H.L.Bay, R.Behrisch, M. Robinson,H.E. Roosendaal, R Sigmund, Springer-VerlagBerlin Heidelberg New York 1981.

[9] http://www.fing.uncu.edu.ar/catedras/industrias/archivos/2006Celulosa.pdf

[10] http://www.mty.itesm.mx/dia/deptos/im/m00-862/Lecturas/SEM_ICP.pdf