Microscopio electrónico de transmisión

O microscopio electrónico de transmisión (MET ou, polas súas siglas en inglés, TEM) é un tipo de microscopio no cal se transmite un feixe de electróns a través dun espécime a observar para formar unha imaxe del. O espécime adoita ser unha sección ultrafina de menos de 100 nm de grosor ou unha suspensión situada nunha grella ou reixa. A imaxe fórmase pola interacción dos electróns coa mostra a medida que o feixe de electróns se transmite atravesando o espécime. Algúns electróns rebotan ou son absorbidos na mostra, pero outros atravesan a mostra e poden usarse para formar a imaxe. A imaxe é despois ampliada e enfocada sobre un aparello que mostre a imaxe, como unha pantalla fluorescente, unha capa de película fotográfica ou un sensor como un escintilador unido a un dispositivo de carga acoplada (cámara CCD). Para enfocar non se usan lentes de vidro ou cristal senón "lentes" normalmente electromagnéticas (electroimáns).
Os microscopios electrónicos de transmisión non utilizan a luz para obter as imaxes, senón un feixe de electróns, e poden obtelas a unha resolución moito máis grande que os microscopios de luz, debido á menor lonxitude de onda de de Broglie dos electróns comparada coa dos fotóns de luz. Isto permite que o instrumento capture finos detalles, incluso tan pequenos como unha soa columna de átomos, que é miles de veces máis pequena que os obxectos resolvibles utilizando microscopia óptica.
A estrutura dun microscopio electrónico de transmisión consta das seguintes partes principais: Canón de electróns, que emite os electróns que chocan ou atravesan o espécime, creando unha imaxe aumentada.
Lentes magnéticas para crear campos que dirixen e enfocan o feixe de electróns, xa que as lentes convencionais utilizadas nos microscopios ópticos non funcionan cos electróns. Teñen lentes condensadoras, obxectivo e proxectoras.
Sistema de baleiro. Crea o baleiro no interior do microscopio. Debido a que os electróns poden ser desviados polas moléculas do aire do interior do microscopio, debe facerse un baleiro case total no seu interior.
Placa fotográfica ou pantalla fluorescente, que se coloca detrás do obxecto a visualizar para rexistrar a imaxe aumentada.
Sistema de rexistro que mostra a imaxe que producen os electróns, que adoita ser un computador.
A microscopia electrónica de transmisión é un método analítico moi importante en física, química e bioloxía. Os METs teñen aplicación na investigación do cancro, viroloxía e ciencia dos materiais así como na investigación sobre polución, nanotecnoloxía e semicondutores, pero tamén noutros eidos do saber, como a paleontoloxía e palinoloxía.
Os MET teñen moitos modos de funcionar, como a obtención de imaxes convencional, as imaxes obtidas con MET de varrido (METV ou, en inglés, STEM), as difraccións, espectroscopia e combinacións delas. Incluso na obtención de imaxes convencional hai moitos xeitos fundamentalmente diferentes de producir o contraste, chamados "mecanismos de contraste de imaxes". O contraste pode orixinarse por diferenzas en grosor ou densidade do material dunha posición a outra ("contraste masa-grosor"), número atómico ("contraste Z", onde Z é simboliza o número atómico), estrutura cristalina ou orientación ("contraste cristalográfico" ou "contraste de difracción"), o lixeiro cambio de fase mecánico-cuántico que cada átomo produce nos electróns que pasan a través deles ("contraste de fase"), a enerxía perdida polos electróns ao pasaren a través da mostra ("imaxes de espectro") e doutros modos. Cada mecanismo indica ao usuario un tipo diferente de información, dependendo non só do mecanismo de contraste senón tamén de como se use o microscopio (disposición das lentes, aperturas e detectores). Isto significa que un MET pode dar unha extraordinaria variedade de información a resolución nanométrica ou atómica, revelando en casos ideais non só onde están todos os átomos mais tamén que tipos de átomos son e como están enlazados entre si. Por esta razón o MET considérase unha ferramenta esencial para as nanociencias tanto no campo da bioloxía coma no dos materiais.
O primeiro MET foi demostrado por Max Knoll e Ernst Ruska en 1931, os cales desenvolveron o primeiro MET que tiña unha resolución maior á da luz en 1933 e o primeiro MET comercial en 1939. En 1986, Ruska recibiu o premio Nobel de Física polo o desenvolvemento da microscopia electrónica de transmisión. Historia
Desenvolvemento inicial
En 1873, Ernst Abbe propuxo que a capacidade de resolver detalles nun obxecto estaba limitada aproximadamente pola lonxitude de onda da luz utilizada para obter a imaxe, o que é uns poucos centos de nanómetros para os microscopios de luz visible. O desenvolvemento dos microscopios de luz ultravioleta (UV), levou a Köhler e Rohr a conseguir incrementar o poder de resolución ao dobre. Porén, isto requiría custosas ópticas de cuarzo, debido á absorción da luz UV polo vidro. Críase que non era posible obter unha imaxe con información submicrométrica debido á restrición imposta pola lonxitude de onda.
En 1858, Plücker observou a desviación dos "raios catódicos" (electróns) polos campos magnéticos. Este efecto foi utilizado por Ferdinand Braun en 1897 para construír dispositivos de medición de osciloscopios de raios catódicos simples. En 1891, Riecke decatouse de que os raios catódicos podían ser enfocados por campos magnéticos, o que fixo posible o deseño de lentes electromagnéticas simples. En 1926, Hans Busch publicou un traballo ampliando esta teoría e mostrando que a ecuación dos fabricantes de lentes podía, coas asuncións adecuadas, aplicarse aos electróns.
En 1928 na Universidade Técnica de Berlín, Adolf Matthias, profesor de Tecnoloxía de Alta Voltaxe e Instalacións Eléctricas, nomeou a Max Knoll para liderar un equipo de investigadores para avanzar no deseño de osciloscopios de raios catódicos. O equipo constaba de varios estudantes de doutoramento entre os cales estaban Ernst Ruska e Bodo von Borries. O equipo de investigación traballou no deseño de lentes e colocación da columna de osciloscopios de raios catódicos, para optimizar os parámetros e construír mellores osciloscopios, e conseguiuse facer que os compoñentes ópticos electrónicos xerasen imaxes de baixo aumento (case de 1: 1). En 1931, o grupo conseguira xerar imaxes ampliadas de mallas de grellas situadas sobre a apertura do ánodo. O aparello usaba dúas lentes magnéticas para conseguir grandes aumentos, polo que pode dicirse que crearon o primeiro microscopio electrónico. Ese mesmo ano, Reinhold Rudenberg, o director científico da compañía Siemens, patentou un microscopio electrónico de lente electrostática.
Mellora da resolución
Nesa época os electróns considerábanse partículas de materia cargadas; a natureza de onda dos electróns non se comprendeu totalmente ata a tese de doutoramento de Louis de Broglie en 1924. O grupo de investigación de Knoll non foi consciente desa publicación ata 1932, cando se deron conta de que a lonxitude de onda de de Broglie dos electróns era moitas ordes de magnitude menor que a da luz, o que teoricamente permitiría obter imaxes a escalas atómicas. (Incluso para electróns cunha enerxía cinética de só 1 volt a lonxitude de onda é xa de só 1, 23 nm. ) En abril de 1932, Ruska suxeriu a construción dun novo microscopio electrónico para obter imaxes directas de espécimes inseridos dentro do microscopio, en vez de simples mallas de grellas ou imaxes de aperturas. Con este aparello conseguíronse imaxes de difracción e normais dunha folla de aluminio. Porén, o aumento acadable era menor que o dos microscopios ópticos. Aumentos maiores que os que podía ofrecer o microscopio óptico conseguíronse en setembro de 1933 con imaxes de fibras de algodón obtidas rapidamente antes de que o feixe de electróns deteriorase as fibras.
Nese momento aumentara o interese polo microscopio electrónico, e outros grupos como o de Paul Anderson e Kenneth Fitzsimmons da Universidade do Estado de Washington e o de Albert Prebus e James Hillier na Universidade de Toronto, construíron os primeiros METs en Norteamérica en 1935 e 1938, respectivamente, avanzando continuamente no deseño do MET.
En 1936 continuou a investigación sobre os microscopios electrónicos en Siemens; o obxectivo era o desenvolvemento e mellora das propiedades de obtención de imaxes do MET, especialmente con respecto a mostras biolóxicas. Nese período os microscopios electrónicos fabricábanos grupos específicos, como o aparello "EM1" utilizado no Laboratorio Nacional de Física do Reino Unido. En 1939, o primeiro microscopio electrónico comercial, mostrado na imaxe, instalouse no departamento de Física da IG Farben. Posteriores traballos sobre o microscopio electrónico foron dificultados pola destrución dun novo laboratorio construído na Siemens por un bombardeo estratéxico, así como pola morte de dous dos investigadores, Heinz Müller e Friedrick Krause, durante a segunda guerra mundial.
Investigacións posteriores
Despois da segunda guerra mundial Ruska reiniciou os traballos na Siemens, onde continuou desenvolvendo o microscopio electrónico, producindo o primeiro microscopio con 100. 000 aumentos. A estrutura fundamental do deseño deste microscopio, cunha óptica de preparación de feixe mulietapas, aínda se usa nos microscopios modernos. A comunidade mundial dedicada aos microscopio electrónicos seguiu avanzando cos fabricados en Manchester, Reino Unido, os EUA (RCA), Alemaña (Siemens) e o Xapón (JEOL). A primeira conferencia internacional sobre microscopia electrónica celebrouse en Delft en 1949, con máis de cen asistentes. Conferencias posteriores foron a "Primeira" conferencia internacional en París, 1950 e despois outra en Londres en 1954.
Co desenvolvemento do MET, reinvestigouse a técnica asociada da microscopia electrónica de transmisión de varrido (METV ou, en inglés, STEM) e permaneceu sen desenvolver ata a década de 1970, cando Albert Crewe na Universidade de Chicago desenvolveu o canón de emisión de campo e engadiu unha lente obxectivo de alta calidade para crear o moderno METV. Usando este deseño, Crewe demostrou a capacidade de obter imaxes de átomos usando imaxe de campo escuro anular. Crewe e colegas na Universidade de Chicago desenvolveron a fonte de emisión de electróns por campo fría e construíron un METV que podía visualizar átomos pesados separados en substratos de carbono delgados. Introdución
Electróns
Teoricamente, a máxima resolución, d, que se pode obter cun microscopio óptico está limitada pola lonxitude de onda dos fotóns (λ) e a apertura numérica AN do sistema. d
λ 2 n sin ⁡ α ≈ λ 2 AN {\displaystyle d
{\frac {\lambda }{2n\sin \alpha }}\approx {\frac {\lambda }{2\, {\textrm {AN}}}}} onde n é o índice de refracción do medio no cal está funcionado a lente, α é o ángulo medio máximo do cono de luz que pode entrar na lente (ver apertura numérica). Os científicos de inicios do século XX teorizaron modos de saltarse as limitacións das lonxitudes de onda relativamente grandes da luz visible (lonxitude de onda de 400–700 nanómetros) usando electróns. Como todas as partículas materiais, os electróns teñen tanto propiedades de onda coma de partícula (ondas de materia), e as súas propiedades de onda significan que un feixe de electróns pode enfocarse e difractarse igual que o fai a luz. A lonxitude de onda dos electróns está relacionada coa súa enerxía cinética por medio da ecuación de de Broglie, que di que a lonxitude de onda é inversamente proporcional ao momento. Tendo en conta os efectos relativistas (xa que nun MET a velocidade dun electrón é unha fracción substancial da velocidade da luz, c) a lonxitude de onda é λ e
h 2 m 0 E ( 1 + E 2 m 0 c 2 ) {\displaystyle \lambda _{e}
{\frac {h}{\sqrt {2m_{0}E\left(1+{\frac {E}{2m_{0}c^{2}}}\right)}}}} onde, h é a constante de Planck, m0 é a masa en repouso dun electrón e E é a enerxía cinética do electrón acelerado.
Fonte de electróns
Desde a parte superior á inferior, un MET consta dunha fonte de emisión ou cátodo, que pode ser un filamento de volframio, un monocristal de hexaboruro de lantano (LaB6) ou un canón de emisión de campo. O canón está conectado a unha fonte de alta voltaxe (normalmente de ~100–300 kV) e emite electróns por emisión termiónica ou por emisión de electróns de campo no baleiro. No caso dunha fonte termiónica, a fonte de elecróns está montada nun cilindro de Wehnelt para proporcionar un foco preliminar dos electróns emitidos nun feixe mentres que tamén estabilizan a corrente usando un circuíto de retroalimentación pasivo. Unha fonte de emisión de campo usa no seu lugar eléctrodos electrostáticos chamados extractor, un supresor, e unha lente canón, con diferentes voltaxes en cada un, para controlar a forma do campo eléctrico e a intensidade preto do extremo agudo. A combinación do cátodo e estes primeiros elementos de lentes electrostáticas denomínase en conxunto "canón de electróns". Despois de que o feixe abandona o canón, é normalmente acelerado ata que acada a súa voltaxe final e entra na seguinte parte do microscopio: o sistema da lente condensadora. Despois, as lentes superiores do MET enfocan o feixe de electróns co tamaño e localización desexadas sobre a mostra.
A manipulación do feixe de electróns realízase usando dous efectos físicos. A interacción de electróns cun campo magnético causa que os electróns se movan de acordo doa regra da man esquerda, o que permite que os electroimáns manipulen o feixe de electróns. Adicionalmente, os campos electrostáticos poden causar que os electróns se desvíen nun ángulo constante. O acoplamento de dúas desviacións en direccións opostas cun pequeno espazo intermedio permite causar un desprazamento no camiño do feixe, permitindo cambiar a dirección do feixe.
Óptica
As lentes dun MET son o que lle dá a súa flexibilidade nos modos de funcionar e a capacidade de enfocar os feixes ata a escala atómica e magnificalos ata conseguir unha imaxe. Unha lente está normalmente feita dun solenoide enroscado en bobina case rodeado de materiais ferromagnéticos deseñado para concentrar o campo magnético da bobina nunha forma confinada precisa. Cando un electrón entra e abandona o campo magnético, describe espirais arredor das liñas do campo magnético curvado dunha maneira que actúa en gran medida igual a como unha lente de vidro ordinaria fai coa luz: é unha lente converxente. Pero, a diferenza dunha lente de vidro, unha lente magnética pode cambiar moi facilmente o seu poder de enfoque axustando a corrente que pasa polas bobinas.
Igual de importante para as lentes son as aperturas. Estes son buratos circulares en bandas delgadas de metal pesado. Algunhas son de tamaño e posición fixas e xogan un importante papel na limitación da xeración de raios X e na mellora do rendemento no baleiro. Outras poden ser cambiadas a vontade entre varios tamaños e as súas posicións poden axustarse. As aperturas variables despois da mostra permiten que o usuario seleccione o rango de posicións espaciais ou ángulos de dispersión de electróns para usalos na formación dunha imaxe ou un padrón de difracción.
O sistema óptico-electrónico tamén inclúe deflectores e estigmadores, xeralmente feitos con pequenos electroimáns. Os deflectores permiten que a posición e o ángulo do feixe na posición da mostra sexan controlados independentemente e tamén aseguran que os feixes permanecen preto dos centros de baixa aberración de cada lente na columna de lentes. Os estigmadores compensan as lixeiras imperfeccións e aberracións que causan astigmatismo na lente (lente que ten diferente forza focal en diferentes direccións).
Tipicamente, un MET consta de tres etapas de paso por lentes. As etapas son lentes condensadoras, lentes obxectivo e lentes proxectoras. As lentes condensadoras son as responsables da formación do feixe primario, mentres que as lentes obxectivo enfocan o feixe que atravesa a propia mostra (no modo de escaneado ou varrido do METV, hai tamén lentes obxectivo sobre a mostra para facer que o feixe de electróns incidente sexa converxente). As lentes proxectoras son utilizados para expandir o feixe na pantalla fluorescente ou outro dispositivo para captar a imaxe, como unha película. O aumento do MET débese á proporción de distancias entre o espécime e o plano de imaxe da lente obxectivo. As configuracións ópticas do MET difiren significativamente coas aplicacións, cos fabricantes que usan configuracións de lentes acostumadas, como instrumentos corrixidos para evitar a aberración esférica, ou METs que usan filtración de enerxía para corrixir a aberración cromática dos electróns.
Reciprocidade
O teorema da reciprocidade óptica ou principio de reciprocidade de Helmholtz, xeralmente cúmprese para os electróns dispersados elasticamente, como adoita ser o caso nas condicións operativas estándar dos METs. O teorema di que a amplitude de onda nun determinado punto B como resultado dunha fonte puntual de electróns A sería a mesma que a amplitude en A debido a unha fonte puntual equivalente situada en B. Dito de forma máis simple, a función de onda dos electróns enfocados a través dunha serie de compoñentes ópticos que inclúen soamente campos escalares (é dicir, non magnéticos) será exactamente equivalente se a fonte de electróns e o punto de observación están invertidos.
A reciprocidade úsase para comprender a microscopia electrónica de transmisión de varrido (METV ou STEM) no contexto familiar do MET e para obter e interpretar imaxes usando a METV.
Pantalla e detectores
Os factores clave cando se considera a detección de electróns inclúen a eficiencia cuántica de detección, a función de dispersión de punto, a función de transferencia de modulación, o tamaño de píxel e o tamaño do array, o ruído, a velocidade do lector de datos e a dureza da radiación.
Os sistemas de presentación da imaxe nun MET constan dunha pantalla fluorescente, que pode estar feita dun fino sulfuro de cinc particulado (10–100 μm), para a observación directa polo operador, e un sistema de rexistro de imaxes, como unha película fotográfica, unha pantalla de YAG dopada acoplada con CCDs, ou outros detectores dixitais. Tipicamente, estes dispositivos poden ser retirados ou inseridos no camiño do feixe segundo se require. (A película fotográfica xa non se usa). O primeiro informe do uso dun deector de dispositivo acoplado a carga (CCD) para un MET fíxose en 1982, pero o uso desta tecnoloxía non se espallou ata finais da década de 1990/principios da de 2000. Os sensores de píxel activo monolíticos (MAPSs) tamén se usaron nos METs. Os detectores CMOS, que son máis rápidos e máis resistentes a danos por radiación que os CCDs, foron usados nos METs desde 2005. A inicios da década de 2010, outros desenvolvementos da tecnoloxía de CMOS permitiu a detección de contaxes dun só electrón ("modo contaxe"). Estes Detectores de Electróns Directos están dispoñibles nas compañías Gatan, FEI, Quantum Detectors Limited e Direct Electron. Compoñentes
Un MET está formado por varios compoñentes, que inclúen un sistema de baleiro no cal viaxan os electróns, unha fonte de emisión de electróns para xerar a corrente de electróns, unha serie de lentes electromagnéticas, así como placas electrostáticas. Os dous últimos permiten ao operador guiar e manipular o feixe como se precise. Tamén cómpre un dispositivo que permita a inserción dos espécimes, o seu desprazamento unha vez dentro e a súa retirada do camiño do feixe. Finalmente, utilízanse dispositivos para crear unha imaxe a partir dos electróns que saen do sistema.
Sistema de baleiro
É importante evitar a interacción dos electróns cos gases do aire no seu percorrido. Para incrementar o camiño libre medio da interacción entre o gas e os electróns, un TEM estándar é baleirado ata baixas presións, tipicamente da orde de 10−4 Pa. A necesidade disto é dobre: primeiro para respectar a marxe que hai na diferenza de voltaxe entre o cátodo e a terra sen que se xere un arco, e segundo para reducir a frecuencia de colisión de electróns con átomos de gas do aire ata niveis insignificantes; este efecto caracterízase polo camiño libre medio. Os compoñentes do MET tales como os soportes do espécime e cartuchos de película deben inserirse rutineiramente ou substituírse, para o que cómpre un sistema coa capacidade de recrear o baleiro de forma regular. Para iso os METs están equipados con múltiples sistemas de bombeo e compartimentos estancos que non están selados ao baleiro permanentemente.
O sistema de baleiro para evacuar o aire do interior do MET ata unha presión operativa comprende varias etapas. Inicialmente, conséguese un baleiro baixo ou aproximado usando unha bomba de paletas rotatoria ou unha bomba de diafragma establecendo unha presión suficientemente baixa que permita a operación dunha bomba turbomolecular ou bomba de difusión que estableza o nivel de baleiro alto necesario para as operacións. Para que a bomba de baleiro baixo non teña que funcionar continuamente, mentres que funcionan continuamente as bombas turbomoleculares, pode conectarse o lado do baleiro dunha bomba de baixa presión a cámaras que acomodan os gases extraídos pola bomba turbomolecular. As seccións do MET poden illarse usando aberturas que limitan a presión para permitir ter diferentes niveis de baleiro en áreas específicas, como un baleiro alto de 10−4 a 10−7 Pa ou maior no canón de electróns nos METs de emisión de campo ou de alta resolución.
Os METS de alta voltaxe necesitan baleiros ultraaltos da orde de 10−7 a 10−9 Pa para impedir a xeración dun arco eléctrico, especialmenre no cátodo do MET. Para iso, nos METs de alta voltaxe pode funcionar un terceiro sistema de baleiro, co canón illado da cámara principal por medio de válvulas de comportas ou cunha abertura de bombeo diferencial (un pequeno burato que impide a difusión de moléculas de gas na área do canón de alto baleiro máis rápido do que poden ser bombeadas fóra). Para estas presións moi baixas utilízase unha bomba iónica ou un material desgasificador.
Ter un baleiro escaso no MET pode causar varios problemas desde a deposición de gas dentro do MET sobre o espécime mentres se observa nun proceso coñecido como deposición inducida por feixe de electróns, ata danos máis graves no cátodo causados polas descargas eléctricas. O uso dunha trampa fría para adsorber gases sublimados nas proximidades dun espécime elimina en gran medida os problemas causados porque o baleiro causa a sublimación do espécime.
Platina do espécime
O deseño das platinas para o espécime do MET comprende cámaras estancas para inserir nelas o soporte do espécime no baleiro cunha mínima perda de baleiro noutras áreas do microscopio. Os soportes do espécime teñen un tamaño estándar de grella para a mostra ou espécime autosoportante. Os tamaños de grella de MET estándar son de 3, 05 mm de diámetro, cun grosor e tamaño de malla que varía de 100 μm a só uns poucos microns. A mostra sitúase na área da malla e ten un diámetro de aproximadamente 2, 5 mm. Os materiais habituais das grellas son o cobre, molibdeno, ouro ou platino. Esta grella sitúase no soporte da mostra, que se emparella coa platina do espécime. Hai unha ampla variedade de deseños de platinas e soportes, dependendo do tipo de experimento se se vaia facer. Ademais das grellas de 3, 05 mm, tamén se usan, aínda que máis raramente, as de 2, 3 mm. Estas grellas eran utilizadas especialmente en ciencias mineralóxicas, nas que cómpre un alto grao de inclinación e onde o material do espécime pode ser extremadamente escaso. Os espécimes transparentes aos electróns teñen un grosor xeralmente menor de 100 nm, mais este valor depende da voltaxe de aceleración.
Unha vez inserida a mostra no MET, esta ten que manipularse para localizar as rexións de interese sobre as que incida o feixe, como na difracción dun só cristalito nunha orientación específica. Para acomodar isto, a platina do MET permite mover a mostra no plano XY, axustar a altura Z e normalmente ten unha soa dirección de inclinación paralela ao eixe dos soportes de entrada lateral. Pode ser posible tamén a rotación da mostra en platinas e soportes de difracción especializados. Algúns METs modernos proporcionan a capacidade de usar dous ángulos de movemento de inclinacións ortogonais con deseños de soportes especializados chamados soportes de mostra de dobre inclinación. Algúns deseños de platinas, como as de entrada pola parte superior ou platinas de inserción vertical, que nalgún momento foron comúns en estudos feitos con MET de alta resolución, poden simplemente dispoñer só de traslación X-Y. Os criterios de deseño das platinas dos METs son complexos, debido aos requirimentos simultáneos de restricións mecánicas e electrón-ópticas e disponse de modelos especializados para diferentes métodos.
Unha platina de MET debe ter a capacidade de servir de soporte ao espécime e poder manipularse para situar a rexión de interese no camiño do feixe de electóns. Como o MET pode funcionar nunha ampla gama de aumentos, a platina debe á vez ser moi resistente á desviación macánica, con requirimentos de tan só uns poucos nm/minuto e poder moverse varias μm/minuto, cunha exactitude de reposicionamento da orde de nanómetros. Os deseños iniciais dos METs cumprían con isto por medio dun complexo conxunto de dispositivos mecánicos de control, que permitían que o operador controlase finamente o movemento da platina con diversas barras rotatorias. Os aparellos modernos poden utilizar deseños de platinas eléctricas, cun parafuso xunto cun motor paso a paso, que proporcionan ao operador un input de platina por computadora, como un joystick ou trackball.
Hai dous deseños principais para platinas de METs, os de entrada lateral e os de entrada pola parte superior. Cada deseño debe acomodar o soporte correspondente para poder inserir o espécime sen danar a delicada óptica do MET nin deixar que entre gas nos sistemas do MET nos que se fixo o baleiro. O máis común é o soporte de entrada lateral, no cal o espécime sitúase preto do extremo dunha longa barra metálica (de latón ou aceiro inoxidable), co espécime colocado plano nunha pequena perforación. Ao longo da barra hai varios aneis de baleiro de polímero que permiten a formación dun selo de baleiro de calidade suficiente, cando se insiren na platina. A platina está deseñada para acomodar a barra, situando a mostra entre ou preto da lente obxectivo, dependendo do deseño do obxectivo. Cando se insire o soporte de entrada lateral na platina, este ten o seu extremo dentro do baleiro do MET e a base está exposta á atmosfera, a cámara estanca formada polos aneis de baleiro.
Os procedementos de inserción para os soportes de MET de entrada lateral tipicamente implican a rotación da mostra para activar microinterruptores que inician a evacuación do aire da cámara estanca antes de que se insira a mostra na columna do MET.
O segundo deseño é o de soporte de entrada superior, que consiste nun cartucho de varios centímetros de longo cun burato perforado no eixe do cartucho. O espécime cárgase no burato, posiblemente usando un pequeno anel parafuso para soster a mostra no seu lugar. Ese cartucho insírese nunha cámara estanca co burato perpendicular ao eixe óptico do MET. Cando está selado, a cámara estanca manipúlase para empurrar o cartucho de tal modo que o cartucho quede no seu lugar, onde o burato perforado queda aliñado co eixe do feixe, de tal maneira que o feixe viaxa polo burato do cartucho e chega ao espécime. Tales deseños non se poden inclinar sen bloquear o camiño do feixe ou interferir coa lente obxectivo.
Canón de electróns
O canón de electróns está formado por varios compoñentes: o filamento, un circuíto de polarización, un cilindro Wehnelt e un ánodo de extracción. Ao conectar o filamento coa fonte de enerxía de compoñente negativo, os electróns poden ser "bombeados" desde o canón de electróns á placa do ánodo e a columna do MET, completando así o circuíto. O canón está deseñado para crear un feixe de electróns que sae do conxunto da ensamblaxe cun determinado ángulo, coñecido como semiángulo de diverxencia do canón, α. Ao construír o cilindro Wehnelt para que teña unha carga negativa maior que o propio filamento, os electróns que saen do filamento de maneira diverxente son, operando correctamente, forzados a adoptar un padrón converxente cuxo tamaño mínimo é o diámetro transversal do canón.
A densidade actual de emisión termiónica J, pode relacionarse coa función de traballo (ou traballo de extracción) do material emisor pola lei de Richardson J
A T 2 exp ⁡ ( − Φ k T ), {\displaystyle J
AT^{2}\exp \left({\frac {-\Phi }{kT}}\right), } onde A é a constante de Richardson, Φ é a función de traballo e T é a temperatura do material.
Esta ecuación mostra que para conseguir unha densidade de corrente suficiente cómpre quentar o emisor, tendo coidado de non causar danos por aplicar excesiva calor. Por esta razón, para fabricar o filamento do canón requírense materiais cun alto punto de fusión, como o volframio, ou cunha función de traballo baixa, como LaB6. Ademais, as fontes termiónicas tanto de hexaboruro de lantano coma de volframio deben quentarse para conseguir a emisión termiónica, isto pode realizarse co uso dunha pequena banda electricamente resistente. Para impedir un choque térmico que danaría o filamento adoita haber un atraso forzoso na aplicación da corrente ao extremo.
Lentes para electróns
As lentes para electróns deséñanse para que actúen de maneira que emulen as lentes ópticas, ao enfocaren electróns paralelos a unha distancia focal constante. As lentes para electróns poden funcionar electrostaticamente ou magneticamente. A maioría das lentes para electróns para METs usan bobinas electromagnéticas para xerar unha lente convexa. O campo producido pola lente debe ser radialmente simétrico, xa que a desviación da simetría radial das lentes magnéticas causa aberracións como o astigmatismo e empeora as aberracións esférica e cromática. As lentes para electróns fabrícanse de ferro ou aliaxes de ferro-cobalto ou níquel-cobalto, como o permalloy. Estes son seleccionados polas súas propiedades magnéticas, como a saturación, histérese e permeabilidade magnéticas.
Os compoñentes inclúen o xugo, a bobina magnética, os polos, a peza polo e a circuitería de control externa. A peza polo debe fabricarse dunha maneira moi simétrica, xa que isto proporciona as condicións de fronteira do campo magnético que forma a lente. As imperfeccións na súa fabricación poden inducir graves distorsións na simetría do campo magnético, que induce distorsións que finalmente limitan a capacidade da lente de reproducir o plano do obxecto. As dimensións exactas do espazo libre, diámetro interno da peza polo e estreitamento progresivo, así como o deseño no seu conxunto da lente adoitan realizarse por análise dos elementos finitos do campo magnético, á vez que se consideran as restricións térmicas e eléctricas do deseño.
As bobinas que producen o campo magnético están localizadas no xugo da lente. As bobinas poden conter unha corrente variable, pero normalmente usan alta voltaxe e, por tanto, cómprelles ter un illamento significativo para evitar cortacircuitar os compoñentes da lente. Os distribuidores térmicos sitúanse de modo que aseguren a extracción da calor xerada pola perda de enerxía pola resistencia do bobinado. Pode haber un sistema de arrefriamento do bobinado para facilitar a eliminación da calor.
Aperturas
As aperturas son placas metálicas anulares a través das cales poden excluírse os electróns que están a máis dunha distancia fixada do eixe óptico. Consisten nun pequeno disco metálico que é groso dabondo como para impedir que os electróns pasen a través do disco, mentres que permiten o paso dos electróns axiais. Este permiso de paso aos electróns centrais no MET causa dous efectos simultaneamente: primeiro, as aperturas diminúen a intensidade do feixe a medida que se filtran os electróns do feixe, o cal pode ser desexable no caso de mostras sensibles ao feixe. En segundo lugar, este filtrado retira os electróns que son dispersados en ángulos altos, o cal pode ser debido a algún proceso non desexado como as aberracións cromática e esférica, ou debido á difracción polas interaccións dentro da mostra.
As aperturas poden ser aperturas fixas dentro da columna, como as da lente condensadora, ou aperturas móbiles, que poden inserirse ou retirarse do camiño do feixe, ou movidas nun plano perpendicular ao camiño do feixe. As ensamblaxes das aperturas son aparellos mecánicos que seleccionan os diferentes tamaños de apertura, que pode usar o operador para regular a intensidade e efecto de filtrado da apertura. As ensamblaxes de apertura adoitan estar equipadas con micrómetros para mover a apertura, necesarios durante a calibración óptica. Métodos de obtención da imaxe
Os métodos de obtención da imaxe no MET usan a información contida nas ondas dos electróns que saen da mostra para formar unha imaxe. As lentes proxectoras permiten o posicionamento correcto desta distribución de ondas de electróns no sistema de visualización. A intensidade observada I, da imaxe, asumindo unha calidade suficientemente alta do dispositivo que forma a imaxe, pode ser aproximada como proporcional ao valor absoluto do tempo medio ao cadrado da amplitude da función de onda dos electróns. A onda que forma o feixe de saída denótase como Ψ. I ( x )
k t 1 − t 0 ∫ t 0 t 1 Ψ Ψ ∗ d t {\displaystyle I(x)
{\frac {k}{t_{1}-t_{0}}}\int _{t_{0}}^{t_{1}}\Psi \Psi ^{\mathrm {*} }\, dt} Diferentes métodos de obtención de imaxes intentan modificar as ondas dos electróns que saen da mostra de modo que proporcionen información sobre a mostra ou sobre o propio feixe. Da ecuación anterior pode deducirse que a imaxe observada depende non só da amplitude do feixe, senón tamén da fase dos electróns, [Cómpre clarificar] aínda que os efectos de fase poden a miúdo ser ignorados a baixos aumentos. As imaxes de resolucións maiores requiren mostras máis finas e maiores enerxías dos electróns incidentes, o que significa que xa non se pode considerar que a mostra estea absorbendo electróns (é dicir, polo efecto da lei de Beer). En lugar diso, a mostra pode ser modelada como un obxecto que non cambia a amplitude da función de onda dos electróns entrantes, senón que modifica a fase da onda entrante; neste modelo a mostra coñécese como un obxecto de fase pura. Para espécimes o suficientemente finos, os efectos de fase dominan a imaxe, complicando a análise das intensidades observadas. Para mellorar o contraste da imaxe o MET pode funcionar cun lixeiro desenfoque para mellorar o contraste, debido á convolución pola función de transferencia de contraste do MET, que normalmente diminuiría o contraste se a mostra non é un obxecto de fase débil. A figura da dereita mostra os dous modos de funcionar básicos dos METs: modos Imaxe e Difracción. En ambos os casos o espécime ilumínase co feixe paralelo, formado por polo feixe de electróns ao que se lle deu forma co sistema de lentes condensadoras e a apertura do condensador. Despois da interacción coa mostra, na superficie de saída do espécime hai dous tipos de electróns: non dispersados (que corresponden co feixe brillante cental no padrón de difracción) e dispersados (que cambian as súas traxectorias debido á interacción co material).
No modo Imaxe a apertura do obxectivo insírese nun plano focal posterior da lente obxectivo (onde se forman puntos de difracción). Se se usa a apertura do obxectivo para seleccionar só o feixe central, os electróns transmitidos pasan pola apertura, mentres que todos os demais son bloqueados, e obtense unha imaxe de campo brillante (imaxe CB ou, en inglés, BF). Se permitimos pasar o sinal dun feixe de difracción, recíbese unha imaxe de campo escuro (imaxe CE ou, en inglés, DF). O sinal seleccionado amplíase e proxéctase na pantalla (ou nunha cámara) coa axuda de lentes intermedias e proxectoras. Así obtense unha imaxe da mostra.
No modo Difracción pode usarse unha apertura de área seleccionada para determinar con máis precisión a área do espécime da cal se mostrará o sinal. Cambiando a forza da corrente da lente intermedia, o padrón de difracción proxéctase nunha pantalla. A difracción é unha ferramenta moi poderosa para facer a reconstución dunha célula e a determinación da orientación dun cristal.
Formación do contraste
O contraste entre dúas áreas adxacentes nunha imaxe de MET pode definirse como a diferenza nas densidades electrónicas no plano da imaxe. Debido á dispersión do feixe incidente causada pola mostra, a amplitude e fase da onda do electrón cambian, o cal ten como resultado un contraste de amplitude e contraste de fase, respectivamente. A maioría das imaxes teñen ambos os compoñentes do contraste.
O contraste de amplitude obtense debido á eliminación dalgúns electróns ante o plano da imaxe. Durante as súas interaccións co espécime algúns dos electróns pérdense debido á absorción, ou debido á dispersión a ángulos moi altos máis alá da limitación física do microscopio ou son bloqueados pola apertura do obxectivo. Aínda que as dúas primeiras perdas se deben ao espécime e á construción do microscopio, o operador pode utilizar a apertura do obxectivo para mellorar o contraste. A figura da dereita mostra unha imaxe de MET (a) e o correspondente padrón de difracción (b) dunha película de Pt policristalino tomada sen unha apertura de obxectivo. Para mellorar o contraste nas imaxes do MET debería reducirse o número de feixes dispersados como visible no padrón de difracción. Isto pode facerse seleccionando unha determinada área no plano focal posterior como o feixe central soamente ou un feixe (ángulo) difractado específico, ou combinacións de ditos feixes. Seleccionando deliberadamente unha apertura de obxectivo que só deixa pasar o feixe non difractado alén do plano focal posterior (e no plano da imaxe), créase unha imaxe de campo brillante (CB) (c); mentres que se se bloquea o feixe central non difractado, pódese obter imaxes de campo escuro (CE) como as que se mostran en (d-e). As imaxes CE (d-e) obtivéronse seleccionando feixes difractados indicados no padrón de difracción con círculos (b) usando unha apertura no plano focal posterior. Os grans nos cales se dispersaron os electróns nestes puntos de difracción aparecen máis brillantes. Máis adiante daranse máis detalles sobre a formación do contraste de difracción.
Hai dous tipos de contraste de amplitude: de masa-grosor e de difracción. Primeiro, consideremos o contraste de masa–grosor. Cando o feixe ilumina dúas áreas veciñas con baixa masa (ou grosor) e alta masa (ou grosor), a rexión máis pesada dispersa os electróns a ángulos maiores. Estes electróns fortemente dispersados están bloqueados no modo do MET CB pola apertura do obxectivo. Como resultado, as rexións máis pesadas aparecen máis escuras nas imaxes CB (teñen baixa intensidade). O contraste de masa-grosor é máis importante para materiais amorfos non cristalinos.
O contraste de difracción ocorre debido á orientación cristalográfica específica dun gran. En tales casos o cristal está orientada nun modo no que hai unha alta probabilidade de difracción. O contraste de difracción proporciona a información sobre a orientación dos cristais nunha mostra policristalina, así como outras informacións como os defectos do cristal. Nótese que en caso de que exista contraste de difracción, o contraste non se pode interpretar como debido a variacións de masa ou grosor.
Contraste de difracción
As mostras poden presentar contraste de difracción, na que o feixe de electróns sofre difracción, a cal, no caso dunha mostra cristalina, causará a dispersión dos electróns en localizacións discretas no plano focal posterior. Situando as aperturas no plano focal posterior, é dicir, a apertura do obxectivo, poden seleccionarse (ou excluírse) os vectores de rede recíproca desexados, así só as partes da mostra que están causando que os electróns se dispersen ás reflexións seleccionadas acabarán proxectándose no dispositivo de obtención da imaxe.
Se as reflexións que son seleccionadas non inclúen o feixe non dispersado (o cal aparecerá no punto focal da lente), entón a imaxe aparecerá escura en calquera sitio onde non haxa dispersión na mostra no pico seleccionado, xa que tal rexión sen espécime aparecerá escura. Isto coñécese como imaxe de campo escuro.
Os METs modernos adoitan estar equipados con soportes do espécime que permiten que o usuario incline o espécime a diversos ángulos para obter condicións de difracción específicas, e as aperturas situadas sobre o espécime permiten que o usuario seleccione electróns que doutro modo serían difractados nunha dirección particular.
Aplicacións deste método son a identificación de defectos de rede cristalina nun cristal. Seleccionando coidadosamente a orientación da mostra é posible non só determinar a posición dos defectos senón tamén determinar o tipo de defecto presente. Se a mostra está orientada para que un determinado plano estea só lixeiramente inclinado respecto do ángulo de difracción máis forte (coñecido como ángulo de Bragg), calquera distorsión do plano do cristal que incline localmente o plano ao ángulo de Bragg producirá variacións de contraste especialmente fortes. Porén, os defectos que producen só desprazamento de átomos que non inclinan o cristal cara ao ángulo de Bragg (é dicir, os desprazamentos paralelos ao plano do cristal) producirán un contraste máis débil.
Contraste de fase
A estrutura cristalina pode investigarse tamén por microscopia electrónica de transmisión de alta resolución (METAR ou, en inglés, HRTEM), tamén coñecida como contraste de fase. Cando se usa unha fonte de emisión de campo e un espécime de grosor uniforme, as imaxes fórmanse debido a diferenzas na fase das ondas dos electróns, que está causada pola interacción co espécime. A formación de imaxes conséguese co módulo complexo dos feixes de electróns entrantes. Deste modo, a imaxe non só depende do número de electróns que golpean a pantalla, o que fai a interpretación das imaxes de contraste de fase algo máis complexa. Porén, este efecto pode utilizarse como unha vantaxe, xa que pode manipularse para proporcionar máis información sobre a mostra, como nas técnicas de recuperación de fase complexa.
Difracción
Como se sinalou anteriormente, axustar as lentes magnéticas para que se sitúe o plano focal posterior da lente en vez do plano da imaxe no dispositivo de obtención da imaxe, pode xerar un padrón de difracción. Para mostras ciristalinas finas, isto produce unha imaxe que consiste nun padrón de puntos no caso dun monocristal, ou unha serie de aneis no caso dun material policristalino ou sólido amorfo. Para o caso de monocristais o padrón de difracción depende da orientación do espécime e a estrutura da mostra iluminada polo feixe de electróns. Esta imaxe proporciona información sobre as simetrías do grupo espacial do cristal e a orientación do cristal respecto do camiño do feixe. Isto faise tipicamente sen usar ningunha información agás a posición á cal aparecen os puntos de difracción e as simetrías da imaxe observada.
Os padróns de difracción poden ter un gran rango dinámico, e para mostas cristalinas, poden ter intensidades maiores das rexistrables polo CCD. Os METs poden estar equipados con cartuchos de película co propósito de obter estas imaxes, xa que a película é un detector dun só uso. A análise de padróns de difracción máis alá do punto-posición pode ser complexo, xa que a imaxe é sensible a varios factores, como o grosor e orientación do espécime, o desenfoque da lente obxectivo e as aberracións esférica e cromática. Aínda que é posible a interpretación cuantitativa do contraste mostrado en imaxes de redes cristalinas, é en si mesma complicada e pode requirir unha simulación e análise computacional ampla, como a análise multislice.
Tamén é posible un comportamento máis complexo no plano de difracción, con fenómenos como as liñas de Kikuchi orixinadas por difraccións múltiples dentro da rede cristalina. Nunha difracción de electróns de feixe converxente, na que se produce unha fronte de ondas de electróns non paralela, é dicir, converxente, ao concentrar o feixe de electróns nunha sonda fina na superficie da mostra, a interacción do feixe converxente pode proporcionar información máis alá dos datos estruturais como o grosor da mostra.
Espectroscopia de perda de enerxía dos electróns
Utilizando a técnica avanzada da espectroscopia de perda de enerxía dos electróns (EPEE ou, en inglés, EELS), en METs debidamente equipados, poden separarse os electróns nun espectro baseado na súa velocidade (a cal está estreitamente relacionada coa súa enerxía cinética, e así coa perda de enerxía respecto da enerxía do feixe), usando dispositivos baseados en sector magnético coñecidos como espectrómetros EEL. Estes dispositivos permiten a selección de valores de enerxía particulares, os cales poden ser asociados co modo en que o electrón interaccionou coa mostra. Por exemplo, diferentes elementos dunha mostra orixinan distintas enerxías dos electróns no feixe despois da mostra. Isto normalmente ten como resultado aberracións cromáticas; porén, este efecto pode, por exemplo, usarse para xerar unha imaxe que proporciona información sobre a composición elemental, baseándose na transición atómica durante a interacción electrón-electrón.
Os espectrómetros EELS poden a miúdo utilizarse tanto en modo espectroscópico coma en modo imaxe, o que permite o illamento ou rexeitamento de feixes dispersados elasticamente. Como en moitas imaxes a dispersión inelástica inclúe información que pode non ser de interese para o investigador, reducindo así os sinais observables de interese, as imaxes EELS poden usarse para mellorar o contraste nas imaxes observadas, incluíndo o campo brillante e a difracción, ao rexeitarse os compoñentes non desexados.
Obtención de imaxes tridimensionais
Como os soportes do espécime dos METs permiten normalmente a rotación da mostra nun ángulo desexado, poden obterse múltiples vistas do mesmo espécime facendo rotar o ángulo da mostra ao longo do eixe perpendicular ao feixe. Pode recollerse un conxunto de imaxes chamado "serie de inclinacións" (tilt series) tomando múltiples imaxes dunha soa mostra a diferentes ángulos, normalmente en incrementos dun grao. Esta metodoloxía propúxoa Walter Hoppe na década de 1970. En condicións de estrito contraste de absorción, este conxunto de imaxes pode utilizarse para construír unha representación tridimensional da mostra.
A reconstrución realízase nun proceso de dúas etapas. Primeiro alíñanse as imaxes para detectar os erros no posicionamento da mostra; tales erros poden ocorrer debido á vibración ou desviación mecánica. Os métodos de aliñamento usan algoritmos de rexistro de imaxes, como os métodos de autocorrelación para corrixir estes erros. En segundo lugar, usando un algoritmo de reconstrución, como a retroproxección filtrada (filtered back-projection), os cortes ou seccións de imaxes aliñadas poden transformarse desde un conxunto de imaxes bidimensionais, Ij(x, y), a unha imaxe tridimensional única, I'j(x, y, z). Esta imaxe tridimensional é de especial interese cando se necesita información morfolóxica, deben realizarse maiores estudos usando algoritmos de computador, como as isosuperficies e datos dos cortes para analizar os datos.
Como as mostras para MET non poden verse cunha rotación completa de 180°, as imaxes observadas padecen o que se chama "cuña perdida" ("missing wedge") de datos, a cal cando se usan métodos retroproxección baseada en Fourier diminúe o rango de frecuencias resolvibles na reconstrución tridimensional. Poden usarse refinamentos mecánicos, como a inclinación multieixe (dúas series de inclinacións do mesmo espécime feitas en direccións ortogonais) e tomografía cónica (onde o espécime inclínase primeiro nun determinado ángulo fixado e despois obtense a imaxe a incrementos rotacionais angulares iguais nunha rotación completa no plano da grella do espécime) para limitar o impacto dos datos perdidos sobre a morfoloxía do espécime observado. Usando o adelgazamento de feixe iónico focalizado, propúxose unha nova técnica que utiliza un espécime de forma columnar e un soporte especial de tomografía axial para realizar unha rotación de 180° da mostra dentro da peza polo da lente obxectivo do MET. Usando dita disposición, é posible a tomografía de electróns cuantitativa sen cuña perdida. Ademais, hai técnicas numéricas que poden mellorar os datos recollidos.
Todos os métodos antes mencionados implican rexistrar unha serie de inclinacións dun determinado campo do espécime. Isto ten como resultado inevitable a sumación dunha alta dose de electróns reactivos a través da mostra e a destrución que a acompaña de finos detalles durante o rexistro. A técnica de obtención de imaxes de baixa dose (dose mínima) é, por tanto, aplicada regularmente para mitigar este efecto. A obtención de imaxes de baixa dose realízase deflectando simultaneamente a iluminación e as rexións da imaxe lonxe do eixe óptico para obter a imaxe dunha rexión adxacente á área que vai ser gravada (a rexión de alta dose). Esta área mantense centrada durante a inclinación e reenfocada antes de gravar. Durante a gravación elimínanse as defleccións para que a área de interese sexa exposta ao feixe de electróns só durante o tempo necesario para obter a imaxe. Unha mellora desta técnica (para obxectos colocados nunha película de substrato inclinado) é ter dúas rexións fóra do eixe simétricas para enfocar e establecer o foco na media dos dous valores dos focos de alta dose antes de gravar a área de baixa dose de interese.
As variantes non tomográficas deste método, denominadas análise de partícula única, usan imaxes de múltiples obxectos (con sorte) idénticos con diferentes orientacións para producir os datos de imaxe necesarios para a reconstrución tridimensional. Se os obxectos non teñen as orientacións preferidas significativas, este método non ten a cuña (ou cono) de perda de datos que é intrínseca aos métodos tomográficos nin xera doses de radiación excesiva; porén, asume que os diferentes obxectos dos que se obtén a imaxe poden ser tratados como se os datos 3D xerados a partir deles se orixinasen dun só obxecto estable. Preparación da mostra
A preparación da mostra nos METs pode ser un procedemento complexo. Os espécimes deberían de ser de menos de 100 nanómetros de grosor para o MET convencional. A diferenza da radiación de neutróns ou raios X, os electróns no feixe interaccionan facilmente coa mostra, un efecto que se incrementa aproximadamente co cadrado do número atómico (Z2). As mostras de alta calidade terán un grosor que é comparable ao do camiño libre medio dos electróns que viaxan a través da mostra, o cal pode ser de só unhas poucas decenas de nanómetros. A preparación dos espécimes para MET é específica do material baixo análise e o tipo de información que se quere obter do espécime.
Os materiais que teñen dimensións dabondo pequenas como para ser transparentes aos electróns, como as substancias en po, pequenos organismos, virus ou nanotubos, poden prerararse rapidamente pola deposición dunha mostra diluída que contén o espécime sobre películas sobre as grellas de soporte. Os espécimes biolóxicos poden ser incrustados en resina para soportaren o alto baleiro que hai na cámara da mostra e permitir o corte do tecido en seccións moi finas transparentes aos electróns. A mostra biolóxica pode tinguirse usando material de tinguidura negativa como o acetato de uranilo para bacterias e virus ou, no caso de seccións incrustadas, o espécime pode tinguirse con metais pesados, como na tinguidura con tetróxido de osmio. Unha alternativa é expoñer as mostras ás baixas temperturas do nitróxeno líquido despoois de incrustalas en xeo vítreo. En ciencias dos materiais e metalurxia os espécimes poden xeralmente soportar o alto baleiro, pero aínda así deben prepararse como finas láminas, ou gravarse para que unha porción do espécime sexa o suficientemente fino para que penetre o feixe de electróns. As restricións sobre o grosor do material poden estar limitadas pola sección eficaz de dispersión dos átomos dos cales está formado o material.
Corte en seccións do tecido
Os tecidos biolóxicos adoitan incrustarse nun bloque de resina e despois son adelgazados a menos de 100 nm nun ultramicrótomo. O bloque de resina fractúrase a medida que pasa pola folla dun coitelo de vidro ou diamante. Este método úsase para obter mostras finas minimamente deformadas que permitan a observación da ultraestrutura do tecido. As mostras inorgánicas, como o aluminio, poden tamén incrustarse en resinas e cortarse en seccións ultrafinas deste xeito, usando coitelos de vidro recuberto, de zafiro ou de diamante de ángulo maior. Para impedir a acumulación de cargas eléctricas na superficie da mostra cando se ven ao MET, as mostras de tecidos deben recubrirse cunha fina capa de material non condutor, como o carbono.
Tinguidura da mostra
As mostras para MET de tecidos biolóxicos necesitan tinguiduras de elevado número atómico para aumentar o contraste. A tinguidura absorbe o feixe de electróns ou dispersa parte do feixe que doutro modo sería proxectado no sistema de formación de imaxes. Os compostos con metais pesados como o osmio, chumbo, uranio ou ouro (no etiquetado de inmunoouro) poden utilizarse antes da observación no MET para depositiar selectivamente átomos densos aos electróns na mostra ou sobre a mostra nunha rexión celular desexada ou proteína. Este proceso require un coñecemento de como se unen os metais pesados a tecidos biolóxicos específicos e estruturas celulares.
Adelgazamento mecánico
O puído mecánico tamén se usa para preparar mostras observables no MET. O puído debe facerse cunha gran calidade para asegurarse de que a mostra ten un grosor constante na rexión de interese. Pode utilizarse un diamante ou un composto para o puído de nitruro de boro cúbico nas etapas finais do puído para elimiar as rascaduras que poden causar flutuacións de contraste debido ao grosor variable da mostra. Mesmo despois dun adelgazamento mecánico coidadoso, poden ser necesarios métodos finos adicionais como o gravado iónico para realizar a etapa de adelgazamento final.
Gravado químico
Certas mostras poden prepararse por gravado químico, especialmente os espécimes metálicos. Estas mostras son adelgazadas usando un gravador químico, como un ácido, para preparar a mostra para a súa observación en METs. Existen dispositivos de control do proceso de adelgazamento que permiten que o operador controle a voltaxe ou corrente que pasa a través do espécime, e poden incluír sistemas para detectar cando a mostra foi adelgazada ata un nivel suficiente de transparencia óptica.
Gravado iónico
O gravado iónico é un proceso de pulverización catódica (sputtering, 'cuspido', na literatura inglesa) que pode eliminar cantidades moi sutís dun material. Isto utilízase para realizar un puído final dos espécimes que foron puídos por outros métodos. O gravado iónico usa un gas inerte pasado por un campo eléctrico para xerar unha corrente de plasma que se dirixe á superficie da mostra. As enerxías de aceleración para os gases como o argon son normalmente duns poucos qulovolts. A mostra pode ser rotada para facilitar un puído uniforme da superficie da mostra. A taxa de pulverización catódica de tales métodos é da orde de decenas de micrómetros por hora, limitando o método a só un puído extremadamente fino.
Demostrouse recentemente que o gravado iónico con gas argon pode limar estruturas empilladas de unión de túnel magnético (MTJ) ata unha capa específica que despois foi resolta atomicamente. As imaxes de MET tomadas en vista plana en vez de en sección transversal revelan que a capa de MgO nas MTJs contén un gran número de límites de grans que poden facer diminuír as propiedades dos aparellos.
Adelgazamento iónico (FIB)
Máis recentemente empezaron a utilizarse os métodos de feixe iónico focalizado (FIB, do inglés focused ion beam) para preparar mostras. O FIB é unha técnica relativamente nova para preparar mostras delgadas para o seu exame con MET a partir de espécimes máis grandes. Como o FIB pode utilizarse con mostras de micro-máquinas con moita precisión, é posible adelgazar membranas moi finas nunha área específica de interese da mostra, como un semicondutor ou metal. A diferenza da pulverización catódica de gas iónico inerte, o FIB utiliza ións de galio significativamente máis enerxéticos e pode alterar a composición ou estrutura do material debido á implantación do galio.
Transferencia asistida por nanocables
Para unha introdución mínima de estrés e curvaturas nas mostras de MET (lamelas, películas finas e outras mostras sensibles mecanicamente e aos feixes de electróns), cando se transfiren a un feixe iónico focalizado (FIB), poden adherirse nanocables metálicos flexibles a un micromanipulador normalmente ríxido.
As principais vantaxes deste método son unha redución significativa do tempo de preparación da mostra (soldadura rápida e corte dun nanocable a baixa corrente de feixe) e minimización da curvatura inducida polo estrés, contaminación con Pt e danos polo feixe de ións.
Esta técnica é especialmente axeitada para a preparación de mostras para microscopia electrónica in situ.
Replicación
As mostras poden tamén replicarse usando película de acetato de celulosa, que se recobre despois dun metal pesado como o platino, a película orixinal disólvese e desaparece e a da réplica obtéñense imaxes co MET. Variacións da técnica da réplica úsanse tanto para mostras de materiais coma biolóxicas. Nas ciencias dos materiais un uso común é o exame de superficies frescas de fracturas en aliaxes de metais. Modificacións
As capacidades do MET poden ampliarse con etapas adicionais e máis detectores, ás veces incorporadas no mesmo microscopio.
MET de varrido (METV ou STEM)
O MET pode modificarse para formar un microscopio electrónico de transmisión de varrido (METV ou, en inglés, STEM) coa adición dun sistema que escanea cun feixe converxente a través da mostra para formar a imaxe, cando se combina con detectores adecuados. As bobinas para escanear son utilizados para deflectar o feixe, como un cambio electrostático do feixe, onde o feixe é despois recollido usando un detector de corrente como unha copa de Faraday, que actúa como un contador de electróns directo. Ao correlacionarmos a contaxe de electróns coa posición do raio de varrido (coñecido como "sonda"), pode medirse o compoñente transmitido do feixe. Os compoñentes non transmitidos poden obterse por inclinación do feixe ou polo uso de detectores de campo escuro anular. Fundamentalmente, O MET e o METV están ligadas pola reciprocidade de Helmholtz. Un METV é un MET no cal a fonte electrónica e o punto de observación foron cambiados en relación á dirección en que viaxa o feixe de electróns. Véxanse os diagramas de raios na figura da dereita. O instrumento METV utiliza a mesma configuración óptica que o MET, pero opera invertendo a dirección de viaxe dos electróns (ou tempo de reversión) durante o funcionamento dun MET. En vez de usar unha apertura para controlar os electróns detectados, como no MET, un METV usa varios detectores con ángulos de recolección que poden axustarse dependendo de que electróns quere capturar o usuario.
Microscopio electrónico de baixa voltaxe
Un microscopio electrónico de baixa voltaxe (MEBV ou, en inglés, LVEM) funciona a voltaxes de aceleración de electróns relativamente baixas entre 5–25 kV. Algúns destes poden ser unha combinación de MEV, MET e METV nun só instrumento compacto. A voltaxe baixa incrementa o contraste da imaxe, o cal é especialmente importante para os espécimes biolóxicos. Este incremento de contraste reduce significativamente, ou mesmo elimina a necesidade de tinguir. Son posibles resolucións duns poucos nm nos modos MET, MEV e METV. A baixa enerxía do feixe de electróns significa que poden utilizarse imáns permanentes como lentes e así pode usarse unha columna en miniatura que non require refrixeración.
Microscopio electrónico crioxénico
Microscopia electrónica de transmisión crioxénica (Crio-MET ou, en inglés, Cryo-TEM) usa un MET cun soporte de espécime capaz de manter o espécime a temperaturas de nitróxeno líquido ou helio líquido. Isto permite obter imaxes de espécimes preparados en xeo vítreo, a técnica de preparación preferida para obter imaxes de moléculas individuais ou ensamblaxes macromoleculares, imaxes de interfaces sólido-líquido vitrificadas, e de materiais que son volátiles no alto baleiro a temperatura moderada, como o xofre.
MET ambiental/in situ
Os experimentos in situ poden realizarse tamén con METs que usan cámaras de mostras con bombeo diferencial, ou soportes especializados. Entre os tipos de experimentos in situ están o estudo de nanomateriais, espécimes biolóxicos, reaccións químicas de moléculas, microscopia electrónica de fase líquida, e probas de deformación de materiais.
MET in situ de alta temperatura
Moitas transformacións de fase ocorren durante o quentamento dun material. Adicionalmente, o crecemento dos grans dun material, xunto con outros procesos relacionados coa difusión acontecen máis rapidamente a elevadas temperaturas, nas que a cinética se mellora, permitindo a observación de fenómenos relacionados con microscopia electrónica de transmisión en escalas de tempo razoables. Isto tamén permite a observación de fenómenos que ocorren a temperaturas elevadas e desaparecen ou non son uniformemente preservados en mostras ex situ.
O MET de alta temperatura introduce varios retos adicionais que se deben solucionar na mecánica dos soportes de alta temperatura, como, entre outros, a corrección de desprazamentos, medida da temperatura e diminución da resolución espacial a expensas de usar soportes máis complexos.
O desprazamento da mostra no MET é linearmente proporcional á temperatura diferencial entre a habitación e o soporte. Con temperaturas de ata 1. 500C nos soportes modernos, as mostras poden experimentar un desprazamento significativo e desprazamento vertical (inchamento), o que require continuos axustes de foco ou de platina, xerando unha perda de resolución e desprazamento mecánico. Certos laboratorios e fabricantes desenvolveron software acoplado con sistemas de refrixeración avanzados para corrixir o desprazamento térmico baseándose na temperatura predita na cámara de mostras. Estes sistemas a miúdo tardan en estabilizar os movementos da mostra de 30 minutos a moitas horas. Aínda que se fixeron importantes progresos, non se fixo ningún accesorio para MET universal para contrarrestar os desprazamentos a elevadas temperaturas.
Un reto adicional de moitos destes soportes especializados é coñecer a temperatura da mostra local. Moitos soportes de alta temperatura utilizan un filamento de volframio para quentar localmente a mostra. A ambigüidade na temperatura nos quentadores de forno (cable W) con termopares orixínase do contacto térmico entre o forno e a grella do MET; o que se complica polos gradientes térmicos ao longo da mostra causados variando a condutividade térmica con diferentes mostras e materiais da grella. Con diferentes soportes, tanto comerciais como feitos nos laboratorios, disponse de distintos métodos para calibrar a temperatura. Fabricantes como Gatan usan pirometría infravermella para medir os gradientes de temperatura na mostra total. Un método aínda mellor para calibrar é a espectroscopia Raman, que mide a temperatura local do po de Si sobre ventás transparentes aos electróns e calibrar cuantitativamente a pirometría infravermella. Estas medidas garantiron a eficacia dentro dunha marxe do 5%. Os laboratorios de investigación tamén realizaron as súas propias calibracións en soportes comerciais. Investigadores do NIST utilizaron a espectroscopia Raman para mapar o perfil de temperaturas dunha mostra na grella dun MET e conseguir medidas moi precisas para mellorar as súas investigacións. De xeito similar, un grupo de investigación en Alemaña utilizou difracción de raios X para medir lixeiros desprazamentos no espazado da retícula causados por cambios na temperatura para estimar a temperatura exacta no soporte. Este proceso necesitou unha coidadosa calibración e unha óptica do MET exacta. Outros exemplos son o uso de EELS para medir a temperatura local utilizando a densidade de gas, e os cambios na resistividade.
A resolución óptima nun MET acádase cando se corrixen as aberracións esféricas coa lente obxectivo. Porén, debido á xeometría da maioría dos METs, para inserir soportes in situ grandes cómpre que o usuario axuste a lente obxectivo e minimice as aberracións esféricas. Por tanto, hai un compromiso entre a largura do espazo na peza polo e unha resolución espacial por baixo de 0, 1 nm. Grupos de investigación de varias institucións trataron de superar as aberracións esféricas co uso de monocromadores para acadar resolucións de 0, 05 nm cun espazo na peza polo de 5 mm.
MET mecánico in situ
O MET de alta resolución permite monitorizar a mostra en cuestión nun rango de escalas de lonxitude desde centos de nanómetros a varios ángstroms. Isto permite a visualización da deformación plástica e elástica por medio de campos de forza así como o movemento de defectos cristalográficos como distorsións na rede cristalina e movementos de dislocación. Ao observarmos simultaneamente fenómenos de deformación e medirmos a resposta mecánica in situ, é posible conectar a información de probas nanomecánicas con modelos que describen tanto a sutileza coma a complexidade de como responden os materiais ao estrés e tensión. As propiedades do material e exactitude dos datos obtidos desas probas nanomecánicas están en gran medida determinadas polo soporte tensionante mecánico usado. Os actuais soportes tensionantes teñen a capacidade de realizar probas de tensión, nanoindentacións, probas de compresión, probas de cizallamento e de dobramento dos materiais.
Soportes mecánicos clásicos
Un dos pioneiros dos soportes mecánicos clásicos foi o Dr. Heinz G. F. Wilsdorf, que realizou un test de tensión dentro dun MET en 1958. Nun experimento típico, córtanse mostras de MET transparentes aos electróns para adaptalas pegalas nunha grella deformable. Os avances en micromanipuladores tamén permitiron facer probas de tensión de nanocables e películas delgadas. A grella deformable únese ao soporte de tensión clásico que abrangue a mostra usando unha barriña ríxida longa unida a unha caixa de cambios de verme movida por un motor eléctrico localizado nun armazón fóra do MET. Os rangos de velocidade de deformación van normalmente de 10 nm/s a 10 μm/s. Os soportes feitos a medida que amplían a simple activación tensional permitiron facer probas de dobramento usando un soporte de dobramento e probas de cizallamento usando soportes de mostras de cizallamento. As propiedades da mostra que normalmente se miden nestes experimentos son a fluencia, o módulo elástico, o módulo de cizallamento, a tensión de rotura, a resistencia flexional e a esforzo cortante. Para estudar as propiedades mecánicas dependentes da temperatura das mostras de MET, o soporte debe arrefriarse por medio dun "dedo frío" conectado a un depósito de nitróxeno líquido. Para experimentos a altas temperaturas a mostra do MET pode tamén quentarse nun forno miniaturizado ou un láser que pode normalmente quentar a 1000 °C.
Soportes de nanoindentación
Os soportes de nanoindentación realizan un test de dureza sobre o material en cuestión presionando unha punta dura nunha superficie plana puída e medindo a forza aplicada e o desprazamento resultante na mostra do MET por medio dun cambio na capacitancia entre unha referencia e unha placa electrostática móbil unida á punta. As propiedades da mostra que se adoitan medir son a dureza e o módulo elástico. Aínda que a nanoindentción era posible desde principios da década de 1980, informouse da súa investigación usando MET primeiramente en 2001, cando se estudou unha mostra de aluminio depositada nunha cuña de silicio. Para os experimentos de nanoindentación ás mostras de MET adoita dárselles forma de cuña usando unha ventá de barra H puidora trípode ou unha micronanocolumna usando un feixe iónico focalizado para crear espazo dabondo para que se presione cunha punta na localización desexada transparente aos electróns. As puntas indentadoras son xeralmente de tipo perforadora plana, piramidais ou con forma de cuña alongadas na dirección z. As puntas piramidais ofrecen unha alta precisión da orde de 10 nm, pero sofren de deslizamento da mostra, mentes que os indentadores cuneiformes teñen un maior contacto para impedir o deslizamento, pero requiren unha análise de elementos finitos para modelar a tensión transmitida, xa que a área de alto contacto coa mostra do MET fai que este sexa case un test de compresión.
Sistemas microelectromecánicos
Os soportes baseados en sistemas microelectromecánicos (SMEM ou, en inglés, MEMS) proporcionan unha plataforma barata e adaptable para realizar tests mecánicos en mostras coas que previamente era difícil traballar como microcolumnas, nanocables e películas delgadas. Os SMEMs pasivos utilízanse como simples dispositivos push-to-pull nas probas mecánicas in situ. Tipicamente, un soporte de nanoindentación utilízase para aplicar unha forza compresora (push) no sitio de indentación. Usando unha xeometría de brazos, esta forza compresora tradúcese nunha forza tensional (pull) sobre un par de almofadiñas tensionais ás cales está unida a mostra. Así, unha compresión aplicada sobre o exterior do SMEM tradúcese nunha tensión no espazo central onde está localizada a mostra. Cómpre sinalar que a curva de forza-desprazamento resultante necesita ser corrixida realizando o mesmo test nun SMEM baleiro sen a mostra para ter en conta a rixidez do SMEM baleiro. As dimensións e rixidez do SMEM poden ser modificadas para realizar tests tensionais sobre mostras de diferentes tamaños con diferentes cargas. Para suavizar o proceso de activación, os SMEMs activos foron desenvolvidos con activadores e sensores integrados. Estes dispositivos traballan aplicando un estrés usando a corrente eléctrica e medindo a tensión usando as variacións de capacitancia. Os SMEMs activados electrostaticamente foron tamén desenvolvidos para adaptarse a forzas aplicadas moi baixas no rango de 1-100 nN.
Gran parte das investigacións actuais céntranse no desenvolvemento de soportes de mostras que poden realizar tests mecánicos mentres crean un estímulo ambiental como un cambio de temperatura, velocidades de deformación variables e diferentes ambientes gasosos. Ademais, a aparición dos detectores de alta resolución está permitindo monitorizar o movemento de dislocación e as interaccións con outros defectos e superando os límites das medidas de tensión subnanométricas. As medidas feitas con MET mecánico in situ están rutineiramente acopladas con outras medidas feitas con MET estándar como EELS e XEDS para chegar a unha comprensión da estrutura e propiedades da mostra.
MET de aberración corrixida
Os METs modernos para a investigación poden incluír correctores de aberracións, para reducir a cantidade de distorsión na imaxe. Poden utilizarse tamén monocromadores de feixe incidente, que reducen o espallamento de enerxía do feixe de electróns incidente a menos de 0, 15 eV. Os principais fabricantes de METs de aberración corrixida son JEOL, Hitachi High-technologies, FEI Company e NION.
MET ultrarrápido e dinámico
É imposible conseguir unha resolución temporal moito máis alá da velociade do lector dos detectores de electróns co uso de electróns pulsados. Os pulsos poden producirse modificando a fonte de electróns para permitir unha fotoemisión desencadeada por láser ou pola instalación dun blanker de feixe ultrarrápido (que encende e apaga o feixe). Este método denomínase microscopia electrónica de transmisión ultrarrápida cando se utiliza iluminación de bomba-sonda estroboscópica: fórmase unha imaxe pola acumulación de moitos pulsos de electróns ultracurtos (tipicamente de centos de femtosegundos) cun tempo de atraso fixado entre a chegada do pulso de electróns e a excitación da mostra. Por outra parte, o uso dunha secuencia única ou curta de pulsos de electróns cun suficiente número de electróns para formar unha imaxe a partir de cada pulso denomínase microscopia electrónica de transmisión dinámica. No MET ultrarrápido é posible unha resolución temporal por debaixo de centos de femtosegundos e unha resolución espacial comparable á dispoñible cunha fonte de emisión de campo de Schottky, pero a técnica só pode obter imaxes de procesos reversibles que poden desencadearse de forma reproducible millóns de veces. O MET dinámico pode resolver procesos irreversibles por debaixo de decenas de nanosegundos e decenas de nanómetros.
A técnica foi iniciada a principios da década de 2000 en Alemaña nos laboratorios da (Universidade Técnica de Berlín) e nos EUA (Caltech
e o Laboratorio Nacional Lawrence Livermore ). O MET ultrarrápido e o MET dinámico fixeron posible a investigación en tempo real de numerosos fenómenos físicos e químicos a nanoescala.
Unha variante interesante da técnica de micoscopia electrónica de transmisión ultrarrápida é a microscopia electrónica de campo próximo inducido por fotóns (PINEM, do inglés Photon-Induced Near-field Electron Microscopy). Esta última está baseada no acoplamento inelástico entre os electróns e os fotóns en presenza dunha superficie ou unha nanoestrutura. Este método permite investigar campos electromagnéticos a nanoescala que varían no tempo nun microsocopio electrónico, así como darlle forma dinamicamente ás propiedades de onda do feixe de electróns. Limitacións
Existen varios inconvenientes da técnica do MET. Moitos materiais necesitan unha ampla preparación da mostra para producir unha mostra suficientemente fina como para ser transparente aos electróns, o cal fai que a análise deste tipo de microscopia sexa un proceso que require relativamente bastante tempo cun baixo rendemento das mostras. A estrutura da mostra pode tamén cambiarse durante o proceso de preparación. Ademais o campo de visión é relativmente pequeno, polo que existe a posibilidade de que a rexión analizada pode non ser característica de toda a mostra. Ademais, o feixe de electróns pode danar a mostra, especialmente no caso de materiais biolóxicos.
Límites de resolución
O límite de resolución que se pode obter nun MET pode describirse de varias maneiras, e adoita denomínarse límite de informaión do microscopio. Un valor utilizado comunmente [Cómpre referencia] é un valor de corte ou de límite da función de transferencia de contraste, unha función que se adoita citar no dominio de frecuencia para definir a reprodución das frecuencias espaciais de obxectos no plano do obxecto pola óptica do microscopio. Unha frecuencia de corte, qmax, para a función de transferencia pode aproximarse coa seguinte ecuación, onde Cs é o coeficiente de aberración esférica e λ é a lonxitude de onda do electrón: q max
10. 67 ( C s λ 3 ) 1 / 4. {\displaystyle q_{\max }
{\frac {1}{0. 67(C_{s}\lambda ^{3})^{1/4}}}. } Para un microscopio 200 kV, con aberracións esféricas parcialmente corixidas ("á terceira orde") e un valor Cs de 1 µm, un valor de corte teórico podería ser 1/qmax
42 pm. O mesmo microscopio sen un corrector tería un Cs
0, 5 mm e así un valor de corte de 200 pm. As aberracións esféricas suprímense á terceira ou quinta orde nos microscopios "de aberración corrixida". As súas resolucións están, porén, limitada pola xeometría da fonte de electróns e as aberracións cromáticas e de brillo no sistema de lentes obxectivo.
A representación do dominio de frecuencias da función de transferencia de contraste pode a miúdo ter unha natureza oscilatoria, que pode á súa vez ser afinada axustando o valor focal da lente obxectivo. Esta natureza oscilatoria implica que algunhas frecuencias espaciais son reproducidas fielmente na imaxe polo microscopio, mentres que outras son suprimidas. Ao combinar múltiples imaxes con diferentes frecuencias espaciais, o uso de técnicas como a reconstrución de series focais pode utilizarse para mellorar a resolución do MET de maneira limitada. A función de transferencia de contraste pode, ata certo punto, ser aproximada experimentalmente por medio de técnicas como as imaxes de transformada de Fourier de material amorfo, como o carbono amorfo.
Máis recentemente, os avances no deseño do corrector de aberracións conseguiron reducir as aberracións esféricas e obter unha resolución por debaixo dos 0, 5 ángstroms (50 pm) a aumentos por riba de 50 millóns. A mellora da resolución permite obter imaxes de átomos lixeiros que dispersan os electróns menos eficientemente, como os átomos de litio en materiais de batería de litio. A capacidade de determinar a posición de átomos e materiais converteu o METAR (ou HRTEM) nunha ferramenta indispensable para a investigación en nanotecnoloxía e o desenvolvemento en moitos campos, incluíndo a catálise heteroxénea e o desenvolvemento de dispositivos semicondutores para electrónica e fotónica.