Imagem esquemática de um microscópio eletrônico de varredura

Na Microscopia Eletrônica de Varredura, basicamente um feixe de elétrons primário é criado, condensado e focalizado através de lentes eletromagnéticas até chegar à amostra. A figura a seguir nos ajuda a ver esse processo com mais detalhes. Nota-se na figura o que chamamos de coluna sobre uma câmara onde está a amostra. Todo esse conjunto fica em vácuo, em uma pressão de cerca de 10E-5 Torr. Começando pela parte superior do esquema, temos o canhão de elétrons que consiste de um catodo (filamento de tungstênio) e um anodo. Uma corrente alta passa pelo catodo e por efeito termoiônico, "arranca" elétrons do filamento de tungstênio. A fonte de alta tensão é responsável por acelerar os elétrons em direção à coluna aplicando uma diferença de potencial entre catodo e anodo, que tipicamente chega a 30 kV. Dessa forma, é gerado um feixe de elétrons de diâmetro de alguns micrometros com energia média de 30 keV. Note que pela coluna, em direção à amostra, o feixe atravessa uma série de lentes eletromagnéticas, cada conjunto responsável por um processo. Temos primeiramente bobinas de alinhamento, responsáveis pelo controle da posição do feixe na coluna no plano x,y e também por sua inclinação. Depois temos as lentes condensadoras responsável por diminuir o tamanho do feixe de elétrons para o diâmetro de dezena de nanometros, condição necessária para se ter uma boa resolução. Temos a seguir bobinas para correção de astigmatismo, que é um efeito do qual vamos falar mais adiante. Vem então as bobinas de varredura e deslocamento fino, responsáveis por comandar sistematicamente a posição do feixe no plano x, y da amostra em forma de uma varredura completa. Temos finalmente as lentes objetivas para focalização grossa e fina do feixe sobre a superfície da amostra.

Desenho esquemático de um Microscópio Eletrônico de Varredura

O feixe interage então com a amostra em uma varredura em x, y, gerando diversos sinais, como elétrons secundários, elétrons retroespalhados, elétrons Auger e raios-X característicos. Note que a amostra fica sobre um estágio motorizado (ou manual, nos microscópios mais antigos), o que permite a escolha da região apropriada para se fazer as imagens. Os sinais gerados são então detectados e processados, gerando imagens e informações sobre a composição química da superfície da amostra.

O comprimento de onda dos elétrons (lembrando que os elétrons podem ser tratados como onda e como partícula) é menor que 1 angstron de para 30 keV energia (E = hf), muito menor que o comprimento de onda da luz visível (~ 500 nm). Entretanto sua resolução não é limitada por esse valor somente (o que seria mais ilimitado!), mas sim pelo tamanho do feixe de elétrons e seu volume de interação com a amostra.

Efeito Interessante - Efeito de Espelho Eletrostático (Electron Mirror Efect) (20/03/2013)

O Efeito de Espelho Eletrostático pode ser reproduzido em um Microscópio Eletrônico de Varredura seguindo-se um procedimento simples:

Utilize como amostra um material isolante. Pode ser uma folha plástica ou um pedaço de mídia CD ou DVD

Escolha 30 kV como tensão aceleradora e uma corrente de cerca de 100 pA

Na amostra faça alguma varreduras em uma mesma região em um aumento da ordem de 1000x

Mude a tensão aceleradora para 10 kV e o aumento para cerca de 500x

Faça uma imagem normalmente utilizando o detector de elétrons secundários

Faça uma imagem normalmente utilizando o detector de elétrons retroespalhados utilizando o modo composicional

Faça uma imagem normalmente utilizando o detector de elétrons retroespalhados utilizando o modo topográfico

Faça uma imagem normalmente utilizando o detector de elétrons retroespalhados utilizando o modo sólido

A figura logo acima mostra o resultado que se obtve no microscópio JEOL6460 LV. Da esquerda para a direita temos a imagem de elétrons secundários, a imagem do detector de elétrons retroespalhados no modo composicional, a imagem do mesmo detector no modo topográfico e a imagem do mesmo detector no modo sólido (SHADOW), respectivamente. Nesse MEV, o elemento detector de elétrons retroespalhados é um semicondutor com junção P-N. Na imagem de elétrons secundários podemos ver o interior da câmara de vácuo, incluindo detectores e o final da coluna, como em um espelho. Nas imagens de retroespalhados vemos a imagem que mostra as áreas ativas do detector de elétrons retroespalhados. A seguir vamos analisar os resultados com mais detalhes.

Sabemos bem que as amostras que são analisadas em um MEV devem ser condutoras ou recobertas com uma fina camada de Au ou C. Os elétrons devem chegar à amostra, produzir sinais para imagem e microanálise e então escoar para o terra do equipamento, ligado ao porta-amostras. Quando a amostra é isolante, o que ocorre é o carregamento eletrostático da superfície da amostra, que geralmente atrapalha a obtenção de boas imagens por causa distorções e áreas muito brilhantes nas imagens. Quando seguimos o procedimento e escolhemos fazer uma varredura com uma tensão aceleradora de 30 kV, um feixe de elétrons com energia média de 30 keV chega e carrega eletrostaticamente a superfície da amostra, ou seja a superfície fica com cargas negativas armadilhadas. Após algumas varreduras, mudamos a tensão aceleradora para um valor menor, 10 kV no nosso procedimento. Os novos elétrons que chegam à superfície são repelidos por interação de Coulomb. Formou-se na superfície da amostra um "espelho eletrostático". Portanto, esses elétrons com pequena energia cinética são refletidos e atingem diferentes partes da câmara. São produzidos nessas diferentes regiões elétrons secundários, assim como ocorre em uma amostra normalmente. O detector de elétrons secundários, no qual é aplicada uma diferença de potencial (por isso pode ser considerado um detector ativo), atrai e detecta os elétrons, formando a imagem do interior da câmara.

Já o detector de elétrons retroespalhados pode ser considerado passivo, pois nenhuma tensão é aplicada ao mesmo para atrair elétrons. Os elétrons do feixe primário refletidos pela amostra (que não foram retroespalhados!) são coletados diretamente pelo detector de elétrons retroespalhados, fornecendo