Microscópio electrónico escaneando

Imagen de granos de polen tomados en un SEM muestra la profundidad característica del campo de micrografos SEM

M. von Ardenne

SEM con cámara de muestra abierta

Tipo analógico SEM

Un microscopio electrónico de barrido (SEM) es un tipo de microscopio electrónico que produce imágenes de una muestra escaneando la superficie con un haz de electrones enfocado. Los electrones interactúan con los átomos de la muestra, produciendo varias señales que contienen información sobre la topografía de la superficie y la composición de la muestra. El haz de electrones se escanea en un patrón de barrido de trama y la posición del haz se combina con la intensidad de la señal detectada para producir una imagen. En el modo SEM más común, los electrones secundarios emitidos por los átomos excitados por el haz de electrones se detectan mediante un detector de electrones secundarios (detector Everhart-Thornley). El número de electrones secundarios que se pueden detectar y, por tanto, la intensidad de la señal, depende, entre otras cosas, de la topografía de la muestra. Algunos SEM pueden lograr resoluciones superiores a 1 nanómetro.

Las muestras se observan en alto vacío en un SEM convencional, o en condiciones de bajo vacío o humedad en un SEM ambiental o de presión variable, y en una amplia gama de temperaturas criogénicas o elevadas con instrumentos especializados.

Historia

McMullan ha presentado un relato de la historia temprana de la microscopía electrónica de barrido. Aunque Max Knoll produjo una foto con un ancho de campo de objeto de 50 mm que mostraba la canalización del contraste mediante el uso de un escáner de haz de electrones, fue Manfred von Ardenne quien en 1937 inventó un microscopio de alta resolución mediante el escaneo de una trama muy pequeña con una lente desmagnificada. y haz de electrones finamente enfocado. Ardenne aplicó la exploración del haz de electrones en un intento por superar la resolución del microscopio electrónico de transmisión (TEM), así como para mitigar problemas sustanciales con la aberración cromática inherente a la imagen real en el TEM. Además, discutió los diversos modos de detección, las posibilidades y la teoría de SEM, junto con la construcción del primer SEM de alta resolución. El grupo de Zworykin informó sobre trabajos adicionales, seguidos por los grupos de Cambridge en la década de 1950 y principios de la de 1960 encabezados por Charles Oatley, todo lo cual finalmente condujo a la comercialización del primer instrumento comercial de Cambridge Scientific Instrument Company como &# 34;Escaneo estéreo" en 1965, que fue entregado a DuPont.

Principios y capacidades

Schottky-emitter electron source

Volumen de interacción de electrones y tipos de señal generada

Las señales utilizadas por un SEM para producir una imagen son el resultado de interacciones del haz de electrones con átomos a varias profundidades dentro de la muestra. Se producen varios tipos de señales, incluidos electrones secundarios (SE), electrones reflejados o retrodispersados (BSE), rayos X y luz característicos (catodoluminiscencia) (CL), corriente absorbida (corriente de muestra) y electrones transmitidos. Los detectores de electrones secundarios son equipo estándar en todos los SEM, pero es raro que una sola máquina tenga detectores para todas las demás señales posibles.

Los electrones secundarios tienen energías muy bajas del orden de 50 eV, lo que limita su trayectoria libre media en la materia sólida. En consecuencia, los SE solo pueden escapar de los primeros nanómetros de la superficie de una muestra. La señal de los electrones secundarios tiende a estar muy localizada en el punto de impacto del haz de electrones primarios, lo que permite recopilar imágenes de la superficie de la muestra con una resolución inferior a 1 nm. Los electrones retrodispersados (BSE) son haces de electrones que se reflejan en la muestra mediante dispersión elástica. Dado que tienen mucha más energía que los SE, emergen de lugares más profundos dentro de la muestra y, en consecuencia, la resolución de las imágenes BSE es menor que la de las imágenes SE. Sin embargo, los BSE se utilizan a menudo en el SEM analítico, junto con los espectros elaborados a partir de los rayos X característicos, porque la intensidad de la señal del BSE está fuertemente relacionada con el número atómico (Z) de la muestra. Las imágenes de EEB pueden proporcionar información sobre la distribución, pero no sobre la identidad, de los diferentes elementos de la muestra. En muestras compuestas predominantemente de elementos ligeros, como las muestras biológicas, las imágenes de BSE pueden generar inmunomarcadores de oro coloidal de 5 o 10 nm de diámetro, que de otro modo serían difíciles o imposibles de detectar en imágenes de electrones secundarios. Los rayos X característicos se emiten cuando el haz de electrones elimina un electrón de la capa interna de la muestra, lo que hace que un electrón de mayor energía llene la capa y libere energía. La energía o longitud de onda de estos rayos X característicos se puede medir mediante espectroscopía de rayos X de dispersión de energía o espectroscopía de rayos X de dispersión de longitud de onda y se utiliza para identificar y medir la abundancia de elementos en la muestra y mapear su distribución.

Debido al haz de electrones muy estrecho, las micrografías SEM tienen una gran profundidad de campo que produce una apariencia tridimensional característica útil para comprender la estructura de la superficie de una muestra. Esto se ejemplifica en la micrografía de polen que se muestra arriba. Es posible una amplia gama de aumentos, desde unas 10 veces (casi equivalente a la de una potente lupa de mano) hasta más de 500.000 veces, unas 250 veces el límite de aumento de los mejores microscopios ópticos.

Preparación de muestras

Una araña recubierto de oro, habiendo sido preparada para ver con un SEM

Micrografo de baja tensión (300 V) de distribución de gotas adhesivas en una nota Post-it. No se aplicó ningún recubrimiento conductivo: tal recubrimiento alteraría este espécimen frágil.

Las muestras SEM deben ser lo suficientemente pequeñas para caber en la platina del espécimen y pueden necesitar una preparación especial para aumentar su conductividad eléctrica y estabilizarlas, de modo que puedan resistir las condiciones de alto vacío y el haz de electrones de alta energía. Las muestras generalmente se montan rígidamente en un portamuestras o en un trozo utilizando un adhesivo conductor. SEM se usa ampliamente para el análisis de defectos de obleas de semiconductores, y los fabricantes fabrican instrumentos que pueden examinar cualquier parte de una oblea de semiconductores de 300 mm. Muchos instrumentos tienen cámaras que pueden inclinar un objeto de ese tamaño a 45° y proporcionar una rotación continua de 360°.

Las muestras no conductoras acumulan carga cuando son escaneadas por el haz de electrones y, especialmente en el modo de imagen de electrones secundarios, esto provoca fallas de escaneo y otros artefactos en la imagen. Para obtener imágenes convencionales en SEM, las muestras deben ser conductoras de electricidad, al menos en la superficie, y estar conectadas a tierra eléctricamente para evitar la acumulación de carga electrostática. Los objetos metálicos requieren poca preparación especial para SEM, excepto para la limpieza y el montaje conductivo en un trozo de muestra. Los materiales no conductores generalmente se recubren con una capa ultrafina de material conductor de la electricidad, que se deposita sobre la muestra ya sea por pulverización catódica de bajo vacío o por evaporación de alto vacío. Los materiales conductores que se utilizan actualmente para el recubrimiento de muestras incluyen oro, aleación de oro/paladio, platino, iridio, tungsteno, cromo, osmio y grafito. El recubrimiento con metales pesados puede aumentar la relación señal/ruido para muestras de bajo número atómico (Z). La mejora surge porque se mejora la emisión de electrones secundarios para materiales de alto Z.

Una alternativa al recubrimiento de algunas muestras biológicas es aumentar la conductividad global del material mediante la impregnación con osmio utilizando variantes del método de tinción OTO (tetróxido de O-osmio, T-tiocarbohidrazida, O-osmio).

Se pueden obtener imágenes de muestras no conductoras sin recubrimiento utilizando un SEM ambiental (ESEM) o un modo de operación SEM de bajo voltaje. En los instrumentos ESEM, la muestra se coloca en una cámara de presión relativamente alta y la columna óptica de electrones se bombea diferencialmente para mantener el vacío adecuadamente bajo en el cañón de electrones. La región de alta presión alrededor de la muestra en el ESEM neutraliza la carga y proporciona una amplificación de la señal del electrón secundario. El SEM de bajo voltaje generalmente se realiza en un instrumento con pistolas de emisión de campo (FEG) que es capaz de producir un alto brillo de electrones primarios y un tamaño de punto pequeño incluso a bajos potenciales de aceleración. Para evitar la carga de muestras no conductoras, las condiciones de funcionamiento deben ajustarse de modo que la corriente del haz entrante sea igual a la suma de las corrientes de electrones secundaria y retrodispersada salientes, una condición que se cumple con mayor frecuencia con voltajes de aceleración de 0,3–4 kV.

La incrustación en una resina con un pulido adicional hasta obtener un acabado similar al de un espejo se puede usar tanto para muestras biológicas como de materiales al generar imágenes en electrones retrodispersados o al realizar microanálisis de rayos X cuantitativos.

Las principales técnicas de preparación no se requieren en el SEM ambiental que se describe a continuación, pero algunas muestras biológicas pueden beneficiarse de la fijación.

Muestras biológicas

Para SEM, normalmente se requiere que una muestra esté completamente seca, ya que la cámara de la muestra está en alto vacío. Los materiales duros y secos como madera, huesos, plumas, insectos secos o caparazones (incluidas las cáscaras de huevo) se pueden examinar con poco tratamiento adicional, pero las células y tejidos vivos y los organismos completos de cuerpo blando requieren fijación química para preservar y estabilizar su estructura.

La fijación generalmente se realiza mediante la incubación en una solución de un fijador químico tamponado, como el glutaraldehído, a veces en combinación con formaldehído y otros fijadores, y opcionalmente seguida de una fijación posterior con tetróxido de osmio. A continuación, el tejido fijado se deshidrata. Debido a que el secado al aire provoca el colapso y la contracción, esto se logra comúnmente reemplazando el agua en las celdas con solventes orgánicos como etanol o acetona, y reemplazando estos solventes a su vez con un fluido de transición como dióxido de carbono líquido mediante secado en punto crítico. El dióxido de carbono finalmente se elimina mientras se encuentra en un estado supercrítico, de modo que no haya una interfaz gas-líquido presente dentro de la muestra durante el secado.

La muestra seca generalmente se monta en un trozo de muestra usando un adhesivo como resina epoxi o cinta adhesiva de doble cara eléctricamente conductora, y se recubre con oro o una aleación de oro/paladio antes de examinarla en el microscopio. Las muestras se pueden seccionar (con un micrótomo) si se va a exponer información sobre la ultraestructura interna del organismo para obtener imágenes.

Si el SEM está equipado con una platina fría para microscopía criogénica, se puede usar la criofijación y se puede realizar microscopía electrónica de barrido a baja temperatura en las muestras fijadas criogénicamente. Las muestras criofijadas pueden criofracturarse al vacío en un aparato especial para revelar la estructura interna, recubrirse por pulverización catódica y transferirse a la platina criogénica SEM mientras aún están congeladas. La microscopía electrónica de barrido a baja temperatura (LT-SEM) también es aplicable a la obtención de imágenes de materiales sensibles a la temperatura, como el hielo y las grasas.

La congelación-fracturación, congelación-grabado o congelación y rotura es un método de preparación particularmente útil para examinar las membranas lipídicas y sus proteínas incorporadas en "cara a cara" vista. El método de preparación revela las proteínas incrustadas en la bicapa lipídica.

Materiales

Las imágenes de electrones retrodispersados, el análisis cuantitativo de rayos X y el mapeo de rayos X de las muestras a menudo requieren esmerilar y pulir las superficies hasta obtener una superficie ultrasuave. Las muestras que se someten a análisis WDS o EDS suelen estar recubiertas de carbono. En general, los metales no se recubren antes de la formación de imágenes en el SEM porque son conductores y proporcionan su propio camino a tierra. La fractografía es el estudio de superficies fracturadas que se puede realizar en un microscopio óptico o, comúnmente, en un SEM. La superficie fracturada se corta a un tamaño adecuado, se limpia de cualquier residuo orgánico y se monta en un portamuestras para ver en el SEM. Los circuitos integrados se pueden cortar con un haz de iones enfocado (FIB) u otro instrumento de fresado de haz de iones para verlos en el SEM. El SEM en el primer caso puede incorporarse a la FIB, lo que permite obtener imágenes de alta resolución del resultado del proceso. Los metales, las muestras geológicas y los circuitos integrados también pueden pulirse químicamente para verlos en el SEM. Se requieren técnicas especiales de recubrimiento de alta resolución para obtener imágenes de gran aumento de películas delgadas inorgánicas.

Proceso de escaneo y formación de imágenes

Esquema de un SEM

En un SEM típico, un haz de electrones se emite termiónicamente desde un cañón de electrones equipado con un cátodo de filamento de tungsteno. El tungsteno se usa normalmente en cañones de electrones termoiónicos porque tiene el punto de fusión más alto y la presión de vapor más baja de todos los metales, lo que permite que se caliente eléctricamente para la emisión de electrones y por su bajo costo. Otros tipos de emisores de electrones incluyen hexaboruro de lantano (LaB
₆) cátodos, que se pueden usar en un SEM de filamento de tungsteno estándar si el se actualiza el sistema de vacío o pistolas de emisión de campo (FEG), que pueden ser del tipo de cátodo frío que utilizan emisores monocristalinos de tungsteno o del tipo Schottky asistido térmicamente, que utilizan emisores de monocristales de tungsteno revestidos de óxido de circonio.

El haz de electrones, que normalmente tiene una energía que oscila entre 0,2 keV y 40 keV, se enfoca mediante una o dos lentes condensadoras en un punto de aproximadamente 0,4 nm a 5 nm de diámetro. El haz pasa a través de pares de bobinas de exploración o pares de placas deflectoras en la columna de electrones, generalmente en la lente final, que desvían el haz en los ejes x e y de modo que escanea en forma de trama sobre un área rectangular de la superficie de la muestra.

Mecanismos de emisión de electrones secundarios, electrones backscattered y rayos X característicos de los átomos de la muestra

Cuando el haz de electrones primario interactúa con la muestra, los electrones pierden energía por dispersión y absorción aleatorias repetidas dentro de un volumen en forma de lágrima de la muestra conocido como volumen de interacción, que se extiende desde menos de 100 nm a aproximadamente 5 µm en la superficie. El tamaño del volumen de interacción depende de la energía de aterrizaje del electrón, el número atómico de la muestra y la densidad de la muestra. El intercambio de energía entre el haz de electrones y la muestra da como resultado la reflexión de electrones de alta energía por dispersión elástica, la emisión de electrones secundarios por dispersión inelástica y la emisión de radiación electromagnética, cada uno de los cuales puede ser detectado por detectores especializados. La corriente del haz absorbida por la muestra también se puede detectar y utilizar para crear imágenes de la distribución de la corriente de la muestra. Se utilizan amplificadores electrónicos de varios tipos para amplificar las señales, que se muestran como variaciones de brillo en un monitor de computadora (o, para modelos antiguos, en un tubo de rayos catódicos). Cada píxel de la memoria de video de la computadora se sincroniza con la posición del haz en el espécimen en el microscopio y, por lo tanto, la imagen resultante es un mapa de distribución de la intensidad de la señal que se emite desde el área escaneada del espécimen. Los microscopios más antiguos capturaban imágenes en película, pero la mayoría de los instrumentos modernos capturan imágenes digitales.

Serie de aumento SEM de baja temperatura para un cristal de nieve. Los cristales son capturados, almacenados y recubiertos con platino a temperaturas criogénicas para la imagen.

Aumento

La ampliación en un SEM se puede controlar en un rango de aproximadamente 6 órdenes de magnitud desde aproximadamente 10 a 3,000,000 de veces. A diferencia de los microscopios electrónicos ópticos y de transmisión, la ampliación de la imagen en un SEM no es una función de la potencia de la lente del objetivo. Los SEM pueden tener lentes de condensador y objetivo, pero su función es enfocar el haz en un punto y no generar imágenes de la muestra. Siempre que el cañón de electrones pueda generar un haz con un diámetro suficientemente pequeño, un SEM podría, en principio, funcionar completamente sin condensador ni lentes de objetivo, aunque podría no ser muy versátil o lograr una resolución muy alta. En un SEM, como en la microscopía de sonda de barrido, la ampliación resulta de la proporción de la trama en el dispositivo de visualización y las dimensiones de la trama en la muestra. Suponiendo que la pantalla de visualización tiene un tamaño fijo, se obtiene una mayor ampliación al reducir el tamaño de la trama en la muestra, y viceversa. Por lo tanto, la ampliación está controlada por la corriente suministrada a las bobinas de exploración x, y, o el voltaje suministrado a las placas deflectoras x, y, y no por la potencia de la lente del objetivo.

Detección de electrones secundarios

El modo de imagen más común recopila electrones secundarios de baja energía (<50 eV) que se expulsan de las bandas de conducción o valencia de los átomos de la muestra mediante interacciones de dispersión inelástica con los electrones del haz. Debido a su baja energía, estos electrones se originan dentro de unos pocos nanómetros por debajo de la superficie de la muestra. Los electrones son detectados por un detector Everhart-Thornley, que es un tipo de sistema colector-centelleador-fotomultiplicador. Los electrones secundarios se recolectan primero atrayéndolos hacia una rejilla polarizada eléctricamente a aproximadamente +400 V, y luego se aceleran aún más hacia un fósforo o centelleador polarizado positivamente a aproximadamente +2,000 V. Los electrones secundarios acelerados ahora tienen suficiente energía para hacer que el centelleador emiten destellos de luz (catodoluminiscencia), que se conducen a un fotomultiplicador fuera de la columna SEM a través de un tubo de luz y una ventana en la pared de la cámara de muestra. La salida de la señal eléctrica amplificada por el fotomultiplicador se muestra como una distribución de intensidad bidimensional que se puede ver y fotografiar en una pantalla de video analógica, o se puede someter a una conversión de analógico a digital y se puede mostrar y guardar como una imagen digital. Este proceso se basa en un haz primario escaneado en trama. El brillo de la señal depende del número de electrones secundarios que llegan al detector. Si el haz ingresa a la muestra perpendicular a la superficie, entonces la región activada es uniforme alrededor del eje del haz y un cierto número de electrones 'escape'. desde dentro de la muestra. A medida que aumenta el ángulo de incidencia, aumenta el volumen de interacción y el "escape" la distancia de un lado del haz disminuye, lo que da como resultado que la muestra emita más electrones secundarios. Por lo tanto, las superficies y los bordes empinados tienden a ser más brillantes que las superficies planas, lo que da como resultado imágenes con una apariencia tridimensional bien definida. Es posible utilizar la señal de electrones secundarios con una resolución de imagen inferior a 0,5 nm.

Detección de electrones retrodispersados

Comparación de técnicas SEM:
Parte superior: análisis de electrones retrocesados – composición
Tema: análisis secundario de electrones – topografía

Los electrones retrodispersados (BSE) consisten en electrones de alta energía que se originan en el haz de electrones, que se reflejan o retrodispersan fuera del volumen de interacción de la muestra mediante interacciones de dispersión elástica con los átomos de la muestra. Dado que los elementos pesados (número atómico alto) retrodispersan los electrones con más fuerza que los elementos ligeros (número atómico bajo) y, por lo tanto, aparecen más brillantes en la imagen, los BSE se utilizan para detectar el contraste entre áreas con diferentes composiciones químicas. El detector Everhart-Thornley, que normalmente se coloca a un lado de la muestra, es ineficaz para la detección de electrones retrodispersados porque se emiten pocos electrones en el ángulo sólido subtendido por el detector y porque la rejilla de detección con polarización positiva tiene poca capacidad. para atraer la EEB de mayor energía. Los detectores de electrones retrodispersados dedicados se colocan encima de la muestra en una 'rosquilla'. disposición tipo, concéntrica con el haz de electrones, maximizando el ángulo sólido de colección. Los detectores de EEB suelen ser de tipo centelleador o semiconductor. Cuando todas las partes del detector se utilizan para recolectar electrones simétricamente alrededor del haz, se produce un contraste de números atómicos. Sin embargo, se produce un fuerte contraste topográfico al recolectar electrones retrodispersados de un lado por encima de la muestra usando un detector BSE direccional asimétrico; el contraste resultante aparece como iluminación de la topografía desde ese lado. Los detectores de semiconductores se pueden fabricar en segmentos radiales que se pueden activar o desactivar para controlar el tipo de contraste producido y su direccionalidad.

Los electrones retrodispersados también se pueden usar para formar una imagen de difracción de retrodispersión de electrones (EBSD) que se puede usar para determinar la estructura cristalográfica de la muestra.

Análisis de inyección de haz de semiconductores

La naturaleza de la sonda del SEM, los electrones energéticos, la hace especialmente adecuada para examinar las propiedades ópticas y electrónicas de los materiales semiconductores. Los electrones de alta energía del haz SEM inyectarán portadores de carga en el semiconductor. Por lo tanto, los electrones del haz pierden energía al promover electrones de la banda de valencia a la banda de conducción, dejando huecos.

En un material de banda prohibida directa, la recombinación de estos pares de huecos de electrones dará como resultado una catodoluminiscencia; si la muestra contiene un campo eléctrico interno, como el presente en una unión p-n, la inyección de portadores del haz SEM hará que fluya la corriente inducida por haz de electrones (EBIC). La catodoluminiscencia y el EBIC se conocen como "inyección de haz" y son sondas muy poderosas del comportamiento optoelectrónico de los semiconductores, en particular para estudiar características y defectos a nanoescala.

Catodoluminiscencia

Color cathodoluminescence overlay on SEM image of an InGaN polycrystal. Los canales azul y verde representan colores reales, el canal rojo corresponde a la emisión UV.

La catodoluminiscencia, la emisión de luz cuando los átomos excitados por electrones de alta energía regresan a su estado fundamental, es análoga a la fluorescencia inducida por UV, y algunos materiales, como el sulfuro de zinc y algunos tintes fluorescentes, exhiben ambos fenómenos. Durante las últimas décadas, la catodoluminiscencia se experimentó más comúnmente como la emisión de luz desde la superficie interna del tubo de rayos catódicos en televisores y monitores CRT de computadora. En el SEM, los detectores CL recogen toda la luz emitida por la muestra o pueden analizar las longitudes de onda emitidas por la muestra y mostrar un espectro de emisión o una imagen de la distribución de la catodoluminiscencia emitida por la muestra en color real.

Microanálisis de rayos X

Los rayos X característicos que se producen por la interacción de los electrones con la muestra también pueden detectarse en un SEM equipado para espectroscopia de rayos X de dispersión de energía o espectroscopia de rayos X de dispersión de longitud de onda. El análisis de las señales de rayos X se puede usar para mapear la distribución y estimar la abundancia de elementos en la muestra.

Resolución de la SEM

SEM no es una cámara y el detector no forma imágenes continuamente como una matriz CCD o una película. A diferencia de un sistema óptico, la resolución no está limitada por el límite de difracción, la finura de las lentes o espejos o la resolución de la matriz de detectores. La óptica de enfoque puede ser grande y tosca, y el detector SE tiene el tamaño de un puño y simplemente detecta la corriente. En cambio, la resolución espacial del SEM depende del tamaño del punto de electrones, que a su vez depende tanto de la longitud de onda de los electrones como del sistema electrónico-óptico que produce el haz de exploración. La resolución también está limitada por el tamaño del volumen de interacción, el volumen del material de la muestra que interactúa con el haz de electrones. El tamaño del punto y el volumen de interacción son grandes en comparación con las distancias entre los átomos, por lo que la resolución del SEM no es lo suficientemente alta para obtener imágenes de átomos individuales, como es posible con un microscopio electrónico de transmisión (TEM). Sin embargo, el SEM tiene ventajas compensatorias, incluida la capacidad de obtener imágenes de un área comparativamente grande de la muestra; la capacidad de obtener imágenes de materiales a granel (no solo películas delgadas o láminas); y la variedad de modos analíticos disponibles para medir la composición y las propiedades de la muestra. Según el instrumento, la resolución puede estar entre menos de 1 nm y 20 nm. A partir de 2009, el SEM convencional de resolución más alta del mundo (≤30 kV) puede alcanzar una resolución puntual de 0,4 nm utilizando un detector de electrones secundarios.

SEM Ambiental

El SEM convencional requiere que las muestras se tomen imágenes al vacío, porque una atmósfera de gas se propaga rápidamente y atenúa los haces de electrones. Como consecuencia, las muestras que producen una cantidad significativa de vapor, p. muestras biológicas húmedas o rocas que contengan petróleo, deben secarse o congelarse criogénicamente. Los procesos que implican transiciones de fase, como el secado de adhesivos o la fusión de aleaciones, el transporte de líquidos, las reacciones químicas y los sistemas sólido-aire-gas, en general, no se pueden observar con SEM de alto vacío convencional. En SEM ambiental (ESEM), se vacía el aire de la cámara, pero el vapor de agua se retiene cerca de su presión de saturación y la presión residual permanece relativamente alta. Esto permite el análisis de muestras que contienen agua u otras sustancias volátiles. Con ESEM, las observaciones de insectos vivos han sido posibles.

El primer desarrollo comercial del ESEM a fines de la década de 1980 permitió observar muestras en ambientes gaseosos de baja presión (por ejemplo, 1 a 50 Torr o 0,1 a 6,7 kPa) y alta humedad relativa (hasta 100 %). Esto fue posible gracias al desarrollo de un detector de electrones secundarios capaz de operar en presencia de vapor de agua y al uso de aberturas limitadoras de presión con bombeo diferencial en la trayectoria del haz de electrones para separar la región de vacío (alrededor de la pistola). y lentes) de la cámara de muestras. Los primeros ESEM comerciales fueron producidos por ElectroScan Corporation en EE. UU. en 1988. Philips se hizo cargo de ElectroScan (quien luego vendió su división de electrónica y óptica a FEI Company) en 1996.

ESEM es especialmente útil para materiales no metálicos y biológicos porque no es necesario recubrirlos con carbón u oro. Los plásticos y elastómeros sin recubrir se pueden examinar de forma rutinaria, al igual que las muestras biológicas sin recubrir. Esto es útil porque el recubrimiento puede ser difícil de revertir, puede ocultar pequeñas características en la superficie de la muestra y puede reducir el valor de los resultados obtenidos. El análisis de rayos X es difícil con un recubrimiento de un metal pesado, por lo que los recubrimientos de carbono se utilizan de forma rutinaria en los SEM convencionales, pero ESEM permite realizar microanálisis de rayos X en muestras no conductoras sin recubrimiento; sin embargo, algunos artefactos específicos para ESEM se introducen en el análisis de rayos X. ESEM puede ser el preferido para la microscopía electrónica de muestras únicas de acciones penales o civiles, donde es posible que varios expertos diferentes deban repetir el análisis forense. Es posible estudiar muestras en líquido con ESEM o con otros métodos de microscopía electrónica en fase líquida.

Transmisión SEM

El SEM también se puede usar en modo de transmisión simplemente incorporando un detector apropiado debajo de una sección delgada de muestra. Los detectores están disponibles para campo claro, campo oscuro, así como detectores segmentados para campo oscuro anular de campo medio a ángulo alto. A pesar de la diferencia en la instrumentación, esta técnica todavía se conoce comúnmente como microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM).

Color en SEM

Los microscopios electrónicos no producen imágenes en color de forma natural, ya que un SEM produce un único valor por píxel; este valor corresponde a la cantidad de electrones recibidos por el detector durante un pequeño período de tiempo del escaneo cuando el haz se dirige a la posición de píxel (x, y).

Este único número suele estar representado, para cada píxel, por un nivel de gris, formando una imagen monocromática. Sin embargo, se han utilizado varias formas para obtener imágenes de microscopía electrónica en color.

Color falso usando un solo detector

• Sobre las imágenes compositivos de superficies planas (típicamente BSE):

La forma más sencilla de obtener el color es asociar a este número único un color arbitrario mediante una tabla de búsqueda de colores (es decir, cada nivel de gris se reemplaza por un color elegido). Este método se conoce como color falso. En una imagen de BSE, se puede realizar un color falso para distinguir mejor las distintas fases de la muestra.

• Sobre imágenes de superficie texturizadas:

Como alternativa a simplemente reemplazar cada nivel de gris por un color, una muestra observada por un haz oblicuo permite a los investigadores crear una imagen topográfica aproximada (consulte la sección adicional "Representación 3D fotométrica a partir de una sola imagen SEM"). Dicha topografía puede luego ser procesada por algoritmos de representación 3D para una representación más natural de la textura de la superficie.

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  Superficie de una piedra renal

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  Lo mismo después de volver a procesar el color de la topografía estimada

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  Imagen SEM de un discoaster alterado diágenicamente

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  La misma imagen después de la coloración similar

Coloreado de imágenes SEM

Muy a menudo, las imágenes SEM publicadas se colorean artificialmente. Esto se puede hacer por efecto estético, para aclarar la estructura o para agregar una apariencia realista a la muestra y generalmente no agrega información sobre la muestra.

La coloración se puede realizar de forma manual con un software de edición de fotografías o de forma semiautomática con un software dedicado mediante la detección de características o la segmentación orientada a objetos.

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  Imagen SEM de Cobaea scandens polen

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  Lo mismo después de la coloración semiautomática. Los colores arbitrarios ayudan a identificar los diversos elementos de la estructura

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  Imagen SEM de color Tradescantia polen and stamens

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  Imagen SEM de color de oro nativo y la intercreación de cristal de arsenopirita

Color construido usando múltiples detectores de electrones

En algunas configuraciones, se recopila más información por píxel, a menudo mediante el uso de varios detectores.

Como ejemplo común, los detectores de electrones secundarios y retrodispersados se superponen y se asigna un color a cada una de las imágenes capturadas por cada detector, con el resultado de una imagen de color combinada donde los colores están relacionados con la densidad de los componentes. Este método se conoce como SEM de color dependiente de la densidad (DDC-SEM). Las micrografías producidas por DDC-SEM conservan la información topográfica, que es mejor capturada por el detector de electrones secundarios y la combinan con la información sobre la densidad obtenida por el detector de electrones retrodispersados.

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  DDC-SEM de partículas calcificadas en tejido cardíaco - Signal 1: SE

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  Signal 2: BSE

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  Imagen colorida obtenida de los dos anteriores. Micrografía de escaneo de color dependiente de la Densidad SEM (DDC-SEM) de calcificación cardiovascular, mostrando en naranja una partícula esférica fosfato de calcio (material de condensador) y, en verde, la matriz extracelular (material de denso)

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  Mismo trabajo con una visión más grande, parte de un estudio sobre la calcificación del tejido cardiovascular humano

Señales analíticas basadas en fotones generados

La medición de la energía de los fotones emitidos por la muestra es un método común para obtener capacidades analíticas. Algunos ejemplos son los detectores de espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDS) que se utilizan en el análisis elemental y los sistemas de microscopio de catodoluminiscencia (CL) que analizan la intensidad y el espectro de la luminiscencia inducida por electrones en (por ejemplo) especímenes geológicos. En los sistemas SEM que utilizan estos detectores, es común codificar por colores estas señales adicionales y superponerlas en una sola imagen de color, de modo que las diferencias en la distribución de los diversos componentes de la muestra puedan verse claramente y compararse. Opcionalmente, la imagen estándar de electrones secundarios se puede fusionar con uno o más canales de composición, de modo que se puedan comparar la estructura y la composición de la muestra. Estas imágenes se pueden crear manteniendo la integridad total de los datos de la señal original, que no se modifica de ninguna manera.

3D en SEM

Los SEM no proporcionan imágenes en 3D de forma natural, a diferencia de los SPM. Sin embargo, los datos 3D se pueden obtener utilizando un SEM con diferentes métodos, como se indica a continuación.

Reconstrucción SEM 3D a partir de un par estéreo

• fotogrametría es el método más preciso metrológicamente para llevar la tercera dimensión a imágenes SEM. Contrario a los métodos fotométricos (párrafo siguiente), la fotogrametría calcula alturas absolutas utilizando métodos de triangulación. Los inconvenientes son que funciona sólo si hay una textura mínima, y requiere que se adquieran dos imágenes desde dos ángulos diferentes, lo que implica el uso de una etapa de inclinación. (Photogrammetry es una operación de software que calcula el cambio (o "disparidad") para cada píxel, entre la imagen izquierda y la imagen derecha del mismo par. Tal disparidad refleja la altura local).

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  Un par estéreo SEM de microfosils de menos de 1 mm de tamaño (Ostracoda) producido por inclinación a lo largo del eje longitudinal.

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  Desde este par de imágenes SEM, la tercera dimensión ha sido reconstruida por fotogrametría (utilizando el software MountainsSEM, vea la siguiente imagen); luego se ha realizado una serie de representaciones 3D con diferentes ángulos y se han montado en un archivo GIF para producir esta animación.

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  Reconstrucción de superficie 3D de una muestra de calibración de rugosidad (Ra = 3 μm) (como se utiliza para calibrar profilosómetros), de 2 imágenes de microscopio electrónico de escaneo inclinadas por 15° (top left). El cálculo del modelo 3D (abajo derecho) toma alrededor de 1,5 segundos y el error sobre el valor de rugosidad Ra calculado es menos de 0,5%.

Reconstrucción SEM 3D fotométrica a partir de un detector de cuatro cuadrantes por "forma a partir de sombreado"

Este método suele utilizar un detector de BSE de cuatro cuadrantes (alternativamente, para un fabricante, un detector de 3 segmentos). El microscopio produce cuatro imágenes del mismo espécimen al mismo tiempo, por lo que no es necesario inclinar la muestra. El método proporciona dimensiones 3D metrológicas en la medida en que la pendiente de la muestra sigue siendo razonable. La mayoría de los fabricantes de SEM ahora (2018) ofrecen un detector BSE de cuatro cuadrantes incorporado u opcional, junto con un software propietario para calcular una imagen 3D en tiempo real.

Otros enfoques utilizan métodos más sofisticados (y, en ocasiones, con un uso intensivo de la GPU), como el algoritmo de estimación óptimo, y ofrecen resultados mucho mejores a costa de una gran demanda de potencia informática.

En todos los casos, este enfoque funciona mediante la integración de la pendiente, por lo que se ignoran las pendientes verticales y los voladizos; por ejemplo, si una esfera entera se encuentra sobre una superficie plana, poco más que el hemisferio superior se ve emergiendo por encima de la superficie plana, lo que da como resultado una altura incorrecta del vértice de la esfera. La prominencia de este efecto depende del ángulo de los detectores BSE con respecto a la muestra, pero estos detectores suelen estar situados alrededor (y cerca) del haz de electrones, por lo que este efecto es muy común.

Representación 3D fotométrica a partir de una sola imagen SEM

Este método requiere una imagen SEM obtenida con iluminación oblicua de ángulo bajo. Luego, el nivel de gris se interpreta como la pendiente y la pendiente se integra para restaurar la topografía de la muestra. Este método es interesante para la mejora visual y la detección de la forma y posición de los objetos; sin embargo, las alturas verticales generalmente no se pueden calibrar, a diferencia de otros métodos como la fotogrametría.

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  Imagen SEM de una superficie del ojo compuesto de la mosca de la casa a 450× magnificación.

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  Detalle de la imagen anterior.

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  Reconstrucción 3D SEM del anterior uso de forma de algoritmos de afeitado.

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  Igual que el anterior, pero con iluminación homogeneizada antes de aplicar la forma de algoritmos de afeitado

Otros tipos de reconstrucción 3D SEM

• Reconstrucción inversa usando modelos interactivos electron-material
• Reconstrucción multi-Resolución usando un solo archivo 2D: La imagen 3D de alta calidad puede ser una solución definitiva para revelar las complejidades de cualquier medio poroso, pero adquirirlos es costoso y consume mucho tiempo. Las imágenes 2D SEM de alta calidad, por otro lado, están ampliamente disponibles. Recientemente se presenta un nuevo método de reconstrucción de tres pasos, multiescala y multiresolución que utiliza directamente imágenes 2D para desarrollar modelos 3D. Este método, basado en una simulación Shannon Entropy y condicional, se puede utilizar para la mayoría de los materiales estacionarios disponibles y puede construir varios modelos 3D estocásticos utilizando algunas secciones delgadas.
• Ion-abrasion SEM (IA-SEM) es un método de nanoscale 3D imaging que utiliza un haz concentrado de gallium para abrazar repetidamente la superficie de la muestra 20 nanometros a la vez. Cada superficie expuesta es escaneada para compilar una imagen 3D.

Aplicaciones de SEM 3D

Una posible aplicación es medir la rugosidad de los cristales de hielo. Este método puede combinar SEM ambiental de presión variable y las capacidades 3D del SEM para medir la rugosidad en facetas de cristales de hielo individuales, convertirlo en un modelo de computadora y ejecutar más análisis estadísticos en el modelo. Otras medidas incluyen la dimensión fractal, el examen de la superficie de fractura de los metales, la caracterización de los materiales, la medida de la corrosión y las medidas dimensionales a nanoescala (altura de paso, volumen, ángulo, planitud, relación de carga, coplanaridad, etc.).

Los conservacionistas de arte también utilizan SEM para discernir las amenazas a las pinturas' estabilidad superficial debida al envejecimiento, como la formación de complejos de iones de zinc con ácidos grasos. Los científicos forenses usan SEM para detectar falsificaciones de arte.

Galería de imágenes SEM

Los siguientes son ejemplos de imágenes tomadas con un SEM.

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  Imagen SEM de color de nematodo de quiste de soja y huevo. La coloración artificial hace que la imagen sea más fácil para los no especialistas para ver y comprender las estructuras y superficies reveladas en micrografos.

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  Ojo compuesto de krill Antártico Euphausia superba. Los ojos de artropod son un tema común en micrografos SEM debido a la profundidad de enfoque que una imagen SEM puede capturar. Imagen de color.

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  Ommatidia de ojo krill antártico, una mayor magnificación del ojo del krill. Los SEM cubren un rango de microscopía ligera hasta las magnificaciones disponibles con un TEM. Imagen de color.

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  Imagen SEM de sangre humana circulante normal. Este es un micrografo antiguo y ruidoso de un sujeto común para micrografos SEM: glóbulos rojos.

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  Imagen SEM de un hederelloide del Devonian de Michigan (diámetro del tubo más grande es 0.75 mm). El SEM se utiliza ampliamente para capturar imágenes detalladas de micro y macro fósiles.

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  Imágenes de electrones retrocesados (BSE) de una región rica en antimonio en un fragmento de vidrio antiguo. Los museos utilizan SEM para estudiar objetos valiosos de manera no destructiva.

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  Imagen SEM de la capa de corrosión sobre la superficie de un antiguo fragmento de vidrio; note la estructura laminar de la capa de corrosión.

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  Imagen SEM de una capa fotoresista utilizada en la fabricación semiconductora realizada en un SEM de emisión de campo. Estos SEM son importantes en la industria semiconductora para sus capacidades de alta resolución.

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  Imagen SEM de la superficie de una piedra renal que muestra cristales tetragonales de Weddellite (dihidrato de oxalato de calcio) emergendo de la parte central amorfo de la piedra. Longitud horizontal de la imagen representa 0,5 mm del original de la figura.

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  Dos imágenes del mismo cristal de nieve de manguera de profundidad, vista a través de un microscopio ligero (izquierda) y como imagen SEM (derecha). Observe cómo la imagen SEM permite una percepción clara de los detalles de la estructura fina que son difíciles de hacer en la imagen del microscopio ligero.

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  Células epidérmicas de la superficie interior de un flake de cebolla. Debajo de las paredes de células de tipo shagreen se pueden ver núcleos y pequeños organeles flotando en el citoplasma. Esta imagen de BSE de una muestra manchada de lanthanoide fue tomada sin fijación previa, ni deshidratación, ni esputo.

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  Imagen SEM de la estomata en la superficie inferior de una hoja.