Microscop´ıa

Para conocer la microestructura de los materiales, se utilizaron microscopios tanto ´

opticos como electr´onicos.

3.3.1.

Microscop´ıa ´optica

La microscop´ıa ´optica se basa en el uso de lentes para amplificar la imagen de la muestra, pudiendo as´ı resolver caracter´ısticas de la misma que dependen del color de las fases y de la topograf´ıa del material analizado con una magnificaci´on m´axima de aproximadamente 500 aumentos.

El equipo utilizado fue un microscopio LEICA DFC 425. Mediante el uso de un soft- ware especializado, LEICA ImageSuite, se pueden componer varias im´agenes a varias profundidades de campo, obteniendo diferentes porciones de la misma en foco, para generar una imagen del material completamente en foco (multifoco). Se muestran en la Figura 3.6 el equipo y la interfase gr´afica del software. En este trabajo, la mayor´ıa de las im´agenes fueron multifocos.

3.3.2.

Microscop´ıa Electr´onica

La microscop´ıa electr´onica, en lugar de fotones, utiliza electrones. Al incidir un haz de los mismos en la superficie de la muestra, se producen varios fen´omenos, dependientes del funcionamiento del microscopio, que permiten obtener informaci´on del material analizado [48].

A diferencia de los microscopios ´opticos, los electr´onicos no emplean lentes masivas, sino que utilizan campos magn´eticos para desviar una corriente de electrones. Adem´as, el color es una propiedad ´optica, as´ı que los microscopios electr´onicos no pueden formar im´agenes en color real.

3.3 Microscop´ıa 23

Figura 3.6: Microscopio LEICA (izquierda) e interfase gr´afica del software LEICA en pantalla (derecha).

3.3.2.1. Microscop´ıa Electr´onica de Barrido (SEM)

Los microscopios electr´onicos de barrido (SEM por sus siglas en ingl´es, Scanning Electron Microscope) utilizan el haz proveniente de una fuente de electrones que, me- diante lentes magn´eticas, es concentrado en un punto de la muestra. Mediante el cambio de la corriente que excita las lentes magn´eticas, se modifica la posici´on del punto de convergencia en dos dimensiones. El equipo utilizado fue un SEM Phillips 515 que se muestra en la Figura 3.7.

En el SEM, un cierto volumen de la muestra interact´ua con el haz para formar el pixel. El mismo tiene una dependencia con la corriente del haz, la energ´ıa de sus electrones, y la composici´on del material alrededor del punto de incidencia. En ese volumen, se generan electrones retrodispersados, que son electrones provenientes del haz los cuales han cambiado su direcci´on luego de una o m´as interacciones con las nubes electr´onicas de los ´atomos del material. Los electrones del haz, durante su paso por el volumen de interacci´on, generan a su vez electrones secundarios, de energ´ıas de hasta 50 eV, que son utilizados para obtener una imagen de la superficie del material. Se muestra un esquema en 3.8de las seales producidas en SEM. La figura muestra dos simulaciones por el m´etodo Monte Carlo para visualizar el efecto del material sobre la trayectoria de los electrones. Se destaca la barra de escala en las dos figuras, poniendo en relieve el cambio entre las distancias alcanzadas dentro de uranio en comparaci´on con carbono.

Para formar la imagen a partir de electrones secundarios, se carga el detector po- sitivamente (lo que se conoce como ”bias.o _{sesgo del detector), haci´endolo atractor de}

electrones. Los electrones secundarios tienen poca energ´ıa, por lo que son desviados con facilidad para alcanzar el detector. Los electrones retrodispersados, con energ´ıas m´as altas, necesitan voltajes mayores para ser desviados, por lo que es m´as probable que incidan sobre las paredes de la c´amara que sobre el detector mismo [49]. Este modo de

24 T´ecnicas de Caracterizaci´on de Materiales Utilizadas en esta Tesis

detecci´on fue utilizado para generar todas las im´agenes por SEM de este trabajo.

Figura 3.7: Equipo SEM, modelo Phillips 515.

Figura 3.8: Esquema de las seales producidas en SEM, y del efecto del peso at´omico del material pa- ra carbono (arriba) y uranio (abajo). Prestar atenci´on especial a la barra de escala.

3.3.2.2. Microscop´ıa Electr´onica de Transmisi´on (TEM)

A diferencia del microscopio electr´onico de barrido, el de transmisi´on (TEM por sus siglas en ingl´es, Transmission Electron Microscope) utiliza un haz de electrones que atraviesa completamente la muestra. Por esa raz´on, la misma debe ser lo m´as delgada posible, para que pueda ser atravesada por los electrones. El haz de electrones del TEM interact´ua con la muestra, la cual deja pasar una parte sin cambio de direcci´on, pero tambi´en absorbe una fracci´on, y desv´ıa otra por difracci´on. A diferencia del SEM, el TEM no genera la imagen punto a punto, sino simult´aneamente: lentes magn´eticas amplifican el haz luego de su paso por la muestra hasta el tamao deseado. Entre los modos de operaci´on del TEM, est´an el modo de campo claro, en donde se miran los electrones que pasan por un ´area colineal con el haz, buscando en particular aquellos que han atravesado la muestra sin interactuar, y el modo de campo oscuro, en donde s´olo se miden los electrones que han sido desviados por difracci´on [50]. El haz magnificado por las lentes magn´eticas puede luego hacerse incidir en un detector, o directamente sobre una pantalla fosforescente para poder observar. En este trabajo, todas las im´agenes de TEM presentadas fueron obtenidas usando un equipo Phillips CM 200-UT, que se muestra en la Figura 3.9. Se utiliz´o en todos los casos la t´ecnica del campo claro como se muestra en el esquema de la Figura3.10

Las muestras de TEM se prepararon mezclando el material pulverizado con alcohol isoprop´ılico, y agitando hasta obtener una suspensi´on. Se coloca una gota de la misma sobre una grilla para microscop´ıa modelo TED PELLA Cu con malla 400 mesh, Ul-

3.3 Microscop´ıa 25

trathin C film on holey Carbon, y se deja secar. Las part´ıculas en suspensi´on quedan adheridas a la grilla.

Figura 3.9: Equipo TEM, modelo

Phillips CM 200-UT. _{Figura 3.10:} Formaci´on de im´agenes del TEM en campo claro (izquierda) y campo oscuro (derercha).

3.3.2.3. Espectroscop´ıa Dispersiva de Energ´ıas (EDS)

La espectroscop´ıa dispersiva de energ´ıas (EDS por sus siglas en ingl´es, Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) consiste en medir la energ´ıa de los rayos X emitidos por una muestra bombardeada por electrones de altas energ´ıas (del orden de 10-100 keV) utilizando un espectr´ometro de estado s´olido. Se muestran en las Figuras 3.11 y

3.12 los equipos utilizados.

26 T´ecnicas de Caracterizaci´on de Materiales Utilizadas en esta Tesis

Cuando un electr´on libre de alta energ´ıa interact´ua con la nube electr´onica de un ´

atomo, puede entregarle energ´ıa a alguno de sus electrones. Los electrones unidos al ´

atomo s´olo pueden absorber ciertos valores discretos de energ´ıa menores a la funci´on trabajo, generando en el proceso un hueco en las ´orbitas que ocupan. Si el electr´on incidente tiene una energ´ıa mayor al doble de la funci´on trabajo del electr´on, entonces puede generar una ionizaci´on, de la que resulta un hueco en el orbital. Este hueco puede ser llenado por un electr´on de un orbital distinto, que reduce su energ´ıa cayendo al orbital vac´ıo, emitiendo el exceso en forma de un fot´on, que al ser el producto de una transici´on entre dos niveles de energ´ıa definidos, tiene una energ´ıa espec´ıfica [51]. La t´ecnica EDS puede detectar cualquier ´atomo aparte del helio y del hidr´ogeno, ya que no tienen habitualmente electrones en m´as de una ´orbita. En la pr´actica, ning´un ´

atomo de menor n´umero at´omico que el ox´ıgeno es medido de manera confiable, debido al rango reducido de transiciones disponibles y a la baja energ´ıa de las mismas. En este trabajo se utiliz´o esta t´ecnica para verificar la presencia de cadmio en los materiales obtenidos.