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Spot size na microscopia eletrónica de bancada (SEM): Porquê que é importante?

Os microscópios eletrónicos de bancada surgiram como um método de caracterização muito valioso nos últimos anos, seguindo os principais desenvolvimentos tecnológicos e a contínua redução das dimensões dos materiaisl. Os SEMs são ferramentas versáteis que permitem aos utilizadores executar muitos tipos diferentes de análises numa ampla gama de materiais e para alcançar os melhores resultados, os utilizadores devem selecionar cuidadosamente as configurações principais do microscópio. Uma dessas configurações é o spot size, isto é, o diâmetro do feixe de eletrões na amostra. Neste artigo, é explicado como ajustar o spot size num SEM - e como alcançar o equilíbrio certo entre imagens de alta resolução e uma alta corrente de feixe para obter os resultados que pretende.


Como ajustar o spot size num microscópio eletrónico de varrimento de bancada?

Os quatro parâmetros principais que descrevem as propriedades do feixe num SEM são mostrados na Fig. 1. Este são os quatro principais parâmetros:

· A tensão de aceleração na qual os eletrões estão a ser acelerados enquanto viajam pela coluna de eletrões;

· O ângulo de convergência do cone de feixe de eletrões;

· A intensidade corrente do feixe que atinge a amostra;

· O diâmetro do ponto do feixe final na amostra - o spot size.


Figure 1: The four major parameters of the electron beam in a SEM: accelerating voltage, convergence angle, beam current and spot size


Em qualquer microscópio eletrónico de varrimento de bancada moderno, o utilizador tem a capacidade de controlar o tamanho do spot size. Isto é, conseguindo principalmente o ajuste do condensador e as lentes objetivas do sistema e selecionando diferentes aberturas.

Os eletrões estão a fluir através de lentes electromagnéticas (que consistem simplesmente em bobinas de fios dentro de peças de pólos metálicos) e o utilizador é capaz de controlar o caminho dos eletrões ajustando a corrente que é aplicada às lentes. Além disso, o spot size depende da tensão de aceleração (altas tensões de aceleração diminuem o spot size), da distância de trabalho (quanto maior, maior o spot size) e da abertura da objetiva da lente (aberturas menores criam pontos de diâmetro menor).

No entanto, o tamanho do feixe eletrões final é um parâmetro que é muito mais complexo de controlar e de prever, pois depende de muitos fatores. A relação que descreve o spot size tem termos que dependem do diâmetro de Gauss do canhão de eletrões, o efeito de difração da abertura final, a aberração cromática e as aberrações esféricas da lente e de formação de feixe.

Se olharmos novamente para a Figura 1, parecerá trivial que, para se ter um feixe pequeno e corrente suficiente na amostra, o utilizador precise apenas de aumentar o ângulo de convergência do feixe. Isso, no entanto, aumentará as aberrações dos componentes ópticos no microscópio e, portanto, ampliará o feixe. Posto isto, é evidente que, para realizar uma experiência com precisão, é importante entender como os diferentes parâmetros influenciam as características do feixe de eletrões e identificar os trade-offs entre eles.


Imagens de alta resolução vs Alta corrente de feixe

O principal fator que afeta a resolução é o spot size. Para adquirir uma imagem de alta resolução, o spot size deve ser mantido o menor possível para poder resolver e descrever até mesmo as características “menos visíveis” da amostra.

Por outro lado, também é importante que o feixe tenha intensidade de corrente suficiente para uma relação de sinal/ruído aceitável e resolução de contraste. Como a redução do spot size também diminui a intensidade de corrente do feixe, os utilizadores precisam de identificar e selecionar as configurações que melhor se ajustam ao seu objetivo.

Em geral, se imagens de alta magnificação são necessárias, o spot size deve ser mantido no mínimo. Se o utilizador precisar apenas de imagens de baixa magnificação, recomenda-se que o spot size seja aumentado para que as imagens tenham mais "fluxo de eletrões" e fiquem mais nítidas.

Na Figura 2, pode ser observado que as imagens adquiridas com baixa ampliação, mas com um spot size maior, parecem mais brilhantes e suaves. No entanto, à medida que a ampliação aumenta, o utilizador deve alternar para o spot size menor, o que resulta em melhores resultados quando é necessária uma imagem de alta resolução.

Além disso, spot size mais amplos - e consequentemente, intensidades de corrente de feixe mais altas - aumentam os possíveis danos à amostra, algo que deve ser levado em consideração, especialmente quando amostras sensíveis a feixe são observadas.



Figure 2: SEM images of tin with the use of a) large and b) small spot size. On the left, low magnification images are shown and, on the right, their respective high magnification images. At low magnification, the use of high beam current (a) is preferred. In the case of high magnification images, using smaller spot size allows the user to achieve better spatial resolution.






Um microscópio eletrónico de varrimento de bancada é uma ferramenta fascinante com inúmeras aplicações. No entanto, é muito importante que o utilizador tenha uma ideia clara do tipo de análise necessário e de como os diferentes spot size, intensidades de corrente de feixe e tensões de aceleração influenciarão a qualidade de imagem. Selecionar os melhores parâmetros para qualquer experimento é crucial.

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