Aprovechamiento del poder de la catodoluminiscencia en un SEM de sobremesa

Aproveche la potencia de la catodoluminiscencia en un SEM de sobremesa con el TM4000Plus de Hitachi. Explore cómo las imágenes de CL pueden proporcionar información valiosa en la ciencia de los materiales, la geología y los productos farmacéuticos.

La técnica de la catodoluminiscencia (CL) se utiliza habitualmente en microscopía electrónica. Se aplica regularmente en una serie de estudios geológicos, que incluyen estados defectuosos y datación; ciencia de los materiales para ofrecer información sobre las propiedades fotónicas de los semiconductores, como las células solares; y productos farmacéuticos para examinar la distribución de los ingredientes farmacéuticos activos.

En este artículo, exploramos cómo este tipo de trabajo de CL puede realizarse de forma rápida y sencilla en el SEM de sobremesa TM4000Plus de Hitachi.

La CL es uno de los muchos procesos que pueden tener lugar cuando un haz de electrones energéticos incide sobre una muestra. Con mayor frecuencia, los SEM utilizan señales de electrones, como electrones secundarios (SE) para obtener imágenes topográficas y electrones de retrodispersión (BSE) para obtener imágenes de composición.

Además de estas señales electrónicas, se genera un espectro de radiación electromagnética. Esto incluye los rayos X, que se utilizan para el análisis elemental (EDX/EDS). En determinados materiales, también pueden emitirse fotones en las longitudes de onda infrarroja, visible y ultravioleta. Estos fotones pueden contener información valiosa sobre variaciones sutiles de composición, banda prohibida, enlace químico, estructura cristalina y defectos.

Por lo general, las imágenes CL se obtienen añadiendo un detector de fotones específico a un SEM. El detector recoge fotones en lugar de electrones y puede ser pancromático (identifica una amplia gama de longitudes de onda) o monocromático (identifica longitudes de onda específicas según sea necesario). Además, puede consistir en una simple guía de luz y un tubo fotomultiplicador colocado hacia la muestra.

Para aumentar la eficacia de la captación, el detector también puede constar de un espejo parabólico situado directamente encima de la muestra (que se conecta a un tubo fotomultiplicador o a un espectrómetro si es necesario el análisis espectral de la longitud de onda de los fotones).

El Hitachi TM4000Plus, sin embargo, ofrece la posibilidad de identificar CL pancromáticas sin ningún ajuste. Esto brinda la oportunidad de llevar a cabo un gran número de investigaciones de CL pancromática de forma sencilla y eficaz en un instrumento rentable y fácilmente disponible.

El TM4000Plus contiene un detector de electrones secundarios de bajo vacío (denominado UVD) basado en la tecnología de captación de luz, lo que significa que la detección de CL puede realizarse simplemente pulsando un botón. La polarización que se aplica normalmente para mejorar la detección de electrones secundarios se desactiva, lo que significa que el detector funciona como un detector de fotones, con la señal de electrones secundarios suprimida.

Dado que el TM40000Plus también contiene un detector de electrones de retrodispersión de alto rendimiento y capacidad de tratamiento de imágenes de doble canal, es posible obtener información de composición y de CL simultáneamente (como se muestra en el ejemplo de la Fig. 2). Los conjuntos de datos pueden ser más sólidos si se utiliza la capacidad (opcional) de mapeo elemental EDX, lo que significa que se puede proporcionar rápidamente información química cualitativa y cuantitativa.

Imágenes CL de Ciencia de Materiales

En la ciencia de materiales, la imagen CL es una técnica formidable para ayudar a comprender las propiedades cristalográficas o el estado de enlace de los materiales. En el ejemplo siguiente, se examinó una muestra multifásica de TiO2. No se detecta ninguna variación sustancial del contraste en la imagen de electrones retrodispersados (izquierda) debido a la falta de variación composicional en la muestra.

Sin embargo, en la imagen CL (derecha) se aprecian distintas regiones. Éstas corresponden a las fases rutilo y anatasa del TiO2. Dado que el detector CL del TM4000Plus es más sensible en el rango de longitudes de onda más cortas, la fase anatasa aparece brillante, mientras que la fase rutilo (en la que los fotones emitidos tienen una longitud de onda >500 nm) aparece oscura.

El uso de este método rápido y directo evita la necesidad de realizar estudios separados de espectrofotometría o difracción y proporciona información espacialmente resuelta a escala sub-µm, que no es fácil de obtener con otras técnicas.

Imágenes CL en productos farmacéuticos

En un sistema de administración de fármacos como un simple comprimido, la distribución correcta del principio activo farmacéutico (API) es crucial. El tamaño de las partículas y la distribución del API deben controlarse meticulosamente para garantizar una absorción eficaz en el organismo. A continuación se muestra un ejemplo de sección transversal de un comprimido comercial de ibuprofeno.

La imagen de electrones secundarios (izquierda) muestra la rugosidad asociada a la fractura del comprimido. La imagen de electrones retrodispersados (centro) muestra el recubrimiento entérico (resistente a los gases) que recubre el comprimido. La imagen CL (derecha), sin embargo, muestra información completa sobre la distribución del API. Esta información puede utilizarse tanto para el control rápido del proceso como para el control de calidad.

Imágenes CL en geología

La CL se utiliza ampliamente en geología para examinar variaciones sutiles en el modo de formación de los cristales que es menos probable que se aprecien en las imágenes de electrones secundarios, las imágenes de electrones retrodispersados o los análisis de rayos X de energía dispersiva. En el ejemplo de sienita que se muestra a continuación, debido a que el cambio composicional es escaso o nulo, la imagen BSE (centro) no muestra ninguna variación de brillo en el cristal. La imagen CL, sin embargo, muestra una fuerte variación de brillo a través del cristal debido a la zonación.

Otro ejemplo de un proceso en el que la técnica puede aplicarse fácilmente es la datación geológica de circones. Las variaciones en las relaciones U-Th-Pb dentro de los cristales de circón pueden utilizarse para determinar la fecha de formación del cristal. La pequeña variación en la relación U-Th-Pb es menor de lo que se puede identificar de forma fiable con técnicas químicas en el SEM, como EDX. En cambio, la relación exacta de los elementos se determina con precisión mediante espectrometría de masas. Sin embargo, el espectrómetro de masas no puede identificar rápidamente las zonas de interés para examinar, lo que supone un reto.

Por ello, en SEM, la CL puede desempeñar un papel muy importante a la hora de determinar las zonas de interés para análisis posteriores y puede acelerar considerablemente el proceso de datación. La "zonación" evidente en las imágenes CL de los circones da una indicación de qué granos presentan las mayores variaciones en las relaciones U-Th-Pb, lo que guía al geólogo para emprender la espectrometría de masas en los cristales más adecuados.

En el ejemplo de la Fig. 3, se compara una imagen de circón obtenida en un SEM convencional con el detector CL específico (derecha) con una imagen CL del mismo cristal en TM4000Plus (izquierda). Se observa información comparable y ambos enfoques ofrecen la información necesaria para seleccionar los mejores granos posibles para la posterior espectrometría de masas.

Conclusión

La capacidad de imagen pancromática puede realizarse con éxito en un SEM de sobremesa Hitachi para ayudar a la comprensión de una amplia gama de sistemas de materiales. La capacidad de superponer datos de BSE y CL en una imagen ofrece a los usuarios una correlación precisa de la información química y cristalográfica o de enlace, ya sea como estudios independientes o para apoyar investigaciones adicionales como estudios posteriores de espectrometría o difracción.

Estos instrumentos requieren una inversión de capital y un espacio de laboratorio menores, ofrecen un tiempo de obtención de datos más rápido y pueden ser utilizados sin mucha dificultad por cualquier operador, independientemente de su experiencia previa con microscopios electrónicos. Esto significa que ofrecen la oportunidad de aplicar los estudios de CL mucho más ampliamente que antes. De este modo, el poder de la CL será accesible en muchos más laboratorios que en el pasado, incluso para el control de procesos y de calidad, así como en entornos académicos.

Además, los SEM de sobremesa Hitachi ofrecen la capacidad de realizar este tipo de trabajos de CL sin necesidad de realizar ningún ajuste ni inversión adicional en hardware. Combinado con imágenes de electrones secundarios (SE) y de electrones retrodispersados (BSE), además de análisis y mapeo elemental EDX, este tipo de instrumento supone un potente complemento para laboratorios farmacéuticos, laboratorios de geociencias y una amplia gama de laboratorios de ciencias de los materiales.

Equipos utilizados

SEM de sobremesa Hitachi TM4000Plus en configuración estándar.

Agradecimientos

Muchas gracias al Dr. Eszter Badenszki, University College Dublin, School of Earth Sciences, por proporcionar los circones y las imágenes CL para su inclusión en este estudio

Muchas gracias al Dr. Adam Jeffery, de la Escuela de Geografía, Geología y Medio Ambiente de la Universidad de Keele, por la muestra de senita