SEM-EDS: El Microscopio Electrónico (I)

A pesar de que actualmente se están desarrollando e implementando nuevas técnicas analíticas, el microscopio electrónico y la microsonda electrónica siguen siendo herramientas muy potentes para la determinación de minerales.

El Microscopio Electrónico de Barrido SEM (Scanning Electron Microscope)

A grandes trazos, un microscopio electrónico funciona de la siguiente manera. En una cámara en forma de columna con alto vacío, tenemos un emisor de electrones (electron gun), parecido a un filamento como el de las bombillas.

science.howstuffworks.com/scanning-electron-microscope2.htm

Una gran diferencia de potencial hace que los electrones del filamento se dirijan hacia el polo opuesto. Esto genera un haz de electrones cuyo voltaje podemos controlar. La energía de los electrones generados puede variar entre los 0,1 a 300 KeV. Habitualmente los voltajes (diferencias de potencial) varían entre los 1.000 V a los 30.000 Voltios.

El ánodo nos permite acelerar estos electrones y aumentar o reducir el poder penetrante de los mismos en la muestra. Incrementando el voltaje de los electrones conseguiremos reducir el diámetro del haz electrónico consiguiendo mejor resolución. 

Además, dentro de esta columna al vacío se disponen diversos electroimanes, también ajustables, que permiten enfocar los electrones. Son las llamadas lentes magnéticas. Serían el equivalente a las ópticas de los microscopios que tenemos en casa. Su función es la de orientar y concentrar el haz de electrones del filamento. En un SEM podemos enfocar, corregir astigmatismo (provoca imágenes distorsionadas, estiradas), aumentar la profundidad de campo, corregir aberraciones esféricas y cromáticas...

Otros artilugios magnéticos, las bobinas de barrido, mueven este haz para producir imagen, es decir, “barren” con el haz de electrones la superficie muestra para generar una imagen como la de televisión, hecha punto por punto y línea tras línea. En próximos posts explicaremos cómo se forma la imagen.

El haz de electrones sale de la última lente magnética para penetrar en la cámara de la muestra donde impacta sobre ella y genera diversos efectos y emisiones.

Electrones secundarios (SE)

Cuando el haz de electrones primarios (muy energéticos) incide sobre la muestra se emiten electrones con energías inferiores a los 50 eV. Estos electrones, llamados secundarios (SE), tienen energías bajas (de 3 a 5 eV) y proceden de las capas electrónicas de los átomos de la muestra. Estos electrones son los que, con los detectores adecuados, nos ofrecen la imagen topográfica de la muestra.

Los electrones “arrancados” del átomo dejan vacantes (vacíos) que se llenan con electrones de capas más externas. Esta transición emite energía en forma de Rayos X con una valor característico, podríamos decir “único”, del elemento (átomo) en el que sucede esta salto.

Electrones retrodispersados (BSE)

Cuando el haz incide sobre la superficie de la muestra hay diversos electrones del mismo que “rebotan” (dispersión elástica) y escapan de la misma. Suelen tener una energía superior a los 50eV. Se producen muchos más BSE que SE, el doble o más (hasta 5 o 6 veces más). Veremos más adelante la importancia de estos electrones y su relación con el análisis topográfico de las muestras. 

Electrones Auger

Son electrones emitidos como resultado del proceso de desexcitación (retorno al nivel energético más bajo) de otro electrón, sin emitir energía. Esta energía no emitida como Rayos X o fluorescencia se utiliza para emitir otro electrón. 

Electrones transmitidos

Estos electrones se suelen utilizar para muestras muy delgadas. Los electrones del haz se transmiten a través de la muestra y lo que se recoge es la imagen de la interacción de los electrones. Esta técnica microscópica se llama TEM (Transmission Electron Microscopy).  

Rayos X característicos

Tal como hemos dicho antes, los fotones de rayos X (energía) desprendidos en la interacción de los SE son característicos de cada elemento. Por esta razón, si podemos detectarlos podremos saber qué elementos forman parte de nuestra muestra o mineral. Pero para ello necesitamos un detector especial. A esta técnica se la llama Espectroscopía Dispersiva de Rayos X (EDS, Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy), también EDX, XEDS, EDAX, EDXA o EDXMA. La precisión de un espectro EDS se ve afectada por diversos factores:

• Muchos elementos químicos presenta cierta superposición de picos (energías de Rayos X emitidos muy parecidas). En la imagen podemos ver como se hace casi imposible determinar si una muestra determinada es plomo nativo o galena. La energía de los RX emitidos por los átomos de azufre (amarillo) se solapan en la zona donde aparecen los picos de los átomos de plomo (azul). 

Espectro de RX de una muestra de galena o de plomo nativo.

• La naturaleza de la muestra. Los rayos X pueden ser generados por cualquier átomo en la muestra que esté cerca de la zona (spot area) analizada. 
• Estos rayos X son emitidos en cualquier dirección, por lo que algunos no puedan escapar de la muestra. Esto depende de la energía de los RX emitidos y de la densidad del material que deben atravesar. En el caso de minerales, si las muestras no son planas, pulidas y uniformes los resultados pueden verse alterados. Por esta razón lo “ideal” sería trabajar sobre muestras pulidas y planas perpendiculares al haz electrónico.

Los electrones del haz inciden sobre una muestra no plana y heterogénea.
Los BSE salen de la muestra y pueden impactar contra otras partes
de la muestra de diferente composición, con emisión de RX.
Este hecho, junto con otras absorciones de RX provocan que el
espectro registrado no lleve la información composicional requerida.

 

 

Habitualmente se utilizan patrones conocidos, como puede ser el cobalto, para establecer una referencia con la que comparar los Rayos X emitidos por los elementos de la muestra. Por tanto, y como habitualmente las muestras minerales no son planas y homogéneas, los resultados de los análisis SEM-EDS suelen ser semi-cuantitativos, o sea, no obtendremos resultados exactos y comparables, pero sí nos darán idea de proporciones y porcentajes entre los elementos de nuestra muestra. Ahí entra la pericia y experiencia del analista. 

Catodoluminiscencia (CL)

Este efecto se presenta cuando el haz de electrones incide sobre la muestra y esta emite luz visible. Sólo se produce cuando la estructura cristalina del mineral presenta algún tipo de defecto estructural, un hecho muy común en los minerales naturales. Si nuestro aparato posee un detector adecuado podemos obtener información composicional, distribución de los minerales dentro de la muestra, etc.

Continuará...