análisis morfológico de imágenes obtenidas con el microscopio electrónico de barrido- carlos...
TRANSCRIPT
(8,9) Análisis Morfológico de Imágenes Obtenidas con el Microscopio Electrónico
de Barrido
Gonzales Lorenzo Carlos David
Facultad de Ciencias, Universidad Nacional de Ingeniería
E-mail: [email protected]
Con el microscopio electrónico de barrido (SEM) se obtiene imágenes que dan información superficial de lamuestra que se esta analizando. Usando el programa imagej se puede tratar y hacer un estudio morfológico delmaterial. En este trabajo se analiza nanopartículas de Au en la cual considerando el diámetro de las partículascalculamos un tamaño promedio.
Palabras Claves: Nanopartículas, morfológico.
With the electron microscope of sweeping (SEM) images that give superficial information of the sample thatis analyzed are obtained. Using the program imagej can receive treatment and making a morphologic study ofthe material. In this work nanoparticles of Au are analyzed we estimated an average size around in whichconsidering the diameter of the particles.
Key words: Nanoparticles, morphologic.
1. Introducción
Las imágenes magnificadas de muestras obtenidas con
el SEM tienen una alta resolución y además debido a
la técnica que utiliza para formar la imagen (explicada
en anteriores monografías) le dan a la imagen una
apariencia tridimensional.
Estas dos características de las imágenes obtenidas
con el SEM posibilitan un análisis morfológico de la
muestra con solo observar la imagen que se obtiene.
En un análisis morfológico la mayoría de resultados
que se obtienen son una descripción cualitativa de la
muestra, pero a pesar de esto para cierto tipo de
estudios es suficiente.
2. Fundamento Teórico:
2.1. Aplicaciones del SEM
El microscopio electrónico de barrido permite lassiguientes aplicaciones:
1. Observación a altos aumentos. La resolución deimagen conseguida por un microscopio electrónicode barrido es muy superior a la que se puedeobtener mediante un microscopio óptico, ya que se
utilizan electrones (de mucha menor longitud deonda) en lugar de luz para formar la imagen.
2. Estudios fractográficos. Gracias a la profundidadde campo que se consigue con este tipo demicroscopios, es posible la observación desuperficies de fractura a altos aumentos.
3. Realización de análisis químicos en pequeñasáreas: fases intermetálicas, precipitados,partículas contaminantes, etc.
El hecho de trabajar en tres modos permite lassiguientes posibilidades:
Modo de alto vacío: es el modo en que trabajanlos microscopios electrónicos convencionales,con una alta resolución de imagen y demicroanálisis. Presenta el inconveniente de quelas muestras deben ser conductoras, por lo quesi no lo son (o se encuentran embutidas enresina para observación metalográfica) debenrecubrirse con películas conductoras como oro ografito.
Modo de bajo vacío: este modo de trabajopermite observar muestras no conductoras sinrecubrir, como puede ser el caso de pinturas omateriales cerámicos.
Modo ambiental: en este modo, además demuestras no conductoras, se pueden observarmuestras orgánicas o muestras altamentehidratadas.
EL SEM es muy utilizado para el estudio de lamorfología superficial de minerales, catalizadores, etc.;electro-depósitos; adherencia fibra-matriz enpolímeros; cambios morfológicos de materialessometidos a tratamientos químicos; formas decristalización de minerales; control de calidad decatalizadores industriales; morfología superficialinterna de partículas poliméricas, morfología de tejidosu órgano animales y vegetales; estudio de moléculas;reconocimiento de fósiles; etc.
Figura 1. Imágenes a bajo V. Especímenes de pruebade un metal sobre carbón: (a) Hitachi S-900, 1.5 kV, Pten carbón (Reimpreso de Pawley (1990) con elpermiso de San Francisco Press). (b) y (c) Hitachi S-900-H, 1.0 kV y 2.0 kV, Au en carbón. (Otorgadagenerosamente por M. Osumi, Universidad de mujeresde Japón). Todas las imágenes presentadas en lamisma magnificación final.
Otro ejemplo de aplicación es el estudio químico yestructural de obras de arte, alteración de monumentos,control de calidad, identificación de pigmentos(restauración, autentificación)Como ejemplo práctico de este tipo de aplicación, se
puede ver la figura 2, donde se aprecia una muestra
pictórica observada con un Microscopio Electrónico de
Barrido. A partir de esta interpretación se puede
aportar una información especialmente valiosa para
proceder a establecer la época del cuadro, escuela
pictórica y posibles intervenciones a las que ha sido
sometida, tales como aplicación de repintes, o
tratamientos de restauración anteriores.
Figura 2. Muestra pictórica observada con un
Microscopio Electrónico de Barrido.
2.2. Aplicaciones del SEM en la Ciencia deMateriales (Caracterizaciones) [2]
La Microscopía Electrónica se ha incorporadoexitosamente a la investigación en la ciencia demateriales, contribuyendo con imágenes de altaresolución y el microanálisis químico obtenido de lasuperficie de la muestra. A continuación, sepresentan imágenes obtenidas de diferentesmateriales empleando un Microscopio Electrónico deBarrido operado en el modo de electronessecundarios y electrones retrodispersados.
La figura 3 muestra una imagen de polvo metálicoobtenida en modo de operación de electronessecundarios. La topografía de la superficieproporciona información de altura y tamaño degrano.
Figura 3. Morfología de polvo metálico.
En la figura 4, se observa la imagen de la superficiedel silicio obtenida en el modo de operación deelectrones secundarios. La imagen presenta laspartículas y los defectos de la superficie del material.
Figura 4. Morfología de la superficie del silicio.
La figura 5, corresponde a la imagen de una películapolimérica depositada sobre vidrio, obtenida en elmodo de electrones secundarios.
Figura 5. Morfología de una película polimérica.
En la figura 6, se observa la micro estructura delpolímero de la figura 5 a 9000 aumentos, obtenida enel modo de operación de electrones secundarios.
Figura 6. Amplificación de la morfología delpolímero.
La figura 7, corresponde a la imagen de un depósitode Molibdeno-Cadmio-Telurio sobre una superficiemetálica, obtenida en modo de operación deelectrones secundarios. La imagen presenta ladistribución de partículas y la homogeneidad deldepósito.
Figura 7. Morfología de un depósito de Molibdeno-Cadmio-Telurio.
En la figura 8, se observa la imagen lateral deldepósito de la figura 7, obtenida en el modo deelectrones secundarios. La imagen proporcionala medida del espesor del material depositado.
Figura 8. Espesor de un depósito de Molibdeno-Cadmio-Telurio.
3. Procedimiento Experimental
Se disponen de dos fotografías obtenidas con el SEM.
La fotografía mostrada en la figura 9 es una muestra de
partículas de oro y la de la figura 10 es la imagen de
una moneda.
Figura 9: fotografía de partículas de oro obtenida por
evaporación.
Figura 10: fotografía de la replica de la moneda de
diez céntimos; se muestra la parte final de la
cornucopia.
Descripción morfológica
En la figura 9 se muestran las partículas delmetal en forma de granos vista con elmicroscopio electrónico de barrido MEB.
Se puede notar bordes discontinuos en lasuperficie.
En la figura 10 se observa la imagen de lareplica de la moneda de 10 céntimos cuando esvista por el MEB mostrando la parte final de lacornucopia.
Análisis morfológico en al superficie de lamuestra (figura 9).
Primero se selecciona un área específica de estaimagen. En la figura 11 se muestra una sección de lasuperficie de la figura 9 de manera que sea lo masuniforme posible.
Figura 11: Imagen recortada de la figura original 9.
Luego usando el progrma image j colocamos a laimagen a en formato de 8 byts y luego se binarizacon make binary. Con esto se puede observar laimagen en un formato donde las partículas sonnegras en fondo blanco.
Figura 12: Imagen en blanco y negro con formato de 8byts y binarizada.
Ahora colocamos la escala a nuestras medidas lacual es aproximadamente de 100nm<> 55 pixelesentonces tendremos que 0.55nm<> 1pixel
Figura 13: Calibración de la imagen con la distanciaen manómetros.
Ahora con el comando Analyse particle lo que se hacees hallar el numero de partículas que se encuentrandentro de un área determinada para ello se ha colocadodentro de un rango de 1038-1600 nm² y colocando laopción display results podemos obtener una tabla departículas encontradas en este rango de área.
Figura 14: Rango para el área de las partículas deoro.
Figura 15: Tabla de datos obtenidos con elimage j: Nos muestra la cantidad de partículasencontradas con un área entre el rango de 1038-1600 nm².
Con estos datos se hace un histograma de frecuenciasel cual muestra la cantidad de partículas con un áreadeterminada dentro del rango establecido.
Count: 20, indica la cantidad de partículas con un áreadentro del rango establecido (1038-1600 nm²).
Mean: 1257.521, nos indica el área promedio de las 20partículas encontradas en nm².
Las opciones Min y Max nos dan los valores mínimosy máximos de las áreas de las partículas encontradas.
Figura 16: Histograma de frecuencias: cantidad departículas con un área determinada dentro del rangoestablecido de 1038-1600 nm².
4. Conclusiones:
El MEB es un equipo indispensable para lainvestigación en la ciencia de materiales, debido aque proporciona información topográfica,cristalográfica y composición de la superficie depolímeros, recubrimientos, metales, plásticos,cerámicos y vidrios.
El microscopio de barrido permite obteneraumentos de aproximadamente 100 000X, sin tenerque destruir el material o extraer de el una muestrapequeña (como sucede con el TEM). Debido a queel SEM barre la superficie se puede obtenerimágenes con diferente efecto de profundidad y deesta manera resaltar algunos detalles importantescomo la proximidad entre componentes.
El microscopio electrónico de barrido (SEM) nospermite observar imágenes en 3 dimensionesgracias a que las imágenes obtenidas poseendiferencia de contraste en su superficie.
El análisis morfológico de muestras para SEMpermite determinar las longitudes reales queposeen estas gracias a la escala que aparece en lapantalla (foto).
Con el programa imagej nosotros podemos hallarel área número promedio de partículas que seencuentran en una determinada área seleccionaday en un rango determinado de área colocada,colocando la calibración adecuada de la imagenes decir la equivalencia pixeles y distancia (nm).
La tabla de la figura 15 nos muestra la cantidadde partículas encontradas dentro del rango deáreas determinado de 1038-1600 nm²; estosresultados se muestran en el histograma de lafigura 16 el cual muestra la cantidad de partículasdentro de un área determinada, mostrando ademásel área promedio de las partículas encontradas.
La estructura de las partículas de oro están en
forma de granos las cuales son analizadas
morfológicamente con el programa image j.
El SEM usado en este laboratorio fue el HitachiS500.
Un SEM ambiental ha sido desarrollado, éste usaun diferencial de bombeo para permitir laobservación de especímenes en presiones másaltas. Las fotos de la formación de cristales dehielo pueden ser tomadas y el instrumento tieneuna aplicación particular para muestras que nopueden estar en vacío, como muestras biológicas.Otros instrumentos han estado descritos que tieneaplicación en el Campo de la electrónica.
Los ordenadores serán integrados cada vez másen los SEMs comerciales y allí ¿Un enormepotencial es para el crecimiento de aplicacionesdel ordenador . En los mismos instrumentos detiempo, relacionados serán desarrollados yextendidos, como la tomografía. El microscopiodel ión, que usa fuentes del ión de metal líquidasfinamente se enfoco el haz del ión que puedenproducir electrones secundarios (SEs) y los ionessecundarios para generación de imagen. Elcontraste de Los mecanismos que son exhibidosen estos instrumentos pueden proveer nuevosentendimientos profundos en análisis demateriales.
_____________________________________________
5. Referencias:
[1] C. Ricbard Brundle, Charles A. Evans, Jr. Shaun Wilson; Encyclopedia of Materials characterizations:Surfaces, Interfaces, Thin Films; Manning Publications, 1992, USA.
[2] M. C. Reséndiz González, J. Castrellón-Uribe, Microscopio Electrónico de Barrido, Centro deInvestigación en Ingeniería y Ciencias Aplicadas, Laboratorio de Caracterización de Materiales,Universidad Autónoma del Estado de Morelos, Avenida Universidad 1001 Colonia Chamilpa CP-62210.
[3] http://www.icmm.csic.es/fis/espa/caracterizacion.html
[4] http://www.reduaz.mx/eninvie/CD2k6/Inst/66.pdf
[5] http://www.slideshare.net/araoz22781/microscopio-electronico-de-barrido-meb