(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:
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Con el microscop microscopio io electrónico electrónico de barrido barrido (SEM) se obtiene obtiene imágenes imágenes que dan información información superficial superficial de la muestra que se esta analizando. Usando el programa imagej se puede tratar y hacer un estudio morfológico del material. En este trabajo se analiza nanopartículas de Au en la cual considerando el diámetro de las partículas calculamos un tamaño promedio. Palabras Claves: Nanopartículas, morfológico. With the electron microscope of sweeping (SEM) images that give superficial information of the sample that is analyzed are obtained. Using the program imagej can receive treatment and making a morphologic study of the material. In this work nanoparticles of Au are analyzed we estimated an average size around in which considering the diameter of the particles. Key words: Nanoparticles, morphologic.
1. Introd Introduc ucció ción n Las imágenes imágenes magnificadas magnificadas de muestras obtenidas obtenidas con el SEM tienen una una alta resolución resolución y además además debido a la técnica que utiliza para formar la imagen (explicada en ante anterio riore ress mono monogr grafí afías as)) le dan dan a la imag imagen en una una apariencia tridimensional. Estas Estas dos caract caracterí erísti sticas cas de las imágen imágenes es obteni obtenida dass con el SEM posibilita posibilitan n un análisis morfológ morfológico ico de la muestra con solo observar la imagen que se obtiene. En un anális análisis is morfol morfológi ógico co la mayoría mayoría de result resultado adoss que se obtienen son una descripción cualitativa de la mues muestr tra, a, pero pero a pesa pesarr de esto esto para para cier cierto to tipo tipo de estudios es suficiente.
utilizan electrones (de mucha menor longitud de onda) en lugar de luz para formar la imagen.
2. Estudios fractográficos. Gracias a la profundidad de camp campo o que que se cons consig igue ue con con este este tipo tipo de micr micros osco copi pios os,, es posib posible le la obse observ rvac ación ión de superficies de fractura a altos aumentos. Realizaci ación ón de anális análisis is químic químicos os en pequeñ pequeñas as 3. Realiz áreas: fase fasess inte interm rmetá etálic licas as,, prec precip ipit itad ados os,, partículas contaminantes, etc.
El hech hecho o de trab trabaj ajar ar en tres tres modos odos perm permit itee las las siguientes posibilidades:
2. Fundamento Fundamento Teórico Teórico:: 2.1. Aplicaciones del SEM El micro microsc scop opio io elec electr trón ónic ico o de barr barrid ido o perm permite ite las siguientes aplicaciones:
1. Observació resolució ción n de Observación n a altos aumentos. aumentos. La resolu imagen conseguida por un microscopio electrónico de barr barrid ido o es muy supe superi rior or a la que que se pued puedee obtener mediante un microscopio óptico, ya que se
Modo de alto vacío: es el modo en que trabajan los microscopio microscopioss electrónicos electrónicos convenciona convencionales, les, con una alta reso esoluc lución ión de image agen y de microanálisis. Presenta el inconveniente de que las muestras deben ser conductoras, por lo que si no lo son son (o se encu encuen entr tran an embu embuti tida dass en resina resina para para observ observaci ación ón metalo metalográ gráfic fica) a) deben deben recubrirse con películas conductoras como oro o grafito. Modo Modo de bajo bajo vací vacío: o: este este modo modo de trab trabaj ajo o permit permitee observ observar ar muest muestras ras no condu conducto ctoras ras sin recubrir, como puede ser el caso de pinturas o materiales cerámicos.
Modo Modo ambi ambien enta tal: l: en este este modo, odo, adem además ás de mues muestra trass no cond conduc ucto tora ras, s, se pued pueden en obse observ rvar ar muestr estras as org orgánic ánicas as o muest uestra rass alta altam mente ente hidratadas.
EL SEM SEM es muy muy util utiliz izad ado o para para el estu estudi dio o de la morfología superficial de minerales, catalizadores, etc.; elec electr troo-de depó pósi sito tos; s; adhe adhere renc ncia ia fibr fibraa-ma matr triz iz en polím polímer eros os;; camb cambio ioss morfo morfoló lógi gico coss de mater materia iale less som sometid etidos os a trat tratam amie ient ntos os quím químic icos os;; form formas as de crista cristali liza zació ción n de mine minera rale les; s; cont contro roll de calid calidad ad de cataliz catalizado adores res indust industria riales les;; morfo morfolog logía ía superf superfici icial al interna de partículas poliméricas, morfología de tejidos u órgano animales y vegetales; estudio de moléculas; reconocimiento de fósiles; etc.
Barr Barrid ido. o. A part partir ir de esta esta inter interpr pret etac ació ión n se pued puedee aportar una información especialmente valiosa para proced proceder er a establ establece ecerr la época época del cuadro cuadro,, escuel escuelaa pictórica y posibles intervenciones a las que ha sido some someti tida da,, tale taless como como apli aplica caci ción ón de repi repint ntes es,, o tratamientos de restauración anteriores.
Figura 2. Muestra Muestra pictórica pictórica observada observada con un Microscopio Electrónico de Barrido. 2.2. 2.2. Apli Aplica caci cion ones es del del SEM SEM en la Cien Cienci cia a de Materiales (Caracterizaciones) [2] La Micr Micros osco copí píaa Elect Electró róni nica ca se ha inco incorp rpor orad ado o exit exitos osam amen ente te a la inve invest stig igaci ación ón en la cien ciencia cia de mater materia iales les,, cont contri ribu buye yend ndo o con con imág imágene eness de alta alta resolución y el microanálisis químico obtenido de la super uperfi fici ciee de la muestr estra. a. A cont contin inua uaci ción ón,, se pres presen enta tan n imág imágen enes es obte obten nidas idas de dife difere rent ntes es materiales empleando un Microscopio Electrónico de Barrid rrido o operad rado en el modo de elec electtrones secundarios y electrones retrodispersados.
Figura 1. Imágenes a bajo V. Especímenes de prueba de un metal sobre carbón: (a) Hitachi S-900, 1.5 kV, Pt en carb carbón ón (Rei (Reim mpres preso o de Pawl Pawley ey (199 (1990) 0) con con el permiso de San Francisco Press). (b) y (c) Hitachi S900-H, 1.0 kV y 2.0 kV, Au en carbón carbón.. (Otorga (Otorgada da generosamen generosamente te por M. Osumi, Universidad Universidad de mujeres de Japón Japón). ). Toda Todass las imág imágen enes es pres presen entad tadas as en la misma magnificación final.
Otro ejempl ejemplo o de aplicac aplicación ión es el estudio estudio químico químico y estructural de obras de arte, alteración de monumentos, cont contro roll de cali calida dad, d, iden identi tifi fica caci ción ón de pigm pigmen ento toss (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
La figura 3 muestra una imagen de polvo metálico obte obteni nida da en modo modo de oper operac ació ión n de elec electr tron ones es secun ecund dario arios. s. La topo topog grafí rafíaa de la supe superf rfic icie ie prop propor orci cion onaa info inform rmac ación ión de altu altura ra y tamañ tamaño o de grano.
Figura 3. Morfología de polvo metálico.
En la figura 4, se observa la imagen de la superficie del del sili silici cio o obte obteni nida da en el modo modo de oper operac ació ión n de elec electr tron ones es secu secund ndar ario ios. s. La imag imagen en pres presen enta ta las las partículas y los defectos de la superficie del material.
Figura 6. Amplificación de la morfología del polímero. La figura 7, corresponde a la imagen de un depósito de MolibdenoMolibdeno-Cadm Cadmio-Telu io-Telurio rio sobre sobre una superfici superficiee metál etálic ica, a, obte obteni nida da en modo odo de oper operac ació ión n de elec electr tron ones es secu secund ndar ario ios. s. La imag imagen en pres presen enta ta la distrib distribuci ución ón de partícu partículas las y la homoge homogeneid neidad ad del del depósito.
Figura 4. Morfología de la superficie del silicio. La figura 5, corresponde a la imagen de una película polimé poliméric ricaa deposi depositad tadaa sobre sobre vidrio, vidrio, obteni obtenida da en el modo de electrones secundarios.
Figura 7. Morfología Morfología de un depósito depósito de MolibdenoMolibdenoCadmio-Telurio.
En la figura 8, se observa la imagen lateral del depósito de la figura 7, obtenida en el modo de electrone electroness secundari secundarios. os. La imagen imagen proporcio proporciona na la medida del espesor del material depositado.
Figura 5. Morfología de una película polimérica.
En la figur figuraa 6, se obse observ rvaa la micro micro estr estruc uctu tura ra del del polímero de la figura 5 a 9000 aumentos, obtenida en el modo de operación de electrones secundarios.
Figura 8. Espesor de un depósito de MolibdenoCadmio-Telurio.
3. Procedimien Procedimiento to Experiment Experimental al Se disponen de dos fotografías obtenidas con el SEM. La fotografía mostrada en la figura 9 es una muestra de partícu partículas las de oro y la de la figura figura 10 es la imagen imagen de una moneda. moneda.
Descripción morfológica
En la figu figura ra 9 se mues muestr tran an las las partí partícu cula lass del del metal en forma de granos vista con el microscopio electrónico de barrido MEB. Se pued puedee nota notarr bord bordes es dis discont contin inuo uoss en la superficie. En la figur figuraa 10 se obser observa va la image imagen n de la replica de la moneda de 10 céntimos cuando es vista por el MEB mostrando la parte final de la cornucopia.
Anál Anális isis is morf morfo ológ lógico ico en al sup superfi erfici ciee de la muestra (figura 9). Primer Primero o se selecc seleccion ionaa un área especí específic ficaa de esta esta imagen. En la figura 11 se muestra una sección de la superficie de la figura 9 de manera que sea lo mas uniforme posible.
Figura 9: fotografía de partículas de oro obtenida por evaporación.
Figura 11: Imagen recortada de la figura original 9. Luego usando el progrma image j colocamos a la imagen imagen a en formato formato de 8 byts y luego se binariz binarizaa binary. Con con make binary Con esto esto se pued puedee obse observ rvar ar la imag imagen en en un form format ato o donde onde las las part partíc ícul ulas as son son negras en fondo blanco.
Figura 10: fotografía de la replica de la moneda de diez céntimos; céntimos; se muestra muestra la parte final de la cornucopia.
Figura 12: Imagen en blanco y negro con formato de 8 byts y binarizada. Ahora colocamos la escala a nuestras medidas la cual es aproximadamente de 100nm<> 55 pixeles entonces tendremos que 0.55nm<> 1pixel
Figura 14: Rango para el área de las partículas de oro.
Figura 13: Calibración de la imagen con la distancia en manómetros.
Ahora con el comando Analyse particle lo que se hace es hallar hallar el numero numero de partícu partículas las que se encuen encuentra tran n dentro de un área determinada para ello se ha colocado dentro de un rango de 1038-1600 nm² y colocando la opción display results podemos obtener una tabla de partículas encontradas en este rango de área.
Figura 15: Tabla Tabla de dato datoss obten obtenid idos os con con el imag imagee j: Nos Nos mues muestra tra la cant cantid idad ad de part partícu ículas las encontradas con un área entre el rango de 10381600 nm².
Con estos datos se hace un histograma de frecuencias el cual muestra la cantidad de partículas con un área determinada dentro del rango establecido. Count: 20,
indica la cantidad de partículas con un área dentro del rango establecido (1038-1600 nm²).
Mean: 1257.521,
nos indica el área promedio de las 20 partículas encontradas en nm².
Las opciones Min y Max nos dan los valores mínimos y máximos de las áreas de las partículas encontradas.
Figura Figura 16: Histog Histogram ramaa de frecue frecuenci ncias: as: cantid cantidad ad de partícu partículas las con un área área determ determinad inadaa dentro dentro del rango rango establecido de 1038-1600 nm².
4. Conclu Conclusio siones nes::
El MEB MEB es un equ equipo ipo ind indisp ispensa ensabl blee para ara la investigación en la ciencia de materiales, debido a que que propo roporc rcio iona na inf inform ormació ación n topo topog gráfi ráfica ca,, cristalo cristalográ gráfica fica y compos composici ición ón de la superf superficie icie de polím polímer eros os,, recu recubr brim imien iento tos, s, metal metales es,, plás plástic ticos os,, cerámicos y vidrios. El micro icrosscop copio de bar barrido rido perm permit itee obte obtene nerr aumentos de aproximadamente 100 000X, sin tener que destruir el material o extraer de el una muestra pequeña (como sucede con el TEM). Debido a que el SEM SEM barr barree la supe superf rfic icie ie se pued puedee obte obtene nerr imágenes con diferente efecto de profundidad y de esta manera manera resalt resaltar ar alguno algunoss detall detalles es import important antes es como la proximidad entre componentes.
El microscopio electrónico de barrido (SEM) nos perm permite ite obse observ rvar ar imág imágen enes es en 3 dimen dimensio sione ness graci gracias as a que que las imág imágene eness obten obtenid idas as pose poseen en diferencia de contraste en su superficie. El análisis análisis morfol morfológi ógico co de muestra muestrass para para SEM perm permite ite dete determ rmina inarr las las long longitu itude dess reale realess que que poseen estas gracias a la escala que aparece en la pantalla (foto). Con el programa imagej nosotros podemos hallar el área área núme número ro prom promed edio io de part partícu ículas las que que se encuentran en una determinada área seleccionada y en un rango rango deter determi mina nado do de área área colo coloca cada da,, colocando la calibración adecuada de la imagen es decir la equivalencia pixeles y distancia (nm). La tabla de la figura 15 nos muestra la cantidad de part partíc ícul ulas as enco encont ntrad radas as dent dentro ro del del rango rango de área áreass dete determ rmina inado do de 1038 1038-1 -160 600 0 nm²; nm²; esto estoss resu result ltado adoss se mues muestr tran an en el histo histogr gram amaa de la figura 16 el cual muestra la cantidad de partículas dentro de un área determinada, mostrando además el área promedio de las partículas encontradas. La estruc estructu tura ra de las partíc partícula ulass de oro oro está están n en form formaa de gran ranos las las cuale ualess son son anal analiz izad adas as morfológicamente con el programa image j. El SEM usado usado en este laborato laboratorio rio fue el Hitachi Hitachi S500. Un SEM ambiental ha sido desarrollado, éste usa un difer ifereencia nciall de bom bombeo beo par para perm ermitir itir la observ observaci ación ón de especí especímen menes es en presio presiones nes más altas. Las fotos de la formación de cristales de hielo pueden ser tomadas y el instrumento tiene una aplica aplicació ción n particu particular lar para para muestr muestras as que no pueden estar en vacío, como muestras biológicas. Otros instrumentos han estado descritos que tiene aplicación en el Campo de la electrónica. Los ordenadores ordenadores serán integrados integrados cada vez más en los los SEMs SEMs comer comerci cial ales es y allí allí ¿Un ¿Un enor enorme me potencial es para el crecimiento de aplicaciones del ordena ordenador dor . En los mismos mismos instrum instrumento entoss de tiem tiempo po,, rela relaci cion onad ados os será serán n desa desarr rrol olla lado doss y extendidos, como la tomografía. El microscopio del ión, que usa fuentes del ión de metal líquidas finamen finamente te se enfoco enfoco el haz del ión que puede pueden n producir electrones secundarios (SEs) y los iones secu secund ndar ario ioss para para gene genera raci ción ón de imag imagen en.. El contraste de Los mecanismos que son exhibidos en estos estos instru instrumen mentos tos pueden pueden provee proveerr nuevos nuevos ente enten ndim dimient ientos os profu rofund ndo os en análi nálissis de materiales.
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5.
Refer Referen enci cias as:: [1] C. Ricbard Brundle, Charles A. Evans, Jr. Shaun Wilson; Encyclopedia of Materials characterizations: Surfaces, Interfaces, Thin Films; Manning Publications, 1992, USA. [2] [2]
M. C. Resé Resénd ndiz iz Gonz Gonzále ález, z, J. Cast Castre rell llónón-Uri Uribe be,, Micr Micros osco copio pio Elec Electr trón ónico ico de Barr Barrid ido, o, Cent Centro ro de Investi Investigac gación ión en Ingen Ingenierí ieríaa y Ciencias Ciencias Aplicad Aplicadas, as, Labora Laborator torio io de Caract Caracteri erizac zación ión de Materi Materiale ales, s, 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.r http://www.reduaz. eduaz.mx/en mx/eninvie/ invie/CD2k6 CD2k6/Inst/ /Inst/66.pd 66.pdf f
[5]
http://www.slideshare.net/araoz22781/microscopio-electronico-de-barrido-meb
