thumb|Estes grãos de pólen tomados em um MEV mostram a característica de profundidade de campo das micrografias de MEV thumb|right|Câmara de amostras de um MEV aberta
O (MEV) é um tipo de microscópio eletrônico capaz de produzir imagens de alta resolução da superfície de uma amostra. Devido à maneira com que as imagens são criadas, imagens de MEV têm uma aparência tridimensional característica e são úteis para avaliar a estrutura superficial da amostra. Além de avaliar os aspectos topográficos, essa técnica também é útil para verificar a composição e outras características do material que compõe as amostras.
História
Em meados do , os microscopistas haviam aceitado que não era possível resolver estruturas de menos de meio micrômetro com um microscópio óptico por causa da fórmula de Abbe, mas o desenvolvimento do tubo de raios catódicos estava prestes a mudar como olhavam para as coisas usando elétrons em vez de luz. Heinrich Hertz sugeriu que os raios catódicos eram uma forma de movimento ondulatório e Weichert, em 1899, descobriu que esses raios poderiam ser concentrados em um pequeno ponto pelo uso de um campo magnético axial produzido por um solenoide comprido. Mas foi somente em 1926 que Busch mostrou teoricamente que um solenoide curto converge um feixe de elétrons da mesma maneira que o vidro pode convergir a luz do Sol, que uma comparação direta foi feita entre feixes de luz e de elétrons. Busch provavelmente deveria, portanto, ser conhecido como o pai da ótica eletrônica.
Em 1931, os engenheiros alemães Ernst Ruska e Maximillion Knoll tiveram sucesso na ampliação e na imagem eletrônica. Este foi, em retrospecto, o momento da invenção do microscópio eletrônico, mas o primeiro protótipo foi realmente construído por Ruska em 1933 e foi capaz de resolver a 50 nm. Embora fosse primitivo e não fosse adequado para uso prático, Ruska foi reconhecido cerca de 50 anos ao receber o prêmio Nobel de Física. O primeiro microscópio eletrônico comercialmente disponível foi construído na Inglaterra pelo Metropolitan Vickers para o Imperial College, em Londres, e foi chamado de EM1 (microscópio eletrônico) embora nunca tenha ultrapassado a resolução de um bom microscópio óptico. Na Universidade de Toronto, em 1938, Eli Franklin Burton e os alunos Cecil Hall, James Hillier e Albert Prebus construíram o primeiro microscópio eletrônico no Novo Mundo. Este foi um instrumento eficaz e de alta resolução, cujo design levou ao que ficou conhecido como a gama de microscópios muito bem-sucedidos da Radio Corporation of America (RCA).
FundamentosDedavid, Berenice Anina Microscopia eletrônica de varredura : aplicações e preparação de amostras : materiais poliméricos, metálicos e semicondutores [recurso eletrônico] / Berenice Anina Dedavid, Carmem Isse Gomes, Giovanna Machado. – Porto Alegre : EDIPUCRS, 2007.
O princípio de funcionamento do microscópio eletrônico de varredura consiste na utilização de um feixe de elétrons, guiado por um sistema de bobinas de deflexão, que "varre" a superfície da amostra ponto a ponto e transmite o sinal do detector a uma tela catódica. A varredura é sincronizada com aquela do feixe incidente.
A maioria dos instrumentos usa como fonte de elétrons um filamento de tungstênio aquecido, operando numa faixa de tensões de aceleração de 1 a 50 kV. O feixe é acelerado pela alta tensão criada entre o filamento e o ânodo. Em seguida, é focalizado sobre a amostra por uma série de três lentes eletromagnéticas.
O feixe, ao interagir com a amostra, produz elétrons e fótons que podem ser coletados por detectores adequados e convertidos em um sinal de vídeo. Quando o feixe primário incide na amostra, parte dos elétrons difunde-se e constitui um volume de interação, no qual os elétrons e as ondas eletromagnéticas produzidas são utilizados para formar as imagens.
As partículas e/ou as ondas eletromagnéticos resultantes da interação do feixe eletrônico com a amostra retornam à superfície da amostra e atingem o detector, sendo assim detectados. A resolução espacial depende da energia com que estas partículas ou raios atingem o detector, ou são por ele capturadas.
A imagem resulta da amplificação de um sinal obtido a partir da interação entre o feixe eletrônico e o material da amostra. Diferentes sinais podem ser emitidos pela amostra. Entre os sinais emitidos, os mais utilizados para obtenção de imagens são aqueles originários dos elétrons secundários e/ou dos elétrons retroespalhados, sendo que os elétrons retroespalhados possuem maior energia do que os elétrons secundários.
ComponentesKESTENBAC, H.J.; BOTA FILHO W.J. Microscopia eletrônica transmissão e varredura. São Paulo: ABM, 1994.
O MEV convencional é formado pela coluna óptico-eletrônica (canhão de elétrons e sistema de demagnificação), do sistema de vácuo, da câmara de amostra e do sistema de detectores.
Coluna óptico-eletrônica Nesta coluna encontra-se o canhão de elétrons, que gera os feixes de elétrons, as lentes que condensam e focam o feixe eletrônico, bobinas magnéticas de dupla deflexão que fazem o feixe percorrer sobre toda a superfície da amostra. Toda esta coluna deve ser mantida a vácuo, para evitar a interação do feixe de elétrons com moléculas como água e oxigênio.
Canhão de elétrons
O canhão de elétrons é o responsável por emitir e acelerar o feixe de elétrons para que, ao atingir a amostra, esse feixe possa gerar um bom sinal. O modelo de canhão mais usado é formado por um filamento de tungstênio, que serve como cátodo, o cilindro de Wehnelt e o ânodo. O filamento de tungstênio é aquecido com a passagem de uma corrente elétrica com voltagem entre 200 V e 30 000 V que superaquece o filamento, provocando o efeito termoiônico de emissão de elétrons, que é quando os elétrons absorvem energia térmica suficiente para superar a barreira de energia que os prendem ao material. O cilindro de Wehnelt que envolve o filamento fica negativamente carregado repelindo os elétrons, focando-os no centro, formando assim o feixe. Além do filamento de tungstênio, existem também outros emissores como o Hexaboreto de lantânio (LaB6) (b) e o Canhão de emissão de campo (FEG) (c).
Sistema de lentes Fazem parte do sistema de lentes, três condensadoras, sendo a última chamada de objetiva. As duas primeiras condensadoras atuam no sentido de concentrar o feixe eletrônico o máximo possível, enquanto que a objetiva atua no sentido de reduzir aberrações esféricas. Essas lentes eletromagnéticas consistem em um cilindro de ferro com um orifício central por onde passa o feixe de elétrons, no interior da bobina envolvendo o orifício existem várias bobinas de cobre que circulam uma forte corrente elétrica quando o MEV está em atividade. Esta configuração cria um forte campo magnético no interior do canal, o qual é responsável pela demagnificação do feixe.
Sistema de vácuo É muito importante que o canal da coluna óptico-eletrônica e a câmara da amostra sejam um ambiente a vácuo, pois, se o feixe eletrônico entrar em contato com muitas moléculas, como as de água, pode acontecer um grande aumento da agitação (temperatura) destas devido à interação com o feixe eletrônico, o que pode acarretar danos à amostra e ao microscópio. Para se obter o vácuo necessário, normalmente se utiliza um conjunto de bombas mecânicas, uma para atingir o vácuo primário (10-3 Torr) e outra para o vácuo secundário (10-6 Torr).
Câmara da amostra É o espaço onde se coloca a amostra, sendo que a pressão é de aproximadamente 10-6 Torr. Nesta câmara, é possível deslocar a amostra nos três eixos (X, Y e Z), de modo que o feixe eletrônico possa percorrer toda a mostra, ponto a ponto. Assim, os elétrons refletidos como resultado da interação do feixe com a amostra em diferentes pontos acabam gerando sinais diferentes, os quais serão captados e analisados.
Detectores São os responsáveis por captar os diferentes sinais dos elétrons após incidirem na amostra e serem refletidos. Normalmente, são polarizados positivamente para acelerar e atrair os elétrons, transmitindo sinais através do fotomultiplicador aos amplificadores de sinais e aos processadores. Os elétrons são atraídos para o interior do detector devido à voltagem positiva da grade localizada na frente do detector. Dentro do detector, os elétrons são acelerados para um guia de luz de quartzo coberto com material cintilador. Esta aceleração resulta na emissão de fótons que percorrem o guia de luz até o fotomultiplicador, que produzirá uma corrente de elétrons, a qual será interpretada por um software que irá gerar a imagem.
Detector de elétrons secundários O detector mais usado na microscopia eletrônica de varredura é o detector do tipo Everhart-Thornley (ET). Por apresentar voltagem positiva (+300 V) da grade localizada à frente do detector, os elétrons secundários são atraídos para dentro do equipamento. Já dentro do detector, tais elétrons são acelerados, o que culmina na emissão de fótons que vão em direção ao fotomultiplicador, resultando em uma corrente de elétrons. O pulso amplificado gera um ponto na tela de TRC (tubos de raios catódicos).http://www.usp.br/nanobiodev/wp-content/uploads/MEV_Apostila.pdf http://www.pucrs.br/edipucrs/online/microscopia.pdf
Detector de elétrons retroespalhados
Há dois tipos comerciais de detector sendo utilizados em MEV: o de estado sólido (mais moderno) e o de Robinson, que faz uso de um cintilador para detecção de elétrons retroespalhados. O detector de elétrons retroespalhados separa as informações de topografia e composição. As imagens produzidas por ele apresentam facilidade de interpretação por equipes não especializadas.
Formação e interpretação da imagemGOLDSTEIN J.I.; NEWBURY D. E.; ECHIL P; Joy DC; Romig Jr AD; Lyman CE;Fiori C; Lifshin E. Scanning electron microscopy and X-ray microanalysis. NewYork: Plenum Press; 1992. Utilizar um microscópio eletrônico de varredura (MEV) para analisar quaisquer tipos de materiais e amostras biológicas requer a compreensão de diversos parâmetros originados na interação do feixe de elétrons com o objeto a ser analisado. Ou seja, a interação elétron-amostra é fundamental para que seja possível interpretar diversos dados que serão produzidos a partir desse fenômeno, por exemplo: potencial eletrostático, composição e topografia. Por fim, a interpretação depende da compreensão dos fenômenos físicos envolvidos nessas interações.
Quando o feixe primário interage com a amostra, os elétrons perdem energia por dispersão e absorção em um volume em forma de gota, conhecido como volume de interação, o qual se estende de menos de 100 nm até em torno de 5 µm para dentro da superfície da amostra. O tamanho do volume de interação depende da energia dos elétrons, do número atômico dos átomos da amostra e da densidade da amostra. A interação entre o feixe de elétrons e a amostra resulta na emissão de elétrons secundários, elétrons retroespalhados, elétrons Auger, raios X Bremstralung, raios X característicos, radiação eletromagnética na região do infravermelho, do visível e do ultravioleta, fônons além de causar aquecimento da amostra.
Interações entre elétron e amostra O feixe de elétrons produzido irá interagir com os átomos presentes na superfície da amostra. Esse evento poderá alterar tanto a direção do elétron, quanto o módulo de sua velocidade. Essa interação poderá ocorrer entre o núcleo atômico e o elétron. Quando esse for o caso, temos o espalhamento Rutherford que está relacionado com a força de Coulomb (que é proporcional ao número atômico Z). Há outro aspecto físico relevante nesse fenômeno: a grande diferença entre as massas eletrônicas e a nucleares. Essa diferença evidencia uma alta inércia referente ao núcleo atômico e isso irá fazer com que ele fique praticamente inerte frente à interação com o elétron, gerando uma colisão elástica, que gera alterações na direção do elétron, porém não muda sua velocidade.