SEM

Así funciona un

Microscopio electrónico de barrido (SEM)

Su historia

Qué es El SEM

Descubre sus partesclickando sobre ellas

Cómo funciona

Ejemplos

Ánodo

Los electrones son acelerados hacia abajo por la columna del microscopio mediante el ánodo. Éste tiene forma de anillo, por lo que los electrones pasan a través de él. Además, el ánodo tiene carga positiva, lo que atrae a los electrones cargados negativamente, obligándolos a acelerar.

Cámara de fotos

Ahí se ponía el carrete para tomar los negativos de las imágenes que veíamos por la pantalla.

Se trata de imágenes como ésta, donde vemos la morfología de una capa de silicio. Esta fotografía es de un trabajo de Ana Ruiz con María Alonso y Fátima Esteban en 2004.

Detector

El haz 'se pasea' a través de la muestra y emite una señal de cada punto que es captada por los detectores. Existen muchos tipos diferentes de detectores para identificar electrones con diferentes energías que viajan en diferentes direcciones, esto permite tener información diferente sobre nuestra muestra.

Sistema de microanálisis

El microscopio disponía de un sistema de microanálisis químico mediante espectroscopía (el estudio de la interacción de la materia con la radiación) de fluorescencia de rayos X por energías dispersivas. Este usa un detector refrigerado mediante nitrógeno líquido contenido en estos 'Dewars' (grandes termos que evitan que el nitrógeno líquido, esencial para enfriar, se evapore demasiado rápido).

Portamuestras

La muestra se insertaba en la parte inferior de la columna de electrones, donde había un portamuestras que permitía poner varias muestras a la vez. Todo esto se hacía en un sistema controlado de vacío (puedes verlo aquí).Todas las muestras se adherían a una cinta de carbono que, al ser conductor, permitía la dispersión de los electrones para conseguir mejores imágenes.

Trabajos del SEM en el ICMM

En estas imágenes podemos ver cómo el aumento de la rugosidad de la superficie de las células fotovoltaicas de silicio monocristalino induce una mejora de su rendimiento de conversión de energía luminosa solar en eléctrica gracias a la doble reflexión de la luz en la superficie del silicio.

Este mecanismo se ilustra en la figura D que acompaña a estas líneas: la superficie 100 del silicio se textura mediante ataque químico, lo que crea pirámides micrométricas de base cuadrada. La imágenes SEM muestran los patrones cenitales de esa pirámide de silicio con diversos grados de textura, así como imágenes del perfil de dichas pirámides.El grado de textura del silicio se cuantificó mediante patrones de reflexión óptica usando un autómata diseñado y construido en el ICMM para la industria nacional fotovoltaica de la época (BP Solar e ISOFOTÓN). Patente CSIC de C. Zaldo, J.M. Albella y E. Forniés. Julio de 2003.

En esta imagen vemos la morfología de una capa cristalina de óxido de circonio y titanio fabricada sobre un substrato de silicio con electrodo de platino. Podemos apreciar su formación en 'columnas' debido a su preparación mediante la técnica denominada 'depósito por láser pulsado". Carlos Zaldo, 2004.

En la actualidad, el SEM nos proporciona imágenes de muchísima más resolución, como esta de aquí al lado, donde vemos la morfología de una zeolita creada en el ICMM-CSIC por Miguel Camblor. Estos trabajos se han publicadon en Science y Nature en 2023 y 2024.

Cañón de electrones

Es la parte más importante del microscopio, pues emite los electrones que recorrerán la muestra para crear una imagen aumentada de su superficie. Los electrones se producen calentando un filamento o aplicándole un fuerte campo eléctrico. Los filamentos suelen estar hechos de wolframio y tienen una punta muy afilada, de modo que se emite una corriente muy estrecha de electrones.

Controlador

Con este panel controlábamos todo lo que pasaba dentro del microscopio: colocábamos la muestra correctamente viéndola a través de las pantallas superiores, tomábamos la fotografía (analógica) de lo que veíamos, etc. Aunque ahora este panel está integrado en un ordenador, los primeros SEM eran mecánicos y la imagen que se obtenía era analógica, por lo que era esencial contar con ampliadoras de negativos fotográficos.

CÓMO FUNCIONA

El SEM utiliza un haz de electrones que 'barre' la superficie de la muestra que queremos analizar. Mientras, una serie de detectores recoge las diferentes señales que se producen y, de este modo, se dibuja la imagen de esa superficie en un monitor que está en el panel de control. En este vídeo de un minuto puedes ver su estructura y funcionamiento.

Lentes

Las lentes se distribuyen a lo largo de la columna. Es donde se emiten campos magnéticos que dirigen los haces de electrones hacia la muestra, asegurando que un haz de electrones muy estrecho llegue a la muestra y la 'barra'.

EL SEM

El SEM nos crea una imagen ampliada de la superficie de un objeto, su topografía (es decir, cómo es su superficie) y su composición. Puede analizar muestras sólidas, biológicas y líquidas (aunque en el ICMM no analizamos estas últimas).

Por ejemplo, con el SEM actualmente obtenemos imágenes como estas, en las que vemos la morfología de cristales de zeolita con forma de macarrones

Origen

El primer microscopio electrónico de barrido (SEM) fue desarrollado en 1942 por el ingeniero ruso Vladímir Zvorikin, aunque hubo precedentes en la década anterior (1935 y 1937). Este aparato aporta información complemtentaria al TEM, logrando información de las superficies de las muestras en tres dimensiones . Aunque el primer protototipo comercial no llegó hasta 1965, su tecnología sigue siendo muy similar a la que se utiliza hoy en día.

El SEM del ICMM

Este SEM fue una cesión de Lucent Technologies cuando cerró sus instalaciones en el año 2002. Con él estuvimos trabajando hasta el año 2012, que compramos el SEM actual, con mejoras en la resolución pero con exactamente la misma estructura de funcionamiento. En este enlace puedes aprender más detalles sobre esta técnica.