Raportul Stiintific si Tehnic(RST) in extenso
B2. Metode de investigare a straturilor subtiri de spinel prin
microscopie de inalta rezolutie
B2.1. Difractie de raze X.
Difracia cu raze X este o metod des folosit pentu determinarea
parametrilor dimensionali ai cristalelor, spaierea ntre planele
cristalografice, plane de difracie, faz i constante de reea. n ziua
de azi este utilizat la estimarea dimensiunii cristalitelor
nanocristale.
Pentru studiul materialelor cu raze X se folosete numai o gam
redus de lungimi de und. Se folosete linia , de cele mai multe ori
linia fiind filtrat cu ajutorul unui film absorbant (de exemplu o
folie subire de nichel). Cel mai folosit metal este cuprul, care
poate fi pstrat cu uurin la temperaturi sczute, deoarece are o
conductivitate termic mare i produce linii i puternice. Lungimea de
und corespunztoare liniei a cuprului este = 0.1541nm.
Studiul cristalelor cu raze X are la baz bine cunscuta lege a
lui Bragg care d distana ntre dou plane cristalografice (Fig. 12)
constanta reelei:
,
unde este lungimea de und a radiaiei X,
n este ordinul difraciei,
Fig. 12 Difracia pe cristale a razelor X.
este unghiul de difracie.
Difracia are loc dac este ndeplinit relaia de mai sus. Aceasta
se ndeplinete dac se variaz n mod continuu lungimea de und sau
unghiul sub care este iradiat proba, ntr-o gam de valori. Folosind
aceste principii s-au dezvoltat mai multe metode experimentale de
studiu al materialelor cu raze X: metoda Laue (folosit n special
pentru a determina orientarea unor cristale mari, fixe, iradiate cu
o und cu un spectru mai larg de lungimi de und), metoda cristalului
rotitor (surs monocromatic de raze X i un cristal montat cu o ax
normal la raza incident) i metoda pulberilor (folosit pentru
determinarea cu acuratee a parametrilor reelei).
Pentru determinarea dimensiunii cristalitelor se folosete relaia
Debye-Scherrer, care d diametrul pariculelor cu o precizie
rezonabil:
,
unde w este FWHM limea (banda) la jumtatea nlimii (full width at
half maximum) pentru diferitele vrfuri din difractogram.
Fig. 13 Imagini TEM ale probei de obinut prin metoda
sol-gel.
n practic, datele experimentale obinute prin metoda difraciei cu
raze X pentru o prob oarecare sunt supuse erorilor de calibrare a
instrumentului, erorilor instrumentale, fluctuaiilor de putere care
pot s apar n timpul efecturii experimentului i zgomotelor
externe.
Investigaiile cristalografice asupra filmelor subiri de i a
celor dopate cu Li au fost efectuate cu un difractometru folosind
linia K a cuprului, folosind difracia la unghiuri mici. Fasciculul
incident de raze X cade pe suprafaa probei sub unu unghi de 3.
Datele au fost nregistrate folosind un pas de 0.02 pentru unghiul
2. Dimensiunea granulelor a fost determinat folosind formula
Debye-Scherrer. Aceast tehnic permite analize cristalografice
asupra filmelor subiri cu o dimensiune de pan la 10 nm.
Fig. 14 Imagine SEM (stnga) i TEM (dreapta) pentru o prob de
Msurtorile efectuate pe filme subiri de i dopate cu Li depuse pe
suporturi de sticl sau Pt, la diferite temperaturi au evideniat
structuri cubice, tipice pentru spinel. Folosirea de diferite
substraturi pentru filmele subiri investigate nu a influenat ntr-o
msur foarte mare intensitatea sau forma liniilor de difracie. Proba
tratat termic la temperaturi mai nalte (500C) depuse pe diferite
tipuri de substraturi prezint difractograme cu linii de difracie
mai nguste. Acest lucru indic faptul c proba conine structuri
spinel bine cristalizate. S-a putut determina de asemenea i
constanta reelei avnd o valoare de . Proba dopat cu ioni de Li a
dus la o modificare a constantei reelei ceea ce indic o incorporare
a ionilor de Li n structura spinel.
Pe de alt parte difractogramele pentru filmele preparate la o
temperatur mai sczut (300C) sunt mai puin bine-definite (n acest
caz s-a obinut o constant a reelei de ), ceea ce indic o structur
amorf.
Karthick i colaboratorii au folosit difracia cu raze X pentru
determinarea structurii cristaline, dar i a puritii i conformitii
filmelor subiri investigate. Difractogramele au fost msurate n
domeniul 0 - 80; i de aceast dat folosind ecuaia Debye-Scherrer s-a
determinat dimensiunea cristalitelor.
O alt metod de investigare este cea care folosete probe sub form
de pulbere metoda pulberilor.
B2.2 Microscopie cu baleiaj de electroni in transmisie
Deoarece metoda de determinare a dimensiunii cristalitelor
folosind ecuaia Debye-Scherrer nu este una foarte exact se poate
ncerca pentru comparaie i determinarea dimensiunii folosind
microscopia electronic n transmisie.
Fig. 15 Schema microscopului cu forte atomice.
Astfel din studiul prin ecuaia Debye-Scherrer s-a estimat o
dimensiune a cristalitelor n intervalul 80-200 nm i folosind
imaginea TEM (Fig. 15) s-a obinut o dimensiune ntre 50-200 nm.
Mai mult, pentru o mai mare acuratee se poate folosi i
microscopia electronic cu baleiaj (SEM) pentru determinarea
dimensiunii cristalitelor.
Difractometrul cu care este echipat Centrul de Microscopie
Microanaliz i Procesarea Informaiei este un difractormetru de nalt
rezoluie HRD3000 produs de ItalStructures avnd ca pricipale
caracteristici:
stabilitate ridicat a generatorului de raze X dotat cu un
microprocesor controlat de PC.
dispozitiv de optic paralel
goniometru de mare precizie cu poziionare cu motoare
secveniale
un al doilea monocromator pentru radiaia de Cu
5 grade de libertate, toate motorizate
Cu ajutorul lui se pot efectua msurtori tipice cristalografice
de determinare difractogramelor, spaierii ntre planele
cristalografice sau calculul constantelor de reea att pnetru
pulberi ct i pnetru filme subiri, aparatul avnd n dotare un
dispozitiv special pentru investigarea filmelor subiri. Deasemenea
softul de care dispune difractometrul poate calcula dimensiunea
cristalitelor din probele investigate.
B2.3. Microscopie cu forte atomice
Studiul filmelor subtiri cu structuri de tip spinel presupune
doua etape , o etapa de determinare a planelor cristalografice
prezente in filmele subtiri , prin intermediul difractiei de raze
X, si o a doua etapa de investigare a structurii morfologice
analizate prin microscopie cu forte atomice si microscopiei cu
baleiaj al electronilor. Studii asupra granularitatatii de la
suprafta filmului , marimilor cristalelor sau asupra rugozitatii
cad in mod direct sub incidenta domeniului microscopiei cu forte
atomice. Acest tip de masuratori nu sunt specifice strucutrilor de
spinel , fiind folosite in investigarea multor familii de materiale
si dizpozitive. Principiile teoretice si de functionare ce stau la
baza acestor masuratori vor fi prezentate in cele ce vor urma.
Deasemnea vor fi prezentate si caractersitici specifice filmelor
subtiri cu strucutura spinel ce pot fi investigate prin intermediul
acestei tehnici de microscopie.
B2.3.1 Microscopie cu forte atomice (atomic force microscopy:
AFM)
principiul de functionare
Sonda microscopului cu forta atomica este alcatuita dintr-o
lamela sub forma de cruce, alungita si elastica, numita cantilever,
cu dimensiuni de ordinul zecilor de microni, n capatul careia este
plasat un ac ascutit, perpendicular pe cantilever. Cantileverul
este miscat n plan xy si vertical de un sistem de pozitionare
piezoelectric, cu precizia n jur de 5 nm orizontal si pna la 10 pm
vertical. n timp ce acul baleiaza suprafata, miscndu-se n sus si n
jos odata cu conturul acesteia, o raza laser cade oblic pe partea
superioara (puternic reflectatoare) a cantileverului si se reflecta
catre un senzor alcatuit din doua fotodiode alaturate. Diferenta
dintre semnalele celor doua diode indica pozitia spotului laser pe
senzor si deci pozitia pe verticala a cantileverului. Deoarece
distanta ntre cantilever si detector este de obicei de mii de ori
mai mare dect lungimea cantileverului, sistemul realizeaza o marire
a deplasarii cu un factor de peste 2000, usor de masurat.
Acul cu un varf foarte ascutit (in varf se afla cativa atomi),
montat pe cantilever se deplaseaz pe suprafaa probei dup un rastru
de baleiaj. Vrful acului face ca latura cantilverului care l conine
sa se deformeze in funcie de forele care actioneaza asupra sa .
Aceste forte sunt intr-o stricta relaie cu harta topografica a
probei studiate. Vrful este apropiat de proba pana cnd intre acesta
si molecule din proba se stabilete o forta din categoria fortelor
van der Waals, bazate in primul rand pe fortele electrostatice
dintre particulele incarcate ale acului si probei. Aceasta forta,
in funcie de denivelrile de la suprafaa probei , respinge sau
atrage vrful . Cantileverul sesizeaz aceste deplasri pe axa z , si
in baza lor , alturi de ofsetul (x,y) cruia ii este asociata forta
care actioneaza asupra vrfului pe axa z , unitatea de calcul
asociata microscopului cu forte atomice poate alctui a harta
topografica a probei.
Fig. 16 Interactia varf proba
In timp ce cantileverul de deformeaz , lumina provenita de la un
laser este reflectata pe o fotodioda splitata . Msurnd diferena de
semnal (A-B) , deformrile cantilverului pe axa z pot fi observate
si msurate foarte precis.
Din moment ce cantileverul respecta legea lui Hooke pentru mici
deplasamente , se regaseste o forta de interactie intre vrf si
proba .
Deplasarea vrfului sau a probei este realizata cu ajutorul unui
dispozitiv de poziionare deosebit de precis realizat din ceramici
piezo-electrice, cel mai adesea sub forma unui scanner tub .
Scanner-ul este capabil de rezoluii sub nivelul unui Angstrom pe
direciile axelor x,y si z. In mod convenional , axa z , este
perpendiculara pe proba.
Mecanismul de detectie a semnalului sondei, actioneaza asupra
circuitului de reactie, care la randul sau actioneaza asupra
traductorului piezoelectric ce actioneaza intr-un mod foarte fin
asupra suportului probei, in functie de modul de lucru dorit.
In figura 16 se poate observa ce se ntmpla la suprafaa de
contact dintre vrf si proba :
Componentele unui microscop cu forte atomice
(1) un cantilver prevzut cu un vrf ascuit
(2) un scanner care controleaz poziionarea pe axele x-y-z
(3) un laser cu semiconductor
(4) un fotodetector
(5) circuit de control al reaciei .
Interactia vrf - proba
Interactia dintre vrf si proba are la baza forele van der Waals,
datorate, in special, forelor electice dintre particulele ncrcate
de pe suprafeele probei si respectiv sondei de explorare (varful
acului). In figura 17 este prezentata evolutia fortele van der
Waals cu distanta.
Pe masura ce atomii sunt in mod apropiati in mod gradat, acestia
se atrag slab intre ei . Atractia creste pana cand atomii sunt atat
de apropiati incat norul de electronii de pe orbita incep sa se
respinga . Aceasta respingere electrostatica slabeste din ce in ce
mai mult forta de atractie pe masura ce distanta interatomica
continua sa se micsoreze. Forta devine zero cand distanta atinge
cativa Angstromi
Fig. 17 Evolutia fortelor van der Waals cu distanta dintre varf
si suprafata probei.
Modul in care contrastul unei imagini este realizat , poate fi
obinut in mai multe modalitati. In microscopia cu forte atomice
avem trei tipuri de interactie intre vrful cantilverului si proba
:
1) modul contact continuu
2) modul contact intermitent
3) modul non-contact
Va fi prezentata mai jos o scurta descriere si comparative a
acestor modalitati de scanare :
Modul de operareForta interactiei
Modul contactPuternica (de respingere) inaltime constanta sau
forta constanta, Intre suprafata si proba exista forte de cativa
angstromi (10-7 to 10-11 N)
Modul non-contactSlaba (de atracie)
Modul contact intermitentPuternica (de respingere)
Modul forelor lateraleForele de frecare exercita un cuplu asupra
cantileverului
Modul forelor magneticeSlaba - Este vizualizat cmpul magnetic de
la suprafaa
Modul termicSlaba Este vizualizata harta termica a suprafeei
probei
Modul forelor magneticeSlaba - Este vizualizat cmpul magnetic de
la suprafaa
Modul termicSlaba Este vizualizata harta termica a suprafeei
probei
Modul contact :
Este cel mai comun mod de operare al microscopului cu forte
atomice . Precum este sugerat si de numele acestui mod , vrful si
proba raman in contact strns din momentul nceperii scanrii pana la
sfarsitul acesteia. Prin contact se intelege un regim de respingere
al curbei aferente forei inter-moleculare, precum este prezentat in
figura 18.
Regiunea de respingere din cadrul curbei este situate deasupra
axei x. Unul din dezavatajele rmnerii in contact cu proba este
faptul ca exista un numr mare de forte laterale care isi exercita
cuplul asupra cantilverului in timp ce acesta este deplasat pe
suprafaa probei. Iat cteva caracteristici importante ale modului
contact :
Face posibila vizualizarea informaiei 3d despre suprafaa unei
probe in mod nedistructiv
1.5 nm rezoluie laterala
0.05 nm rezoluie verticala
Forte puternice de respingere actioneaza intre vrf si proba
Necesita un procedeu de pregtire a probei foarte simplu
In cadrul acestui mod se pot analiza dielectrici si conductoare
cu usurinta
Microscopul cu forte atomice nu se bazeaz pe conductivitate
.
Nu necesita procedee precum ptarea sau umbrirea , necesare
pentru studiul acestui tip de materiale in cadrul unor altor tipuri
de investigaii asupra lor.
Opereaz att in mediu gazos , cat si in mediu fluid .
Fluid = mediu controlat de natura lichida si specimene
hidratate
Pune la dispozitie informaiei despre proprietatile fizice
Elasticitate , Adeziune , Duritate , Frecare etc.
Modul contact intermitent :
Este cel mai folosit mod dup modul contact. Cnd opereaz in aer
sau in alte medii gazoase , cantileverul oscileaza la frecventa sa
de rezonanta (mrime de ordinul sutelor de de KHz) si este poziionat
deasupra suprafeei astfel nct va intra in contact cu aceasta doar o
mica fracie de timp din perioada sa de oscilaie . Acesta este tot
un mod contact , precum si cel descrise mai devreme , dar perioada
scurta de timp in care contactul propriuzis are loc nseamn ca
forele laterale sunt reduse considerabil pe parcursul deplasrii
vrfului pe suprafaa probei. Cnd se investigheaz probe care nu pot
fi fixate cu strictee (slab imobilizate) sau probe de o consistenta
nu foarte dura , modul contact intermitent poate fi o alegere mult
mai buna dect modul contact pentru a vizualiza harta topografica a
probei. Deasemnea in modul contactului intermitent sunt posibile si
metode (mai interesante) de obinere a contrastului . In modul forei
constante , reacia este ajustata astfel nct oscilaia cantilverului
sa ramana constanta . O imagine poate fi formata din acest semnal
de amplitudine , dat fiind faptul ca vor exista mici variaii in
amplitudinea oscilatiilor datorita circuitelor electronice care nu
reactioneaza instantaneu fata de schimbrile aprute la suprafaa
probei . Recent , o atenie deosebita a fost acordata imagisticii
fazei . Acest procedeu functioneaza msurnd diferena de faza dintre
oscilaiile dispozitivului piezo care controleaz cantilverulul si
oscilaiile detectate . Se considera ca acest constrast al imaginii
obinut este derivat din proprietati precum rigiditatea sau
vscoelasticitatea . Iat cteva caracteristici importante ale modului
contact intermitent :
Decalajul fazelor poate msura proprietatile ce in de compoziie,
adeziune, friciune, elasticitate
Se pot identifica structurile amestecurilor de polimeri
Este mai puin duntore probelor de consistenta nu foarte dura
dect modul contact
Modul non-contact :
Fig. 18 AFM in modul de lucru contact
Acest mod este o alta metoda care poate fi aleasa in investigaia
unei probe cu ajutorul microscopului cu forte atomice.
Cantileverul trebuie baleiat deasupra suprafeei probei , la o
distanta la care nu mai suntem in regim de respingere. Acest mod
este un mod in care se opereaz destul de dificil in condiiile
ambiente. In modul ambient , pe suprafaa probelor se formeaz un
strat mic de apa care va ncerca in permanenta sa formeze o punte
capilara intre vrf si proba cauznd ca vraful sa fie in permanenta
tentat de a sari in modul contact. Chiar si in lichide sau in vid ,
faptul ca vrful este posibil sa sar din cnd in cnd in contact cu
proba este destul de probabil , iar imaginea obinuta sa nu fie la
urma urmei dect o imagine obinuta intr-o forma derivata a
contactului intermitent. Reuita acestui mod tine foarte mult de
consistenta probei , si mediul in care se desfasoara investigaia
.
Fig. 19 AFM in modul de lucru non-contact
Avantaje prezentate de microscopia cu forte atomice
Fata de alte sisteme de microscopie, microscopul cu forte
atomice mai prezint urmtoarele avantaje eseniale :
Microscopul cu forte atomice face posibila vizualizarea
imaginilor cu un contrast topografic extraordinar , pot fi fcute
msurtori precise de nivel pe suprafaa probelor investigate (nu este
necesara tratarea probelor).
Imaginile tridimensionale sunt obinute fara o preparare
costisitoare a probelor cu urmeaz a fi studiate si ofer informaii
mult mai complete , dect pofilele bidiminesionale obinute din
probele tiate transversal .
Microscopul cu forte atomice permite msurarea precisa a
pragurilor de inaltime de pe suprafaa unei probe, msurare absolute
independenta de reflectivitatea materialelor studiate
Investigatii pe structuri spinel.
1. Masuratori ale Modulului lui Young efectuate asupra Feritelor
Nanocristaline cu structuri spinel prin Microscopie cu forte
Atomice
Utilizand Microscopia cu Forte Atomice Acustice (AFAM), modulul
lui Young in cazul a doua flme subtiri cu ferite nanocristaline cu
strucutra de spinel , a fost masurat ca functie de temperatura de
oxidare la scala nano. Este prezenta o scadere generala a modului
lui Young ca functie de temperatura de oxidare cu puncte de minim
si maxim intermediare. Aceste masuratori evidentiaza existenta
gradientilor chimici de la stratul de suprafata catre interiorul
filmelor subtiri ce apar in timpul procesului de oxidare in faza y.
Acestia conduc la gradienti de stres care influenteaza modului lui
Young si coercivitatea Hc. In aceasta tehnica de masurare , sunt
masurate frecventele de rezonanta ale unui cantilever apartinand
unui microscop cu forte atomice si exploateaza dependenta acestora
fata de fortele de contact varf-suprafata, in cazul de fata o
constanta elastica descrisa de teoria Hertizana a fenomenelor de
contact. Dupa comparatii facute intre aceste metode de masuratoare
si metodele bazate pe nanoindentare a reiesit ca aceasta metoda
pune la dispozitii rezultate foarte precise , achizitionate
printr-o metoda nedistructiva. In investigatiile AFAM (Atomic Force
Acoustic Microscopy) asupra filmelor subtiri cu strucutra spinel ,
este posibila aparitia efectelor neliniare , acest fapt poate
conduce chiar la capacitatea de a studia si masura o serie de
parametrii neliniari la o scala nano
2. Studiul disolocarilor la suprafata materialelor cu strucutura
spinel
Prin intemediul AFM pot fi studiate structurile sabloanelor de
evaporare create de dislocarile stationare si aflate in miscare
care se termina pe suprafata (0 0 1) materialelor cu structuri
similare cu MgAl2O4 . Cand vectorii Burger ai dislocarilor sunt
inclinati in raport cu planul cristalin (0 0 1), aceste dislocari
creaza sabloane de evaporare de forma unor spirale duble. Spiralele
duble de evaporare iau nastere printr-un proces sinergistic de
rotatie al unor perechi de denivelari de inaltime de 2- , ce isi au
originea in punctele terminale de dizlocare. Dizlocarile, ai caror
vectori Burger sunt dispusi in planul cristalografic (0 0 1), nu
formeaza spirale cand se termina pe suprafata (0 0 1), dar pot crea
zone logitudinale denivelate. Prezenta acestor zone logitudinale
denivelate legate de prezenta dizlocarilor de la suprafata , vor
forma noi denivelari cu asepct de V. Studiul acestor fenomene de
suprafata ce apar in cazul filmelor subtiri spinel pot fi
investigate cu ajutorul AFM , intr-o maniera nedistructiva.
B2.3.2. Microscopie confocala cu baleiaj laser
Microscopia confocal ofer un numr de avantaje fa de microscopia
convenional de cmp optic larg, incluznd abilitatea de control
asupra adncimii cmpului, eliminare sau reducere a informaiei de
fundal din planul focal (informaie ce duce la degradarea imaginii),
i capacitatea de colectare de seciuni optice seriale din grosimea
probelor. Cheia de baz a principiului confocal este folosirea
tehnicilor de filtrare spaial n eliminarea luminii sau strlucirii
ce nu aparine zonei de focalizare a probelor, ce depesc n grosime
planul focal iminent. n ultimii ani a avut loc o extraordinar
cretere n popularitate a microscopiei confocale, datorat n parte
uurinei cu care imagini de o extrem de nalt calitate pot fi obinute
de la probe preparate pentru microscopia clasica, precum i a
numrului n cretere de aplicaii. n fapt, tehnologia confocal se
dovedete a fi unul dintre cele mai importante progrese atinse
vreodat n microscopia optic.
Fig. 20 Principiul microscopiei confocale
Microscoapele confocale moderne, pot fi considerate drept
sisteme electronice complet integrate n care microscopul optic joac
un rol central ntr-o configuraie care conine unul sau mai muli
detectori electronici, un calculator (pentru afiarea observaiilor,
procesare, stocare i ieiri) i cteva sisteme laser combinate cu
dispozitive de selecie a lungimii de und i un ansamblu de baleiaj
laser. n majoritatea cazurilor integrarea ntre diverse componente
este att de minuioas nct adesea este referit n mod colectiv drept
sistem de imagistic video sau digital capabil s produc imagini
electronice.
Lumina coerent emis de sistemul laser (sursa de excitare) trece
printr-o apertur pinhole care este situat n planul conjugat
(confocal) cu punctul de scanare de pe prob i o a doua apertur
pinhole poziionat n faa detectorului (un tub fotomultiplicator). n
timp ce laser-ul reflectat de o oglind dicromatic scaneaz proba
ntr-un plan focal stabilit, puncte de pe prob emit fluorescen
secundar (n acelai plan focal) care trece napoi prin oglinda
dicromatic i sunt focalizate ca punct confocal la apertura
detectorului pinhole (adesea lumina reflectata de proba nu are
aceeasi lungime de unda cu radiatia incidenta; daca este aceeasi
lungime de unda vorbim despre reflexie, n caz contrar, mai general
este fluorescenta). Cantitatea semnificativ de emisie fluorescent
care apare n puncte de sub i de deasupra planului focal nu este
confocal cu pinhole (numite raze de lumin n afara focalizrii figura
20) i formeaz discuri Airy extinse n planul aperturii. Pentru c
doar o mic cantitate de emisie fluorescent din afara focalizrii
este livrat prin apertura pinhole, o mare parte din aceast lumin ce
nu aparine obiectului nu este detectat de fotomultiplicator i nu
contribuie la imaginea final. Oglinda dicromatic, filtrul barier i
filtrul de excitare asigur funcii similare cu componentele identice
din epi-fluorescena de cmp larg. Refocalizarea obiectivului ntr-un
microscop confocal deplaseaz punctele de excitare i de emisie pe
prob ntr-un nou plan care devine confocal cu apertura pinhole a
sursei de lumin i a detectorului.
n microscopia tradiional epi-fluorescen de cmp larg, ntreaga
prob este supus unei iluminri intense de la o surs necoerent, lamp
de descrcare n arc cu Xenon sau Mercur, iar imaginea rezultat, de
emisie fluorescent secundar poate fi observat direct n ocular sau
proiectat pe o suprafa de plac fotografic tradiional sau matrice de
detectori electronici. Spre deosebire de acest concept simplist,
mecanismul formrii imaginii n microscopia confocal este fundamental
diferit. Aa cum s-a discutat mai sus, microscopul cu fluorescen
confocal const n multiple surse de excitare laser, detectori
electronici (uzual fotomultiplicatori), i achiziie computerizat,
procesare, analiz, expunere de imagini.
Capul de scanare este n centrul sistemului confocal i este
responsabil de rasterizarea excitaiei pentru baleiaj, precum i de
colectarea semnalului fotonic de la prob necesar la obinerea
imaginii finale.Un cap de scanare tipic conine intrri de la sursele
laser externe, seturi de filtre de fluorescen i oglinzi
dicromatice, un sistem de oglinzi de scanare n rastru acionate
galvanometric, aperturi pinhole variabile - n scopul generrii
imaginii confocale, detectori tub fotomultiplicator acordabili
pentru diverse lungimi de und de fluorescen.
n scanarea confocal epi-iluminare, sursa de lumin laser i
detectorii fotomultiplicatori sunt ambele separate de proba de ctre
obiectiv, care funcioneaz i ca un condensor bine reglat.
Componentele filtrante de fluorescen intern (precum filtrele de
excitare sau barier intern sau oglinzile dicromatice) i filtrele de
densitate neutr sunt coninute n unitatea de scanare. Filtrele de
interferen i densitate neutr sunt gzduite n turete rotative sau
alunectoare ce pot fi introduse n calea luminii de ctre operator.
Raza de excitare laser este conectat la unitatea de scanare cu un
cuplor de fibr optic urmat de un expandor care permite fascicolului
laser subire s umple complet apertura din spatele obiectivului (o
cerin critic n microscopia confocal). Lumina laser expandat ce
trece prin obiectivul microscopului formeaz un spot intens limitat
difractiv ce scaneaz n rastru prin intermediul oglinzilor cuplate,
acionate galvanometric, planul probei (scanare punctual).
Una dintre cele mai importante componente ale capului de scanare
este apertura pinhole, care se comport ca un filtru spaial la
planul imaginii conjugate poziionat direct n faa
fotomultiplicatorului.Cteva aperturi de diametre variabile sunt de
obicei incluse ntr-o turet rotativ ce ngduie operatorului s
ajusteze valoarea pinhole (i grosimea seciunii optice).
Atunci cnd subliniem diferenele i similitudinile ntre
microscoapele confocale i de cmp larg, este adesea folositor s
comparm calitatea i geometria iluminrii probei folosit de fiecare
tehni-c. Obiectivele microscoapelor tradiionale epifluorescente de
cmp larg focalizeaz un con larg de iluminare pe un volum mare al
probei, care este iluminat uniform i simultan. O majoritate a
emisiei fluorescente este direcionat napoi spre microscop, e adunat
de obiectiv (depinznd de apertura numeric) i e proiectat n ocular
sau detector. Rezultatul este o cantitate semnificativ de semnal
datorat luminii emise de fundal i autofluorescenei provenit din
arii de sub i de deasupra planului focal, care reduce semnificativ
rezoluia i contrastul imaginii.
Sursa de iluminare laser n microscopia confocal este la nceput
expandat pentru a umple apertura din spatele microscopului, i apoi
focalizat prin sistemul de lentile ntr-un spot foarte mic n planul
focal. Mrimea punctului de iluminare variaz ntre 0.25 si 0.8 m n
diametru, depin-znd de apertura numeric a obiectivului i 0.5-1.5 m
adncime la cea mai puternic intensitate. Mrimea spotului confocal
este determinat de design-ul microscopului, lungimea de und a
radiaiei laser incidente, caracteristicile obiectivului, setrile
unitii de scanare i prob. ntreaga adncime a probei este iluminat pe
o arie larg, la microscopul de cmp larg, n timp ce eantionul este
scanat cu un spot fin de iluminare centrat n planul focal al
microscopului confocal.
n microscopia cu baleiaj laser, imaginea unei probe extinse este
generat prin baleiajul fascicolului laser pe o arie fix n rastru
controlat de dou oglinzi oscilante de mare vitez acionate de
motoa-re galvanometrice. Una dintre oglinzi mut fascicolul de la
stnga la dreapta pe axa lateral X, n timp ce, cealalt translateaz
raza pe direcia Y. Dup fiecare scanare de-a lungul direciei X, raza
este rapid transportat napoi la punctul de plecare i incrementat
poziia pe Y pentru nceperea unei noi scanri ntr-un proces numit en.
Flyback.n timpul acestei operaii (flyback), informaie-imagine nu
este achiziionat. n aceast maniar, aria de interes de pe prob
ntr-un singur plan focal este excitat de ilumi-narea laser de la
unitatea de scanare.
n vreme ce fiecare linie de scanare parcurge proba n planul
focal lateral, emisia fluorescent este colectat de obiectiv i trece
napoi prin sistemul optic confocal. Viteza oglinzilor de scanare
este foarte mic comparativ cu viteza luminii, astfel nct emisia
secundar urmeaz un drum optic pe axa optic care este identic cu
raza de excitare original.
ntoarcerea emisiei fluorescente prin sistemul de oglinzi
galvanometrice este referit ca descanare. Dup ce trece de oglinzile
de scanare emisia fluorescent trece direct prin oglinda dicromatic
i e focalizat pe apertura pinhole a detectorului. Spre deosebire de
tiparul de scanare rastru al luminii de excitare ce parcurge proba,
emisia fluorescent rmne ntr-o poziie stabil la apertura pinhole,
dar fluctuaiile datorate intensitii spotului de iluminare ce
parcurge proba produc variaii n excitare.
La microscoapele confocale moderne, dou tehnici fundamentale,
diferite, au fost dezvoltate. Baleiajul cu un singur fascicol, una
dintre cele mai populare metode-implementat n majoritatea
microscoapelor cu baleiaj laser comerciale, folosete o pereche de
oglinzi galvanometrice controlate de computer pentru scanarea n
rastru a probei la o rat de aproximativ un cadru pe secund. Rate
mai ridicate de scanare (aproape de viteza video) pot fi atinse
folosind dispozitive acusto-optice sau oglinzi oscilante. n
contrast, microscoapele multifascicol cu baleiaj laser sunt
echipate cu un disc Nipkow coninnd o matrice de microlentile i
pinholes. Aceste instrumente folosesc adesea lmpi cu descrcare n
arc pentru iluminare- n locul laserilor- pentru a reduce
deteriorarea probei i a mbunti detecia nivelelor joase de
fluorescen n timpul achiziiei n timp real de imagini. Alt
caracteristic important a microscoapelor multifascicol este
abilitatea de capturare de imagini cu o matrice detector precum
C.C.D. camera (charge-coupled device)
La majoritatea pachetelor soft de microscopie confocal,
secionarea optic nu este restricionat la planul perpendicular
lateral (X-Y), dar poate fi colectat i afiat n planuri
transversale. Seciuni verticale n planurile X-Z i Y-Z (paralele la
axele optice ale microscopului) pot fi generate de majoritatea
softurilor confocale cu mare uurin. De aceea, proba apare ca i cum
ar fi fost secionat cu un plan perpendicular pe axele laterale. n
practic, seciunile verticale sunt obinute prin combinarea scanrii
X-Y luat cu ajutorul soft-ului n lungul axei z, iar apoi proiectnd
o imagine a intensitii luminoase aa cum ar fi aprut dac hard-ul
microscopului ar fi putut efectua secionarea vertical fizic.
Avantajele adiionale ale microscopiei confocale includ
posibilitatea ajustrii electronice a mririi (zoom) prin varierea
ariei scanate de laser fr necesitatea de a schimba obiectivul.
Aceast facilitate este cunoscut ca factor de zoom i este uzual
angajat n ajustarea rezoluiei imaginii spaiale prin modificarea
perioadei de eantionare a baleiajului laser. Sporirea factorului de
zoom reduce aria baleiat a probei simultan cu rata de baleiaj.
Rezultatul este un numr mai mare de eantioane pe o lungime
comparabil, care sporete att rezoluia spaial a imaginii ct i mrirea
imaginii afiate pe monitorul computerului gazd. Zoom-ul confocal
este tipic angajat s potriveasc rezoluia digital a imaginii cu
rezoluia optic a microscopului atunci cnd la achiziia de date sunt
folosite obiective de mrire i apertur mic. Discretizarea datelor
secveniale analogice colectate de fotomultiplicatorul microscopului
confocal (sau un detector similar) faciliteaz algoritmii de
procesare computerizat a imaginii prin transformarea fluxului
continuu de tensiune n incrementri discrete digitale care corespund
variaiilor n intensitatea luminii. n plus fa de beneficiile i
viteza sporite de procesare digital a datelor, imaginile pot fi
imediat preparate pentru imprimare sau publicare. n experimente
controlate cu atenie, msurri cantitative ale intensitii
fluorescenei spaiale (fie statice sau ca o funcie de timp) pot fi
de asemenea obinute din date digitale.
Un rol important este jucat de filtrele folosite; spre deosebire
de filtrele dicroice clasice microscopul Leica utilizeaz un sistem
de filtre acordabile, cte unul pentru fiecare fotomultiplicator,
ceea ce asigura achiziia imaginilor pe 4 canale independente.
Aceste filtre au la baza o prism care descompune raza (dup trecerea
sa prin pinhole) n componentele sale spectrale (n domeniul
400-750nm); n continuare aceasta este dirijat spre fiecare
fotomultiplicator. Acetia dispun de cte o apertura reglabil care
permite selecia spectrului dorit cu o rezoluie de 4nm i selectarea
oricrei poriuni a spectrului. Practic se obine un sistem de filtre
reglabil ca lrgime care poate fi centrat pe orice lungime de und
din spectrul vizibil i care poate fi ajustat n timp real.
Investigaii pe filme subtiri de spinel
Microscopia confocal bazat pe baleiajul de fascicul laser este o
metod care permite observaia tridimensional precis prin intermediul
seciunilor optice. Aceasta metod este foarte des folosit n modul
fluorescen la observaii de natura biologic, dar nu este mai puin
adevrat c este folosit n modul reflexie pentru investigaii asupra
unei game largi de materiale, inclusiv minerale. Pentru
exemplificare, Sridhar i colectivul au folosit microscopia confocal
cu baleiaj laser pentru observarea direct a disoluiei particulelor
mici de MgO n calciu aluminat. Studiul disoluiei n condiii dinamice
este destul de complicat pentru c exist trei direcii cu flux de
materie. n aceste condiii, observaia prin seciuni optice poate
izola unul din cele trei tipuri de fluxuri.
Microscopia confocal cu baleiaj laser (CLSM) n modul reflexie
este o metod adecvat pentru caracterizarea din punct de vedere
topografic (morfologic) a diverselor suprafee destinate diferitelor
aplicaii. Spre deosebire de AFM, CLSM are avantajul de a culege
date de pe o suprafa larg de analiz, date ce pot proveni din
volumul probei. n plus CLSM poate urmri variaii mari ale profilului
de adncime, variaii care depesc limitele AFM. CLSM este o
alternativ real la investigaiile de tip SEM ori AFM. Fa de AFM,
CLSM are avantajul baleiajului din cmp ndeprtat, lucru care permite
investigarea unor categorii dificile de probe.
Microscopia confocal cu baleiaj laser (CLSM) permite
investigarea incluziunilor fr alterarea probei. CLSM poate
contribui la dezvoltarea cunotinelor despre concentraia i
aglomerarea de incluziuni. De asemenea, CLSM poate oferi informaii
despre grosimea stratului subire, n msura n care acesta este
transparent pentru fasciculul laser.
B2.4 Infrastructura CMMPI
1. Difractometru de raze X
Difractometrul cu care este echipat Centrul de Microscopie
Microanaliz i Procesarea Informaiei este un difractormetru de nalt
rezoluie HRD3000 produs de ItalStructures avnd ca pricipale
caracteristici:
Stabilitate ridicat a generatorului de raze X dotat cu un
microprocesor controlat de PC.
Dispozitiv de optic paralel
Goniometru de mare precizie cu poziionare cu motoare
secveniale
Un al doilea monocromator pentru radiaia de Cu
5 grade de libertate, toate motorizate
Fig. 21 Imagine CLSM a unei suprafete de LiNbO3 implantat cu
ioni de Cu la 60 keV, 10uA/cm2 i o fluen de 2(1017ioni/cm2..
Cu ajutorul lui se pot efectua msurtori tipice cristalografice
de determinare difractogramelor, spaierii ntre planele
cristalografice sau calculul constantelor de reea att pnetru
pulberi ct i pnetru filme subiri, aparatul avnd n dotare un
dispozitiv special pentru investigarea filmelor subiri. Deasemenea
softul de care dispune difractometrul poate calcula dimensiunea
cristalitelor din probele investigate.
2. Microscopul cu forte atomice Quesant 350
Moduri de lucru:
contact, intermitent.
3. Microscopul confocal cu baleiaj laser
Microscopul Leica TCS SP2 este un microscop confocal cu
posibiliti de spectrometrie, avnd prevzut i o extensie pentru
conectarea unui laser exterior, putndu-se profita astfel de
avantajele microscopiei confocale, multifoton i n fluorescen
prezentate mai sus cu ajutorul software- lui disponibil.
Microscopul Leica TCS SP2 este construit pornind de la un
microscop optic dotat cu o serie de accesorii:
pinhole cu deschidere variabila (pn la 600 (m).
5 fotomultplicatoare cu sensibilitate n domeniul spectral
400nm-800nm.
filtre de selecie a lungimii de unda cu o rezoluie de 4nm.
sistem de scanare cu o viteza de 3fps la o rezoluie de 512x512
pixeli, capabil de o rezoluie maxima de 1024x1024 pixeli i
posibilitatea de a realiza zoom optic de 32x.
3 laseri (Argon 478 i 488 nm, Krypton 568 nm, HeNe 633nm).
port exterior de intrare pentru un laser suplimentar.
Drumul optic prin capul de scanare al microscopului: lumina este
cuplat n sistem prin intermediul unei fibre optice, trece prin
pinhole i este apoi trimis de o oglind dicroic pe sistemul de
scanare. Dup ce aceasta ajunge pe prob exista mai multe modaliti de
preluare a luminii rezultate:
lumina transmis este preluata de fotomultiplicatorul aflat
dedesubtul probei
lumina reflectata va fi descanat de sistemul de baleiaj, va
trece prin pinhole-ul de achiziie i va ajunge, prin intermediul
unui sistem de filtre, pe unul din cei 4 fotomultiplicatori
lumina rezultat din excitarea mostrei de ctre raza laser
(fluorescenta) urmeaz acelai drum ca lumina reflectata
Un rol important este jucat de filtrele folosite; spre deosebire
de filtrele dicroice clasice microscopul Leica utilizeaz un sistem
de filtre acordabile, cte unul pentru fiecare fotomultiplicator,
ceea ce asigura achiziia imaginilor pe 4 canale independente.
Aceste filtre au la baza o prism care descompune raza (dup trecerea
sa prin pinhole) n componentele sale spectrale (n domeniul
400-750nm); n continuare aceasta este dirijat spre fiecare
fotomultiplicator. Acetia dispun de cte o apertura reglabil care
permite selecia spectrului dorit cu o rezoluie de 4nm i selectarea
oricrei poriuni a spectrului. Practic se obine un sistem de filtre
reglabil ca lrgime care poate fi centrat pe orice lungime de und
din spectrul vizibil i care poate fi ajustat n timp real.
Sistemul astfel rezultat mbin n mod optim detecia spectrometric
cu microscopia confocal avnd o flexibilitate i eficiena sporite fa
de sistemele clasice.
O facilitate suplimentara a microscopului o reprezint
posibilitatea cuplrii unui laser exterior. Acesta este utilizat n
cadrul centrului pentru microscopie multifoton i generare de
armonici folosind un laser n impulsuri Spectra-Tsunami Ti:Safir cu
o putere maxima de 5W , o frecven a impulsurilor de 80MHz tunabil n
domeniul spectral 700-1050nm.
Un rol esenial n utilizarea optim a microscopului Leica este
deinut de software; acesta realizeaz controlul tuturor parametrilor
hardware ai sistemului (deschiderea pinhole-ului, reglarea
sistemului de filtre pe lungimile de und dorite, viteza de scanare,
zoom, amplificarea fotomultiplicatorilor, reglajul puterii
laserilor, etc.) oferind posibilitatea realizrii unor msurtori i
prelucrri complexe a datelor obinute:
reconstituiri 3D ale suprafeelor
obinerea de seciuni optice pe orice direcie i n interiorul
mostrei
msurtori spectrometrice n domeniul vizibil cu o rezoluie de
4nm
prelucrri statistice ale datelor obinute bazate pe morfologia
mostrei i parametrii optici msurai
urmrirea i nregistrarea parametrilor de interes i a evoluiei
mostrei n timp real
_1258881095.unknown
_1258965324.unknown
_1258882265.unknown
_1258882644.unknown
_1258964262.unknown
_1258882417.unknown
_1258881523.unknown
_1243511503.unknown
_1243511576.unknown
_1240866003.unknown
_1240865746.unknown