Este documento describe los principios básicos de la microscopía electrónica de barrido y de transmisión. Explica que estas técnicas permiten obtener imágenes a escalas muy pequeñas y determinar estructuras cristalinas y composiciones químicas. También cubre los componentes clave de los microscopios electrónicos como las fuentes de electrones, lentes electromagnéticas y sistemas de vacío, así como las aplicaciones forenses de estas técnicas.

1. PRINCIPIOS DE MICROSCOPIA
ELECTRONICA DE BARRIDO y DE
TRANSMISIÓN
Dr. Torres Zúñiga Vicente
Licenciatura en Ciencia Forense, UNAM
2016

2. Microscopia electrónica
• Permite obtener imágenes
• Determinar estructuras
cristalinas
• Conocer la composición
química
Morfología
Y
Composición

3. Tamaños capaces de resolver mediante
diferentes microscopias
Microscopio electrónico
Microscopio electrónico de barrido
Virus
Proteínas/Enzimas Bacterias
Microscopio óptico
Visión humana
0.1nm 1nm 10nm 100nm 1mm 10 mm 100mm 1mm
Pelo
humano
Glóbulos
rojos
Moléculas
pequeñas
átomos

4. En forense se usa
• Análisis de residuos balísticos
• Identificación de armas
• Estudios de joyería
• Examen a residuos de pintura y
fibras
• Estado del filamento de bulbos
en hechos de tránsito
• Examen de tintas y escritura en
documentos cuestionados
• Examen de materiales no
conductivos

5. Tricomas de mariguana

6. Descubrimientos fundamentales
• 1897 THOMSON. Existencia de los electrones
• 1925 LUIS DE BROGLIE. Teoría sobre el comportamiento dual del e-, onda/
partícula, con un λ << que la de la luz visible.
• 1927 DAVISSON Y GERMER Y THOMPSON Y REID realizan experimentos de
difracción de e¯ y demostraron su naturaleza ondulatoria.
• 1932 KNOLL Y RUSKA desarrollaron la idea de las lentes electrónicas. Esto le
proporcionó a Ruska el Premio Nobel en 1986.
Desarrollo importante en Ciencia de Materiales ocurrió a finales de los años 40
cuando Heideinreich adelgazó muestras metálicas de modo que eran
transparentes al haz de electrones.
Este trabajo fue seguido por Hirsh en Cambrigde y Bollman en Suecia,
simultáneamente. Además el grupo de Cambridge desarrolló la teoría del
contraste de difracción de electrones.

7. MICROSCOPIO DE RUSKA VS MICROSCOPIO
DE BARRIDO FEG

8. Microscopio electrónico convencional

9. Resolución, microscopio óptico
• Do = 1.22 L/2n sen alfa
• L = 500 Amgstrongs
• n= 1.5, aceite
• alfa apertura angular
• Do = 0.03 micras

10. Resolución Microscopio electrónico
• Lente magnética n = 1
• Sen alfa = alfa, es muy pequeño
• Do = 1.66 lambda /alfa
• Lambda =
• Microscopio de transmisión (TEM)
• A 200kV y a=6.10-3 rad, do=0.0023nm
• Microscopio de Barrido (SEM)
• A 25 KV do = 0.3 nm
• Las aberraciones de las lentes disminuyen la resolución
entre 10 n entre 10 y 100 veces y 100 veces
Voltaje λ (nm)
25 0.02
100 0.037
200 0.0251
400 0.0061

11. COMPONENTES COMUNES EN
MICROSCOPIOS ELECTRÓNICOS SEM Y TEM
• Fuente de electrones
• Lentes electromagnéticas
• Sistema de vacío

12. Tipos de filamento
• Emisión termoiónica
– Los electrones son emitidos
por calentamiento de un
filamento.
• Emisión de campo
– Los electrones son extraídos
de un filamento metálico
mediante un potente
campo eléctrico.
Proporcionan un mayor
brillo pero requieren un alto
vacío.

13. Tipos de filamento, cuadro comparativo
Tipo de emisor Termoiónico Termoiónico Cold FE Schotty FE
Material W LaB_6 W(310) ZrO/W (100)
Temperatura de
operación (k)
2800 1900 300 1800
Radio efectivo de
la fuente (nm)
15000 5000 2.5(a) 15 (a)
Brillo normal
(A/cm2sr kV)
1x104 1x105
2x107
1x107
Vacío operativo
(nPA)
≤ 1.10-5 ≤ 1.10-6 ≤ 1.10-10 ≤ 1.10-8
Vida de cátodo
(n)
≤ 1.10-24 1000 2000 2000

14. Lentes electromagnéticas

17. Comparando

18. Lentes
• Lente fuerte
– Pequeño tamaño de haz
– Alta resolución
– Corta distancia de trabajo
– Pequeña profundidad de
campo
• Lente debíl
– Gran tamaño de haz
– Baja resolución
– Gran distancia de trabajo
– Gran profundidad de campo

19. Aberraciones ópticas
• Son degeneraciones de la imagen.
• Pierde calidad la imagen obtenida de un
sistema óptico
• Surge por que nuestra teoría básica describe
sistemas paraxiales
• Ocurres cuando la luz de un punto no
converge (o diverge) en un solo punto luego
de atravesar el sistema

21. Astigmatismo
Aparece porque los campos
magnéticos de las lentes que
desvían los e- no son
perfectamente simétricos
respecto de su eje. La lente
presenta distintas distancias
focales en las diferentes
orientaciones. Una apertura
sucia también produce esta
aberración.

22. Recordando el astigmatismo en el ojo

23. Aberración Cromática
• El haz de e- no es estrictamente monoenergético;
entonces, tiene diferentes longitudes de onda. Las
l más cortas tienen mayor distancia focal.
• Para minimizar la aberración se usan electrones de
una sola longitud de onda. Para tener un haz
monocromático el microscopio ha de tener un
voltaje de aceleración muy estable

24. Para el caso de la luz

25. Esférica
• Se produce porque las diferentes longitudes de
onda entran y salen de la lente a diferentes ángulos.
El efecto producido es idéntico al de la aberración
cromática
• El efecto se reduce insertando una apertura

26. Sistema de vacío
• Producir una haz coherente: el camino libre medio de los
electrones a presión atmosférica es solamente 1 cm. A 10-6
Torr pueden recorrer 6.5 m and y se elimina la dispersión
• Medio aislante: no hay interacción haz-moléculas. Elimina
aislante descargas eléctricas en el área del filamento
• Aumentar la vida del filamento: eliminando el oxígeno que
filamento produce la oxidación del filamento
• Reducir la interacción entre las moléculas de gas, los
electrones y la muestra que produciría contaminación
Las muestras a observar deben soportar las condiciones de
alto vacio

27. Niveles de vacío
• Filamento (10-9 Torr)
• Muestra (10-6 Torr)
• Cámara (10-5 Torr)

28. Bombas de vacío
•Rotatoria, 10-2 Torr
•Difusora, 10-6 Torr
•Turbomolecular, 10-7 Torr
•Iónica, 10-6 Torr

29. • Microscopio Electrónico deTrasmisión TEM
– Instrumento óptico que emplea las lentes para formar
LA IMAGEN Muestra delgada, entre 500-5000Å,
dependiendo del material si es ligero pesado.
• Microscopio Electrónico de Barrido SEM
– No es un instrumento óptico. Las lentes no forman
imágenes, pero emplea la óptica electrónica para formar
el haz de electrones. La imagen se forma con detectores
específicos para cada señal que van a un tubo de rayos
catódicos

30. Comparando aparatos
«SimpleSEMandTEM». Publicado bajo la licencia
CC BY 2.5 vía Wikimedia Commons -
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sim
pleSEMandTEM.jpg#/media/File:SimpleSEMa
ndTEM.jpg.

31. Interacción de electrones de alta energía
con muestras sólidas