La difracción por retrodispersión de electrones ( EBSD ) es una técnica de caracterización cristalográfica microestructural basada en microscopio electrónico de barrido comúnmente utilizada en el estudio de materiales cristalinos o policristalinos . [1] [2] La técnica puede proporcionar información sobre la estructura, [3] orientación del cristal, [3] fase , [3] o deformación [4] en el material. Tradicionalmente este tipo de estudios se han realizado utilizando difracción de rayos X (XRD), difracción de neutrones y / o difracción de electrones. en un microscopio electrónico de transmisión .
Geometría
Para una medición de EBSD, se coloca una muestra cristalina plana / pulida en la cámara SEM en un ángulo muy inclinado (~ 70 ° desde la horizontal) hacia la cámara de difracción, para aumentar el contraste en el patrón de difracción de retrodispersión de electrones resultante. La pantalla de fósforo está ubicada dentro de la cámara de muestras del SEM en un ángulo de aproximadamente 90 ° con respecto a la pieza polar y está acoplada a una lente compacta que enfoca la imagen de la pantalla de fósforo en la cámara CCD. En esta configuración, algunos de los electrones que entran en la muestra se retrodispersan y pueden escapar. A medida que estos electrones abandonan la muestra, pueden salir en la condición de Bragg relacionada con el espaciamiento de los planos de la red atómica periódica de la estructura cristalina y la difracción. Estos electrones difractados pueden escapar del material y algunos chocarán y excitarán el fósforo provocando su fluorescencia .
Dentro del SEM, el haz de electrones se enfoca sobre la superficie de una muestra cristalina. Los electrones entran en la muestra y algunos pueden volver a dispersarse. Los electrones que escapan pueden salir cerca del ángulo de Bragg y difractarse para formar bandas de Kikuchi que corresponden a cada uno de los planos de cristal de difracción reticular. Si la geometría del sistema está bien descrita, es posible relacionar las bandas presentes en el patrón de difracción con la fase cristalina subyacente y la orientación del material dentro del volumen de interacción de electrones. Cada banda puede indexarse individualmente por los índices de Miller del plano de difracción que la formó. En la mayoría de los materiales, solo se requieren tres bandas / planos que se cruzan para describir una solución única para la orientación del cristal (en función de sus ángulos interplanares) y la mayoría de los sistemas comerciales utilizan tablas de consulta con bases de datos internacionales de cristales para realizar la indexación. Esta orientación del cristal relaciona la orientación de cada punto muestreado con una orientación del cristal de referencia.
Si bien esta descripción 'geométrica' relacionada con la solución cinemática (usando la condición de Bragg) es muy poderosa y útil para el análisis de orientación y textura , solo describe la geometría de la red cristalina e ignora muchos procesos físicos involucrados dentro del material difractante. Para describir adecuadamente características más finas dentro del patrón de dispersión del haz de electrones (EBSP), se debe usar un modelo dinámico de muchos haces (por ejemplo, la variación en las intensidades de banda en un patrón experimental no se ajusta a la solución cinemática relacionada con el factor de estructura ).
Detectores EBSD
Experimentalmente, la EBSD se lleva a cabo utilizando un SEM equipado con un detector de EBSD que contiene al menos una pantalla de fósforo, una lente compacta y una cámara CCD con poca luz. Los sistemas EBSD disponibles en el mercado normalmente vienen con una de dos cámaras CCD diferentes: para mediciones rápidas, el chip CCD tiene una resolución nativa de 640 × 480 píxeles; para mediciones más lentas y sensibles, la resolución del chip CCD puede llegar hasta 1600 × 1200 píxeles. La mayor ventaja de los detectores de alta resolución es su mayor sensibilidad y, por lo tanto, la información dentro de cada patrón de difracción se puede analizar con más detalle. Para las mediciones de textura y orientación, los patrones de difracción se agrupan para reducir su tamaño y reducir los tiempos de cálculo. Los sistemas EBSD modernos basados en CCD pueden indexar patrones a una velocidad de hasta 1800 patrones / segundo. Esto permite generar mapas microestructurales muy rápidos y ricos. Recientemente, los detectores CMOS también se han utilizado en el diseño de sistemas EBSD. Los nuevos sistemas basados en CMOS permiten la indexación de patrones más rápido que los predecesores basados en CCD. Los detectores EBSD modernos basados en CMOS son capaces de indexar patrones de hasta 3000 patrones / segundo.
Indexación
A menudo, el primer paso en el proceso de EBSD después de la recopilación de patrones es la indexación. Esto permite la identificación de la orientación del cristal en el volumen único de la muestra de donde se recogió el patrón. Con el software EBSD, las bandas de patrón se detectan típicamente a través de una rutina matemática utilizando una transformada de Hough modificada , en la que cada píxel en el espacio de Hough denota una línea / banda única en el EBSP. La transformada de Hough se utiliza para habilitar la detección de bandas, que son difíciles de localizar por computadora en el EBSP original. Una vez que se han detectado las ubicaciones de las bandas, es posible relacionar estas ubicaciones con la orientación del cristal subyacente, ya que los ángulos entre las bandas representan los ángulos entre los planos de celosía. Por tanto, cuando se conocen la posición / ángulos entre tres bandas, se puede determinar una solución de orientación. En materiales altamente simétricos, normalmente se utilizan más de tres bandas para obtener y verificar la medición de orientación.
Hay dos métodos principales de indexación realizados por la mayoría del software comercial de EBSD: votación por triplete; y minimizar el "ajuste" entre el patrón experimental y una orientación determinada computacionalmente. La profesora Valerie Randle [5] ha escrito una guía de mejores prácticas para la adquisición de datos fiables .
La votación de tripletes implica la identificación de múltiples 'tripletes' asociados con diferentes soluciones a la orientación del cristal; cada orientación de cristal determinada a partir de cada triplete recibe un voto. Si cuatro bandas identifican la misma orientación de cristal, se emitirán cuatro (cuatro eligen tres) votos para esa solución en particular. Por lo tanto, la orientación del candidato con el mayor número de votos será la solución más probable para la orientación cristalina subyacente presente. La proporción de votos para la solución elegida en comparación con el número total de votos describe la confianza en la solución subyacente. Se debe tener cuidado al interpretar este 'índice de confianza' ya que algunas orientaciones pseudo-simétricas pueden resultar en una baja confianza para una solución candidata frente a otra.
Minimizar el ajuste implica comenzar con todas las orientaciones posibles para un triplete. Se incluyen más bandas que reducen el número de orientaciones candidatas. A medida que aumenta el número de bandas, el número de posibles orientaciones converge finalmente en una solución. Se puede determinar el "ajuste" entre la orientación medida y el patrón capturado.
Centro de patrón
Para relacionar la orientación de un cristal, al igual que en la difracción de rayos X , se debe conocer la geometría del sistema. En particular, el centro del patrón, que describe tanto la distancia del volumen de interacción al detector como la ubicación del punto más cercano entre el fósforo y la muestra en la pantalla de fósforo. Los primeros trabajos utilizaron un solo cristal de orientación conocida que se insertaba en la cámara SEM y se sabía que una característica particular del EBSP correspondía al centro del patrón. Los desarrollos posteriores involucraron la explotación de varias relaciones geométricas entre la generación de un EBSP y la geometría de la cámara (proyección de sombras y movimiento de fósforo).
Desafortunadamente, cada uno de estos métodos es engorroso y puede ser propenso a errores sistemáticos para un operador general. Por lo general, no se pueden usar fácilmente en los SEM modernos con múltiples usos designados. Por lo tanto, la mayoría de los sistemas EBSD comerciales utilizan el algoritmo de indexación combinado con un movimiento iterativo tanto de la orientación del cristal como de la ubicación sugerida del centro del patrón. Minimizar el ajuste entre las bandas ubicadas dentro de los patrones experimentales y las de las tablas de consulta tiende a converger en la ubicación del centro del patrón con una precisión de ~ 0,5–1% del ancho del patrón.
Mapeo de orientación
EBSD se puede utilizar para encontrar la orientación del cristal del material ubicado dentro del volumen de interacción del haz de electrones incidente. Por lo tanto, al escanear el haz de electrones de una manera prescrita (típicamente en una cuadrícula cuadrada o hexagonal, corrigiendo el acortamiento de la imagen debido a la inclinación de la muestra) se obtienen muchos mapas microestructurales ricos.
Estos mapas pueden describir espacialmente la orientación del cristal del material que se está interrogando y pueden usarse para examinar la microtextura y la morfología de la muestra. Algunos de estos mapas describen la orientación del grano, el límite del grano, la calidad del patrón de difracción (imagen). Se pueden utilizar varias herramientas estadísticas para medir la desorientación promedio , el tamaño de grano y la textura cristalográfica. A partir de este conjunto de datos, se pueden generar numerosos mapas, gráficos y diagramas.
A partir de los datos de orientación, se puede crear una gran cantidad de información que ayude a comprender la microestructura de la muestra y el historial de procesamiento. Los desarrollos recientes incluyen la comprensión: la textura previa de las fases parentales a temperatura elevada; el almacenamiento y la deformación residual después de las pruebas mecánicas; la población de diversas características microestructurales, incluidos los precipitados y el carácter límite de grano.
Mapeo EBSD / EDS integrado
Cuando se puede lograr la recolección simultánea de EDS / EBSD, se pueden mejorar las capacidades de ambas técnicas. Hay aplicaciones en las que la química o fase de la muestra no se puede diferenciar mediante EDS solo debido a una composición similar; y la estructura no se puede resolver solo con EBSD debido a soluciones de estructura ambiguas. Para lograr el mapeo integrado, se escanea el área de análisis y en cada punto se almacenan los picos de Hough y los recuentos de regiones de interés de EDS. Las posiciones de las fases se determinan en mapas de rayos X y las intensidades de EDS medidas se dan en gráficos para cada elemento. Para cada fase, los rangos de intensidad química se establecen para seleccionar los granos. Todos los patrones se vuelven a indexar [ ¿quién? ] fuera de línea. La química registrada determina qué archivo de estructura de fase / cristal se utiliza para indexar cada punto. Cada patrón está indexado por una sola fase y se generan mapas que muestran fases claramente diferenciadas. Los volúmenes de interacción para EDS y EBSD son significativamente diferentes (del orden de micrómetros en comparación con decenas de nanómetros ) y la forma de estos volúmenes utilizando una muestra muy inclinada puede tener implicaciones en los algoritmos de discriminación de fase.
EBSD, cuando se utiliza junto con otras técnicas en SEM, como la catodoluminiscencia (CL), la espectroscopia de rayos X de dispersión de longitud de onda (WDS) y / o la espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDS), puede proporcionar una visión más profunda de las propiedades de la muestra. Por ejemplo, los minerales calcita ( piedra caliza ) y aragonito ( cáscara ) tienen la misma composición química: carbonato de calcio (CaCO 3 ), por lo tanto, EDS / WDS no puede distinguirlos, pero tienen diferentes estructuras microcristalinas para que EBSD pueda diferenciarlos.
Ver también
- Cristalografía
- Cristalografía electrónica
- Difracción
Referencias
- ^ Randle, Valerie; Engler, Olaf (2000). Introducción al análisis de texturas: macrotexturas, microtexturas y mapeo de orientación (Digital printing 2003 ed.). Boca Ratón: CRC Press . ISBN 978-9056992248.
- ^ Schwartz, AJ; Kumar, M .; Adams, BL; Field, DP (2000). Difracción por retrodispersión de electrones en ciencia de materiales . Nueva York: Kluwer Academic.
- ^ a b c Difracción por retrodispersión de electrones en ciencia de materiales (2ª ed.). Springer Science + Business Media. 2009. p. 1. ISBN 978-0-387-88135-5.
- ^ Wright, Stuart I .; Matthew, M. Nowell; David, P. Field. (2011). "Una revisión del análisis de deformación mediante difracción por retrodispersión de electrones". Microscopía y Microanálisis . 17. 17 (3): 316–329. Código bibliográfico : 2011MiMic..17..316W . doi : 10.1017 / S1431927611000055 . PMID 21418731 .
- ^ Randle, Valerie (1 de septiembre de 2009). "Difracción de retrodispersión de electrones: estrategias para la adquisición y el procesamiento de datos fiables". Caracterización de materiales . 60 (9): 913–922. doi : 10.1016 / j.matchar.2009.05.011 .