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El "estudio STEM" vuelve a dirigir aquí. Para las investigaciones que involucran células madre, consulte Investigación con células madre .
Esquema del modo STEM
Un STEM de ultra alto vacío equipado con un corrector de aberraciones esféricas de tercer orden
Dentro del corrector de aberraciones ( tipo hexapolar - hexapolar)

Un microscopio electrónico de transmisión de barrido ( STEM ) es un tipo de microscopio electrónico de transmisión (TEM). La pronunciación es [stɛm] o [ɛsti: i: ɛm]. Al igual que con un microscopio electrónico de transmisión convencional (CTEM), las imágenes están formadas por electrones que pasan a través de una muestra suficientemente delgada. Sin embargo, a diferencia de CTEM, en STEM el haz de electrones se enfoca en un punto fino (con el tamaño de punto típico de 0.05 - 0.2 nm) que luego se escanea sobre la muestra en un sistema de iluminación de trama construido para que la muestra se ilumine en cada punto con el haz paralelo al eje óptico. La trama del haz a través de la muestra hace que STEM sea adecuado para técnicas analíticas como el contraste Zimágenes anulares de campo oscuro y mapeo espectroscópico mediante espectroscopía de rayos X de dispersión de energía (EDX) o espectroscopía de pérdida de energía de electrones (EELS). Estas señales se pueden obtener simultáneamente, lo que permite la correlación directa de imágenes y datos espectroscópicos.

Un STEM típico es un microscopio electrónico de transmisión convencional equipado con bobinas de barrido adicionales , detectores y circuitos necesarios, lo que le permite cambiar entre operar como STEM o CTEM; sin embargo, también se fabrican STEM dedicados.

Los microscopios electrónicos de transmisión de barrido de alta resolución requieren entornos de sala excepcionalmente estables. Para obtener imágenes de resolución atómica en STEM, el nivel de vibración , las fluctuaciones de temperatura, las ondas electromagnéticas y las ondas acústicas deben estar limitadas en la sala donde se encuentra el microscopio. [1]

Historia [ editar ]

Esquema de un STEM con corrector de aberraciones

En 1925, Louis de Broglie teorizó por primera vez las propiedades ondulantes de un electrón, con una longitud de onda sustancialmente más pequeña que la luz visible. [2] Esto permitiría el uso de electrones para obtener imágenes de objetos mucho más pequeños que el límite de difracción anterior establecido por la luz visible. El primer STEM fue construido en 1938 por el barón Manfred von Ardenne , [3] [4] trabajando en Berlín para Siemens . Sin embargo, en ese momento los resultados eran inferiores a los de la microscopía electrónica de transmisión, y von Ardenne solo pasó dos años trabajando en el problema. El microscopio fue destruido en un ataque aéreo en 1944, y von Ardenne no volvió a su trabajo después de la Segunda Guerra Mundial. [5]

La técnica no se desarrolló más hasta la década de 1970, cuando Albert Crewe de la Universidad de Chicago desarrolló la pistola de emisión de campo [6] y agregó una lente de objetivo de alta calidad para crear un STEM moderno. Demostró la capacidad de obtener imágenes de átomos utilizando un detector de campo oscuro anular. Crewe y sus colaboradores de la Universidad de Chicago desarrollaron la fuente de electrones de emisión de campo frío y construyeron un STEM capaz de visualizar átomos pesados ​​individuales en sustratos de carbono delgados. [7]

A finales de la década de 1980 y principios de la de 1990, las mejoras en la tecnología STEM permitieron obtener imágenes de muestras con una resolución superior a 2 Å, lo que significa que la estructura atómica se podía obtener en algunos materiales. [8]

Corrección de aberraciones [ editar ]

La adición de un corrector de aberraciones a los STEM permite que las sondas de electrones se enfoquen a diámetros inferiores a ångström , lo que permite adquirir imágenes con una resolución inferior a ångström . Esto ha hecho posible identificar columnas atómicas individuales con una claridad sin precedentes. STEM con corrección de aberraciones se demostró con una resolución de 1,9 Å en 1997 [9] y poco después en 2000 con una resolución de aproximadamente 1,36 Å. [10] Desde entonces, se han desarrollado STEM avanzados con corrección de aberraciones con una resolución inferior a 50 pm. [11] STEM con corrección de aberraciones proporciona la resolución adicional y la corriente de haz críticas para la implementación del mapeo espectroscópico químico y elemental de resolución atómica.

Aplicaciones [ editar ]

Los microscopios electrónicos de transmisión de barrido se utilizan para caracterizar la estructura a escala nanométrica y atómica de las muestras, lo que proporciona información importante sobre las propiedades y el comportamiento de los materiales y las células biológicas.

Ciencia de los materiales [ editar ]

La microscopía electrónica de transmisión de barrido se ha aplicado para caracterizar la estructura de una amplia gama de muestras de materiales, incluidas células solares, [12] dispositivos semiconductores , [13] óxidos complejos, [14] baterías, [15] pilas de combustible , [16] catalizadores. , [17] y materiales 2D . [18]

Biología [ editar ]

La primera aplicación de STEM para la obtención de imágenes de moléculas biológicas se demostró en 1971. [19] La ventaja de la obtención de imágenes STEM de muestras biológicas es el alto contraste de las imágenes anulares de campo oscuro, que pueden permitir la obtención de imágenes de muestras biológicas sin necesidad de tinción. . STEM se ha utilizado ampliamente para resolver una serie de problemas estructurales en biología molecular. [20] [21] [22]

Detectores STEM y modos de imagen [ editar ]

Campo oscuro anular [ editar ]

Imágenes de resolución atómica de SrTiO 3 , utilizando detectores de campo oscuro anular (ADF) y campo brillante anular (ABF). Superposición: estroncio (verde), titanio (gris) y oxígeno (rojo).
Artículo principal: Imágenes anulares de campo oscuro

En el modo de campo oscuro anular, las imágenes están formadas por electrones dispersos que inciden en un detector anular, que se encuentra fuera de la trayectoria del haz transmitido directamente. Mediante el uso de un detector ADF de ángulo alto, es posible formar imágenes de resolución atómica donde el contraste de una columna atómica está directamente relacionado con el número atómico (imagen de contraste Z). [23] Las imágenes de contraste Z directamente interpretables hacen que las imágenes STEM con un detector de ángulo alto sea una técnica atractiva en contraste con la microscopía electrónica de alta resolución convencional , en la que los efectos de contraste de fase significan que las imágenes de resolución atómica deben compararse con simulaciones para ayudar a la interpretación.

Campo brillante [ editar ]

En STEM, los detectores de campo brillante se encuentran en el camino del haz de electrones transmitido. Los detectores axiales de campo brillante están ubicados en el centro del cono de iluminación del haz transmitido y, a menudo, se utilizan para proporcionar imágenes complementarias a las obtenidas por imágenes ADF. [24] Los detectores anulares de campo brillante, ubicados dentro del cono de iluminación del haz transmitido, se han utilizado para obtener imágenes de resolución atómica en las que las columnas atómicas de elementos ligeros como el oxígeno son visibles. [25]

Contraste de fase diferencial [ editar ]

Esquema de imágenes de contraste de fase diferencial, con el haz siendo desviado por un campo magnético en el material.

El contraste de fase diferencial (DPC) es un modo de imagen que depende de que el haz sea desviado por campos electromagnéticos. En el caso clásico, los electrones rápidos en el haz de electrones son desviados por la fuerza de Lorentz , como se muestra esquemáticamente para un campo magnético en la figura de la izquierda. El electrón rápido con carga −1 e que pasa a través de un campo eléctrico E y un campo magnético B experimenta una fuerza F :

Para un campo magnético, esto se puede expresar como la cantidad de deflexión del haz experimentada por el electrón, β L : [26]

donde es la longitud de onda del electrón, la constante de Planck y la inducción magnética integrada a lo largo de la trayectoria del electrón. Este último término se reduce a cuando el haz de electrones es perpendicular a una muestra de espesor con inducción magnética de magnitud constante en el plano . La desviación del haz se puede visualizar en un detector segmentado o pixelado. [26] Esto se puede utilizar para obtener imágenes de campos magnéticos [26] [27] y eléctricos [28] en materiales. Mientras que el mecanismo de desviación del rayo a través de la fuerza de Lorentzes la forma más intuitiva de entender el DPC, es necesario un enfoque mecánico cuántico para comprender el cambio de fase generado por los campos electromagnéticos a través del efecto Aharonov-Bohm . [26]

Imágenes STEM-DPC de Fe 60 Al 40 , donde la estructura en espiral es ferromagnética y la región circundante no es magnética.

La obtención de imágenes de la mayoría de los materiales ferromagnéticos requiere que la corriente en la lente del objetivo del STEM se reduzca a casi cero. Esto se debe a que la muestra reside dentro del campo magnético de la lente del objetivo, que puede ser de varios Tesla , lo que para la mayoría de los materiales ferromagnéticos destruiría cualquier estructura de dominio magnético. [29] Sin embargo, apagar la lente objetivo casi aumenta drásticamente la cantidad de aberraciones en la sonda STEM, lo que lleva a un aumento en el tamaño de la sonda y una reducción en la resolución. Mediante el uso de un corrector de aberraciones de la sonda  es posible obtener una resolución de 1 nm. [30]

Detectores universales (4D STEM) [ editar ]

Recientemente, se han desarrollado detectores para STEM que pueden registrar un patrón de difracción de electrones de haz convergente completo de todos los electrones dispersos y no dispersos en cada píxel en un escaneo de la muestra en un gran conjunto de datos de cuatro dimensiones (un patrón de difracción 2D registrado en cada sonda 2D posición). [31] Debido a la naturaleza tetradimensional de los conjuntos de datos, el término "4D STEM" se ha convertido en un nombre común para esta técnica. [32] [33] Los conjuntos de datos 4D generados con la técnica se pueden analizar para reconstruir imágenes equivalentes a las de cualquier geometría de detector convencional, y se pueden utilizar para mapear campos en la muestra con alta resolución espacial, incluida información sobre deformaciones y campos eléctricos. . [34]La técnica también se puede utilizar para realizar una picografía .

Espectroscopia en STEM [ editar ]

Espectroscopia de pérdida de energía electrónica [ editar ]

A medida que el haz de electrones atraviesa la muestra, algunos electrones del haz pierden energía a través de interacciones de dispersión inelástica con los electrones de la muestra. En la espectroscopia de pérdida de energía de electrones (EELS), la energía perdida por los electrones en el haz se mide utilizando un espectrómetro de electrones, lo que permite identificar características como plasmones y bordes de ionización elemental. La resolución de energía en EELS es suficiente para permitir que se observe la estructura fina de los bordes de ionización, lo que significa que EELS se puede utilizar para mapeo químico, así como para mapeo elemental. [35] En STEM, EELS se puede utilizar para mapear espectroscópicamente una muestra a resolución atómica. [36]Los monocromadores desarrollados recientemente pueden alcanzar una resolución de energía de ~ 10 meV en EELS, lo que permite adquirir espectros vibracionales en STEM. [37]

Espectroscopia de rayos X de dispersión de energía [ editar ]

En la espectroscopia de rayos X de energía dispersiva (EDX) o (EDXS), que también se conoce en la literatura como espectroscopia dispersiva de energía de rayos X (EDS) o (XEDS), se utiliza un espectrómetro de rayos X para detectar la característica X -rayos que son emitidos por átomos en la muestra cuando son ionizados por electrones en el haz. En STEM, EDX se usa típicamente para análisis de composición y mapeo elemental de muestras. [38] Los detectores de rayos X típicos para microscopios electrónicos cubren solo un pequeño ángulo sólido, lo que hace que la detección de rayos X sea relativamente ineficaz, ya que los rayos X se emiten desde la muestra en todas direcciones. Sin embargo, recientemente se han desarrollado detectores que cubren grandes ángulos sólidos, [39] e incluso se ha logrado el mapeo de rayos X con resolución atómica.[40]

Difracción de electrones por haz convergente [ editar ]

La difracción de electrones de haz convergente (CBED) es una técnica STEM que proporciona información sobre la estructura cristalina en un punto específico de una muestra. En CBED, el ancho del área de donde se adquiere un patrón de difracción es igual al tamaño de la sonda utilizada, que puede ser menor que 1 Å en un STEM con corrección de aberración (ver arriba). CBED se diferencia de la difracción de electrones convencional en que los patrones CBED consisten en discos de difracción, en lugar de manchas. El ancho de los discos CBED está determinado por el ángulo de convergencia del haz de electrones. Otras características, como las líneas Kikuchi, a menudo son visibles en los patrones CBED. CBED se puede utilizar para determinar los grupos de puntos y espacios de una muestra. [41]

Microscopía electrónica de transmisión de barrido cuantitativo (QSTEM) [ editar ]

La microscopía electrónica ha acelerado la investigación en ciencia de materiales al cuantificar propiedades y características de imágenes de resolución nanométrica con STEM, que es crucial para observar y confirmar factores, como la deposición de películas delgadas, el crecimiento de cristales, la formación de estructuras superficiales y el movimiento de dislocaciones. Hasta hace poco, la mayoría de los trabajos han inferido las propiedades y comportamientos de los sistemas materiales basados ​​en estas imágenes sin poder establecer reglas rigurosas sobre lo que se observa exactamente. Las técnicas que han surgido como resultado del interés en la microscopía electrónica de transmisión de barrido cuantitativo (QSTEM) cierran esta brecha al permitir a los investigadores identificar y cuantificar características estructurales que solo son visibles utilizando imágenes de alta resolución en un STEM.Las técnicas de procesamiento de imágenes ampliamente disponibles se aplican a imágenes de campo oscuro anular de alto ángulo (HAADF) de columnas atómicas para ubicar con precisión sus posiciones y las constantes de celosía del material. Esta ideología se ha utilizado con éxito para cuantificar propiedades estructurales, como la deformación y el ángulo de unión, en interfaces y complejos de defectos. QSTEM permite a los investigadores ahora comparar los datos experimentales con simulaciones teóricas tanto cualitativa como cuantitativamente. Estudios recientes publicados han demostrado que QSTEM puede medir propiedades estructurales, como distancias interatómicas, distorsiones de celosía de defectos puntuales y ubicaciones de defectos dentro de una columna atómica, con alta precisión.QSTEM también se puede aplicar a patrones de difracción de área seleccionados y patrones de difracción de haz convergente para cuantificar el grado y los tipos de simetría presentes en una muestra. Dado que cualquier investigación de materiales requiere estudios de relación estructura-propiedad, esta técnica es aplicable a innumerables campos. Un estudio notable es el mapeo de las intensidades de las columnas atómicas y los ángulos de enlace interatómicos en un sistema mott-aislante.[42] Este fue el primer estudio que mostró que la transición del estado aislante al conductor se debió a una leve disminución global en la distorsión, que se concluyó mapeando los ángulos de enlace interatómicos en función de la concentración de dopante. Este efecto no es visible para el ojo humano en una imagen a escala atómica estándar habilitada por imágenes HAADF, por lo que este importante hallazgo solo fue posible gracias a la aplicación de QSTEM.

El análisis QSTEM se puede lograr utilizando software y lenguajes de programación comunes, como MatLab o Python, con la ayuda de cajas de herramientas y complementos que sirven para acelerar el proceso. Este es un análisis que se puede realizar prácticamente en cualquier lugar. En consecuencia, el mayor obstáculo es adquirir un microscopio electrónico de transmisión de barrido con corrección de aberraciones y alta resolución que pueda proporcionar las imágenes necesarias para proporcionar una cuantificación precisa de las propiedades estructurales a nivel atómico. La mayoría de los grupos de investigación universitarios, por ejemplo, requieren permiso para usar estos microscopios electrónicos de alta gama en las instalaciones de los laboratorios nacionales, lo que requiere un tiempo excesivo. Los desafíos universales implican principalmente acostumbrarse al lenguaje de programación deseado y escribir software que pueda abordar los problemas muy específicos de un sistema de materiales dado.Por ejemplo, uno puede imaginar cómo una técnica de análisis diferente, y por lo tanto un algoritmo de procesamiento de imágenes separado, es necesaria para estudiar estructuras monoclínicas cúbicas ideales versus complejas.

Otras técnicas STEM [ editar ]

Los portamuestras especializados o las modificaciones al microscopio pueden permitir la realización de una serie de técnicas adicionales en STEM. A continuación se describen algunos ejemplos.

Tomografía STEM [ editar ]

Artículo principal: tomografía electrónica

La tomografía STEM permite reconstruir la estructura tridimensional interna y externa completa de una muestra a partir de una serie de inclinación de imágenes de proyección 2D de la muestra adquirida en inclinaciones incrementales. [43] ADF STEM de ángulo alto es un modo de imagen particularmente útil para tomografía electrónica porque la intensidad de las imágenes ADF-STEM de ángulo alto varía solo con el espesor de masa proyectado de la muestra y el número atómico de átomos en la muestra. Esto produce reconstrucciones tridimensionales altamente interpretables. [44]

Cryo-STEM [ editar ]

La microscopía crioelectrónica en STEM (Cryo-STEM) permite que las muestras se mantengan en el microscopio a temperaturas de nitrógeno líquido o helio líquido. Esto es útil para obtener imágenes de muestras que serían volátiles en alto vacío a temperatura ambiente. Cryo-STEM se ha utilizado para estudiar muestras biológicas vitrificadas, [45] interfaces sólido-líquido vitrificadas en muestras de material, [46] y muestras que contienen azufre elemental, que es propenso a la sublimación en microscopios electrónicos a temperatura ambiente. [47]

STEM in situ / ambiental [ editar ]

Para estudiar las reacciones de partículas en ambientes gaseosos, un STEM puede modificarse con una cámara de muestra bombeada diferencialmente para permitir el flujo de gas alrededor de la muestra, mientras que se utiliza un soporte especializado para controlar la temperatura de reacción. [48] Alternativamente, se puede usar un soporte montado con una celda de flujo de gas cerrada. [49] Las nanopartículas y las células biológicas se han estudiado en entornos líquidos utilizando microscopía electrónica en fase líquida [50] en STEM, lo que se logra mediante el montaje de un recinto de microfluidos en el portamuestras. [51] [52] [53]

STEM de bajo voltaje [ editar ]

Un microscopio electrónico de bajo voltaje (LVEM) es un microscopio electrónico que está diseñado para funcionar a voltajes de aceleración de electrones relativamente bajos de entre 0,5 y 30 kV. Algunos LVEM pueden funcionar como SEM, TEM y STEM en un solo instrumento compacto. El uso de un voltaje de haz bajo aumenta el contraste de la imagen, lo cual es especialmente importante para las muestras biológicas. Este aumento de contraste reduce significativamente, o incluso elimina, la necesidad de teñir muestras biológicas. Son posibles resoluciones de unos pocos nm en los modos TEM, SEM y STEM. La baja energía del haz de electrones significa que los imanes permanentes se pueden usar como lentes y, por lo tanto, se puede usar una columna en miniatura que no requiere enfriamiento. [54] [55]

Ver también [ editar ]

  • Deposición inducida por haz de electrones
  • Microscopía electrónica de transmisión (TEM)
  • Microscopía electrónica de transmisión de energía filtrada (EFTEM)
  • Microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM)
  • Microscopía electrónica confocal de barrido (SCEM)
  • Microscopio electrónico de barrido (SEM)

Referencias [ editar ]

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