Cualquier muestra que se desee observar en el microscopio electrónico de transmisión debe ser lo suficientemente delgada para que el haz de electrones pase a través de la muestra sin tener grandes pérdidas de energía, es decir, que la muestra debe tener un grosor de 20 a 150 nm.
El trabajo realizado para la preparación de los zafiros es muy diferente a los tradicionales ya que el sustrato se prepara para microscopía electrónica de transmisión y después se realiza el depósito de lo que se quiere analizar, esto es lo que se conoce como vista planar. Lo tradicional en preparación de muestra, es el análisis que se conoce como sección transversal, donde primero se realiza el depósito sobre el sustrato y después se prepara la muestra para ser observada en microscopio electrónico de transmisión, la cual de preferencia se prepara de tal forma que se muestre la interfaz entre el sustrato y la película. La ventaja de que la muestra se prepare e inmediatamente se observe en el microscopio
inmediatamente será analizada y el trabajo habrá finalizado. Para el trabajo que se realizó durante este proyecto sí fue necesario que la muestra de zafiro quedara un poco rígida (no quedara muy débil), ya que debe soportar todo tipo de movimiento en el sistema Riber durante el depósito y la caracterización in-situ sin que se dañe (o se desprenda) la zona útil para la microscopía electrónica de transmisión.
El zafiro es uno de los materiales más difíciles en cuanto a la preparación para ser observado en el microscopio electrónico de transmisión debido a que es quebradizo y además es muy duro (las partículas de alúmina, como el zafiro, son utilizadas para pulir materiales en rutinas de preparación de muestra para microscopía electrónica de transmisión ya que son capaces de desgastar a cualquier otro material).
La preparación de los discos de zafiros fue una de las partes más cruciales en el desarrollo de este proyecto y afortunadamente se contó con la experiencia de Chengyu Song del Centro Nacional de Microscopía Electrónica de Estados Unidos (NCEM) en Berkeley California. Primero fue un curso de entrenamiento y después fue ayuda técnica en la preparación del zafiro. La rutina de preparación aprendida durante este entrenamiento se describe a continuación.
(b)
VIDRIO MUESTRA
PORTASUSTRATO
(a)
Figura 5: (a) portasustrato especial para adelgazamiento de zafiro y (b) instrumento de adelgazamiento de la muestra (precision dimpling instrument, South Bay Technology inc. Modelo 515)
170 µm, se pega en el centro de un vidrio (1 pulgada de diámetro), con resina de bajo punto de fusión, procurando dejar partículas de polvo entre la muestra de zafiro y el vidrio (esto con el fin de poder medir el grosor durante el proceso de adelgazamiento). Este vidrio es parte del portamuestra del sistema de adelgazamiento mecánico, el cual fue diseñado y construido especialmente para este tipo de trabajo ver figura 5(a)
Montado el portamuestra en el instrumento de adelgazamiento de muestra, ver figura 5(b), se procede a adelgazar la zona centro de la muestra, dicha zona es adelgazada hasta un grosor de 10 a 15 µm (ver figura 6), sin perforar la muestra. Esto se consigue con discos de bronce de 16 mm de diámetro que gira sobre la muestra raspándola mecánicamente y con abrasivos especiales (pasta de diamante).
120 mµ 10~15 mµ
Figura 6: Vista transversal de la muestra después de adelgazada con pulidor mecánico
El grosor de la muestra es monitoreado continuamente con la ayuda de un microscopio óptico (viendo por transmisión); el procedimiento es el siguiente: se enfocan las partículas dejadas intencionalmente debajo de la muestra del zafiro y después se enfocan las marcas dejadas por el disco de bronce en la parte superior de la muestra, se toma la distancia recorrida por la lente al enfocar la parte inferior y superior de la muestra y
muestra. Esta metodología se puede usar para cualquier tipo de muestra transparente.
Figura 7: Sistema de pulido iónico (precision ion polishing system)
Finalmente, se lleva la muestra a un sistema de pulido por erosión iónica (Precision Ion System 691 de la GATAN, ver figura 7). Este equipo consta básicamente de dos cañones de iones de argón que erosionan en la parte central de la muestra. Este proceso finaliza cuando podamos observar con ayuda de un microscopio óptico una pequeña perforación en la parte central de la muestra.
Terminado todo el proceso, se observa el orificio dejado por el haz de iones de argón en la muestra en un microscopio óptico por reflexión. Si alrededor del orificio se observan franjas de interferencia (ver figura 8), la muestra es considerada buena para microscopía electrónica de transmisión y si el orificio no presenta franjas de interferencia, entonces la muestra no es buena para microscopía electrónica de transmisión y todo el trabajo anterior
de transmisión).
FRANJAS DE INTERFERENCIA
(b)
Figura 8: Fotos de las franjas de interferencia observadas en un microscopio óptico por reflexión en el orificio de una muestra perforada con un haz de iones de argón, las franjas muestran la zona útil para microscopía electrónica de transmisión. (a) un orificio completo y (b) un orificio fracturado pero útil para la microscopía electrónica de transmisión.
En la figura 8 observamos las fotografías de las imágenes formadas en un microscopio óptico del orificio dejado por el haz de iones a dos muestras de zafiro diferentes. En la figura 8 (a) vemos un orificio en buen estado sin ninguna fractura y alrededor las franjas de interferencias. En la figura 8(b) observamos la foto de un orificio de una muestra que ya ha empezado a sufrir pequeñas fracturas pero, sin embargo, presenta las franjas de interferencia, lo que nos indica que sigue siendo útil para microscopía electrónica de transmisión; es decir, que no necesitamos tener el orificio en buen estado (completo) para tener una muestra útil para la microscopía electrónica de transmisión
Los zafiros circulares obtenidos comercialmente de 3 mm de diámetro y 170 µm de grosor tienen un costo de 800 dólares por docena, lo cual hace muy costoso estos experimentos. Una forma de reducir los gastos fue producir (en nuestro laboratorio) muchos zafiros circulares de 3 mm de diámetro a partir de una oblea de 2 pulgadas de diámetro; el procedimiento que se describirá a continuación (no reportado en la literatura) es muy sencillo y útil.
Se toma el zafiro de 2 pulgadas de diámetro y se corta con una punta de diamante en cuadros de menos de 5 mm de lado (no menos de 3 mm), los cuadrados que salgan no deben de ser perfectos. Se toman 6 cuadritos de zafiro y se pegan con resina en la cara superior en una barra de metal de 2.9 mm de diámetro (ver figura 9) y otros 6 en cara inferior de la barra metálica.
BARRA METÁLICA
CUADROS DE ZAFIRO PEGADOS CON RESINA
Figura 9: Cuadros de zafiro pegados sobre una barra metálica.
Cuando los cuadritos de zafiro se encuentren fuertemente pegados a la barra metálica, se acercan los zafiros (de lado) a un disco de diamante que se encuentre girando y se toca de canto, como se muestra en la figura 10. Para evitar el calentamiento se procura estar mojando el disco de diamante con agua al mismo tiempo de estar haciendo el desgaste de los zafiros. El calentamiento provoca el ablandamiento de la resina y por tanto el desprendimiento de los zafiros de la barra metálica.
La barra metálica debe estar paralela al disco de diamante hasta que el zafiro se encuentre a ras con la barra metálica, de tal forma que si se hace contacto con el disco de diamante tendrá otro ruido más fuerte (comparado con el ruido que hace el contacto del zafiro con el disco de diamante), esto es debido a que empiezan a hacer contacto los dos metales (la barra y el disco de diamante) y si este ruido fuerte se tiene para cualquier lado que toque la barra metálica con el disco de diamante (supuestamente se está girando la barra metálica), se podría decir que el proceso de redondeado a terminado. La otra opción es que se esté midiendo el zafiro hasta que tenga la medida y forma deseada. Todo este procedimiento se repite para la cara inferior de la barra metálica.
CUADROS DE ZAFIRO
Figura 10: Posición de la barra metálica con respecto al disco de diamante.
Cuando se finalice el redondeo se despegan los zafiros de la barra (con un poco de temperatura), después se lavan con acetona y se colocan en un orificio de 3 mm de diámetro para comprobar que se tiene el tamaño y forma deseada. Se lava bien con acetona en baño ultrasónico por 20 minutos (la acetona también deshace la resina utilizada para pegar los zafiros) y se puede iniciar todo el proceso de adelgazamiento descrito anteriormente.