Aula Microscopia

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TÉCNICAS DE † Microscopia CARACTERIZAÇ CARACTERIZAÇÃO DE MATERIAIS MATERIAIS R Estereomicroscopia R Microscopia de luz transmitida R Microscopia de luz refletida † Microscopia TÉCNICAS DE MICROSCOPIA óptica de feixe de elétrons R MEV - Microscopia eletrônica de varredura R MET - Microscopia eletrônica de transmissão † Estereologia (microscopia quantitativa) por Prof. Dr. Henrique Kahn Evolução da microscopia Comparação entre as técnicas de microscopia Característica Microscopia óptica Tensão de aceleração (kV) − Microscopia eletrônica de varredura 3 a 50 Faixa útil de aumentos 1 a 3.000 X 10 a 50.000 X 1.000 a 300000 1.000.000 X Resolução (Å) 3.000 Å 30 Å 3Å 1Å Profundidade de foco com 1000 X 0,1 µm 100 µm Densidade máxima de discordâncias 3 medida (cm/cm ) 10 (cavidades de corrosão) 10 (cavidades de corrosão) MICROSCOPIA ÓPTICA APLICAÇ APLICAÇÕES 5 6 Microscopia eletrônica de transmissão 50 a 1000 Microscopia de campo iônico 10 5 a 15 10 µm − 12 − (lamina fina) ESTEREOMICROSCOPIA † Visão esté estéreo (3D); † Identificaç Identificação de fases cristalinas; † Aumentos 4 a 200 vezes (usual 10 a 100X); † Quantificaç Quantificação de fases; † † Composiç Composição de fases; Distinç Distinção de fases por meio de caracterí características morfoló morfológicas: † Formas de intercrescimento e associaç associações. R cor, transparência, brilho; R hábito; R clivagem, partiç partição e fratura; R luminescência UV. 1 ESTEREOMICROSCÓ ESTEREOMICROSCÓPIO ESTEREOMICROSCOPIA DISTINÇ DISTINÇÃO DE FASES zoom 3 a12 X Iluminaç Iluminação: incidente; transmitida zircão Rutilo turmalina granada Zircão MICROSCOPIA DE POLARIZAÇ POLARIZAÇÃO POR LUZ TRANSMITIDA † Aumentos 20 a 1.000 vezes; † Recursos de polarizaç polarização de luz; † Distinç Distinção de fases por meio de: R caracterí características morfoló morfológicas; R propriedades ópticas. CALCITA – CaCO3 Como explicar a formaç formação de uma dupla imagem? 2 MICROSCOPIO DE POLARIZAÇ POLARIZAÇÃO POR LUZ TRANSMITIDA MICROSCOPIO DE POLARIZAÇ POLARIZAÇÃO POR LUZ TRANSMITIDA oculares lente de Bertrand analisador/compensador objetivas intensidade de iluminação polarizador / diafragma e condensador liga/desliga controle de foco MICROSCOPIO DE POLARIZAÇ POLARIZAÇÃO POR LUZ TRANSMITIDA analisador / compensador REFRAÇ REFRAÇÃO DA LUZ † objetivas Comportamento dos minerais transparentes e semiopacos em relação à luz • isó isótropos (um índice de refração); • anisó anisótropos (dois ou três índices de refração, respectivamente, uniaxiais e biaxiais). platina giratória condensador z polarizador x diafragma Indicatriz isótropa y Indicatriz uniaxial Indicatriz biaxial controle de foco ÍNDICE DE REFRAÇ REFRAÇÃO LINHA DE BECKE PROPRIEDADES ÓPTICAS - RELEVO Relação entre o índice de refração do mineral e do meio no qual este está imerso: A - baixo † Tênue linha da luz na borda dos minerais que se movimenta ao se desfocar o microscópio. B - alto Índice do mineral > meio 3 ÍNDICE DE REFRAÇ REFRAÇÃO LINHA DE BECKE LUZ POLARIZADA Tênue linha da luz na borda dos minerais que se movimenta ao se desfocar o microscópio. † † Oscilaç Oscilação somente em uma direç direção. Índice do mineral < meio MINERAIS ISÓ ISÓTROPOS MINERAIS ANISÓ ANISÓTROPOS Sistema cúbico; † Outros sistema cristalinos que nâo o cúbico; † Apresentam um único índice de refração; † Apresentam dois ou três índices de refração; † São isótropos em relação à luz: † São anisótropos em relação à luz: † R sob nicóis cruzados (polarizador e analisador) estão sempre extintos (não visíveis) ao giro da platina PLEOCROÍ PLEOCROÍSMO † R Pleocroismo (coloridos); R Extinção; R Elongação (hábito prismático); R Figuras de interferência. INTERFERÊNCIA DE LUZ Minerais coloridos apresentando duas cores distintas, cada qual concordante com um índice de refração. Observação em nicóis paralelos - só polarizador Atraso = (n1 - n2) . d = birrefringência (∆ ) 4 Tabela de cores de interferência EXTINÇ EXTINÇÃO Observação em nicóis cruzados - polarizador e analisador a 90º EXTINÇ EXTINÇÃO † EXTINÇ EXTINÇÃO Reta ou paralela Observação em nicóis cruzados - polarizador e analisador a 90º EXTINÇ EXTINÇÃO † Inclinada z zΛc c † Simétrica Observação em nicóis cruzados - polarizador e analisador a 90º MICROSCOPIA DE POLARIZAÇ POLARIZAÇÃO POR LUZ REFLETIDA † Aumentos 20 a 1.000 vezes; † Recursos de polarizaç polarização de luz; † Distinç Distinção de fases por meio de: R caracterí características morfoló morfológicas; R propriedades fí físicas; R propriedades ópticas; pticas; R propriedades quí químicas. micas. Observação em nicóis cruzados - polarizador e analisador a 90º 5 MICROSCOPIO DE POLARIZAÇ POLARIZAÇÃO POR LUZ REFLETIDA PREPARAÇ PREPARAÇÃO DA SEÇ SEÇÃO Corte da amostra; Montagem da seção em resina; † Desbaste: † † Amostra ortogonal à incidência da luz R R † manual em lixa d’água e/ou carborundum; mecanizado em discos especiais; Polimento: tecidos especiais com alumina ou diamante como abrasivos; R disco de chumbo com alumina; R † Tipos de seções: R R Corte da Amostra † polida - luz refletida; delgada/polida - luz transmitida e refletida. DESBASTE Discos diamantados † Manual Corte para seção delgada Polimento - Logitech † Tecidos especiais † Disco de chumbo † Discos especiais Tipos de Seç Seções † Polida † Delgada polida 6 DISTINÇ DISTINÇÃO DE FASES † Caracterí Características morfoló morfológicas: R R † pirita hábito; clivagem, partiç partição e fratura; Propriedades ópticas: cor de reflexão; isotropia / anisotropia; R birreflectância; birreflectância; R refletividade (relativa ou absoluta); R reflexão interna; R calcopirita R † esfalerita pirrotita Outras propriedades fí físicas: dureza ao risco (relativa) R dureza Vickers (absoluta); galena R † Propriedades quí químicas † miné minério de Cu,Pb (Zn) ISOTROPIA / ANISOTROPIA bornita calcopirita † Sob nicóis cruzados (polarizador e analisador a cerca de 87-88º) observar se ocorre mudança de cor ao giro da platina do microscópio: † R não há mudança de cor ⇒ isótropo; tropo R há mudança de cor ⇒ anisó anisótropo. tropo. miné ção) minério de cobre (exsolu (exsoluç ão) BIRREFLECTÂNCIA † Sob nicóis paralelos (só polarizador) observar se ocorre mudança na cor de reflexão do mineral ao giro da platina do microscópio: R há mudança de cor ⇒ birreflectância. birreflectância. Obs.: Birreflectância corresponde a fenômeno equivalente a dicroí dicroísmo / pleocroí pleocroísmo em microscopia de polarização † hematita (nic óis cruzados) (nicó sob luz transmitida. 7 REFLETIVIDADE molibdenita R birreflectância R geminação † Diferenças na intensidade de luz refletida pelos minerais sob nicóis paralelos (só polarizador); † Pode ser avaliada: R qualitativamente; R quantitativamente (célula fotoelétrica). MEDIDA DE REFLETIVIDADE REFLEXÃO INTERNA † Comparação com padrões⇒ calibraç calibração; ão; † Aumento elevado † Luz policromática ou monocromática; † Nicóis cruzados † Medida em ar ou imersão em óleo. R R ( obj >20X); (polarizador e analisador); Fenômeno de múltiplas reflexões internas DUREZA AO RISCO - Escala Talmage A - Argentita; Argentita; DUREZA VICKERS † Medida da deformaç deformação causada em um B - Galena; mineral por uma pirâmide invertida de C - Calcopirita; diamante,sobre a qual é aplicada uma certa D - Tetraedita; Tetraedita; E - Nicolita; Nicolita; F - Magnetita; G - Ilmenita carga (0,1 a 500 g) D.V. = 1854,4 . P d2 (kg / mm2) , onde: P = peso (g) d = diâmetro médio da identação (≈ 20 medidas) 8 Refletividade Média (%) DUREZA VICKERS DUREZA VICKERS X REFLETIVIDADE Escala e marcas de identação Durimet Microdureza Vickers (média) MEV – MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA MEV ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ MEV e EDS/WDS † Aumentos 20 a 50.000 vezes; † Elevada profundidade de campo; † Interaç Interação elé elétrons - amostra; † Aná Análises quí químicas pontuais (EDS / WDS). Geraç Geração do feixe de elé elétrons A coluna do MEV gera um fino feixe de elétrons; Um sistema de deflexão controla o aumento da imagem; Interação entre os elétrons e a amostra; Detetores de elétrons coletam o sinal; A imagem é visualizada em um monitor simultaneamente a varredura do feixe de elétrons; 9 Coluna e lentes eletromagné eletromagnéticas Mecanismo de varredura INTERAÇ INTERAÇÃO ELÉ ELÉTRONS AMOSTRA Profundidade das informaç informações geradas 1 a 5 µm ‡ Fornecem informaç informações sobre a composiç composição, topografia, cristalografia, potencial elé elétrico e campos magné magnéticos locais. ELÉ ELÉTRONS RETRORETRO-ESPALHADOS ELÉ ELÉTRONS RETRORETRO-ESPALHADOS ‡ Compreende espalhamento elástico de elétrons cuja trajetória foi desviada em mais de 90° em relação à direção do feixe incidente. Mostram estreita relação de dependência com o número atômico e a energia dos elétrons (50 eV até valores correspondentes a energia do feixe incidente). ‡ Permitem a individualização de fases através de contraste de tons de cinza em função do número atômico médio (Z) - diferenças Z > 0,2. 10 ELÉ ELÉTRONS RETRORETRO-ESPALHADOS ELÉ ELÉTRONS SECUNDÁ SECUNDÁRIOS ‡ Compreendem os elétrons da camada de valência perdidos que emergem através da superfície da amostra; ‡ Englobam todos os elétrons de energia inferior a 50 eV; ‡ Possibilitam a visualização da topografia da BSE Ouro primário, Salamangone, AP amostra, com elevada profundidade de foco. SE DETETOR DE ELÉ ELÉTRONS SECUNDÁ SECUNDÁRIOS diatomácea ELÉ ELÉTRONS SECUNDÁ SECUNDÁRIOS SE CATODOLUMINESCÊNCIA ‡ O bombardeamento da amostra por um feixe de elétrons pode dar origem a emissão de fótons de comprimento de onda elevados, situados nas regiões do espectro eletromagnético referentes às radiações ultravioleta, visível e infravermelho. Este fenômeno, bem evidente em alguns minerais (fluorita, apatita, etc), é denominado de catodoluminescência. catodoluminescência pernilongo 11 CATODOLUMINESCÊNCIA RAIOS X ‡ O espectro de raios X resultante da interaç interação elé elétrons / amostra é constituí constituído por dois componentes distintos: P Raios X caracterí característico, stico, que permite identificar e quantificar os elementos presentes, P zircão Raios X contí contínuo, nuo, responsá responsável pelo “background” background” em todos os ní níveis de energia. K LINHAS DE L M EMISSÃO ATÔMICA ESPECTRÔMETROS DE RAIOS X RAIOS X CONTÍ CONTÍNUO ESPECTRÔMETRO DE RAIOS - X POR DISPERSÃO DE ENERGIA (EDS) ‡ o espectrômetro de dispersão de energia (EDS); EDS); ‡ espectrômetro de dispersão de comprimento de onda (WDS). WDS). ‡ discriminação de todo o espectro de energia através de um detector de estado sólido de Si(Li) ou Ge. 12 ETR, Barra de Itapirapuã ESPECTRÔMETRO DE RAIOS - X Fase Clara - Bastnaesita Ce La Nd outros ETR Sr Y Th Ca C O F Bastnaesita - 31,1 - 23,3 - 3,35 - 1,67 - 1.95 - 0,21 - 1,36 - 0,91 - 5,59 - 22,3 - 8,50 Parisita 26,5 19,9 3,80 1,90 1,22 0,71 0,72 8,11 6,42 25,7 7,39 Ln2O3 CaO - 69,9 - 1,27 61,8 11,4 Fase Escura - Parisita EDS ESPECTRÔMETRO DE RAIOS X POR DISPERSÃO DE COMPRIMENTO DE ONDA (WDS) ESPECTRÔMETRO DE RAIOS X ‡ cristais analisadores e difração (nλ = 2 d sen θ) são empregados para a discriminação dos raios-X segundo o comprimento de onda da radiação (monocromador). ESPECTRÔMETRO DE RAIOS X : WDS WDS ESPECTRÔMETRO DE RAIOSRAIOS-X : WDS † Cristais analisadores 13 COMPARAÇ COMPARAÇÃO ENTRE EDS e WDS Espectro por EDS Características WDS - cristais analisadores EDS - Si(Li) ou Ge Número atômico z≥4 Intervalo espectral resolução do espectrômetro (1 elemento por vez) Resolução dependente do cristal espectral (≈ 5 a 10 eV) limite de deteção ≈ 0,01 % Contagem máxima 100.000 cps para uma linha característica diâmetro usual ≈ 200 nm (2000 Å) mínimo do feixe tempo por análise 5 a 30 minutos (depende do nº de elementos) Espectro por WDS (escala log) Fosfato de Tapira, MG COMPARAÇ COMPARAÇÃO ENTRE EDS e WDS Ca, P; Si; Fe z ≥ 4 (janela ultrafina) todo o intervalo disponível 0-20 keV (multi-elementar) 132 a 145 eV detetor de Si 111 a 115 eV detetor de Ge ≈ 0,1% depende da resolução 2.000 a 100.000 cps para todo o espectro (Ge ≈ 4 X Si) ≈ 5 nm (50 Å) 1 a 3 minutos MET – MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE TRANSMISSÃO † Estudo de defeitos cristalinos: R discordâncias R defeitos de empilhamento. † Estudo de defeitos de empilhamento; † Estudos de nanométricos. precipitados muito finos - Ca, P; Fe MET MET – Preparaç Preparação de amostras Espessura máxima transmissível a 100 kV Elemento Número atômico Densidade (g/cm³) Espessura máxima (Å) Carbono 6 2,26 >5000 Alumínio 13 2,70 5000 Cobre 29 8,96 2000 Prata 47 10,50 1500 Ouro 79 19,30 1000 Efeito do aumento da tensão de aceleração - base 100 kV Diferença de potencial (kV) Fator de multiplicação 100 200 300 500 1000 1 1,6 2,0 2,5 3,0 14 MET – Preparaç Preparação de amostras Amostras de lâminas finas do pró próprio material • Preparação de lâminas finas de metais e ligas: • corte de lâminas de 0,8 a 1,0 mm de espessura • polimento mecânico até 0,10-0,20 mm de espessura MET – Preparaç Preparação de amostras • Réplicas da superfí superfície da amostra ("negativo" da superfície observando-se o contraste relativo às variações de espessura): • de plástico: solução diluída de plástico em um solvente volátil Espessura máxima transmissível a 100 kV formando um filme; • polimento eletrolítico final. • Preparação lâminas finas de polímeros e outros materiais • de carbono: este material é evaporado na superfície da amostra. Esta técnica pode ser utilizada também para arrancar partículas de orgânicos: precipitados da amostra, a chamada réplica de extração; • microtomia, onde uma navalha corta películas finas e com espessura controlada; • de óxido: usada principalmente para ligas de alumínio, o filme de óxido é obtido por anodização de uma superfície previamente • ultramicrotomia - material resfriado em nitrogênio líquido. polida eletroliticamente. MET - FORMAÇ FORMAÇÃO DE IMAGEM † Sólidos amorfos MET - FORMAÇ FORMAÇÃO DE IMAGEM † Sólidos cristalinos contraste em só sólidos amorfos com variaç variação de densidade região B é mais densa que a região A MET - FIGURAS DE DIFRAÇ DIFRAÇÃO MET - DIFRAÇ DIFRAÇÃO DE ELÉ ELÉTRONS † Ferro alfa, com as manchas ou pontos indexados 15 ESTEREOLOGIA OU MICROSCOPIA QUANTITATIVA ESTEREOLOGIA † ESTEREOLOGIA Estudo das relaç relações entre estruturas ou feiç feições tridimensionais de uma amostra e seus parâmetros de medida em imagens bidimensionais 3D ESTEREOLOGIA † PARÂMETROS 2D Seç Seções aleató aleatórias de esferas de diâmetro d Proporç Proporções volumé volumétricas Aná Análise modal † As proporções volumétricas são determinadas DE INTERESSE: R Dimensões de feições; R Forma de feições; R Proporções volumétricas; R Associações minerais: O Grau de liberação; O Textura e orientação; ANÁ ANÁLISE DE IMAGENS através de medidas de áreas, linhas ou pontos a partir de seções não orientadas, ou material particulado previamente classificado em estreitas faixas granulométricas. Vv = Aa = Ll = Pp Princí Princípio da Estereologia † Avaliaç Avaliação quantitativa de feiç feições geomé geométricas expostas em imagens bidimensionais 16 ANÁ ANÁLISE DE IMAGENS † Imagens digitais: pixel profundidade (bites por pixel) resolução (500 a 3000 pixels) SEQÜ SEQÜÊNCIA DE OPERAÇ OPERAÇÕES † aquisição da imagem (MO ou MEV); † armazenamento da imagem; † processamento de imagem; † detecção das feições de interesse; † processamento de imagem binária; † medidas; † apresentação de resultados. 17