Visión de la micromorfología del ZnO

Magnificación de imágenes

Giovanni Marín

01/10/2018

Saludos mis estimados amigos de la comunidad científica #stem-espanol

Cuando estudiaba el quinto año de bachillerato me fui a la Óptica Leal en la ciudad de Valera y allí trabajaba mi prima de Optometrista, quien me realizó mi primer examen de agudeza visual y me dice "perfecto 20/20". Lo que entendí en ese momento fue la palabra "perfecto" y el 20/20 lo relacioné con la escala de puntuación del liceo que son en base a 20 puntos. Pasaron unos cuantos años cuando volví a escuchar esa relación y fue cuando me dediqué a buscar información, que según la Academia Americana de Oftalmología, esto se refiere a la agudeza de ver las letras de una cartilla estándar ubicada a 20 pies de distancia y que el promedio de personas la ve perfectamente a la distancia de 20 pies.

Este recuerdo me sirve de introducción al presente artículo "Visión de la micromorfología del ZnO", ya que nuestra agudeza visual "a simple vista" solamente me permite observar una capa de material de color blanco depositado sobre una lámina de vidrio. A estas alturas del partido no creo que conserve mis 20/20, que tampoco me permitirían observar los pequeños cristales del semiconductor óxido de zinc. Por esta razón, necesitamos utilizar una herramienta tecnológica más potente que nos permita afinar una visión a escala microscópica y ese equipo es un Scanning Electron Microscope (SEM) que viene estructurado con una serie de detectores de emisión de electrones que provienen de la muestra analizada.

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^{Microfotografía de una bolita (pellet) de Selenio. | @iamphysical}

Normalmente el SEM no trae consigo las muestras que puedan servir como "patrón" y casi siempre se hace el análisis cuantitativo sin patrón, pero el porcentaje de error es muy bajo por lo que se aceptan las proporciones obtenidas del análisis. Pues en nuestro caso, teníamos los elementos químicos de alta pureza 6N, que significa que se corresponde con el 99,9999% de que se trata del elemento químico en cuestión. En esta microfotografía les presento una bolita de Selenio, normalmente se le llama "pellet", la idea es que la pueden llamar como sea pero que todos entiendan de que se trata, y nos llamó la atención ver una de esas "pareidolias" en la superficie de esa muestra de Selenio.

Forma superficial del ZnO.

Ya está demostrado que la forma de los cristales depende fuertemente del espesor de la capa depositada, siendo de forma irregular y amorfa cuando el espesor está en escala nanométrica y a medida que aumenta hasta el micrómetro va tomando la forma de una flor. Aquí no estoy seguro si se trata de otra pareidolia, así que espero que mi estimado @psicoluigi aborde este punto y nos saque de dudas.

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^{Forma superficial del ZnO | @iamphysical y foto de un frailejón | Yuriel Lizcano}

¿Recuerdan mi comentario de la visión 20/20?, les pregunto porque es que ahora viene la explicación sobre una de las herramientas extraordinarias que tiene el SEM y que nos permite aumentar la imagen para observar con mayor detenimiento la superficie de la muestra analizada.

Magnificación de imágenes con el SEM.
El cañón de electrones que se produce en el SEM, pasa a través de un sistema óptico que controla de forma manual o automático las lentes electromagnéticas que proporcionan el enfoque y nitidez de la imagen formada en la pantalla del equipo. Aquí es importante estar claros que en la interacción del haz de electrones, que proviene del cañón, con la superficie de la muestra y hasta cierta profundidad, se van a emitir y absorber electrones que generarán ciertas señales que serán recolectadas con sensores especializados, dependiendo de la naturaleza, origen e intensidad de los mismos.

https://cdn.steemitimages.com/DQmSpgFQMCnrPN6FNGnwZvcHKmBDrDuDeqcUA99PZeaTH4d/image.png https://cdn.steemitimages.com/DQmT8uwWWWaztMKiEkjJkCV8QawpuEQnnSSanimsUsij2Yt/image.png https://cdn.steemitimages.com/DQmUA25XSNnvmGKWycX7eUE53wNAJH2Uhs53YMRbnPHqGVs/image.png https://cdn.steemitimages.com/DQmcyaZQeDamRBuUmmZjhdhUJpZrQiYNAvGsn51NJ1evEXZ/image.png https://cdn.steemitimages.com/DQmfCKH7etM2uDtX4YCKKtcPnk7kzomqhmQV6vKLF7juEKh/image.png https://cdn.steemitimages.com/DQmdYWphNMMpRxkbTNkJ3Cg15cGaYZuq4YgyYv8atJTQUTT/image.png https://cdn.steemitimages.com/DQmcsXU6eJvjn97F4XcrEUQm5JHCSpDoBU72yU9zuphgi9r/image.png ^{Microfotografías de cristales de ZnO a diferentes magnificaciones. | @iamphysical}

Aquí es importante aprender de memoria algunos TIPS que tienen que ver con la formación de la imagen y la magnificación de las mismas. Para esto necesito incluir la figura 11 del Trabajo Especial de Grado de Doctorado, la imagen no es de un dibujante experto, pero me sirvió para ilustrar la interacción del haz de electrones con la muestra.

https://cdn.steemitimages.com/DQmUbrusghBsoviwsZFv5VG1oB2kZrLYNb2vHaLfY8vMyd8/image.png ^{Tipos de radiaciones originadas en la interacción electrón-materia. | @iamphysical}

Las imágenes que observamos en la pantalla del SEM y que podemos obtener una versión impresa o de manera digital, se originan de las señales producidas por lo electrones secundarios (ES).
Los ES se originan superficialmente, como lo indico en la figura anterior, por lo que las variaciones en intensidad va presentando la imagen de la topografía y morfología de la superficie de la muestra.
La magnificación y la resolución siempre van de la mano, como se observa en la última figura de los cristales de ZnO, a mayor magnificación mayor es la resolución, pero se va perdiendo la nitidez de la imagen.
Para incrementar la magnificación solamente se debe seleccionar una área más pequeña, ya que el barrido en la pantalla es el mismo y lo que cambia es el área de enfoque del haz de electrones sobre la muestra.

Se puede observar que con una magnificación de 100x la marca de distancia corresponde con 500 micrómetros y a medida que se incrementa la magnificación podemos obtener mayores detalles superficiales (topográficos y morfológicos) hasta con una precisión de 1 micrómetro, esto es el corazón de la microscopía electrónica de barrido cuando se piensan desarrollar proyectos relacionados con la micro y nanotecnología.

Aportes de esta publicación.

Las herramientas tecnológicas están diseñadas para realizar un estudio más exhaustivo y especializado según los requerimientos que tenga el investigador, pero siempre les digo a las personas con las que trabajo: "Si el equipo hace un barrido de 0,25 eV hasta 6 eV, entonces no te limites a medir solamente en el rango cercano a 1,1 eV donde se espera obtener el valor de la brecha de energía!". La curiosidad por saber qué puede haber en todo el rango de energía es lo que tendremos como valor agregado a la investigación y la satisfacción de dar lo mejor de nosotros como investigador científico. En esta publicación pudimos observar una muestra de ZnO con una magnificación de 100x y paulatinamente lo incrementamos hasta 50.000x con una resolución menor a 1 micrómetro, para poder obtener una información más precisa sobre la forma superficial y topográfica de los cristales de ZnO.

Bibliografía y lecturas recomendadas:

Giovanni Marín. Tesis Doctorado: Crecimiento y caracterización de los compuestos con defectos ordenados de la familia Cu_III₃VI₅ y la influencia de los pares de defectos donor-aceptor sobre las propiedades eléctricas y ópticas en estos materiales. Universidad de Los Andes, Venezuela (2007).

○ El microscopio electrónico de barrido.
○ Microscopia electrónica: Barrido y Transmisión.
○ ¿Qué significa una visión 20/20?

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