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Sfruttare la potenza della catodoluminescenza in un SEM da banco

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Sfruttate la potenza della catodoluminescenza in un SEM da banco con il TM4000Plus di Hitachi. Scoprite come l'imaging CL può fornire preziose informazioni nella scienza dei materiali, nella geologia e nella farmaceutica.

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La tecnica della catodoluminescenza (CL) è comunemente utilizzata nella microscopia elettronica. Viene regolarmente applicata in una serie di studi geologici, che comprendono gli stati dei difetti e la datazione; nella scienza dei materiali per offrire informazioni sulle proprietà fotoniche dei semiconduttori, come le celle solari; e nel settore farmaceutico per esaminare la distribuzione dei principi attivi farmaceutici.

In questo articolo esploriamo come questo tipo di lavoro di CL possa essere intrapreso in modo rapido e semplice con il SEM da banco TM4000Plus di Hitachi.

Il CL è uno dei tanti processi che possono avvenire quando un fascio di elettroni energetici colpisce un campione. Più frequentemente, i SEM utilizzano segnali elettronici come gli elettroni secondari (SE) per l'imaging topografico e gli elettroni di retrodiffusione (BSE) per l'imaging della composizione.

Oltre a questi segnali elettronici, viene generato uno spettro di radiazioni elettromagnetiche. Tra queste vi sono i raggi X, utilizzati per l'analisi elementare (EDX/EDS). In alcuni materiali, possono essere emessi anche fotoni nelle lunghezze d'onda dell'infrarosso, del visibile e dell'UV. Questi fotoni possono contenere informazioni preziose su sottili variazioni di composizione, bandgap, legami chimici, struttura cristallina e difetti.

Convenzionalmente, l'imaging CL viene effettuato aggiungendo un rivelatore di fotoni dedicato a un SEM. Il rivelatore raccoglie fotoni anziché elettroni e può essere pancromatico (identifica un'ampia gamma di lunghezze d'onda) o monocromatico (identifica lunghezze d'onda specifiche a seconda delle necessità). Inoltre, può essere costituito da una semplice guida di luce e da un tubo fotomoltiplicatore posizionato verso il campione.

Per aumentare l'efficienza di raccolta, il rivelatore può anche essere costituito da uno specchio parabolico direttamente sopra il campione (collegato a un tubo fotomoltiplicatore o a uno spettrometro se è necessaria l'analisi spettrale della lunghezza d'onda dei fotoni).

L'Hitachi TM4000Plus, tuttavia, offre la possibilità di identificare il CL pancromatico senza alcuna regolazione. Ciò offre l'opportunità di effettuare un gran numero di indagini sul CL pancromatico in modo semplice ed efficace con uno strumento economico e facilmente reperibile.

Il TM4000Plus contiene un rivelatore di elettroni secondari a basso vuoto (denominato UVD) basato sulla tecnologia di raccolta della luce, il che significa che il rilevamento del CL può essere effettuato semplicemente premendo un pulsante. Il bias che viene normalmente applicato per migliorare il rilevamento degli elettroni secondari viene disattivato, il che significa che il rivelatore funziona come un rivelatore di fotoni, con il segnale degli elettroni secondari soppresso.

Poiché il TM40000Plus contiene anche un rivelatore di elettroni di retrodiffusione ad alte prestazioni e una capacità di gestione delle immagini a doppio canale, è possibile ottenere contemporaneamente informazioni sulla composizione e sul CL (come mostrato nell'esempio della Fig. 2). I set di dati possono essere più consistenti se si utilizza la funzionalità di mappatura elementare EDX (opzionale), il che significa che le informazioni chimiche qualitative e quantitative possono essere fornite tempestivamente.

Imaging CL della scienza dei materiali

Nella scienza dei materiali, l'imaging CL è una tecnica formidabile per aiutare la comprensione delle proprietà cristallografiche o dello stato di legame dei materiali. Nell'esempio seguente, è stato esaminato un campione multifase di TiO2. Nell'immagine elettronica di retrodiffusione (a sinistra) non viene rilevata alcuna variazione sostanziale del contrasto, a causa della mancanza di variazioni compositive nel campione.

Tuttavia, nell'immagine CL (a destra), sono evidenti regioni distinte. Queste si riferiscono alle fasi rutilo e anatasio del TiO2. Poiché il rivelatore CL del TM4000Plus è più sensibile nella gamma di lunghezze d'onda più corte, la fase anatasio appare luminosa, mentre la fase rutilo (dove i fotoni emessi hanno una lunghezza d'onda >500 nm) appare scura.

L'uso di questo metodo rapido e semplice evita la necessità di intraprendere studi separati di spettrofotometria o diffrazione e fornisce informazioni spazialmente risolte su scala sub-µm, non facilmente ottenibili con altre tecniche.

Imaging CL in campo farmaceutico

In un sistema di somministrazione di farmaci, come una semplice compressa, la corretta distribuzione dell'ingrediente farmaceutico attivo (API) è fondamentale. Le dimensioni delle particelle e la distribuzione dell'API devono essere controllate meticolosamente per garantire un assorbimento efficiente nell'organismo. Di seguito è riportato un esempio di sezione trasversale di una compressa commerciale di ibuprofene.

L'immagine elettronica secondaria (a sinistra) mostra la rugosità associata alla frattura della compressa. L'immagine elettronica di retrodiffusione (al centro) mostra il rivestimento enterico (resistente alla gastrite) che avvolge la compressa stessa. L'immagine CL (a destra), invece, mostra informazioni complete sulla distribuzione dell'API. Queste informazioni possono essere utilizzate sia per il controllo rapido del processo che per il controllo di qualità.

Imaging CL in geologia

Il CL è ampiamente utilizzato in geologia per esaminare le sottili variazioni nella formazione dei cristalli, che è meno probabile che vengano notate dall'imaging di elettroni secondari, dall'imaging di elettroni backscatter o dall'analisi a raggi X a dispersione di energia. Nell'esempio di sienite riportato di seguito, a causa della scarsa o nulla variazione compositiva, l'immagine BSE (al centro) non mostra alcuna variazione di luminosità all'interno del cristallo. L'immagine CL, invece, mostra una forte variazione di luminosità nel cristallo dovuta alla zonazione.

Un altro esempio di processo in cui la tecnica può essere facilmente applicata è il supporto alla datazione geologica degli zirconi. Le variazioni nei rapporti U-Th-Pb all'interno dei cristalli di zircone possono essere utilizzate per accertare la data di formazione del cristallo. La variazione minore del rapporto U-Th-Pb è inferiore a quella che può essere identificata in modo affidabile con tecniche chimiche al SEM come l'EDX. Il rapporto esatto degli elementi viene invece determinato con precisione dalla spettrometria di massa. Tuttavia, lo spettrometro di massa non è in grado di identificare rapidamente le aree di interesse da esaminare, il che rappresenta una sfida.

Pertanto, nel SEM, il CL può svolgere un ruolo potente nel determinare le aree di interesse per ulteriori analisi e può accelerare notevolmente il processo di datazione. La "zonazione" evidente nelle immagini CL degli zirconi fornisce un'indicazione di quali grani presentano le maggiori variazioni nei rapporti U-Th-Pb, guidando il geologo a intraprendere la spettrometria di massa sui cristalli più adatti.

Nell'esempio della Fig. 3 qui sotto, uno zircone fotografato al SEM convenzionale con il rivelatore CL dedicato (a destra) viene confrontato con le immagini CL dello stesso cristallo in TM4000Plus (a sinistra). Sono evidenti informazioni comparabili ed entrambi gli approcci offrono le informazioni necessarie per selezionare i migliori grani possibili per la successiva spettrometria di massa.

Conclusione

La capacità di imaging pancromatico può essere eseguita con successo in un SEM da banco Hitachi per aiutare la comprensione di un'ampia gamma di sistemi di materiali. La possibilità di sovrapporre i dati BSE e CL in un'unica immagine offre agli utenti una precisa correlazione di informazioni chimiche e cristallografiche o di legame, sia come studi a sé stanti che a supporto di ulteriori indagini come i successivi studi di spettrometria o diffrazione.

Questi strumenti richiedono un investimento minore in termini di capitale e di spazio in laboratorio, offrono un time-to-data più rapido e possono essere utilizzati senza grandi difficoltà da qualsiasi operatore, indipendentemente dalla precedente esperienza al microscopio elettronico. Ciò significa che offrono l'opportunità di applicare gli studi di CL in modo molto più ampio rispetto al passato. Ciò consente di rendere accessibile la potenza della CL in molti più laboratori rispetto al passato, anche per il controllo dei processi e della qualità, oltre che negli ambienti accademici.

Inoltre, i SEM da banco Hitachi offrono la capacità di intraprendere questo tipo di lavoro di CL senza alcuna regolazione o investimento hardware aggiuntivo. In combinazione con l'imaging di elettroni secondari (SE) e di elettroni a retrodiffusione (BSE), oltre all'analisi e alla mappatura degli elementi EDX, questo tipo di strumento rappresenta una potente aggiunta ai laboratori farmaceutici, ai laboratori di geoscienze e a un'ampia gamma di laboratori di scienze dei materiali.

Apparecchiature utilizzate

SEM da banco Hitachi TM4000Plus in configurazione standard.

Ringraziamenti

Si ringrazia il Dr. Eszter Badenszki, University College Dublin, School of Earth Sciences, per aver fornito gli zirconi e le immagini CL da includere in questo studio

Si ringrazia il Dr. Adam Jeffery, School of Geography, Geology and the Environment, Keele University per il campione di sienite