Apresentação CEMUP

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Apresentação CEMUP

12-03-2010
SEMAT / UM
Implementação da técnica EBSD no CEMUP
Centro de Materiais da Universidade do Porto (CEMUP)
Rui Rocha
[email protected]
Resumo
1.
Introdução e Objectivos
2.
Fundamentos da técnica EBSD
(SEM: Radiações de interesse para EBSD; Padrões de Kikuchi)
3. Procedimentos experimentais
(Sistema EBSD do CEMUP; Condições experimentais; Preparação de amostras;
Calibração do sistema)
4. Métodos de análise
(Análise pontual da fase; Análise OIM)
5.
Limitações e Causas de erro
(Resolução espacial; Topografia da amostra; Composição química; Pseudosimetria; BD cristalografia)
6. Conclusões
2
1
12-03-2010
1. Introdução e Objectivos
Centro de Materiais da Universidade do Porto (CEMUP)
• Integrado na Rede Nacional de Microscopia Electrónica (RNME)
• Prestação de serviços à comunidade científica na área da caracterização
morfológica, microanalítica e microestrutural de materiais
• Instalação em 2007 de um novo SEM, que integra um sistema de microanálise por
raios-X do tipo EDS e um sistema de análise de padrões de difracção de electrões
rectrodifundidos (EBSD)
Abordagem ao EBSD
• Formação na técnica EBSD
• Implementação e sistematização de procedimentos experimentais
• Operacionalização do sistema EBSD da EDAX existente no CEMUP
Partilha da experiência adquirida
3
2. Fundamentos
Técnicas de difracção para caracterização de materiais
• Têm em comum a análise da interacção elástica entre radiação incidente e a
estrutura cristalina da materia
• Tipos de radiação utilizadas para estudos de difracção em materiais:
Radiação
Carga
Eléctrica
Gama de
Energias
Comprimentos
de onda
Raios-X
Não
1 a 25 keV
10 a 0.5 Å
Electrões
EBSD
Sim
0.1 a 30 keV
1.3 a 0.07 Å
TEM
Sim
100 a 500 keV
0.04 a 0.01 Å
0.1 a 10 meV
30 a 3 Å
Frios
Neutrões
Térmicos
Não
Quentes
Radiação de sincrotrão
Não
10 a 100 meV
3a1Å
100 a 1000 meV
1 a 0.3 Å
0.1 eV a 1.0 MeV
0.1mm a 0.01 Å
4
2
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2. Fundamentos: Orientações Cristalográficas e Desorientação
Sistema de referência da amostra
RD – Reference direction
TD – Transverse direction
ND – Normal direction
Ângulos de Euler (formalismo de Bunge)
5
Formalismo do Eixo/Ângulo
• Fundamentado no teorema de Euler para a rotação.
• Matriz de rotação associada:
2
2
R (dˆ , ω ) =  (1 − d 1 ) cos ω + d1

 d 1 d 2 (1 − cos ω ) − d 3 sin ω
 d1 d 3 (1 − cos ω ) + d 2 sin ω

d1 d 2 (1 − cos ω ) + d 3 sin ω
(1 − d ) cos ω + d
d 2 d 3 (1 − cos ω ) − d 1 sin ω
2
2
2
2
d1 d 3 (1 − cos ω ) − d 2 sin ω 

d 2 d 3 (1 − cos ω ) + d1 sin ω 
(1 − d 32 ) cos ω + d 32 
Vector de Rodrigues-Frank
• Rotação descrita por um vector, paralelo ao eixo de rotação usado no formalismo
Eixo/ângulo
• Norma do vector de Rodrigues-Frank caracteriza o ângulo de rotação:
r r
ω
R = d tan
2
6
3
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Figuras de Pólos
Figuras de Pólos Inversas
• Construção semelhante à figura de pólos, mas neste caso é representada uma
direcção do referencial da amostra no sistema de eixos do cristal.
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2. Fundamentos: SEM – Radiações de interesse para EBSD
• Utiliza um feixe de electrões como radiação incidente
• Da interacção entre os electrões do feixe incidente com o material resultam
radiações que permitem a caracterização da amostra:
Imagiologia (topografia, distribuição elementar)
Espectroscopia (composição química)
Difracção electrónica (estrutura cristalina)
8
4
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2. Fundamentos: SEM – Electrões Rectrodifundidos
• Coeficiente de rectrodifusão depende do número
atómico médio do material
η ER(Z)
0.6
0.5
0.4
• Imagens de electrões rectrodifundidos
0.3
0.2
• Direcção de rectrodifusão corresponde à direcção
especular relativamente à orientação feixe-amostra
• Interacção com a rede cristalina introduz perturbações
nas direcções de emergência EBSD
Incidência normal
η ER (θ ) = (1 + cos θ )−
0.1
9
Z
0
0
20
40
60
80
100
Z
Incidência segundo um ângulo α
9
2. Fundamentos: Difracção de Electrões RectroDifundidos (EBSD)
• EBSD é uma técnica complementar do SEM
• Fonte de radiação primária: feixe de electrões
do SEM
• Da interacção elástica electrões-amostra
resultam padrões nos ângulos de emergência
dos ER
• Análise dos padrões adquiridos permite
caracterizar as simetrias associadas à estrutura
cristalina
• Análise pontual permite caracterizar
• Estrutura cristalina
• Orientação local do cristal
• Análise extensiva (OIM)
• Permite obter informações estruturais
(grãos, fronteiras de grão, texturas)
10
5
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2. Fundamentos: EBSD – Padrões de Kikuchi
• Comprimento de onda de de Broglie associado aos electrões
h
λe =

eV 

2m0 eV 1 +
2 
 2 m0 c 
• Lei de Bragg para a difracção
nλ = 2d .senθ
11
Padrão de Kikuchi obtido numa amostra de aço
(Fe,Ni,Cr)
12
6
12-03-2010
• Padrões: elementos de simetria e orientação
Bandas
Planos cristalográficos
Ângulos entre
bandas
Orientação relativa entre planos
cristalográficos
(ângulos entre planos
cristalográficos)
Largura das bandas
Distâncias interplanares
Pólos
Intercepção das bandas Orientação
Contraste do
padrão
Factor de estrutura dos planos
Posição absoluta do
padrão
Orientação absoluta no sistema
EBSD
13
2. Fundamentos: EBSD – Processamento do Padrões de Kikuchi
Transformada de Hough (Transformada de Radon)
ρ = xi . cos θ + yi . sin θ
14
7
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Resumo
1.
2.
5.
6. Conclusões
15
3. Proc. experimentais: Sistema EBSD existente no CEMUP
Detector
FSD
Inclinação da amostra (θ
θ)
70º
Elevação da câmara EBSD (δ
δ)
10º
Distância de trabalho (WD)
10mm
Distância amostra-detector EBSD (Z)
aprx.
30mm
16
8
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3. Proc. experimentais: Condições experimentais
• SEM: Tensão de aceleração e Corrente do feixe electrónico
• Câmara EBSD: Tempo de exposição, Ganho, “Binning”
• Processamento
• Subtracção do fundo
• Suavização (“Averaging”)
Sem correcção do fundo
Exposição de 0.45s
Som correcção do fundo
Com correcção do fundo
17
3. Proc. experimentais: Imagens com detector FSD
Detector
FSD
Melhor posição para captura de padrões ≠ Melhor posição para imagem FSD
18
9
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Imagem IR do interior do sistema
Afastamento: 0.0 mm
Imagem com detector FSD
19
Afastamento: 0.5 mm
20
10
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Afastamento: 1.0 mm
21
Afastamento: 1.5 mm
22
11
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Afastamento: 2.5 mm
23
Afastamento: 3.5 mm
24
12
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Afastamento: 4.5 mm
25
Afastamento: 5.5 mm
26
13
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0.0 mm
0.5 mm
1.0 mm
1.5 mm
2.5 mm
3.5 mm
4.5 mm
5.5 mm
Sequência de imagens obtidas com detector FSD
27
Procedimentos experimentais: Calibração do EBSD
Determinação do centro do padrão (PC) na câmara
Método convencional
• Utiliza amostra de referência: monocristalina,
estrutura cristalina e orientação conhecidas.
• Desvantagem: possíveis erros na colocação da
amostra!
Método do movimento do detector
• Compara padrões obtidos com diferentes posições do
detector: ponto PC é o único invariante.
• Pode ser usado com qualquer amostra, mesmo sem
conhecer a sua estrutura cristalina.
Método EDAX TSL
• Operador indica posição provável do ponto PC.
• Sistema faz um ajuste fino baseado nas posições dos pólos dos padrão.
• Exige conhecimento da estrutura cristalina da amostra.
28
14
12-03-2010
3. Proc. experimentais: Preparação de amostras
Obtenção de superfície plana preservando a sua estrutura cristalina
• Preparação mecânica
• Fractura ou clivagem
• Polimento mecânico
Acabamento final de superfícies
• Polimento químico
• Polimento electrolítico
• Polimento iónico
29
SiC #320
Diam 9µm
OP
OP--S
SiC #1200
Diam 1µm
Diam 1µm
Imagens de SEM obtidas nas fases de desbaste e polimento de uma amostra de Cu
30
15
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Adaptação de sistema IBD para Polimento Iónico
31
Adaptação de sistema IBD para Polimento Iónico
32
16
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33
Imagens topográficas (AFM) da superfície de uma amostra de Cu
Superfície de Cu após polimento em
suspensão de sílica coloidal (50 nm)
Superfície da mesma amostra após 30
min de polimento iónico
34
17
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3. Proc. experimentais: Montagem das amostras
Montagem das amostras
D = 12.5mm
D = 25mm
Suportes pré-inclinados
- Capacidade: 2 amostras
- Pré-inclinação: 70º
- Inclui gaiola de Faraday
- Altura: 64 mm
- Capacidade: 1 amostra
- Pré-inclinação: 45º
- Altura: 31 mm
35
3. Proc. experimentais: Suportes Pré-inclinados
Imagens do sistema com suportes pré-inclinados
Utilização de suportes pré-inclinados:
• Melhora a operacionalidade do sistema
• Reduz a amplitude de movimentos do stage
• Diminui o risco de danificar elementos no interior da câmara
36
18
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3. Proc. experimentais: Suportes Pré-inclinados
Imagem do sistema sem suporte pré-inclinado
• Suporte sem pré-inclinação permite o movimento de rotação da amostra
37
Resumo
1.
2.
5.
6. Conclusões
38
19
12-03-2010
Métodos de análise: Identificação pontual da fase
Método de análise pontual referenciada a uma imagem de SEM
Ajuste das Condições
Experimentais
(SEM)
Identificação da
Composição química
(EDS)
Captura e Indexação
dos Padrões EBSD
(EBSD)
• Determinação da composição química (EDS)
• Caracterização pontual da estrutura cristalina
Fase
cristalina
• Determinação dos parâmetros de rede
• Determinação da orientação do cristal no referencial da amostra
39
40
20
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P1
P2
41
Ponto P1
Composição química1
Sistema
Ponto P2
Cu0.64Zn0.36
cristalográfico2
Cúbico
Bravais2
Cúbica de faces centradas
Rede de
Grupo de simetria
espacial2
Parâmetro de rede3
Parâmetro de
F m -3 m
3.32 Å
rede2
3.66 Å
3.696 Å
Orientação3
Referencial da amostra
Âng. Euler: (ϕ
ϕ1, Φ, ϕ2)
180.8º, 151.1º, 230.3º
335.5º, 127.8º, 333.3º
1
Obtido por EDS e confirmado pela base de dados
Retirado da base de dados
3 Obtido por EBSD
2
42
21
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Métodos de análise: Orientation Imaging Microscopy (OIM)
Aquisição massiva de dados de forma automática
• Aquisição e indexação automática numa área extensa de análise
• Permite caracterização de propriedades estruturais do material (microestrutura)
• Tipos de varrimento: “Beam scan” ou “Stage Scan”
• Possibilidade de re-indexação posterior
43
OIM: Resultados experimentais
Grãos
Fracção de
área
Fases
OIM
Nº de vizinhos
Fracção de
área
Nº de fases
vizinhas
Morfologia
Orientações
Relações entre
vizinhos
(Desorientação)
Desorientação
Intragranular
Intra-grão
Fronteiras
de Grão
Extensão
Fragmentação
Extensão de
fronteiras
Deformações
na Rede
Tensões
44
22
12-03-2010
OIM: Análise e Apresentação de resultados
Caracterização de Grãos de Fronteiras de Grão
Mapa de grão obtido para uma amostra de latão.
45
Mapa de grão identificado por cor (AT=5º), com perfil de desorientação relativa no interior
do grão assinalado no canto inferior direito
46
23
12-03-2010
Mapa de grão obtido para uma amostra de latão.
47
OIM: Caracterização de Grãos e Fronteiras de grão
Amostra de Al laminado - EDAX
Imagem dos grãos codificados por cor.
Distribuição de orientações medidas em
relação à horizontal da imagem (esq) e no
sentido dos ponteiros do relógio.
48
24
12-03-2010
Distribuição da desorientação média entre
pontos pertencentes ao mesmo grão.
49
Distribuição de forma dos grãos (eixo
menor/eixo maior).
50
25
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Amostra de Latão
Realce dos pontos da imagem com desorientação codificada em escala de cor (0º azul até 15º
a vermelho).
51
OIM: Caracterização de Texturas
Amostra de Latão
Figuras de pólos discreta (esq.) e contínua (dir.) para a direcção cristalográfica <111>, numa
amostra de Al produzido por laminagem
52
26
12-03-2010
Resumo
1.
2.
5.
6. Conclusões
53
Resolução espacial
• Padrão EBSD resulta dos ER emitidos no volume útil
de emissão
• Dimensão e forma do volume útil de emissão varia
com a tensão de aceleração
• A existência de mais do que uma estrutura cristalina
no volume útil de emissão origina sobreposição de
padrões (necessário desconvoluir)
• Resolução da ordem de 50 nm
54
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12-03-2010
Topografia da amostra
• Efeitos de sombra provocados
pela topografia da amostra.
Composição química (EDS)
• Por EDS não são detectados os elementos H, He, Li, e é pouco sensível ao Be, B
e N.
• Nas condições experimentais típicas de EBSD (amostra inclinada) a análise EDS
é menos rigorosa.
• Dificuldade de obter a composição química com rigor.
Pseudo-simetria dos padrões
• Erros na distinção de simetrias de rotação de ordem n com simetrias de ordem 2n
• Parâmetros de rede próximos entre estruturas semelhantes (p. ex. tetragonal e
ortorrômbico) podem resultar em padrões indistinguíveis.
55
Bases de Dados de cristalografia para EBSD
• Geralmente adaptadas da difracção de raios-X
• Ineficazes para materiais novos (situação frequente em investigação!)
Base de Dados
Número de fases
ICDD
(versão PDF4+/2009)
Área
291 440
(International Center for
Diffraction Data)
Geral
186 107
(versão PDF2/2006)
ICSD
(International Crystal
Structure Database)
AMCS
(American Mineralogist
Crystal Structure Database)
EDAX TSL
89 064
(versão de 2006)
Geral
13 900
Mineralogia
302
Geral
56
28
12-03-2010
Bibliografia
A. Schwartz, M. Kumar, B. Adams, “Electron Backscatter Diffraction in
Materials Science”, Kluwer Academic/Plenum Publishers (2000)
A. Schwartz, M. Kumar, B. Adams, “Electron Backscatter
Diffraction in Materials Science”, 2nd Ed, Springer (2009)
O. Engler, V. Randle, “Introduction to Texture
Analysis: Macrotexture, Microtexture and Orientation
Mapping”, 2nd Ed, CRC Press, Taylor & Francis
Group (2009)
57
Conclusão
Caracterização de materiais por EBSD
• Está associada ao Microscópio Electrónico de Varrimento
• Adequa-se ao estudo de praticamente todos os materiais compatíveis com SEM
• Permite caracterizar a fase (composição + estrutura cristalina) e orientação
relativamente à amostra
• Elevada resolução espacial de 50nm, mas pouco rigor na determinação de
parâmetros de rede
Operacionalização do sistema EDAX (CEMUP)
• Foi feita uma revisão dos fundamentos considerados necessários e suficientes
para a compreensão da técnica, assim como da análise e interpretação dos
resultados.
• Testaram-se os principais métodos de preparação de amostras para EBSD
• Foram revistos os modos de operação do equipamento, e sistematizados os
procedimentos de análise EBSD.
58
29

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