Las propiedades de los materiales funcionales dependen de sus parámetros 3D. Totalmente comprender sus propiedades y mejorar sus funciones, es importante analizar su morfología y distribución de productos químicos en 3D. Tomografía de electrones1 (ET) es una de las mejores técnicas para proporcionar esta información a la escala nanométrica2,3. Consiste en rotar la muestra sobre un amplio rango angular y grabar una imagen a cada paso angular. La serie de inclinación obtenida se utiliza para reconstruir el volumen de la muestra mediante el uso de algoritmos matemáticos basados en el radón transforma4,5. Selección de niveles de grises en el volumen de ayuda a la muestra en 3D del modelo y cuantificar parámetros 3D como partícula localización6 y tamaño distribución7, poro de posición y de distribución de tamaño8, etc.
En general, ET se realiza con un microscopio electrónico por la inclinación de la muestra que el máximo ángulo posible, preferiblemente más de 70° en cualquier dirección. En cada ángulo de inclinación, una proyección de la muestra se registra formando una serie de imágenes tilt. Que serie de inclinación es alineada y utilizada para reconstruir el volumen de la muestra que será segmentado y cuantificado. Porque la muestra no puede girarse de-90 ° a + 90 °, el volumen reconstruido tiene una resolución anisotrópica a lo largo de los ejes ortogonales9 debido al ángulo de grabación oculto.
ET se puede realizar en diferentes modos de imagen. El modo TEM de campo claro (BF-TEM) se utiliza para el estudio de materiales amorfos, muestras biológicas, polímeros o catalizador compatible con formas complejas. El análisis de imagen se basa en la diferenciación de los niveles de gris que la densidad de los componentes10 (un denso componente será más oscuro que un encendedor, es decir, componente menos denso). High-angle anular campo oscuro en modo TEM (vástago de HAADF) de exploración se utiliza para analizar las muestras cristalinas. La señal ofrece información química en función del número atómico; un fuerte componente de la muestra aparecerán más brillante que un encendedor uno9. Otros modos, como espectroscopia de energía dispersiva de rayos x (EDX), que recoge los rayos x emitido por el material11y energía filtrada imagen modo (EFTEM)12,13, también son capaces de evaluar la distribución de productos químicos 3D dentro de la muestra.
En proyección de imagen de EFTEM, los mapas 2D química pueden grabarse utilizando un TEM con un espectrómetro de energía del electrón. El espectrómetro actúa como un prisma magnético de dispersión de los electrones en función de su energía. Una imagen es creada por los electrones según la energía perdida de interactuar con un átomo específico. Si el mismo mapa 2D química se calcula en ángulos de inclinación diferentes, una serie de proyecciones químicas se obtiene, la inclinación que puede utilizarse para reconstruir el volumen 3D de química.
No todos los materiales pueden ser analizados por la tomografía EFTEM. La técnica está reservada para muestras con materiales débiles o desordenados. Sin embargo, puede ser utilizado para el análisis de elementos ligeros que son muy difíciles de diferenciar cuando se utiliza otras técnicas de imagen. Además, para obtener mapas química 2D confiables, el espesor del material debe ser menor que la trayectoria libre media de los electrones a través de los materiales14. Bajo esta condición, es mayor la probabilidad de tener un solo electrón interactuando con un solo átomo. Se utilizan dos métodos para calcular un mapa 2D química. El primero y el más utilizado es el "tres ventanas", donde se registran dos ventanas de energía filtrada antes del borde de ionización del elemento bajo análisis y una tercera después de la ionización borde13. Las dos primeras imágenes se utilizan para estimar el fondo, que es extrapolar usando una ley de potencia en la posición de la tercera ventana y restar de él. La imagen obtenida es la proyección de la distribución 3D de elemento químico analizada en el volumen de muestra. El segundo método se llama la "relación de salto;" utiliza sólo dos imágenes filtradas por energía, uno antes y otro después del borde de la ionización. Este método es cualitativo, ya que la imagen final se calcula solamente realizando el cociente entre las dos imágenes, no da cuenta de la variación de energía de fondo.
Mediante la combinación de EFTEM con ET, puede obtenerse la tomografía analítica de la energía filtrada. EFTEM tomografía y tomografía de atómica sonda (APT) son técnicas complementarias. En comparación con el APT, EFTEM la tomografía es un análisis de caracterización no destructiva que no necesita preparación de la muestra compleja. Puede ser utilizado para realizar caracterizaciones diferentes en una nanopartícula única. Tomografía EFTEM puede analizar materiales de aislamiento, mientras que APT necesita la ayuda de laser por lo menos para medirlas. APT se ejecuta en la escala atómica, mientras que la tomografía EFTEM realiza adecuadamente con una resolución menor. Tomografía EFTEM es pertinente sólo para las muestras que resisten la degradación de la viga durante el experimento. Para grabar todas las imágenes filtradas en todos los ángulos inclinados, la muestra puede estar expuesta al haz de electrones durante el tiempo de 2 h. Por otra parte, para grabar una señal química máxima en los mapas 2D, más duración de la exposición en viga de alta intensidad puede ser necesario. En tales condiciones, las muestras sensibles de la viga sufren drásticos cambios morfológicos y químicos. Por lo tanto, una medición precisa de la sensibilidad de la muestra para el haz de electrones debe ser establecida antes del experimento. Además, la tomografía EFTEM es el resultado de la grabación los tomogramas tantas como sea necesario para determinar la ubicación espacial y la naturaleza de los elementos químicos que están presentes en la muestra. Sin embargo, la tomografía EFTEM puede proporcionar información importante sobre la distribución de productos químicos 3D para muestras, tales como apoyos de catalizador, para dar nuevas ideas para modelar sus aplicaciones catalíticas.
Hoy en día es posible utilizar un software dedicado que puede seleccionar el intervalo de energía, registro filtrado imágenes de la ventana de energía y calcular el producto químico mapas en ángulos de inclinación diferentes. Permiten inclinar la muestra, seguimiento, enfoque y grabación de la imagen filtrada en modo EFTEM. Los mapas 2D química se pueden calcular y entonces la serie de inclinación puede estar alineada, el volumen química computado usando algoritmos iterativos, y finalmente la serie puede ser segmentado y cuantificados15,16.