Un equipo interdisciplinario de investigadores de la Universidad de Amberes (Bélgica) realizó con éxito estudios in situ con plasma generado dentro de un microscopio electrónico de barrido (SEM). Esta es la primera vez que se logran imágenes SEM en vivo mientras se trata la muestra con plasma. El estudio se publica en la revista Advanced Materials Technologies. .
Los plasmas, a menudo descritos como gases ionizados o del cuarto estado de la materia, tienen una amplia gama de aplicaciones. Por ejemplo, en la industria de los semiconductores, cumplen un papel fundamental en el proceso litográfico utilizado para fabricar chips de computadora.
También están ganando gran interés en aplicaciones de química verde, como el CO2. y CH4 conversión en productos químicos de valor añadido o combustibles renovables, N2 fijación para la producción de fertilizantes verdes, así como para aplicaciones biomédicas, como el tratamiento del cáncer, la curación de heridas o la desinfección. Además, los plasmas también son objeto de extensas investigaciones para obtener conocimientos más fundamentales.
Muchos de los procesos relevantes para las aplicaciones de plasma ocurren a nivel microscópico y su observación a menudo requiere imágenes de alta resolución más allá de las capacidades de un microscopio óptico convencional. Por lo tanto, en esta investigación se utilizó un microscopio electrónico de barrido (SEM).
Un microscopio de este tipo utiliza un haz enfocado de electrones de alta energía, que se explora a través de la superficie del material de interés. Al recopilar varias señales producidas por el haz de electrones y compilarlas píxel a píxel, se pueden generar imágenes muy ampliadas de la muestra, hasta el régimen nanométrico.
Para realizar estos estudios de plasma in situ en un SEM, fue necesario abordar varios desafíos. En primer lugar, los microscopios electrónicos suelen funcionar en condiciones de alto vacío para minimizar las interacciones de los electrones con las moléculas de gas.
Para crear la nube de gas necesaria para un plasma, se introdujo en la cámara del microscopio un tubo delgado con un orificio del tamaño de un micrómetro en el extremo para permitir un flujo de gas controlado hacia la muestra. El flujo de gas limitado fue suficiente para la operación de plasma local mientras se mantenía una presión baja en el resto del microscopio para la obtención de imágenes.
En segundo lugar, crear y sostener un plasma requiere un campo eléctrico fuerte que puede afectar los electrones necesarios para las imágenes microscópicas. Al optimizar el hardware y los parámetros de la configuración, el equipo minimizó la desviación del haz de electrones y garantizó una descarga de plasma estable, lo que permitió obtener imágenes en vivo durante la operación del plasma. De esta manera, se podría capturar una vista en tiempo real del tratamiento de una película de cobre, como se muestra en el vídeo de arriba/abajo.
Este importante logro sólo fue posible gracias al equipo interdisciplinario de investigadores que pudieron trabajar en este proyecto. Personas con experiencia en electrónica, microscopía electrónica y tecnología de plasma, supervisadas por el Prof. Jo Verbeeck (grupo de investigación EMAT) y la Prof. Annemie Bogaerts (grupo de investigación PLASMANT), unieron fuerzas para alcanzar este importante hito.
Como siguiente paso, el equipo pretende desarrollar aún más las capacidades analíticas del instrumento incorporando detectores adicionales más allá de las imágenes para la caracterización elemental y estructural en tiempo real, lo que podría conducir a nuevos conocimientos sobre la investigación de la ciencia de los materiales y los fundamentos de la física del plasma.
Más información: Lukas Grünewald et al, Estudios de plasma in situ utilizando un microplasma de corriente continua en un microscopio electrónico de barrido, Tecnologías de materiales avanzadas (2024). DOI:10.1002/admt.202301632
Proporcionado por la Universidad de Amberes
