Lente de Fresnel. Nanopatterning realizado por ZEISS Crossbeam

Aplicaciones de microscopía para la ciencia de los materiales

Nanomateriales y nanotecnología

Explore las propiedades de los nanomateriales con soluciones de microscopía avanzadas

La innovación en nanotecnología está impulsada por una mayor demanda de dispositivos más baratos y rápidos. Para satisfacer esta demanda, la investigación en semiconductores, materiales de baja dimensionalidad, películas delgadas, fotónica y micro y nanofluídica, cada vez es más compleja. En otras palabras, existe una tendencia constante a hacer avanzar las nanociencias para que la tecnología pueda avanzar más allá de sus capacidades actuales.

Pero la investigación en nanomateriales está limitada por las herramientas de microscopía disponibles. Las herramientas adecuadas le pueden ayudar a obtener información crítica sobre sus muestras con facilidad y, cuanto más compleja sea su muestra o su investigación, más estrictos serán sus requisitos analíticos. Si su microscopio no puede mantenerse a la altura de las necesidades de su investigación, entonces usted y su proyecto quedarán rezagados.

Más información sobre las soluciones de ZEISS Microscopy y cómo pueden ayudarle

Investigación en semiconductores y electrónica

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Materiales con baja dimensionalidad

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Películas delgadas

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Fotónica

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Micro y nanofluídica

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¿Quién usó el término «nanotecnología» por primera vez?

En 1974 el científico japonés Norio Taniguchi usó el término «nanotecnología» para describir la fabricación precisa de materiales a escala nanométrica. Sin embargo, el concepto fue propuesto por primera vez por el físico Richard Feynman en 1959. En su conferencia «There's Plenty of Room at the Bottom», habló sobre la posibilidad de manipular directamente átomos individuales como una forma de fabricación, pero sin usar el término «nanotecnología».

Visión general de los nanomateriales como un espacio de parámetros de material en 4D. 0D: puntos cuánticos, fullerenos; 1D: nanotubos de carbono, nanocuernos; 2D: capas, grafeno; 3D: matrices.

¿Qué son los nanomateriales y cómo están hechos?

Los nanomateriales tienen al menos una dimensión que mide 100 nanómetros o menos. Estos poseen propiedades únicas, como una mayor resistencia, reactividad química o sensibilidad lumínica en comparación con sus homólogos a mayor escala.

Las dos técnicas principales para crear nanomateriales son el top-down (descendente) y el bottom-up (ascendente):

El top-down es un método sustractivo con el que materiales a granel de gran tamaño se reducen a materiales de escala nanométrica con métodos físicos o químicos p. ej. el fresado, el grabado o la descomposición térmica. En la industria de los semiconductores, se utilizan métodos como la litografía para esculpir componentes a escala nanométrica.
La técnica bottom-up implica juntar átomos para obtener materiales de escala nanométrica. Las reacciones químicas o procesos de reagrupación automática utilizan moléculas diseñadas para formar de manera espontánea la estructura deseada. Es habitual emplear métodos como la deposición química de vapor (CVD), la deposición de capas atómicas (ALD) y el crecimiento epitaxial por haces moleculares (MBE).

El tipo requerido de nanomaterial y su uso previsto determinan la selección del método. La técnica bottom-up se utiliza mayoritariamente en la administración de fármacos, mientras que la técnica top-down es habitual en el sector de la electrónica y los semiconductores.

¿Cuál es la diferencia entre nanociencia y nanotecnología?

La nanociencia y la nanotecnología, aunque están relacionadas, son dos campos distintos que se centran en investigar y aplicar objetos extremadamente pequeños.

La nanociencia se centra principalmente en comprender las propiedades y el comportamiento de los materiales a escala nanométrica, y su objetivo es estudiar fenómenos únicos como los efectos mecánicos cuánticos y nuevas propiedades eléctricas, ópticas y mecánicas de materiales.
La nanotecnología aprovecha estos conocimientos para diseñar, sintetizar y caracterizar dispositivos y crear tecnologías para una gran variedad de aplicaciones.

La opinión de nuestros clientes Dr. Claus Burkhardt Director de Microscopía electrónica y ciencias aplicadas, NMI Reutlingen

«¿Qué haría si pudiera detectar momentos magnéticos tan pequeños como 1 magnetón de Bohr? Podría observar cómo se voltea un espín electrónico individual. Y eso es lo que estamos intentando hacer con nanoSQUIDs, dispositivos de interferencia cuántica superconductores. Incorporan un anillo intersectado por uniones de Josephson. Cuentan con barreras de túneles aislantes ultrafinas de aprox. 1 nm de grosor. Podemos fabricar SQUIDs con un ZEISS Orion Nanofab. Como las uniones son pequeñas, se necesita un TEM en muestras ultrafinas. Así se puede investigar con más detalle el daño en el cristal. La preparación específica del sitio, esencial para la reubicación de las regiones de interés, solo se puede hacer con un FIB-SEM. Para lograr resolución atómica, son fundamentales muestras de alta calidad lo más finas posibles».

Prepare una laminilla de TEM e investigue nanoSQUIDS

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Descubra en este vídeo cómo el flujo de trabajo de preparación de laminillas TEM de ZEISS Crossbeam permite a Benedikt Müller, de la Universidad de Tubinga, y a Claus Burkhardt, de NMI Reutlingen, investigar la estructura cristalina de NanoSQUIDS.

Los nanomateriales tienen propiedades únicas y significativamente distintas en comparación con sus homólogos a granel debido a su elevada relación superficie-volumen y a sus efectos cuánticos. Estas propiedades se pueden clasificar en propiedades físicas, químicas, mecánicas, magnéticas, ópticas y biológicas. Estos son más reactivos en catalizadores; extremadamente resistentes; presentan superparamagnetismo que resulta muy útil para soportes de almacenamiento magnético o biosensores; los puntos cuánticos dispersan la luz de manera distinta a escala nanométrica; interactúan de manera única con los sistemas biológicos, lo que los convierte en materiales valiosos para la administración de fármacos o la captura de imágenes.

Estas propiedades se pueden ajustar o controlar alterando el tamaño, la forma y la composición de los nanomateriales. Como resultado, los nanomateriales se pueden emplear en una gran variedad de campos como la medicina, la electrónica, los biomateriales, la producción de energía y la protección medioambiental.
Si bien la nanociencia y la nanotecnología son muy prometedoras para innovar y mejorar en muchos campos, también suponen riesgos potenciales y desafíos. Estos se dividen básicamente en tres categorías: riesgos para la salud y el medioambiente, problemas éticos y sociales, y el panorama normativo. Es importante señalar que la comunidad científica está investigando de manera activa estos riesgos y desafíos potenciales. El objetivo es comprenderlos y mitigarlos para garantizar que las ventajas de la nanotecnología se puedan aprovechar de forma segura y responsable.
La microscopía desempeña un papel crucial en la nanociencia, puesto que brinda la oportunidad de observar, caracterizar y manipular directamente materiales a escala nanométrica. Las técnicas como SEM, TEM y AFM ofrecen información sobre las estructuras atómicas y moleculares de nanomateriales, y revelan sus propiedades y comportamientos únicos, que son fundamentales para avanzar en la investigación y la aplicación de la nanotecnología.
Se utiliza una gran variedad de instrumentos para sintetizar, manipular y analizar materiales a escala nanométrica. Estos son algunos de los instrumentos clave:

El microscopio electrónico de barrido (SEM) permite visualizar con grandes aumentos y con una alta resolución.
Microscopio electrónico de transmisión (TEM): los TEM ofrecen una resolución aún mayor que los SEM y proporcionan información detallada sobre la estructura interna de los nanomateriales.
La microscopía de sonda de barrido (SPM) incluye la microscopía de fuerza atómica (AFM) y la microscopía de barrido de efecto túnel (STM), que pueden captar imágenes de superficies a nivel atómico y se pueden emplear también para manipular átomos o moléculas individuales. La AFM proporciona perfiles de superficie tridimensionales y mide la fuerza entre una punta de sonda afilada y la superficie de la muestra.
Difracción de rayos X (XRD): la XRD analiza la estructura de cristales.
Las técnicas de espectroscopia como la espectroscopia fotoelectrónica de rayos X (XPS), la espectroscopia de rayos X por dispersión de energía (EDX) y la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) pueden proporcionar información sobre la composición química y la estructura electrónica de los nanomateriales. La espectroscopia Raman se utiliza para observar modos vibracionales, rotacionales y otros modos de baja frecuencia, y proporciona una huella estructural en la que las moléculas se pueden identificar.
Sí, algunas técnicas de microscopía, como la espectroscopia de rayos X por dispersión de energía (EDX) junto con SEM o TEM, pueden proporcionar información detallada sobre la composición química de los nanomateriales. Estas técnicas permiten un análisis elemental y un mapeado a escala nanométrica, que son cruciales para comprender las propiedades y comportamientos de los nanomateriales en varias aplicaciones.
En la nanoelectrónica, la microscopía es esencial para el diseño, la fabricación y el ensayo de componentes como transistores, cables y circuitos a escala nanométrica. Algunas técnicas como la microscopía de barrido de efecto túnel (STM) y la microscopía de fuerza atómica (AFM) pueden manipular átomos y moléculas individuales para crear dispositivos electrónicos, mientras que el TEM y el SEM se utilizan para inspeccionar la calidad y la estructura de los dispositivos nanoelectrónicos.
Las técnicas de microscopía, especialmente aquellas que permiten interactuar en tiempo real, como la AFM y la STM, permiten la manipulación precisa de materiales a escala nanométrica. Los investigadores pueden utilizar estas herramientas para desplazar átomos o moléculas por separado, construir nanoestructuras y estudiar las propiedades químicas, eléctricas y mecánicas de los materiales a escala nanométrica, lo que resulta en aplicaciones de nanotecnología innovadoras.
Estudiar los nanomateriales con microscopía supone algunos retos, como garantizar la estabilidad de la muestra bajo los haces de alta energía, preparar las muestras sin alterar su estado original e interpretar datos correctamente derivados de las complejas interacciones a escala nanométrica. Las técnicas de microscopía avanzadas y la preparación cuidadosa de las muestras resultan cruciales para superar estos desafíos.
La microscopía ha sido un instrumento en el avance de la nanotecnología al permitir la visualización y el análisis de nanoestructuras y dispositivos, lo que ha llevado a innovar en campos como la electrónica, la ciencia de los materiales y la medicina. Por ejemplo, el desarrollo de la microscopía electrónica de ultra-alta resolución ha permitido a los científicos observar la disposición de átomos en materiales, lo que permite diseñar nanodispositivos más eficientes.

¿Cuáles son las aplicaciones típicas de los nanomateriales?

Análisis micromecánico
Elementos traza en películas delgadas
Análisis en 3D de nanomateriales
Estructura nanorreticular impresa en 3D
Cristales de MoS2 en 2D cultivados por CVD sobre sustrato de Si/SiO2
Placas doradas estructuradas
Interconexión de matrices apiladas en 3D
Ejemplo de microfluídica

Pruebas micromecánicas
Matriz de pilares mecanizada con el láser de femtosegundos (fs) en una muestra de aleación de titanio. Estos pilares podrían utilizarse para ensayos micromecánicos o como preparación de muestras para microscopios de rayos X tras el levantamiento. Tamaño de cada pilar: 100 µm de altura, rodeado de 150 µm de espacio libre en todos los lados, diámetro de 30 µm en la punta. Tiempo de mecanizado láser para la matriz entera: 2,5 min. Campo de visión: 2,010 mm. Láser ZEISS Crossbeam 350
Elementos traza en películas delgadas
Célula solar de perovskita sobre un sustrato de cristal después de una medición SIMS de arriba a abajo. La región de interés se escaneó mediante el haz de galio 500 veces. Se analizaron los iones secundarios mediante espectroscopía, según su relación de masa/carga. Se observó una señal Na significativa en todas las capas. La mezcla y difusión de elementos traza se puede estudiar mediante SIMS y se sabe que influye en el rendimiento de células fotovoltaicas de películas finas (imagen SEM izquierda, barra de escala de 2 μm, mapa derecho de Na SIMS). FIB-SEM ZEISS Crossbeam 350 con un detector SIMS de tiempo de vuelo (ToF). Muestra cortesía de Arafat Mahmud, RSEEME, Universidad Nacional Australiana.
Análisis en 3D de nanomateriales
Degradación microestructural observada en una SOEC (pila de electrolizador de óxido sólido). El FIB-SEM/EDS en 3D permite la cuantificación de la magnitud de los cambios microestructurales y los efectos perjudiciales en el rendimiento de la pila. Compare: Caracterización de SOEC mediante tomografía de FIB-SEM avanzada, un informe técnico de ZEISS. ZEISS Crossbeam con EDS, ZEISS Atlas 5 con el módulo de análisis en 3D. Muestra cortesía de M. Cantoni, EPFL, Lausanne, CH.
Estructura nanorreticular impresa en 3D
Imagen captada con contraste de fases de Zernike antes de los experimentos de compresión in situ (anchura de la muestra 30 µm). ZEISS Xradia Ultra. Muestra cortesía de: R. Schweiger, KIT, DE.
Cristales de MoS2 en 2D cultivados por CVD sobre sustrato de Si/SiO2
La imagen RISE (microscopía electrónica de barrido y captura de imágenes Raman) muestra las arrugas y las partes superpuestas de los cristales MoS2 (verde), las multicapas (azul) y las capas individuales (rojo). ZEISS Sigma con RISE. Campo de visión de 33 µm.
Placas doradas estructuradas
Investigado como parte de la investigación fundamental sobre los efectos plasmónicos.
ZEISS GeminiSEM 560. Para obtener más información, compare: Science Advances 3, e1700721 (2017). Imagen: cortesía de la Universidad de Stuttgart, 4.º Instituto de Física y Centro de Tecnología Cuántica Aplicada, Alemania. Campo de visión de 47,64 µm.
Interconexión de matrices apiladas en 3D
Microprotuberancias de pilares de Cu enterrados a 760 µm de profundidad, secciones transversales realizadas en menos de una hora. Campo de visión 2,58 mm, láser ZEISS Crossbeam.
Ejemplo de microfluídica
Nanocanales de 20 nm de anchura en varias configuraciones de hasta 20 μm de longitud. ZEISS Crossbeam y ZEISS Atlas 5 con módulo NPVE, campo de visión 59 μm.

Nanopartículas de ZnO sobre una película de carbono

Serie de inclinación STEM, las imágenes de STEM en campo claro se muestran como un ejemplo de cuatro señales captadas en total de forma simultánea con el detector aSTEM usando el portamuestras especial para tomografía STEM. ZEISS GeminiSEM.

Tomografía y análisis en 3D

de un sistema metálico de múltiples capas ejemplificado mediante una moneda canadiense, flujo de trabajo típico de FIB-SEM que combina fresado, captura de imágenes, EBSD (parte superior del vídeo) y EDS (parte inferior). Detalles, fila superior de izquierda a derecha: EBSD, cobre, contraste de banda; EBSD, hierro, color Euler; EBSD, níquel, IPF X. Fila inferior, de izquierda a derecha: Mapas EDS de: cobre, hierro, níquel. ZEISS Crossbeam, ZEISS Atlas 5 con módulo de análisis en 3D, EDS, EBSD.

Mejora de la investigación de nanopartículas: la captura de imágenes SEM de alta resolución de nanopartículas de ferrocerio es el primer paso del flujo de trabajo de microscopía integral, desde la captura de imágenes con el SEM de emisión de campo hasta la segmentación de imágenes

Mejora de la investigación de nanopartículas: imagen en falso color de nanopartículas de ferrocerio tras la segmentación basada en AA que ilustra los resultados del segundo paso del flujo de trabajo de microscopía integral, desde la captura de imágenes con el SEM de emisión de campo hasta la segmentación.

Acelere la investigación de nanopartículas

La medición del tamaño de las nanopartículas se puede simplificar gracias a un flujo de trabajo de microscopía integral automatizado que utilice la adquisición de imágenes SEM y la segmentación de imágenes basada en el aprendizaje automático. Esta tarea solía realizarse con algoritmos de segmentación aplicados manualmente en una serie de imágenes. Actualmente esta tediosa labor se puede evitar gracias a la aplicación del procesamiento de imágenes con IA. La captura de imágenes SEM de emisión de campo de alta resolución y sensible a las superficies de nanopartículas de ferrocerio (izquierda) muestra el primer paso del flujo de trabajo mediante ZEISS GeminiSEM (detección Inlens SE, tensión de aceleración 2 kV); la imagen en falso color muestra los resultados de la segmentación de la imagen realizada con arivis Pro (derecha).

Descargas

ZEISS Atlas 5

Characterization of Solid Oxide Electrolysis Cells by Advanced FIB-SEM Tomography

1 MB

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Achieving Nano-scaled EDS Analysis in an SEM

with a Detector for Transmission Scanning Electron Microscop

863 KB

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Targeted Sample Preparation with ZEISS Crossbeam laser

3 MB

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X-ray Nanotomography in the Laboratory

with ZEISS Xradia Ultra 3D X-ray Microscopes

6 MB

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FIB-SEM Fabrication of Atom Probe Specimens with ZEISS Crossbeam

1 MB

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$Vista previa de imagen de Topography and Refractive Index Measurement$

Topography and Refractive Index Measurement

of a Sub-μm Transparent Film on an Electronic Chip by Correlation of Scanning Electron and Confocal Microscopy

1 MB

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Solutions for Advanced Nanofabrication and E-Beam Lithography

5 MB

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