Uma equipe interdisciplinar de pesquisadores da Universidade de Antuérpia (Bélgica) conduziu com sucesso estudos in situ com um plasma gerado dentro de um microscópio eletrônico de varredura (MEV). Isso marca a primeira vez que imagens SEM ao vivo foram obtidas durante o tratamento da amostra com plasma. O estudo foi publicado na revista Advanced Materials Technologies .



Os plasmas, frequentemente descritos como gases ionizados ou o quarto estado da matéria, têm uma ampla gama de aplicações. Por exemplo, na indústria de semicondutores, eles desempenham um papel crítico no processo litográfico utilizado para fabricar chips de computador.

Eles também estão ganhando interesse significativo em aplicações de química verde, como CO₂ e CH₄ conversão em produtos químicos de valor agregado ou combustíveis renováveis, N₂ fixação para produção de fertilizantes verdes, bem como para aplicações biomédicas, como tratamento de câncer, cicatrização de feridas ou desinfecção. Além disso, os plasmas também são objeto de extensa pesquisa para obter insights mais fundamentais.

Muitos dos processos relevantes para aplicações de plasma acontecem em nível microscópico e sua observação geralmente requer imagens de alta resolução além das capacidades de um microscópio óptico convencional. Portanto, um microscópio eletrônico de varredura (MEV) foi utilizado nesta pesquisa.

Esse microscópio usa um feixe focado de elétrons altamente energéticos, que é varrido pela superfície do material de interesse. Ao coletar vários sinais produzidos pelo feixe de elétrons e compilá-los pixel por pixel, imagens altamente ampliadas da amostra podem ser geradas, até o regime nanométrico.

Para conduzir estes estudos de plasma in-situ em um SEM, vários desafios precisaram ser enfrentados. Em primeiro lugar, os microscópios eletrônicos são normalmente operados sob condições de alto vácuo para minimizar as interações dos elétrons com as moléculas de gás.

Para criar a nuvem de gás necessária para um plasma, um tubo fino com um orifício do tamanho de um micrômetro na extremidade foi introduzido na câmara do microscópio para permitir um fluxo controlado de gás em direção à amostra. O fluxo limitado de gás foi suficiente para a operação local do plasma, mantendo uma pressão baixa no resto do microscópio para geração de imagens.

Em segundo lugar, a criação e manutenção de um plasma requer um forte campo eléctrico que pode afectar os electrões necessários para a imagem microscópica. Ao otimizar o hardware e os parâmetros da configuração, a equipe minimizou a deflexão do feixe de elétrons e garantiu uma descarga de plasma estável, permitindo imagens ao vivo durante a operação do plasma. Dessa forma, foi possível capturar uma visão em tempo real do tratamento de um filme de cobre, conforme mostrado no vídeo acima/abaixo.

Esta significativa conquista só foi possível graças à equipe interdisciplinar de pesquisadores que puderam trabalhar neste projeto. Pessoas com formação em eletrônica, microscopia eletrônica e tecnologia de plasma, supervisionadas pela Prof. Jo Verbeeck (grupo de pesquisa EMAT) e pela Prof. Annemie Bogaerts (grupo de pesquisa PLASMANT), uniram forças para alcançar este marco importante.

Como próximo passo, a equipe pretende agora desenvolver ainda mais as capacidades analíticas do instrumento, incorporando detectores adicionais além da imagem para caracterização elementar e estrutural em tempo real, o que poderia levar a novos insights sobre a pesquisa em ciência de materiais e os fundamentos da física do plasma.

Mais informações: Lukas Grünewald et al, Estudos de plasma in situ usando um microplasma de corrente contínua em um microscópio eletrônico de varredura, Tecnologias avançadas de materiais (2024). DOI:10.1002/admt.202301632
Fornecido pela Universidade de Antuérpia