Advanced applications of scanning electron microscopy in geology

Nowadays Scanning Electron Microscopy (SEM) is a basic and fundamental tool in the study of geologic samples. The collision of a highlyaccelerated electron beam with the atoms of a solid sample results in theproduction of several radiation types than can be detected and analysed byspecific detectors, providing information of the chemistry and crystallography ofthe studied material. From this point of view, the chamber of a SEM can beconsidered as a laboratory where different experiments can be carried out. Theapplication of SEM to geology, especially in the fields of mineralogy andpetrology has been summarised by Reed (1996).The aim of this paper is to showsome recent applications in the characterization of geologic materials.

Biomedical and biological applications of scanning electron microscopy

This article summarizes the basic principles of scanning electron microscopy and the capabilities of the technique with different examples ofapplications in biomedical and biological research.

Preparació de puntes de tungstè per a microscòpia d'efecte túnel (STM)

Es presenten els resultats experimentals obtinguts durant l’estudi sistemàtic realitzat de la preparació electroquímica de puntes de tungstè per al Microscopi d’Efecte Túnel (STM), fent servir dos electròlits: KOH i NaOH. L’estudi sobre la morfologia, longitud de la punta i radi de curvatura de la punta en funció del voltatge aplicat i les concentracions de l’electròlit es descriu al capítol 3. La caracterització de les puntes es va dur a terme, per una part, mitjançant un microscòpic electrònic de rastreig (SEM) i per l’altre banda, amb el ús de les puntes obtingudes al STM. En resumen, els resultats mostren que ambdós electròlits permeten obtenir puntes que es poden fer servir amb èxit per l’obtenció d’imatges amb l’STM. Les millors puntes són aquelles que s’obtenen dins de rangs de concentracions d’electròlit baixes, entre valor de 10 a 15% en pes pel NaOH i entre 10 i 20% pel KOH i rangs de voltatge entre 3 a 7 V pel NaOH i 4 a 8 V pel KOH. S’observa que es requereixen temps d’atac electroquímic menors fent servir com a electròlit NaOH. S’estudia, en el capítol 4, el tractament que requereix la punta per tal d’eliminar les impureses de la seva superfície. Es realitzen diferents proves amb tres mètodes de neteja: (1) tractament químic, (2) bombardeig iònic i (3) tractament tèrmic de recuit. En el capítol 5 del projecte s’analitzen les imatges d’una mostra d’or, Au(110), d’estructura coneguda, amb el microscopi d’efecte túnel STM) del laboratori fent servir les puntes obtingudes sota les condicions considerades òptimes. El resultat confirma el bon comportament de les puntes obtingudes sota les condicions descrites en els capítols anteriors i establert una pauta a seguir per obtenir puntes d’una manera senzilla i reproduïble.

Microscòpia d'alta resolució aplicada a anàlisis traceològiques, tafonòmiques i zooarqueològiques

El projecte Microscòpia d'alta resolució aplicada a anàlisis traceològiques, tafonòmiques y zooarqueològiques ha permès donar continuïtat i ampliar la xarxa científica posada en marxa gràcies a dos projectes PBR anteriors entre l’IPHES i quatre centres anglesos: l’Institute of Archaeology del University College of London, el Dept of Prehistory and Europe del British Museum, el Dept of Palaeontology del Natural History Museum, i el Lithic Microwear Research Laboratory de la University of Bradford. El tema tractat ha estat l’avaluació de la resolució i de la possible complementarietat de diferents tècniques avançades de microscòpia per a l’anàlisi de les superfícies d’ossos i eines de pedra prehistòriques: microscòpia òptica, electrònica (SEM i ESEM), microscòpia làser confocal (LSCM) i el sistema Alicona 3D Infinite Imaging. Les diverses accions de mobilitat entre Catalunya i el Regne Unit realitzades han permès satisfactòriament posar en comú els procediments emprats pels diferents especialistes de cada centre. Les proves realitzades sobre materials de jaciments arqueològics clau tant britànics com de l’estat espanyol han permès avaluar els avantatges i limitacions que cada tècnica presentava segons la mostra estudiada (eines de pedra, ossos, dents...) i segons els requeriments específics de l’estudi plantejat. En termes generals, s’ha posat en evidència que les diferents tècniques explorades són força complementàries. És a dir, la gran capacitat d’augments i de resolució d’imatge dels microscopis electrònics es complementa amb unes meravelloses prestacions quant anàlisi de textures, de perfils i de reconstrucció 3D dels altres aparells. La principal conclusió que podem extreure, doncs, és que l’estudi d’aquest tipus d’objectes arqueològics requereix de l’ús combinat de diferents aparells de microscòpia. Tant els treballs realitzats com els contactes entre especialistes establerts al llarg del projecte s’han plasmat ja en treballs concrets, alguns d’ells ja publicats o en fase final de publicació.

Graphoepitaxy of CeO2 on MgO and its application to the fabrication of 45° grain boundary Josephson junctions of YBa2Cu3O7-x

We communicate a detailed study of the epitaxial growth of CeO2 on MgO. The key feature of the growth is the dependence of the in¿plane orientation of the CeO2 epitaxial layer on the MgO surface morphology. Atomic force microscopic (AFM) measurements, x¿ray analyses, as well as high¿resolution transmission electron microscopy (HRTEM) investigations reveal that on rough substrates a cube¿on¿cube growth of CeO2 on MgO occurs while on smooth substrates the CeO2 unit cell is rotated around the surface normal by 45° with respect to the MgO unit cell when the deposition rate is low (~0.3 Å/s) during the first stages of growth. This growth mechanism can be used for a defined fabrication of 45° grain boundaries in the CeO2 layer by controlling the surface roughness of the MgO substrate. This report demonstrates that these 45° grain boundaries may be used to fabricate YBa2Cu3O7¿x Josephson junctions.

MgO/Ag(001) interface structure and STM images from first principles

The interface of MgO/Ag(001) has been studied with density functional theory applied to slabs. We have found that regular MgO films show a small adhesion to the silver substrate, the binding can be increased in off-stoichiometric regimes, either by the presence of O vacancies at the oxide film or by a small excess of O atoms at the interface between the ceramic to the metal. By means of theoretical methods, the scanning tunneling microscopy signatures of these films is also analyzed in some detail. For defect free deposits containing 1 or 2 ML and at low voltages, tunnelling takes place from the surface Ag substrate, and at large positive voltages Mg atoms are imaged. If defects, oxygen vacancies, are present on the surface of the oxide they introduce much easier channels for tunnelling resulting in big protrusions and controlling the shape of the image, the extra O stored at the interface can also be detected for very thin films.

Cartilage Appearance Using an Environmental Scanning Electron Microscope.

Because of technical principles, samples to be observed with electron microscopy need to be fixed in a chemical process and exposed to vacuum conditions that can produce some changes in the morphology of the specimen. The aim of this work was to obtain high-resolution images of the fresh articular cartilage surface with an environmental scanning electron microscope (ESEM), which is an instrument that permits examination of biological specimens without fixation methods in a 10 Torr chamber pressure, thus minimizing the risk of creating artifacts in the structure. Samples from weight-bearing areas of femoral condyles of New Zealand white rabbits were collected and photographed using an ESEM. Images were analyzed using a categorization based in the Jurvelin classification system modified by Hong and Henderson. Appearance of the observed elevations and depressions as described in the classification were observed, but no fractures or splits of cartilage surface, thought to be artifacts, were detected. The ESEM is a useful tool to obtain images of fresh articular cartilage surface appearance without either employing fixation methods or exposing the specimen to extreme vacuum conditions, reducing the risk of introducing artifacts within the specimen. For all these reasons it could become a useful tool for quality control of the preservation process of osteochondral allografting in a bank of musculoskeletal tissues.