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O que é Catodoluminescência?
A Catodoluminescência (CL) é uma técnica baseada na emissão de luz de materiais sólidos.
A técnica consiste na interação do material sólido com um feixe de elétrons. Em alguns materiais, essa interação pode produzir luminescência característica que está geralmente associada a:
- Defeitos intracristalinos
- Presença de elementos incomuns na estrutura mineral (”impurezas”)
O que define se um mineral será luminscente?
O que define se um mineral será luminescente ou não-luminescente é sua estrutura cristalina.
Piroxênios e Anfibólios são sempre não-luminescentes. Por outro lado, minerais como Fluorita, Apatita, Quartzo e Calcita, geralmente apresentam algum tipo de emissão luminescente.
Funcionamento da técnica
A CL é gerada a partir da interação da amostra com um feixe de elétrons (efeito fotoelétrico). Este feixe interage com a amostra retirando elétrons internos do átomo e obrigando elétrons externos a assumirem novas posições na estrutura atômica (para cobrir a vacância do elétron que foi retirado). Durante esse processo, luz (ou fótons), radiação e elétrons secundários são emitidos.
CURIOSIDADE: Esse processo foi explicado por Albert Einstein em 1905, rendendo-lhe o prêmio Nobel de Física de 1921, revolucionando a mecânica clássica.
Efeito fotoelétrico
O efeito fotoelétrico é a base para diversas técnicas utilizadas nas geociências, como a Espectrometria de Dispersão de Energia (Electron Dispersive Spectrometry – EDS), Microssonda Eletrônica (Electron Probe Microanalysis – EPMA), Difração de Elétrons Retroespalhados (Electron Backscattered Diffraction – EBSD) e Catodoluminescência.
Imagem demonstrando múltiplas emissões causadas pelo efeito fotoelétrico. Essa interação é a base de diversas técnicas utilizadas nas geociências. Fonte: modificado de Boggs e Krinsley (2006).
Catodoluminescência Óptica e Espectral
A CL pode ser óptica ou espectral.
Catodoluminescência Óptica (CL Óptica)
CL óptica produz como resultado um mapa indicando variações composicionais com diferentes cores.
Na imagem abaixo, em (A) vemos cristais de fluorita em tons azulados, enquanto cristais de calcita apresentam cor vermelha. Em (B) observamos variações de cor entre carbonatos, onde cristais de calcita são amarelos alaranjados e cristais de dolomita são não-luminescentes.
É importante lembrar que nem todos os minerais são luminescentes e como já vimos, isso vai depender de sua estrutura!
Para identificarmos exatamente a causa da luminescência, é recomendado utilizarmos a CL espectral.
Catodoluminescência Espectral (CL Espectral)
A CL espectral apresenta como resultado um espectrograma, onde são apresentados picos com diferentes posições (eixo x) e intensidades (eixo y).
Neste exemplo, a imagem à direita mostra dois picos próximos de 340nm e 615nm. Então:
1 – Sabe-se que o comprimento de onda da cor azul está próximo de 340nm, então podem ser correlacionados. O mesmo vale para o segundo pico (615nm) e a cor vermelha;
2 – Conhecemos as espécies minerais analisadas, neste caso, fluorita e calcita;
3 – Utilizamos um banco de dados*, disponível online, para identificar a causa da luminescência. Neste caso, picos próximos de 340nm em cristais de fluorita, são associados a presença do íon Cério. Por outro lado, picos próximos de 615nm na calcita, são associados a presença do íon Manganês.
*Um banco de dados comumente utilizado nas geociências é o artigo “Luminescence Database I – Minerals and Materials” de MacRae e Wilson, publicado na revista Microscopy and Microanalysis, em 2008.
Aplicações da Técnica
As aplicações da técnica são amplas, como nesse artigo de Camargo et al. (2023). Neste caso, os autores utilizaram resultados de CL óptica e espectral para, junto de outras análises, sugerir diferentes estágios de cristalização de carbonatos.
Os resultados de CL indicaram que fases de dolomita e calcita exibem diferentes concentrações de Fe e Mn. Assim, como a solubilidade destes elementos difere conforme variações nas condições oxi-redutoras, concluiu-se que estes carbonatos foram formados em diferentes eventos.
Referências
Boggs, S., & Krinsley, D. (2006). Application of cathodoluminescence imaging to the study of sedimentary rocks. Cambridge University Press.
Götze, J. (2002). Potential of cathodoluminescence (CL) microscopy and spectroscopy for the analysis of minerals and materials. Analytical and bioanalytical chemistry, 374, 703-708.
MacRae, C. M., & Wilson, N. C. (2008). Luminescence database I—minerals and materials. Microscopy and Microanalysis, 14(2), 184-204.
Camargo, M. H. T., Ferreira, A. D., Pinto-Coelho, C. V., de Oliveira, L. A., Cavallari, M. L., de F. Alfaro, L., Botelho, A.C., Brita, J. T., Lamarão C. N., Marques G. T., & Roemers-Oliveira, E. (2022). Characteristics and mechanisms of multistage dolomitization in Proterozoic dolomitic breccia from Água Clara Formation, Ribeira Belt, Brazil. Carbonates and Evaporites, 37(2), 30.
