Espectroscopía de fotoelectrones de rayos X

La espectroscopia de fotoelectrones de rayos X, o XPS, es una técnica no destructiva que se puede utilizar para medir la química de la superficie de un material. En XPS, un rayo X de energía conocida incide sobre un átomo. Un electrón de la capa central absorbe el fotón de rayos X, ganando suficiente energía para abandonar su órbita.

El exceso de energía absorbida por el electrón permanece como su energía cinética. Al ensamblar un espectro de estas energías cinéticas, las energías de enlace originales de los electrones se pueden calcular y utilizar para determinar la composición química y el estado del material.

Este video explicará los principios de la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X y demostrará cómo medir e interpretar un espectro XPS.

Cuando un electrón unido absorbe un fotón de suficiente energía, es expulsado de su órbita. Para que un electrón de la capa central fuertemente unido sea expulsado, debe absorber un fotón de rayos X altamente energético. Si el fotón absorbido transporta suficiente energía adicional para exceder la función de trabajo umbral del material, el electrón puede escapar al vacío. Estos electrones se denominan fotoelectrones. Cualquier energía restante de los rayos X aparece como la energía cinética del fotoelectrón.

Para la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X, se utilizan fuentes de rayos X de energía conocida. Una fuente común es el aluminio K alfa, que produce rayos X de 1.486,7 electronvoltios. La energía de los rayos X y la función de trabajo de la superficie se utilizan junto con la energía cinética medida del fotoelectrón para determinar la energía de enlace original del electrón. La energía de enlace es igual a la energía original de la fuente de rayos X, menos la energía de la función de trabajo de la superficie y la energía cinética remanente del fotoelectrón. Una vez que se ha recogido un espectro, los picos de energía se pueden comparar con los de las muestras de referencia.

Los cambios sutiles en la energía de los picos medidos con respecto a los picos de referencia, así como las alturas relativas entre los picos del espectro medido, se pueden utilizar para determinar la composición elemental, los estados químicos y los estados electrónicos de los elementos en la muestra. XPS es útil a una profundidad de aproximadamente 10 nanómetros.

Ahora que comprende los principios detrás de XPS, está listo para medir un espectro.

Es importante seguir las reglas de limpieza para los sistemas de ultra alto vacío cuando se mide un espectro de fotoelectrones de rayos X. Se deben usar guantes de polietileno o nitrilo sin polvo. Y se deben usar pinzas para manipular el portaobjetos de muestra. La muestra debe almacenarse en un recipiente de vidrio, que luego se tapa, para que puedan transportarse de manera segura al espectrómetro de fotoelectrones de rayos X. Tenga en cuenta que el siguiente procedimiento se aplica a un instrumento XPS específico y su software asociado, y puede haber algunas variaciones cuando se utilizan otros instrumentos.

Para cargar las muestras, primero ventile la cámara de bloqueo de carga para acceder al portamuestras. Esto debería tardar varios minutos. Cuando la cámara se haya ventilado a la presión atmosférica, la puerta se abrirá de golpe. Una vez que se abra la cámara de bloqueo de carga, retire el portamuestras del brazo de transferencia. Para evitar la contaminación de análisis anteriores, limpie a fondo el portamuestras con alcohol isopropílico. Asegúrese de limpiar también el clip de metal. Cargue cada portaobjetos en el portamuestras presionándolo debajo de los clips metálicos.

A continuación, vuelva a colocar el portamuestras en la cámara de bloqueo de carga y colóquelo en el brazo de transferencia. Cuando el portamuestras esté colocado correctamente, cierre la puerta de la cámara. Bombee hacia abajo la cámara de bloqueo de carga hasta que la presión se registre en el rango de 10 a menos siete milibares. Esto debería tardar varios minutos. Algunas muestras, como polvos, materiales muy porosos o las que contienen disolventes no evaporados, pueden tardar más tiempo.

Finalmente, transfiera las muestras a la cámara de análisis. Cuando la presión de la cámara está en el rango de 10 a menos ocho milibares, puede comenzar a recopilar un espectro.

Ahora que las muestras se han cargado y están listas para ser analizadas, configure la energía de paso para el espectrómetro. La energía de paso es la energía con la que todos los fotoelectrones entrarán en el espectrómetro. La energía de paso establece una resolución constante para todo el espectro. Establecer una energía de paso alta da como resultado un mayor flujo de fotoelectrones y una mayor relación señal/ruido para el experimento, pero una peor resolución.

Un espectro tomado con un ajuste de energía de paso bajo tiene una mejor resolución, pero una relación señal/ruido más baja. Ahora que se ha establecido la energía de paso, la siguiente tarea es recopilar un espectro de encuesta de nuestra muestra. El espectro de sondeo cubre una amplia gama de energías con el fin de incluir todos los diversos tipos de electrones expulsados de la superficie. Este espectro permitirá la inspección de todos los picos de emisión de fotoelectrones antes de elegir una región de energía específica para escanear.

Para este espectro de estudio, la muestra es una capa delgada de platino cultivada en una sola capa de grafeno, que está soportada por un portaobjetos comercial de vidrio de sílice. En el espectro se pueden ver picos correspondientes al platino, el silicio, el carbono y el oxígeno. Los picos de silicio y carbono surgen de los medios que soportan la muestra. El pico de oxígeno es el resultado de la adherencia del agua a la superficie en la atmósfera. Los picos de platino aparecen entre los 60 y los 90 electronvoltios. Estos son los picos que nos interesan. Ahora que se ha recopilado un espectro de sondeo y se ha determinado una región de interés, podemos recopilar un espectro XPS de alta resolución.

La medición de un espectro suele tardar entre 30 minutos y una hora para un conjunto que incluye un sondeo y algunas regiones diferentes de alta resolución. Cuando el espectro está completo, los resultados están listos para ser analizados.

Ahora que se ha producido un espectro XPS de alta resolución, los picos se pueden comparar con los picos de energía de enlace a nivel central que se encuentran en las bases de datos de referencia.

Los cambios sutiles en las energías de enlace en relación con las de los compuestos de referencia indican el estado químico de cada uno de los elementos de la muestra. La relación de intensidad entre los picos del espectro revela la composición de la superficie.

XPS se utiliza de forma rutinaria para analizar una amplia gama de materiales, como aleaciones metálicas, cerámicas, polímeros, semiconductores y materiales biológicos. XPS es una herramienta importante para caracterizar las superficies de películas semiconductoras delgadas utilizadas para producir microelectrónica. La determinación precisa de la química de la superficie ayuda en la detección de contaminantes, lo que puede mejorar el proceso de fabricación.

Además, XPS permite a los investigadores relacionar las propiedades novedosas de un semiconductor en particular con su química, que es fundamental para el desarrollo de nuevos materiales. XPS también se puede utilizar para analizar muestras biológicas como huesos fosilizados. La composición química de los restos fósiles conlleva una gran cantidad de información. Usando XPS, podemos aprender sobre la biología de la evolución de los organismos, su entorno y las condiciones en las que fueron fosilizados.

Acabas de ver la introducción de Jove a la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X. Ahora debe comprender los principios detrás de XPS, cómo recopilar un espectro XPS y cómo interpretar los resultados para determinar la composición y el estado de un material de muestra.

Gracias por mirar.