Spettroscopia fotoelettronica a raggi X

La spettroscopia fotoelettronica a raggi X, o XPS, è una tecnica non distruttiva che può essere utilizzata per misurare la chimica della superficie di un materiale. Nell'XPS, una radiografia di energia nota colpisce un atomo. Un elettrone del guscio centrale assorbe il fotone dei raggi X, guadagnando energia sufficiente per lasciare la sua orbita.

L'energia in eccesso assorbita dall'elettrone rimane come sua energia cinetica. Assemblando uno spettro di queste energie cinetiche, le energie di legame originali degli elettroni possono essere calcolate e utilizzate per determinare la composizione chimica e lo stato del materiale.

Questo video spiegherà i principi della spettroscopia fotoelettronica a raggi X e dimostrerà come misurare e interpretare uno spettro XPS.

Quando un elettrone legato assorbe un fotone di energia sufficiente, viene espulso dalla sua orbita. Affinché un elettrone del guscio del nucleo strettamente legato possa essere espulso, deve assorbire un fotone a raggi X altamente energetico. Se il fotone assorbito trasporta abbastanza energia aggiuntiva da superare la funzione di lavoro di soglia del materiale, l'elettrone può fuoriuscire nel vuoto. Questi elettroni sono indicati come fotoelettroni. L'energia residua dei raggi X appare come energia cinetica del fotoelettrone.

Per la spettroscopia fotoelettronica a raggi X, vengono utilizzate sorgenti di raggi X di energia nota. Una fonte comune è l'alluminio K alfa, che produce 1.486,7 elettronvolt di raggi X. L'energia dei raggi X e la funzione di lavoro della superficie vengono utilizzate in combinazione con l'energia cinetica misurata del fotoelettrone per determinare l'energia di legame originale dell'elettrone. L'energia di legame è uguale all'energia originale della sorgente di raggi X, meno l'energia della funzione di lavoro della superficie e l'energia cinetica residua del fotoelettrone. Una volta raccolto uno spettro, i picchi di energia possono essere confrontati con quelli dei campioni di riferimento.

Sottili variazioni dell'energia dei picchi misurati dai picchi di riferimento, nonché le altezze relative tra i picchi dello spettro misurato, possono essere utilizzati per determinare la composizione elementare, gli stati chimici e gli stati elettronici degli elementi nel campione. XPS è utile fino a una profondità di circa 10 nanometri.

Ora che hai compreso i principi alla base di XPS, sei pronto per misurare uno spettro.

È importante seguire le regole di pulizia per i sistemi ad altissimo vuoto quando si misura uno spettro di fotoelettroni a raggi X. Devono essere indossati guanti in polietilene o nitrile senza polvere. E le pinzette dovrebbero essere usate per maneggiare il vetrino del campione. Il campione deve essere conservato in un contenitore di vetro, che viene poi coperto, in modo che possa essere trasportato in sicurezza allo spettrometro fotoelettronico a raggi X. Si noti che la procedura seguente si applica a uno specifico strumento XPS e al software associato e che potrebbero verificarsi alcune variazioni quando vengono utilizzati altri strumenti.

Per caricare i campioni, sfiatare prima la camera di blocco del carico per accedere al portacampioni. L'operazione dovrebbe richiedere alcuni minuti. Quando la camera è stata scaricata alla pressione atmosferica, la porta si aprirà a scatto. Una volta aperta la camera di blocco del carico, rimuovere il portacampione dal braccio di trasferimento. Per evitare la contaminazione dovuta ad analisi precedenti, pulire accuratamente il portacampioni strofinandolo con alcol isopropilico. Assicurati di pulire anche la clip di metallo. Caricare ogni vetrino nel portacampioni premendolo sotto le clip metalliche.

Quindi riposizionare il portacampione nella camera di blocco del carico e posizionarlo sul braccio di trasferimento. Quando il portacampioni è posizionato correttamente, chiudere lo sportello della camera. Pompare la camera di blocco del carico fino a quando la pressione non si registra nell'intervallo da 10 a meno sette millibar. L'operazione dovrebbe richiedere alcuni minuti. Alcuni campioni, come le polveri, i materiali altamente porosi o quelli contenenti solventi non evaporati, possono richiedere più tempo.

Infine, trasferire i campioni nella camera di analisi. Quando la pressione della camera è compresa tra 10 e meno otto millibar, si può iniziare a raccogliere uno spettro.

Ora che i campioni sono stati caricati e sono pronti per essere analizzati, impostare l'energia di passaggio per lo spettrometro. L'energia di passaggio è l'energia con cui tutti i fotoelettroni entreranno nello spettrometro. L'energia passante imposta una risoluzione costante per l'intero spettro. L'impostazione di un'elevata energia passa si traduce in un flusso più elevato di fotoelettroni e in un maggiore rapporto segnale/rumore per l'esperimento, ma una risoluzione peggiore.

Uno spettro ripreso con un'impostazione di energia passa-basso ha una risoluzione migliore, ma un rapporto segnale/rumore inferiore. Ora che l'energia di passaggio è stata impostata, il prossimo compito è quello di raccogliere uno spettro di indagine del nostro campione. Lo spettro di indagine copre un'ampia gamma di energie al fine di includere tutti i vari tipi di elettroni espulsi dalla superficie. Questo spettro consentirà l'ispezione di tutti i picchi di emissione di fotoelettroni prima di scegliere una specifica regione di energia da scansionare.

Per questo spettro di indagine, il campione è un sottile strato di platino cresciuto su un singolo strato di grafene, supportato da un vetrino di silice commerciale. Nello spettro si possono osservare picchi corrispondenti a platino, silicio, carbonio e ossigeno. I picchi di silicio e carbonio derivano dal mezzo che sostiene il campione. Il picco di ossigeno è il risultato dell'acqua nell'atmosfera che aderisce alla superficie. I picchi di platino appaiono tra i 60 e i 90 elettronvolt. Questi sono i picchi che ci interessano. Ora che è stato raccolto uno spettro di indagine ed è stata determinata una regione di interesse, possiamo raccogliere uno spettro XPS ad alta risoluzione.

La misurazione di uno spettro richiede in genere tra i 30 minuti e un'ora per un set che include un'indagine e alcune diverse regioni ad alta risoluzione. Quando lo spettro è completo, i risultati sono pronti per essere analizzati.

Ora che è stato prodotto uno spettro XPS ad alta risoluzione, i picchi possono essere confrontati con i picchi di energia di legame a livello di core trovati nei database di riferimento.

Sottili cambiamenti nelle energie di legame rispetto a quelle dei composti di riferimento indicano lo stato chimico di ciascuno degli elementi nel campione. Il rapporto di intensità tra i picchi dello spettro rivela la composizione della superficie.

XPS viene utilizzato abitualmente per analizzare un'ampia gamma di materiali come leghe metalliche, ceramiche, polimeri, semiconduttori e materiali biologici. XPS è uno strumento importante per caratterizzare le superfici di sottili film semiconduttori utilizzati per produrre microelettronica. La determinazione precisa della chimica della superficie aiuta nella rilevazione dei contaminanti, che può migliorare il processo di produzione.

Inoltre, XPS consente ai ricercatori di mettere in relazione le nuove proprietà di un particolare semiconduttore con la sua chimica, che è fondamentale per lo sviluppo di nuovi materiali. L'XPS può essere utilizzato anche per analizzare campioni biologici come l'osso fossilizzato. La composizione chimica dei resti fossili contiene una grande quantità di informazioni. Utilizzando XPS, possiamo conoscere la biologia dell'evoluzione degli organismi, il loro ambiente e le condizioni in cui sono stati fossilizzati.

Avete appena visto l'introduzione di Giove alla spettroscopia fotoelettronica a raggi X. A questo punto è necessario comprendere i principi alla base dell'XPS, come raccogliere uno spettro XPS e come interpretare i risultati per determinare la composizione e lo stato di un materiale campione.

Grazie per l'attenzione.