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A espectroscopia de fotoelétrons de raios-X, ou XPS, é uma técnica não destrutiva que pode ser usada para medir a química da superfície de um material. No XPS, um raio-X de energia conhecida atinge um átomo. Um elétron da camada central absorve o fóton de raios-X, ganhando energia suficiente para deixar sua órbita.
O excesso de energia absorvido pelo elétron permanece como sua energia cinética. Ao montar um espectro dessas energias cinéticas, as energias de ligação originais dos elétrons podem ser calculadas e usadas para determinar a composição química e o estado do material.
Este vídeo explicará os princípios da espectroscopia de fotoelétrons de raios-X e demonstrará como medir e interpretar um espectro XPS.
Quando um elétron ligado absorve um fóton de energia suficiente, ele é ejetado de sua órbita. Para que um elétron da camada central fortemente ligado seja ejetado, ele deve absorver um fóton de raios-X altamente energético. Se o fóton absorvido carrega energia adicional suficiente para exceder a função de trabalho limite do material, o elétron pode escapar para o vácuo. Esses elétrons são chamados de fotoelétrons. Qualquer energia restante do raio-X aparece como a energia cinética do fotoelétron.
Para espectroscopia de fotoelétrons de raios-X, são usadas fontes de raios-X de energia conhecida. Uma fonte comum é o alumínio K alfa, que produz 1.486,7 elétrons-volts de raios-X. A energia do raio-X e a função de trabalho da superfície são usadas em conjunto com a energia cinética medida do fotoelétron para determinar a energia de ligação original do elétron. A energia de ligação é igual à energia original da fonte de raios-X, menos a energia da função de trabalho da superfície e a energia cinética remanescente do fotoelétron. Uma vez que um espectro tenha sido coletado, os picos de energia podem ser comparados com os das amostras de referência.
Mudanças sutis na energia dos picos medidos a partir dos picos de referência, bem como as alturas relativas entre os picos do espectro medido, podem ser usadas para determinar a composição elementar, estados químicos e estados eletrônicos dos elementos na amostra. O XPS é útil a uma profundidade de aproximadamente 10 nanômetros.
Agora que você entende os princípios por trás do XPS, está pronto para medir um espectro.
É importante seguir as regras de limpeza para sistemas de ultra-alto vácuo ao medir um espectro de fotoelétrons de raios-X. Luvas de polietileno ou nitrilo sem pó devem ser usadas. E pinças devem ser usadas para manusear a lâmina de amostra. A amostra deve ser armazenada em um recipiente de vidro, que é então coberto, para que possa ser transportada com segurança para o espectrômetro de fotoelétrons de raios-X. Observe que o procedimento a seguir se aplica a um instrumento XPS específico e seu software associado, e pode haver algumas variações quando outros instrumentos são usados.
Para carregar as amostras, primeiro ventile a câmara de bloqueio de carga para acessar o suporte de amostra. Isso deve levar vários minutos. Quando a câmara for ventilada à pressão atmosférica, a porta se abrirá. Assim que a câmara de bloqueio de carga se abrir, retire o porta-amostras do braço de transferência. Para evitar a contaminação de análises anteriores, limpe bem o porta-amostras, limpando-o com álcool isopropílico. Certifique-se de limpar o clipe de metal também. Carregue cada lâmina no porta-amostras pressionando-o sob os clipes de metal.
Em seguida, retorne o porta-amostras para a câmara de bloqueio de carga e coloque-o no braço de transferência. Quando o porta-amostras estiver encaixado corretamente, feche a porta da câmara. Bombeie a câmara de bloqueio de carga até que a pressão registre na faixa de 10 a menos sete milibares. Isso deve levar vários minutos. Algumas amostras, como pós, materiais altamente porosos ou aqueles que contêm solventes não evaporados, podem demorar mais.
Por fim, transferir as amostras para a câmara de análise. Quando a pressão da câmara está na faixa de 10 a menos oito milibares, você pode começar a coletar um espectro.
Agora que as amostras foram carregadas e estão prontas para serem analisadas, defina a energia de passagem para o espectrômetro. A energia de passagem é a energia com a qual todos os fotoelétrons entrarão no espectrômetro. A energia de passagem define uma resolução constante para todo o espectro. Definir uma energia passa-alta resulta em um fluxo maior de fotoelétrons e uma maior relação sinal-ruído para o experimento, mas uma resolução pior.
Um espectro obtido com uma configuração de energia passa-baixa tem uma resolução melhor, mas uma relação sinal-ruído mais baixa. Agora que a energia de passagem foi definida, a próxima tarefa é coletar um espectro de pesquisa de nossa amostra. O espectro de pesquisa cobre uma ampla gama de energias, a fim de incluir todos os vários tipos de elétrons ejetados da superfície. Este espectro permitirá a inspeção de todos os picos de emissão de fotoelétrons antes de escolher uma região de energia específica para escanear.
Para este espectro de pesquisa, a amostra é uma fina camada de platina cultivada em uma única camada de grafeno, que é suportada por uma lâmina comercial de vidro de sílica. Picos correspondentes a platina, silício, carbono e oxigênio podem ser vistos no espectro. Os picos de silício e carbono surgem do meio que suporta a amostra. O pico de oxigênio é resultado da aderência da água na atmosfera à superfície. Os picos de platina aparecem entre 60 e 90 elétron-volts. Esses são os picos que nos interessam. Agora que um espectro de pesquisa foi coletado e uma região de interesse foi determinada, podemos coletar um espectro XPS de alta resolução.
A medição de um espectro normalmente leva entre 30 minutos e uma hora para um conjunto que inclui uma pesquisa e algumas regiões diferentes de alta resolução. Quando o espectro estiver completo, os resultados estarão prontos para serem analisados.
Agora que um espectro XPS de alta resolução foi produzido, os picos podem ser comparados aos picos de energia de ligação de nível central encontrados em bancos de dados de referência.
Mudanças sutis nas energias de ligação em relação às dos compostos de referência indicam o estado químico de cada um dos elementos da amostra. A relação de intensidade entre os picos do espectro revela a composição da superfície.
O XPS é usado rotineiramente para analisar uma ampla gama de materiais, como ligas metálicas, cerâmicas, polímeros, semicondutores e materiais biológicos. O XPS é uma ferramenta importante para caracterizar as superfícies de filmes finos de semicondutores usados para produzir microeletrônicos. A determinação precisa da química da superfície auxilia na detecção de contaminantes, o que pode melhorar o processo de fabricação.
Além disso, o XPS permite que os pesquisadores relacionem novas propriedades de um determinado semicondutor à sua química, o que é fundamental para o desenvolvimento de novos materiais. O XPS também pode ser usado para analisar amostras biológicas, como ossos fossilizados. A composição química dos restos fósseis carrega uma grande quantidade de informações. Usando o XPS, podemos aprender sobre a biologia da evolução dos organismos, seu ambiente e as condições sob as quais foram fossilizados.
Você acabou de assistir a introdução de Jove à espectroscopia de fotoelétrons de raios-X. Agora você deve entender os princípios por trás do XPS, como coletar um espectro XPS e como interpretar os resultados para determinar a composição e o estado de um material de amostra.
Obrigado por assistir.
