Source: https://www.slideshare.net/jgm_fisico/espectroscopia-de-superficies
Timestamp: 2018-01-24 08:33:02+00:00

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X ray photoelectron spectroscopy (x... by ak21121991 2206 views
Xps by cynon 15244 views
Xps (x ray photoelectron spectroscopy) by Zaahir Salam 14992 views
Oral presentation at "Espectroscopia de Superficies" PhD subject realized in Rosario (Argentina) in 2007.
1. Espectroscopia de Superficies Javier García Molleja
2.  Iones de energía ~keV no penetran muy profundamente, por lo que sirven para analizar superficies. La técnica es de retrodispersión de Rutherford, por lo que se analiza el ángulo incidente y emergente de la partícula proyectil y la diferencia de energía cinética. Las partículas retrodispersadas en zonas profundas no serán detectadas, puesto que emergen eléctricamente neutras.Dispersión de iones de bajaenergía (LEIS)
3.  Con analizadores precisos, LEIS otorga mucha información de la primera monocapa.Dispersión de iones de bajaenergía (LEIS)
4.  Las relaciones cinemáticas se cumplen en LEIS (conservación de la energía). La resolución de masa depende de la resolución energética del detector. Existe incertidumbre en la sección eficaz de dispersión absoluta y en la probabilidad de neutralización. Se minimiza usando iones difícilmente neutralizables y detectores indiferentes al estado de la carga. La sección eficaz de dispersión se estima recurriendo a potenciales de Coulomb apantallados.Dispersión de iones de bajaenergía (LEIS)
5. Dispersión de iones de bajaenergía (LEIS)
6.  El análisis cuantitativo es posible si el potencial de dispersión es conocido. La resolución de la masa mejora usando proyectiles de gran masa.Dispersión de iones de bajaenergía (LEIS)
7.  La pérdida energética de iones ligeros sigue un patrón definido. (dE/dx) o sirven para determinar la composición con la profundidad. La energía de frenado de un material con impurezas está en función principalmente del material anfitrión.Perfiles de profundidad condispersión de Rutherford
8. Perfiles de profundidad condispersión de Rutherford
9.  El haz pierde energía conforme penetra en el sólido. Una vez que se dispersa un proyectil pierde energía hasta su salida. Se puede determinar la pérdida de energía. Para películas delgadas la pérdida es lineal con el espesor. Conociendo la dispersión entre superficie e interfase se conoce la pérdida de energía.Perfiles de profundidad condispersión de Rutherford
10.  El cociente entre alturas da la composición de la capa. El rendimiento es casi el producto de la señal de la altura por la de energía.Perfiles de profundidad condispersión de Rutherford
11. Perfiles de profundidad condispersión de Rutherford
12.  El sputtering erosiona la superficie, por lo que podemos estudiar su composición a partir de las especies eyectadas. Pueden salir neutros o cargas, simple o múltiples veces, de manera negativa o positiva. SIMS es de mucha sensibilidad, analiza la composición superficial y el perfil de profundidad.Espectrometría de masas de ionessecundarios (SIMS)
13.  El haz se focaliza al cráter de la superficie. Los espectros son de mucha complejidad.Espectrometría de masas de ionessecundarios (SIMS)
14.  Las partículas eyectadas emergen del sólido con una distribución de energías correspondientes a las fluctuaciones del número de colisiones.Espectrometría de masas de ionessecundarios (SIMS)
15.  La dependencia en la composición puede ser ignorada si hay proporciones mínimas de impurezas (<1 ppm). SIMS puede analizar el hidrógeno en un rango amplio de concentraciones.Espectrometría de masas de ionessecundarios (SIMS)
16.  El rendimiento de los iones secundarios es muy sensible a la presencia de iones en la superficie del blanco pudiendo provocar neutralización.Espectrometría de masas de ionessecundarios (SIMS)
17.  La probabilidad de neutralización depende de la estructura en bandas del sólido y de los niveles atómicos del ión eyectado. Se puede colocar capa de óxido para mejorar.Espectrometría de masas de ionessecundarios (SIMS)
18.  Para evitar el uso de capas de óxidos se puede determinar la composición a través de neutros. Los detectores necesitan de iones, por lo que es necesaria una cámara de postionización mediante plasma de baja presión. Se coloca una rejilla para que solo entren neutros en la cámara.Espectrometría de masas deneutros secundarios (SNMS)
19. Espectrometría de masas deneutros secundarios (SNMS)
20.  El factor de postionización depende de los parámetros del plasma, la ionización por impacto electrónico y el tiempo de vuelo en la cámara. La probabilidad de ionización es casi nula.Espectrometría de masas deneutros secundarios (SNMS)
21.  Si el factor de postionización no depende de la muestra la calibración es fácil. SNMS tiene una sensibilidad similar a SIMS. El rendimiento en SNMS no se puede alterar variando las propiedades del sustrato.Espectrometría de masas deneutros secundarios (SNMS)
22.  Explica la interacción del haz iónico con la estructura atómica superficial. Se calcula la sombra creada por la dispersión del proyectil con el átomo más externo.Interacción superficial mediante elmodelo de dos átomos
23.  La distribución de flujo del segundo átomo bajo el cono de sombra es muy abrupta. La curvatura ocurre dentro de una distancia menor que la amplitud térmica de vibración. El espectro lo domina el pico de superficie de interacciones de las primeras capas.Interacción superficial mediante elmodelo de dos átomos
24.  La intensidad de dispersión del segundo átomo es la superposición de la distribución gaussiana de su posición con la distribución de flujo. Si <Rc el más externo ensombrecerá a su fila. Tiene influencia en la retrodispersión de monocristales limpios.Interacción superficial mediante elmodelo de dos átomos
25.  Con canalización se suprime la dispersión de un sustrato de cristal puro. No se suprime la dispersión desde recubrimientos amorfos. Se detectan impurezas y la estructura superficial. Con geometría de salida rasante se mejora el rendimiento. La colocación del detector es importante a la hora de relacionar ancho de energía detectada e intervalo de profundidad.Análisis de películas delgadasmediante canalización
26.  Estirando la escala de profundidad aumentan las dispersiones en un espesor dado. Se elimina el efecto de la masa del cristal. La resolución de profundidad es mayor que el espesor de la capa superficial.Análisis de películas delgadasmediante canalización
27.  Las espectroscopias electrónicas se utilizan para caracterizar los diferentes modos de crecimiento. Se irradian muestras con fotones y se espera detectar electrones característicos de la superficie sin deflectar. Hay cuatro tipos comunes de crecimiento.Influencia de la morfología de lapelícula delgada en la atenuaciónelectrónica
28.  Capa a capa (Franck-Van der Merwe): se atenúan los electrones del sustrato conforme se va depositando una capa tras otra. La curva que se obtiene es lineal a trozos con envolvente exp(-nt/ ).Influencia de la morfología de lapelícula delgada en la atenuaciónelectrónica
29.  Capa única más islas (Stranski- Krastanov): se deposita una capa seguidamente de un cúmulo de islas. No hay fórmula analítica simple. El rendimiento es finito y no se aproxima a cero.Influencia de la morfología de lapelícula delgada en la atenuaciónelectrónica
30.  Islas (Volmer-Weber): cuando solo se depositan islas sobre el sustrato. El decaimiento no es exponencial conforme aumenta el espesor. El rendimiento siempre es alto por fracciones de sustrato nunca cubiertas. Su estudio requiere análisis experimental detallado.Influencia de la morfología de lapelícula delgada en la atenuaciónelectrónica
31.  Deposición estadística: los átomos depositados se localizan siguiendo la distribución de Poisson.Influencia de la morfología de lapelícula delgada en la atenuaciónelectrónica
32.  Se obtiene información en la pérdida de energía de electrones cuando atraviesan una muestra o se reflejan. EELS se utiliza con electrones con energías entre 1 eV y 100 keV. Con baja energía se estudia la superficie y los estados vibracionales de moléculas absorbidas. Con alta energía se analizan los plasmones, además de excitaciones e ionizaciones de niveles internos, característicos del elemento.Espectroscopia de pérdidaenergética electrónica (EELS)
33.  Mejoran resultados si se puede entregar de manera continua energía al electrón ligado. La sección eficaz favorece los procesos de excitación. Se puede analizar así la densidad de estados desocupados.Espectroscopia de pérdidaenergética electrónica (EELS)
34.  En el espectro domina el plasmón másico. Esta resonancia involucra a todos los electrones de valencia. El plasmón entonces nos permite conocer la composición. También estima la cantidad relativa de dispersión plural, activándose sus armónicos en ciertas condiciones.Espectroscopia de pérdidaenergética electrónica (EELS)
35.  EELS excita también electrones internos, cuyos electrones sobrepasan entonces el nivel de Fermi. Con esto se puede estimar la densidad de estados. Las transiciones interbanda son difíciles de interpretar. EELS analiza pequeñas áreas (100 nm) pero no detecta impurezas.Espectroscopia de pérdidaenergética electrónica (EELS)
36.  Las diferencias de altura en los escalones en el espectro de pérdidas ayuda a conocer la concentración.Espectroscopia de pérdidaenergética electrónica (EELS)
37.  Cuando un electrón incidente de dispersa de una fila ordenada de átomos su dispersión crea ondulaciones en cada átomo, que interferirán entre sí. La interferencia constructiva crea un frente de ondas que dará lugar a un cono de detección para el electrón dispersado. En dos dimensiones la intersección entre conos da un número fijo de líneas donde se detectará.Difracción electrónica de bajaenergía (LEED)
38.  En una pantalla que interseque las líneas observaremos manchas que pueden ser indexadas. Se pueden evitar electrones secundarios y también evaluar la intensidad de las manchas.Difracción electrónica de bajaenergía (LEED)
39.  LEED revela la periodicidad de los átomos de la superficie y la simetría global de esta, no la posición atómica detallada. Se debe a la aparición de manchas de orden ½. Pero conociendo la simetría se puede predecir la configuración espacial real. El patrón cambia cuando se altera la periodicidad. Se pueden aplicar energías medias o reflexión de alta energía, pero con geometría de ángulo rasante.Difracción electrónica de bajaenergía (LEED)
40.  Se pueden combinar técnicas de determinación de fase con las de determinación de la composición. Con rayos X analizamos capas de decenas de nm. La penetración se reduce usando geometría de ángulo oblicuo. Las fases cristalinas se identifican por sus patrones característicos.Difracción de rayos X con ángulooblicuo
41.  Se mejora la resolución angular y los datos estructurales son más exactos. La exposición ha de ser larga por su baja intensidad. La difracción se basa en la ecuación de Bragg, que da la condición de interferencia constructiva.Difracción de rayos X con ángulooblicuo
42.  Para películas delgadas se necesita haz monocromático incidiendo en rasante. En el difractómetro de Seemann-Bohlin los focos de los haces incidente y difractado quedan en una circunferencia. En la cámara de Read el haz incidente es colimado por dos minúsculas aberturas y los patrones en todos los ángulos son registrados simultáneamente.Difracción de rayos X con ángulooblicuo
43. Difracción de rayos X con ángulooblicuo
44.  Si se analiza un policristal se captarán anillos en una cámara de Read. La posición angular permite la identificación del material comparando con recopilaciones. Con un difractómetro de Seemann-Bohlin se analiza un corte de los anillos. Es necesario analizar el vector de red recíproca. Es importante obtener el parámetro de red.Difracción de rayos X con ángulooblicuo
45.  Los rayos X nos permiten determinar el espesor durante el crecimiento, así como el compuesto que se deposita. Al cambiar la estructura cambian las reflexiones. La intensidad integrada del pico da el volumen total irradiado. En capas uniformes la intensidad es proporcional con el espesor de la película. También se obtiene del cálculo de factores geométricos.Difracción de rayos X con ángulooblicuo
46.  La difracción electrónica de una red cristalina es un proceso cinemático de dispersión que verifica la ecuación de Bragg. Nos permite identificar la estructura del sólido. Se adelgaza la muestra mediante corrosión química o barrido iónico. El haz tiene una energía entre 50 y 200 keV.Microscopía de transmisiónelectrónica
47.  Para monocristales el patrón de difracción en TEM son manchas. Para policristales texturados se tiene la superposición de anillos y manchas. Para muestras amorfas o totalmente policristalinas el patrón es solo de anillos.Microscopía de transmisiónelectrónica
48. Microscopía de transmisiónelectrónica
49.  La estructura se determina a partir de tablas o programas informáticos. Si se irradia con iones de rango mayor que el espesor de la capa se provocan transformaciones de fase. TEM tiene el inconveniente de que es una técnica altamente destructiva. El análisis de superredes mediante TEM da buenos resultados.Microscopía de transmisiónelectrónica
50.  Es uno de los tres procesos que provocan la atenuación de un haz fotónico al entrar en un sólido. Otro efecto es la dispersión Compton, donde se capta la longitud de onda de la energía dispersada elásticamente. El tercero es la producción de pares, donde se generan electrones y positrones.Absorción de rayos X
51.  Para analizar materiales se utilizan rangos de energías que aseguren que predomine el efecto fotoeléctrico.Absorción de rayos X
52.  Es de gran trascendencia el coeficiente de absorción / , que depende de la energía. Los espectros de absorción de rayos X muestran cimas cuando un electrón ligado se lleva al primer nivel no ocupado.Absorción de rayos X
53.  Se varía la energía de rayos X para completar el estudio.Absorción de rayos X
54.  Se ha de trabajar con fotones de energía mayor a la de ligadura. Se puede usar este efecto como filtro para dar lugar a radiación monocromática.Absorción de rayos X
55.  Por encima de las cimas de absorción se revela la estructura fina del átomo. Se observa una región oscilante en la absorción. Surgen por efectos de interferencia en la dispersión del electrón saliente por los átomos cercanos. EXAFS determina el tipo y número de átomos rodeando al absorbente.Estructura fina extendida a laabsorción de rayos X (EXAFS)
56.  Se sondean 0,6 nm alrededor de cada especie. Es necesario para EXAFS usar radiación sincrotrónica por la intensidad del haz, su monocromaticidad y la posibilidad de variación.Estructura fina extendida a laabsorción de rayos X (EXAFS)
57.  El electrón saliente posee una función de onda esférica. Las ondulaciones llegan al átomo vecino, donde serán dispersadas. Esta dispersión creará interferencias con el electrón saliente. Pueden considerarse vibraciones térmicas y eventos inelásticos. Esto se traduce en un término de amortiguamiento.Estructura fina extendida a laabsorción de rayos X (EXAFS)
58.  La oscilación sinusoidal depende de las distancias interatómicas y del cambio de fase. Conociendo la intensidad y haciendo una transformada de Fourier conocemos dicha distancia y la estructura local.Estructura fina extendida a laabsorción de rayos X (EXAFS)
59.  Consta de un cuanto de energía transferido a un electrón ligado. Este, si recibe la energía suficiente, emergerá a la superficie como libre. Su energía dependerá de la energía del fotón y de su energía característica de ligadura. No han de ocurrir colisiones para determinar su naturaleza, luego se sondean solo profundidades de 1-2 nm.Espectroscopia fotoelectrónica derayos X (XPS)
60.  La fuente son fotones obtenidos al bombardear con electrones blancos de Mg o Al. Hay que considerar la radiación de frenado. Para conseguir un haz de energía definida hay que utilizar monocromadores. UPS es una técnica similar pero se usan fotones ultravioletas. Se obtienen con una lámpara de descarga de He.Espectroscopia fotoelectrónica derayos X (XPS)
61. Espectroscopia fotoelectrónica derayos X (XPS)
62.  Como detectores no se utilizan los espectrómetros electrónicos de campo magnético. En los deflectores los electrones viajan a través de las líneas equipotenciales. En los de tipo espejo se atraviesan líneas equipotenciales y se reflejan mediante electrodos. El más utilizado es el analizador cilíndrico de espejo (CMA). Se basa en la ganancia conseguida por los canaltrones.Espectroscopia fotoelectrónica derayos X (XPS)
63.  Las intensidades o el área de los picos dependen de la sección eficaz, de la longitud de onda, del espectrómetro, de la rugosidad superficial y la presencia de estructuras satélite. Las secciones eficaces dependen del número atómico. Hay que considerar la probabilidad de creación de un electrón libre y la de que sea detectable.Análisis cuantitativo con XPS
64.  La probabilidad de que el fotoelectrón salga del sólido sin colisiones es una exponencial decreciente. No todos influyen en la creación de vacancias en el estado fundamental. Los estados excitados hacen decrecer la intensidad de los picos. La eficiencia depende del entorno químico y de la energía cinética del electrón.Análisis cuantitativo con XPS
65.  La intensidad del pico posibilita un análisis químico que se simplifica si la eficiencia no cambia. Los cálculos suponen muestra llana, homogénea, limpia y distribución isótropa de fotoelectrones. XPS es sensible a capas superficiales, a la sección eficaz y el ruido.Análisis cuantitativo con XPS
66.  Con un haz de electrones se excita una pequeña región superficial. La radiación X emitida por la muestra sondeada (del orden de micrómetros) nos permite conocer la distribución lateral. En el análisis de materiales interesan las líneas K y L. La detección se puede realizar con espectroscopia dispersiva de energía (la señal depende de la energía) o con espectroscopia dispersiva de longitud de onda (con un cristal se miden líneas de cumplan la ley de Bragg).Microsonda electrónica
67.  Los cambios químicos no afectan la energía de ligadura puesto que los niveles involucrados son alterados simultáneamente.Microsonda electrónica
68.  Hay que atender a la anchura de las líneas energéticas. Su origen está en el principio de incertidumbre de Heisenberg.Microsonda electrónica
69.  EMA puede identificar los elementos de Z>10. El límite de detección es 50-100 ppm. La exactitud de EMA se sitúa en torno al 1% si se comparan con patrones apropiados. Se analiza el rendimiento y se elimina el ruido producido por bremsstrahlung.Microsonda electrónica: análisiscuantitativo
70.  Muestra y patrón han de medirse bajo las mismas condiciones. Conociendo K y la concentración de la muestra patrón conoceremos las concentraciones de la muestra analizada. Para determinar la razón de concentración es necesario establecer una curva de calibración entre intensidades y átomos.Microsonda electrónica: análisiscuantitativo
71.  La ecuación considera el cambio de sección eficaz con la profundidad debido a pérdida energética de electrones y retrodispersiones. Si para EMA se utiliza un patrón es necesario aplicar factores de corrección que consideren el número atómico, la absorción y la fluorescencia.Microsonda electrónica: análisiscuantitativo
72.  La ionización de capas internas depende del campo eléctrico generado por una carga que pasa cerca. Protones y electrones generan campos eléctricos idénticos (sin considerar la carga y bajo consideraciones clásicas). Usando entonces protones la energía para esto es elevada.Emisión de rayos X inducida porprotones (y helio) (PIXE)
73.  Con PIXE se obtiene en función de la energía y la masa del protón una curva universal para las secciones eficaces.Emisión de rayos X inducida porprotones (y helio) (PIXE)
74.  La sección eficaz de producción de rayos X se relaciona con la de ionización mediante el rendimiento de fluorescencia. El máximo de la sección eficaz decrece con el número atómico o la energía de ligadura. PIXE disminuye el ruido de fondo, aumentando la sensibilidad. Al usar PIXE protones decrece la probabilidad de radiación de frenado. PIXE permite detectar trazas y hacer análisis lateral.Emisión de rayos X inducida porprotones (y helio) (PIXE)
75.  Una pistola electrónica genera un haz que crea vacancias que son ocupadas por electrones externos. La energía sobrante se aplica para eyectar otros electrones externos, que serán recogidos por un CMA. El espectro muestra picos de dispersiones elásticas e inelásticas, plasmones y excitaciones electrónicas. Es necesario aplicar una técnica derivativa para destacar los electrones Auger del ruido de electrones secundarios.Espectroscopia electrónica deAuger
76. Espectroscopia electrónica deAuger
77.  El límite de detección de impurezas (1000 ppm) depende de la resolución y el nivel de ruido. La diferenciación se realiza con una pequeña tensión alterna en el cilindro externo del CMA. Se realizan desarrollos en serie para obtener los datos.Espectroscopia electrónica deAuger
78.  El rendimiento para un átomo libre depende de la sección eficaz de ionización por impacto electrónico y la probabilidad de emisión de electrones Auger (de eV). En un sólido hay complicaciones por retrodispersión electrónica y la rugosidad. AES es muy sensible a la superficie, detectando elementos de más de tres electrones en sus capas.Espectroscopia electrónica deAuger
79.  AES sirve para determinar la composición en función de la profundidad. Se recurre al uso de sputtering para analizar regiones cercanas a la superficie. Se obtienen curvas de altura de pico de Auger frente a tiempo de sputtering. Con una calibración se traduce por concentración frente a profundidad. El sputtering puede provocar entremezclado. AES es sensible a elementos ligeros y pesados y tiene gran resolución de profundidad.Perfiles de profundidad de Auger
80.  AES detecta contaminantes en la superficie e interfase que puedan afectar a las reacciones químicas y eviten la interdifusión. AES resuelve la composición de multicapas de elementos cercanos en la tabla periódica.Perfiles de profundidad de Auger
81.  Es una técnica sensitiva y no destructiva para detectar trazas de elementos de una muestra. Se bombardea el núcleo atómico y tras la reacción nuclear emitirá fotones gamma característicos y núcleos hijos. No interacciona con otras técnicas. El elemento se identifica por su vida media de la radiación. Se reduce el ruido cuando la radiación es máxima.Análisis de activación
82.  La curva de decaimiento de una muestra de varios componentes es una superposición de los decaimientos independientes. Se detectan impurezas en materiales másicos (10-8-10-10 g). Con neutrones como haz incidente se logra alta penetración. Los perfiles de profundidad se realizan con técnicas de adelgazamiento.Análisis de activación
83. Análisis de activación
84.  Se detectan los productos de la reacción nuclear mientras se realiza la irradiación. No llega a los límites de detección del análisis de activación. El perfil de profundidad se determina mediante retrodispersión, la pérdida energética del proyectil y la atenuación de la radiación emergente. No hay ruido para elementos ligeros.Análisis de radiación inmediata
85.  En el método de análisis de la energía se usa un haz donde su energía afecta la sección eficaz de colisión. Se pueden usar neutrones térmicos, emitiendo partículas cargadas isotrópicamente. Con neutrones la sección eficaz de reacción es mayor que la geométrica. Cerca de la superficie la energía es mayor. El rango varía entre 1 y 10 m y se puede analizar la difusión.Análisis de radiación inmediata
86.  La reacción también puede inducirse con partículas cargadas. Su energía debe superar la barrera de Coulomb. El rendimiento depende de la sección eficaz diferencial de difícil expresión. Para átomos pesados no se da la reacción. No existe ruido por la alta energía de las partículas emitidas. Se pueden detectar impurezas. Se eliminan partículas dispersadas elásticamente colocando absorbentes.Análisis de radiación inmediata
87.  Se relaciona la energía y la profundidad. Conociendo la sección eficaz y el factor de reacción se determina el perfil de concentración. Las excitaciones de los núcleos hijos pueden requerir un umbral energético para que se dé la reacción.Análisis de radiación inmediata
88.  El método de resonancia varía la energía del haz hasta encontrar un pico en la sección eficaz. En la resonancia la energía emitida es muy alta, aprovechándose el pico para detectar trazas en el perfil de profundidad. Si fuera de la resonancia la sección eficaz es despreciable el rendimiento de la reacción está en función de la energía del haz. La energía de los iones disminuye en su paso por el material, por lo que la resonancia se dará en zonas profundas.Análisis de radiación inmediata
89.  Los análisis minuciosos tienen en cuenta toda la sección eficaz y la diseminación. La curva de rendimiento se puede convertir en curva de concentración. Se determina la concentración absoluta de impurezas ligeras. Midiendo la concentración se puede determinar la profundidad. Esta técnica puede detectar hidrógeno.Análisis de radiación inmediata
90. Análisis de radiación inmediata
X ray photoelectron spectroscopy (xps) iit kgp
ak21121991
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References: resolución 
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