La espectroscopia electrónica se refiere a un grupo formado por técnicas basadas en el análisis de las energías de los electrones emitidos como los fotoelectrones y los electrones Auger . Este grupo incluye la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS), que también se conoce como espectroscopia electrónica para análisis químico (ESCA), espectroscopia de pérdida de energía de electrones (EELS), espectroscopia de fotoelectrones ultravioleta (UPS) y espectroscopia electrónica Auger (AES). Estas técnicas analíticas se utilizan para identificar y determinar los elementos y sus estructuras electrónicas a partir de la superficie de una muestra de prueba. Las muestras pueden ser sólidas, gaseosas o líquidas. [1] [2]
La información química se obtiene únicamente de las capas atómicas superiores de la muestra (profundidad de 10 nm o menos) porque las energías de los electrones Auger y los fotoelectrones son bastante bajas, típicamente de 20 a 2000 eV. Por esta razón, se utilizan técnicas de espectroscopia electrónica para analizar los productos químicos de la superficie . [1]
El desarrollo de la espectroscopia electrónica puede considerarse iniciado en 1887, cuando el físico alemán Heinrich Rudolf Hertz descubrió el efecto fotoeléctrico , pero no fue capaz de explicarlo. En 1900, Max Planck (Premio Nobel de Física en 1918) sugirió que la energía transportada por las ondas electromagnéticas sólo podía liberarse en "paquetes" de energía. En 1905, Albert Einstein (Premio Nobel de Física en 1921) explicó el descubrimiento de Planck y el efecto fotoeléctrico. Presentó la hipótesis de que la energía de la luz se transporta en paquetes discretos cuantificados (fotones), cada uno con energía E=hν para explicar las observaciones experimentales. Dos años después de esta publicación, en 1907, PD Innes registró el primer espectro XPS. [3]
Después de numerosos avances y de la Segunda Guerra Mundial, Kai Siegbahn (Premio Nobel en 1981) con su grupo de investigación en Uppsala, Suecia, registró en 1954 el primer dispositivo XPS capaz de producir un espectro XPS de alta resolución energética. En 1967, Siegbahn publicó un estudio exhaustivo sobre XPS y su utilidad, al que llamó espectroscopia electrónica para análisis químico (ESCA). Simultáneamente con el trabajo de Siegbahn, en 1962, David W. Turner, del Imperial College de Londres (y posteriormente de la Universidad de Oxford ), desarrolló la espectroscopia de fotoelectrones ultravioleta (UPS) para especies moleculares utilizando una lámpara de helio. [3]
En la espectroscopia electrónica, dependiendo de la técnica, la irradiación de la muestra con partículas de alta energía, como fotones de rayos X, electrones de haz de electrones o fotones de radiación ultravioleta, provoca la emisión de electrones Auger y fotoelectrones. La figura 1 ilustra esto sobre la base de un único evento en el que, por ejemplo, un fotón de rayos X entrante de un rango de energía particular (E=hv) transfiere su energía a un electrón en la capa interna de un átomo. La absorción de este fotón expulsa el electrón y deja un agujero en la capa atómica (ver figura 1 (a)). El agujero puede llenarse de dos maneras, formando diferentes rayos característicos que son específicos de cada elemento. Si un electrón de una capa con un nivel de energía superior salta para llenar el agujero, la diferencia de energía puede emitirse como un fotón fluorescente (figura 1 (b)). En el fenómeno Auger, cuando el electrón salta desde un nivel de energía superior, su energía hace que un electrón adyacente o cercano sea expulsado, formándose un electrón Auger (figura 1 (c)). [1]
Como se puede ver en la discusión anterior y en la figura 1, los electrones Auger y los fotoelectrones son diferentes en su origen físico; sin embargo, ambos tipos de electrones llevan información similar sobre los elementos químicos en las superficies de los materiales. Cada elemento tiene su propia energía de electrón Auger o fotón especial a partir de la cual se pueden identificar. La energía de enlace de un fotoelectrón se puede calcular mediante la fórmula siguiente. [1]
donde E binding es la energía de enlace del fotoelectrón, hν es la energía de la partícula de radiación entrante, E kinetic es la energía cinética del fotoelectrón medida por el dispositivo y es la función de trabajo . [1]
La energía cinética del electrón Auger es aproximadamente igual a la diferencia de energía entre las energías de enlace de las capas de electrones involucradas en el proceso Auger. Esto se puede calcular de la siguiente manera: [1]
donde E cinética es la energía cinética del electrón Auger, hν es la energía de la partícula de radiación entrante y E B es la energía de enlace de la primera capa externa y E C son las energías de enlace de la segunda capa externa. [1]
