El análisis por haz de iones (IBA) es una familia importante de técnicas analíticas modernas que implican el uso de haces de iones de MeV para investigar la composición y obtener perfiles de profundidad elemental en la capa cercana a la superficie de los sólidos. El IBA no está restringido a rangos de energía de MeV. Puede operarse a baja energía (<Kev) utilizando técnicas como FIB y espectroscopia de masas de iones secundarios , así como a energías más altas (>GeV) utilizando instrumentos como el LHC . Todos los métodos IBA son altamente sensibles y permiten la detección de elementos en el rango de submonocapa. La resolución de profundidad está típicamente en el rango de unos pocos nanómetros a unas pocas decenas de nanómetros. Se puede lograr una resolución de profundidad atómica, pero requiere un equipo especial. La profundidad analizada varía de unas pocas decenas de nanómetros a unas pocas decenas de micrómetros. Los métodos IBA son siempre cuantitativos con una precisión de un pequeño porcentaje. La canalización permite determinar el perfil de profundidad del daño en monocristales.
La evaluación cuantitativa de los métodos IBA requiere el uso de software especializado de simulación y análisis de datos. SIMNRA y DataFurnace son programas populares para el análisis de RBS, ERD y NRA, mientras que GUPIX es popular para PIXE. Una revisión del software IBA [2] fue seguida por una intercomparación de varios códigos dedicados a RBS, ERD y NRA, organizada por la Agencia Internacional de Energía Atómica . [3]
La IBA es un área de investigación activa. La última gran conferencia sobre microhaces nucleares celebrada en Debrecen (Hungría) se publicó en NIMB 267(12-13).
El análisis por haz de iones se basa en el hecho de que las interacciones ion-átomo se producen por la introducción de iones en la muestra que se está analizando. Las interacciones principales dan como resultado la emisión de productos que permiten obtener información sobre el número, tipo, distribución y disposición estructural de los átomos. Para utilizar estas interacciones para determinar la composición de la muestra, se debe seleccionar una técnica junto con las condiciones de irradiación y el sistema de detección que aísle mejor la radiación de interés y proporcione la sensibilidad y los límites de detección deseados. El diseño básico de un aparato de haz de iones es un acelerador que produce un haz de iones que se alimenta a través de un tubo de transporte de haz evacuado a un dispositivo de manipulación de haz. Este dispositivo aísla las especies de iones y la carga de interés que luego se transportan a través de un tubo de transporte de haz evacuado a la cámara objetivo. Esta cámara es donde el haz de iones refinado entrará en contacto con la muestra y, por lo tanto, se pueden observar las interacciones resultantes. La configuración del aparato de haz de iones se puede cambiar y hacer más compleja con la incorporación de componentes adicionales. Las técnicas para el análisis por haz de iones están diseñadas para fines específicos. Algunas técnicas y fuentes de iones se muestran en la tabla 1. Los tipos de detectores y disposiciones para las técnicas de haz de iones se muestran en la tabla 2.
El análisis por haz de iones se ha utilizado en diversas aplicaciones, desde usos biomédicos hasta el estudio de artefactos antiguos. La popularidad de esta técnica se debe a que se pueden recopilar datos sensibles sin distorsionar significativamente el sistema en el que se está estudiando. El éxito sin precedentes obtenido con el análisis por haz de iones ha sido prácticamente indiscutible durante los últimos treinta años hasta hace muy poco con el desarrollo de nuevas tecnologías. Incluso entonces, el uso del análisis por haz de iones no ha disminuido y se están encontrando más aplicaciones que aprovechan sus capacidades de detección superiores. En una era en la que las tecnologías más antiguas pueden volverse obsoletas en un instante, el análisis por haz de iones ha seguido siendo un pilar y solo parece estar creciendo a medida que los investigadores encuentran un mayor uso para la técnica.
Las nanopartículas de oro se han utilizado recientemente como base para el recuento de especies atómicas, especialmente en el estudio del contenido de células cancerosas. [5] El análisis por haz de iones es una excelente manera de contar la cantidad de especies atómicas por célula. Los científicos han descubierto una forma eficaz de disponer de datos cuantitativos precisos mediante el uso del análisis por haz de iones junto con la espectrometría de retrodispersión elástica (EBS). [5] Los investigadores de un estudio de nanopartículas de oro pudieron encontrar un éxito mucho mayor utilizando el análisis por haz de iones en comparación con otras técnicas analíticas, como PIXE o XRF. [5] Este éxito se debe al hecho de que la señal EBS puede medir directamente la información de profundidad utilizando el análisis por haz de iones, mientras que esto no se puede hacer con los otros dos métodos. Las propiedades únicas del análisis por haz de iones son de gran utilidad en una nueva línea de terapia contra el cáncer.
El análisis por haz de iones también tiene una aplicación muy singular en el estudio de artefactos arqueológicos, también conocido como arqueometría. [6] Durante las últimas tres décadas, este ha sido el método preferido para estudiar artefactos preservando su contenido. Lo que muchos han encontrado útil en el uso de esta técnica es su excelente rendimiento analítico y su carácter no invasivo. Más específicamente, esta técnica ofrece un rendimiento incomparable en términos de sensibilidad y precisión. Sin embargo, recientemente ha habido fuentes que compiten para fines de arqueometría que utilizan métodos basados en rayos X como XRF. No obstante, la fuente más preferida y precisa es el análisis por haz de iones, que aún no tiene rival en su análisis de elementos ligeros y aplicaciones de imágenes químicas en 3D (es decir, obras de arte y artefactos arqueológicos). [6] [7]
Una tercera aplicación del análisis por haz de iones es en los estudios forenses, en particular en la caracterización de residuos de disparos. La caracterización actual se realiza en función de los metales pesados que se encuentran en las balas, sin embargo, los cambios en la fabricación están haciendo que estos análisis se vuelvan obsoletos lentamente. Se cree que la introducción de técnicas como el análisis por haz de iones aliviará este problema. Los investigadores están estudiando actualmente el uso del análisis por haz de iones junto con un microscopio electrónico de barrido y un espectrómetro de rayos X de energía dispersiva (SEM-EDS). [8] La esperanza es que esta configuración detecte la composición de sustancias químicas nuevas y antiguas que los análisis más antiguos no podían detectar de manera eficiente en el pasado. [8] La mayor cantidad de señal analítica utilizada y la iluminación más sensible que se encuentra en el análisis por haz de iones brindan una gran promesa para el campo de la ciencia forense.
La detección espacialmente resuelta de elementos ligeros, por ejemplo, el litio, sigue siendo un desafío para la mayoría de las técnicas basadas en la capa electrónica de los átomos objetivo, como XRF o SEM-EDS. En el caso de las baterías de litio e ion-litio, la cuantificación de la estequiometría del litio y su distribución espacial son importantes para comprender los mecanismos detrás de la descarga/descarga y el envejecimiento. A través del enfoque del haz de iones y una combinación de métodos, el análisis del haz de iones ofrece la posibilidad única de medir el estado de carga local (SoC) en la escala μm. [9]
Las técnicas analíticas basadas en haces de iones representan un poderoso conjunto de herramientas para el análisis de composición elemental no destructivo, sin estándares, con resolución en profundidad y de alta precisión en el régimen de profundidad desde varios nm hasta unos pocos μm. [10] Al cambiar el tipo de ion incidente, la geometría del experimento, la energía de las partículas o al adquirir diferentes productos originados por la interacción ion-sólido, se puede extraer información complementaria. Sin embargo, el análisis a menudo se ve desafiado ya sea en términos de resolución de masa (cuando hay varios elementos comparablemente pesados en la muestra) o en términos de sensibilidad (cuando hay especies ligeras presentes en matrices pesadas). Por lo tanto, una combinación de dos o más técnicas basadas en haces de iones puede superar las limitaciones de cada método individual y proporcionar información complementaria sobre la muestra. [4] [5]
Un análisis iterativo y autoconsistente también mejora la precisión de la información que se puede obtener de cada medición independiente. [11] [12] [13]
Desde la década de 1960, los datos recopilados mediante análisis de haces de iones se han analizado mediante una multitud de programas de simulación por computadora. Los investigadores que utilizan con frecuencia el análisis de haces de iones junto con su trabajo requieren que este software sea preciso y apropiado para describir el proceso analítico que están observando. [14] Las aplicaciones de estos programas de software van desde el análisis de datos hasta las simulaciones teóricas y el modelado basado en suposiciones sobre los datos atómicos, las matemáticas y las propiedades físicas que detallan el proceso en cuestión. A medida que el propósito y la implementación del análisis de haces de iones han cambiado a lo largo de los años, también lo han hecho el software y los códigos utilizados para modelarlo. Dichos cambios se detallan a través de las cinco clases por las que se clasifica el software actualizado. [15] [16]
Incluye todos los programas desarrollados a finales de los años 1960 y principios de los años 1970. Esta clase de software resolvió problemas específicos en los datos; niy no proporcionó todo el potencial para analizar un espectro de un caso general completo. El programa pionero destacado fue IBA, desarrollado por Ziegler y Baglin en 1971. En ese momento, los modelos computacionales solo abordaban el análisis asociado con las técnicas de retrodispersión del análisis de haz de iones y realizaban cálculos basados en un análisis de losa. Una variedad de otros programas surgieron durante este tiempo, como RBSFIT, aunque debido a la falta de conocimiento profundo sobre el análisis de haz de iones, se volvió cada vez más difícil desarrollar programas que fueran precisos.
Una nueva ola de programas intentó resolver este problema de precisión en esta próxima clase de software. Desarrollados durante la década de 1980, programas como SQEAKIE y BEAM EXPERT brindaron la oportunidad de resolver el caso general completo mediante el empleo de códigos para realizar un análisis directo. Este enfoque directo despliega el espectro producido sin hacer suposiciones sobre la muestra. En cambio, calcula a través de señales de espectro separadas y resuelve un conjunto de ecuaciones lineales para cada capa. Sin embargo, siguen surgiendo problemas y se realizan ajustes para reducir el ruido en las mediciones y el margen de incertidumbre.
En un viaje de regreso al punto de partida, esta tercera clase de programas, creada en la década de 1990, toma algunos principios de la Clase A para dar cuenta del caso general, pero ahora mediante el uso de métodos indirectos. RUMP y SENRAS, por ejemplo, utilizan un modelo supuesto de la muestra y simulan un espectro teórico comparativo, que proporcionó propiedades tales como retención de estructura fina y cálculos de incertidumbre. Además de la mejora en las herramientas de análisis de software, llegó la capacidad de analizar otras técnicas además de la retrodispersión; es decir, ERDA y NRA.
Al salir de la era de la Clase C y a principios de la década de 2000, los programas de software y simulación para el análisis de haces de iones abordaban una variedad de técnicas de recopilación de datos y problemas de análisis de datos. Siguiendo los avances tecnológicos del mundo, se realizaron ajustes para mejorar los programas hasta lograr códigos más generalizados, evaluación del espectro y determinación estructural. Los programas producidos como SIMNRA ahora tienen en cuenta las interacciones más complejas con el haz y la muestra; también proporcionan una base de datos conocida de datos de dispersión.
Esta clase, desarrollada recientemente y con características similares a la anterior, hace uso de principios primarios en las técnicas computacionales de Monte Carlo. [17] Esta clase aplica cálculos de dinámica molecular que pueden analizar interacciones físicas de baja y alta energía que tienen lugar en el análisis de haces de iones. Una característica clave y popular que acompaña a estas técnicas es la posibilidad de que los cálculos se incorporen en tiempo real con el propio experimento de análisis de haces de iones.
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