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Dispersión de iones de baja energía

Imagen de un sistema Kratos Axis-165 equipado con XPS, ISS y AES, del Centro de Ingeniería y Ciencia de Superficies de Alberta (ACSES).

La espectroscopia de dispersión de iones de baja energía (LEIS) , a veces denominada simplemente espectroscopia de dispersión de iones (ISS), es una técnica analítica sensible a la superficie que se utiliza para caracterizar la composición química y estructural de los materiales. La LEIS implica dirigir una corriente de partículas cargadas conocidas como iones hacia una superficie y realizar observaciones de las posiciones, velocidades y energías de los iones que han interactuado con la superficie. Los datos que se recopilan de esta manera se pueden utilizar para deducir información sobre el material, como las posiciones relativas de los átomos en una red superficial y la identidad elemental de esos átomos. La LEIS está estrechamente relacionada con la dispersión de iones de energía media (MEIS) y la dispersión de iones de alta energía (HEIS, conocida en la práctica como espectroscopia de retrodispersión de Rutherford o RBS), y difieren principalmente en el rango de energía del haz de iones utilizado para sondear la superficie. Si bien gran parte de la información recopilada mediante LEIS se puede obtener mediante otras técnicas de ciencia de superficies , LEIS es única en su sensibilidad tanto a la estructura como a la composición de las superficies. Además, LEIS es una de las pocas técnicas sensibles a las superficies capaces de observar directamente los átomos de hidrógeno , un aspecto que puede convertirla en una técnica cada vez más importante a medida que se explora la economía del hidrógeno .

Configuración experimental

Los sistemas LEIS constan de lo siguiente:

Configuración experimental general para LEIS.
  1. Cañón de iones , utilizado para dirigir un haz de iones a una muestra objetivo. Unafuente de iones de ionización electrónica se utiliza típicamente para ionizar átomos de gases nobles como He , Ne o Ar , mientras que el calentamiento de obleas que contienen átomos alcalinos se utiliza para crear un haz de iones alcalinos . Los iones así creados tienen una carga positiva , típicamente +1, debido a la expulsión de electrones de los átomos. El rango de energías utilizado con más frecuencia en LEIS es de 500 eV a 20 keV. Para lograr una buena resolución experimental, es importante tener una dispersión de energía estrecha (ΔE/E < 1%) en el haz de iones saliente.
  2. Manipulador de haz de iones , incluye las lentes electrostáticas del cañón de iones para enfocar y cortar el haz. Las lentes constan de una serie de geometrías de placa o cilindro y sirven para colimar el haz, así como para filtrarlo selectivamente en función de la masa y la velocidad . El corte del haz se realiza utilizando un generador de ondas pulsadas cuando se realizan experimentos de tiempo de vuelo (TOF). Los iones solo pasan a través del cortador cuando no se aplica voltaje .
  3. Manipulador de muestras : permite al operador cambiar la posición y/o el ángulo del objetivo para realizar experimentos con distintas geometrías . Mediante controles direccionales, se pueden realizar ajustes azimutales (rotacionales) y del ángulo de incidencia .
  4. Tubo de deriva/región de deriva , utilizado en la configuración TOF. Las mediciones TOF se utilizan cuando se requiere el análisis de la velocidad de las partículas. Al pulsar iones hacia la muestra con una frecuencia regular y observar el tiempo que tardan en recorrer una cierta distancia después del impacto en la superficie hasta un detector, es posible calcular la velocidad de los iones y los neutros que provienen de la superficie. También se puede utilizar un acelerador en esta configuración, antes del tubo de deriva, para lograr la separación de iones de los neutros cuando se desee.
  5. Detector/ analizador electrostático , utilizado para detectar las velocidades y/o energías de partículas dispersas, incluidos iones y, en algunos casos, especies neutras.
    Diagrama de un analizador electrostático en geometría hemisférica. Sólo los iones de una energía seleccionada pasan al detector.
    A diferencia de los analizadores TOF, los analizadores electrostáticos logran la resolución de energía de iones utilizando deflectores electrostáticos para dirigir solo iones de un rango de energía particular a un colector, mientras que todos los demás iones son redirigidos. Este tipo de analizador puede dar una buena resolución de energía (y por lo tanto, selectividad ) pero típicamente sufre de poca sensibilidad debido al hecho de que solo detecta iones de un cierto rango de energía e ignora especies neutrales por completo. Se utilizan dos tipos de detectores: detectores multiplicadores de electrones de canal (CEM) y detectores de placa de microcanal (MCP). Los CEM funcionan de manera similar a los fotomultiplicadores , mostrando una cascada de procesos de emisión de electrones secundarios iniciados por el impacto de iones o neutros rápidos (energía > 1 keV) para dar una ganancia en la corriente de señal . De esta manera es posible detectar eficientemente incluso flujos pequeños de iones o partículas neutrales. Los detectores MCP son esencialmente matrices bidimensionales de CEM, y permiten obtener información adicional sobre la posición de las partículas a costa de la sensibilidad en cualquier posición dada.
  6. Bombas de vacío ; los estudios se realizan en condiciones de ultra alto vacío (UHV) (< 10 −10 torr ) para evitar interferencias no deseadas con el haz de iones o la muestra . Las bombas UHV comunes incluyenbombas turbomoleculares y de iones , y el bombeo preliminar generalmente se realiza utilizando una bomba de paletas rotativas . Debido a la extrema sensibilidad de la superficie (es decir, la primera capa) del LEIS, las muestras también deben limpiarse rigurosamente antes del análisis. Algunos procesos comunes utilizados para limpiar muestras incluyen la pulverización catódica y el recocido . El equipo apropiado para la limpieza debe estar contenido dentro de la cámara de vacío.
  7. Otras herramientas de análisis : en muchos casos, es conveniente realizar varios tipos de análisis en una muestra dentro del mismo sistema de ultra alta luminosidad, o incluso al mismo tiempo. Algunas herramientas adicionales pueden incluir la espectroscopia electrónica Auger (AES), la difracción de electrones de baja energía (LEED) y la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS). El uso de estas herramientas normalmente requiere la presencia de detectores adicionales, así como fuentes de electrones y/o rayos X cuando corresponda.

Física de las interacciones ion-superficie

Diagrama de diversas interacciones entre iones y superficies (no exhaustivo). (1) Ión entrante; (2) Dispersión; (3) Neutralización y dispersión; (4) Pulverización catódica o retroceso; (5) Emisión de electrones; (6) Emisión de fotones; (7) Adsorción; (8) Desplazamiento. LEIS es único en su alta sensibilidad a la primera capa superficial de una muestra.

Pueden ocurrir varios tipos diferentes de eventos como resultado del impacto del haz de iones sobre una superficie objetivo. Algunos de estos eventos incluyen emisión de electrones o fotones, transferencia de electrones (tanto ion-superficie como superficie-ion), dispersión , adsorción y pulverización catódica (es decir, expulsión de átomos de la superficie). Para cada sistema y cada interacción existe una sección transversal de interacción , y el estudio de estas secciones transversales es un campo en sí mismo. Como sugiere el nombre, LEIS se ocupa principalmente de los fenómenos de dispersión.

Composición elemental y modelo de colisión de dos cuerpos

Debido al rango de energía que se suele utilizar en los experimentos de dispersión de iones (> 500 eV), se ignoran los efectos de las vibraciones térmicas, las oscilaciones de fonones y los enlaces interatómicos, ya que están muy por debajo de este rango (unos pocos eV), y la interacción de la partícula y la superficie puede considerarse como un problema clásico de colisión elástica de dos cuerpos . La medición de la energía de los iones dispersos en este tipo de interacción se puede utilizar para determinar la composición elemental de una superficie, como se muestra a continuación:

Las colisiones elásticas entre dos cuerpos se rigen por los conceptos de conservación de la energía y el momento . Consideremos una partícula con masa m x , velocidad v 0 y energía dadas al impactar contra otra partícula en reposo con masa m y . Las energías de las partículas después de la colisión son y donde y por lo tanto . Además, sabemos . Usando trigonometría podemos determinar

De la misma manera, sabemos

En un experimento bien controlado , la energía y la masa de los iones primarios (E 0 y m x , respectivamente) y las geometrías de dispersión o retroceso son todas conocidas, por lo que la determinación de la composición elemental de la superficie se da por la correlación entre E 1 o E 2 y m y . Los picos de dispersión de mayor energía corresponden a átomos más pesados ​​y los picos de menor energía corresponden a átomos más ligeros.

Obtener datos cuantitativos

Si bien obtener información cualitativa sobre la composición elemental de una superficie es relativamente sencillo, es necesario comprender la sección transversal estadística de la interacción entre iones y átomos de la superficie para obtener información cuantitativa . Dicho de otra manera, es fácil averiguar si una especie en particular está presente, pero es mucho más difícil determinar cuánta de esa especie hay.

El modelo de colisión de dos cuerpos no proporciona resultados cuantitativos, ya que ignora las contribuciones de la repulsión de Coulomb , así como los efectos más complicados del apantallamiento de carga por parte de los electrones. Esto suele ser un problema menor en los experimentos MEIS y RBS, pero presenta problemas en LEIS. La repulsión de Coulomb se produce entre iones primarios cargados positivamente y los núcleos de los átomos de la superficie. El potencial de interacción se expresa como:

Donde y son los números atómicos del ion primario y del átomo de superficie, respectivamente, es la carga elemental , es la distancia interatómica y es la función de apantallamiento. tiene en cuenta la interferencia de los electrones que orbitan alrededor de cada núcleo. En el caso de MEIS y RBS, este potencial se puede utilizar para calcular la sección eficaz de dispersión de Rutherford (véase dispersión de Rutherford ) :

Dispersión repulsiva por una partícula puntual.

Como se muestra a la derecha, representa una región finita para una partícula entrante, mientras que representa el ángulo de dispersión sólido después del evento de dispersión. Sin embargo, para LEIS generalmente se desconoce, lo que impide un análisis tan limpio. Además, cuando se utilizan haces de iones de gases nobles, existe una alta probabilidad de neutralización en el impacto (que tiene una fuerte dependencia angular) debido al fuerte deseo de estos iones de estar en un estado de capa cerrada y neutral. Esto da como resultado un flujo de iones secundarios deficiente. Consulte AISS y TOF-SARS a continuación para conocer los enfoques para evitar este problema.

Sombreado y bloqueo

Efectos de sombreado y bloqueo en dos dimensiones. No se detectarán iones en ángulos inferiores. Los iones primarios se aproximan desde la parte superior izquierda.

El sombreado y el bloqueo son conceptos importantes en casi todos los tipos de interacciones ion-superficie y resultan de la naturaleza repulsiva de la interacción ion-núcleo. Como se muestra a la derecha, cuando un flujo de iones fluye en paralelo hacia un centro de dispersión (núcleo), cada uno de ellos se dispersa de acuerdo con la fuerza de la repulsión de Coulomb. Este efecto se conoce como sombreado . En un modelo simple de repulsión de Coulomb, la región resultante de espacio "prohibido" detrás del centro de dispersión toma la forma de un paraboloide con un radio a una distancia L del centro de dispersión. La densidad de flujo aumenta cerca del borde del paraboloide.

El bloqueo está estrechamente relacionado con el sombreado e implica la interacción entre iones dispersos y un centro de dispersión vecino (como tal, requiere inherentemente la presencia de al menos dos centros de dispersión). Como se muestra, los iones dispersos desde el primer núcleo ahora están en caminos divergentes a medida que experimentan interacción con el segundo núcleo. Esta interacción da como resultado otro "cono de sombreado" ahora llamado cono de bloqueo donde los iones dispersos desde el primer núcleo no pueden salir en ángulos inferiores a . Los efectos de enfoque nuevamente dan como resultado una mayor densidad de flujo cerca de .

Tanto en el sombreado como en el bloqueo, las regiones "prohibidas" son realmente accesibles a las trayectorias cuando la masa de los iones entrantes es mayor que la de los átomos de la superficie (por ejemplo, Ar + que impacta con Si o Al ). En este caso, la región tendrá una densidad de flujo finita pero agotada .

Para iones de mayor energía, como los utilizados en MEIS y RBS, los conceptos de sombreado y bloqueo son relativamente sencillos, ya que las interacciones ion-núcleo dominan y los efectos de apantallamiento de electrones son insignificantes. Sin embargo, en el caso de LEIS, estos efectos de apantallamiento interfieren con las interacciones ion-núcleo y el potencial repulsivo se vuelve más complicado. Además, es muy probable que se produzcan múltiples eventos de dispersión, lo que complica el análisis. Es importante destacar que , debido a los iones de menor energía utilizados, LEIS se caracteriza típicamente por grandes secciones transversales de interacción y radios de cono de sombra. Por este motivo, la profundidad de penetración es baja y el método tiene una sensibilidad de primera capa mucho mayor que MEIS o RBS. En general, estos conceptos son esenciales para el análisis de datos en experimentos LEIS de colisión de impacto (ver a continuación).

La difracción no juega un papel importante

La longitud de onda de De Broglie de los iones utilizados en los experimentos LEIS se expresa como . Si utilizamos un valor de 500 eV en el peor de los casos para un ion 4 He + , vemos que λ sigue siendo solo 0,006 Å, muy por debajo del espaciamiento interatómico típico de 2-3 Å. Debido a esto, los efectos de la difracción no son significativos en un experimento LEIS normal.

Geometría de ICISS y su relevancia para la caracterización estructural de superficies. La dirección y la longitud de la unión superficie-subsuperficie se pueden determinar a partir de un gráfico de intensidad vs. Rojo: determinación de la forma del cono de sombra; Verde: determinación del espaciamiento y la dirección de la superficie-subsuperficie con una forma de cono de sombra conocida.

Variaciones de la técnica

Según la configuración experimental particular, se puede utilizar LEIS para obtener una variedad de información sobre una muestra. A continuación se incluyen varios de estos métodos.

Comparación con otras técnicas analíticas

Referencias

Enlaces externos

Véase también