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ESPECTROSCOPIA FOTOELECTRONICA DE RAYOS-X (XPS) Fernando Coloma Pascual Octubre 2016 SERVICIOS TECNICOS DE INVESTIGACIÓN Unidad de Rayos-X

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ESPECTROSCOPIA

FOTOELECTRONICA DE

RAYOS-X (XPS)

Fernando Coloma Pascual

Octubre 2016

SERVICIOS TECNICOS

DE INVESTIGACIÓN

Unidad de Rayos-X

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¿Qué quiere decir análisis superficial?

Space is big. You just won't believe how vastly, hugely, mind-bogglingly

big it is. I mean, you may think it's a long way down the road to the

chemist, but that's just peanuts to space’.

“Guia del autoestopista galáctico” by Douglas Adams

Surface analysis is almost exactly the opposite….

‘Surface analysis is small. You just won't believe how infinitesimal

minuscule, mind-bogglingly small it is. I mean you may think a surface

finish of 1 micron is small but that’s just peanuts to surface analysis, I

mean listen….’

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¿Qué queremos decir con SUPERFICIE?

Superficie tiene un significado diferente para diferente gente:

Astronomos – Años luz para galaxias10 km para la superficie del sol

Sismologos – kilometros para la corteza terrestre

Constructores - metros - milimetros para el acabado superficial

Ingenieros – de milimetros a micras para el acabado superficial

Semiconductores (y analistas superficiales)de micras a nanometros

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Para que os hagais una idea…

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¿Por qué estamos tan interesados en analizar superficies?

Dios hizo los sólidos, pero las superficies fueron trabajo del diablo’Wolfgang Pauli 1900-58… (Sí, el de “El principio de exclusión”)

(No es por nada pero…) La mayoría de las cosas interesantes pasan sobre una superficie

La superficie es la interfase entre algo sólido y la atmósfera

La química de la superficie puede ser bastante DIFERENTE del resto del sólido (bulk)

Hablamos de análisis superficial pero es sólo una parte de lo que realmente hacemos

La superficie es la interfase entre algo sólido y la atmósfera

Una interfase es lo que pasa entre dos materiales (por ejemplo, pintura pegada a una superficie)

Las películas delgadas (thin films) son algo que tiene espesores del orden del tamaño atómico y que requiere de análisis superficiales para estudiarlas

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¿Y por qué nos interesa tanto la superficie?

Un ejemplo simple

Problema: No se pueden pegar dos piezas de aluminio

El aluminio es un metal reactivo

Análisis global

(bulk) (1mm)

0.5at% Oxígeno

99.5at% Aluminio

Este análisis no nos

informa de si hay

algo que impida el

pegado (sólo

oxígeno de la capa

de óxido -2nm-)

Análisis Superficial

(10nm)

45%at% Oxígeno

30at% Aluminio

10at% Carbono

5at% Fluor

¿La presencia de F

puede impedir el

pegado?

¿La película de

carbono débilmente

enlazada puede

prevenir el pegado?

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¿Por qué ese interés en las superficies?

Los ejemplos incluyen:

• Catalizadores – Todas las reacciones se dan sobre la capa superficial, por tanto el por qué y el cómo funciona es MUY importante

• Las superficies poliméricas – Cómo se pueden modificar las superficies para poder imprimir sobre ellas

• Polímeros – Cómo modificar la superficie para poder ser bio-inertes

• Corrosión – Generalmente, empiezan en la superficie y avanzan haciael “bulk”

• Superficies metálicas – cómo podemos limpiarlas con disolventes“verdes” para que la pintura se adhiera o para ser pegadas

• El control del grosor de las películas delgadas es crítico ensemiconductores

• Los contaminantes superficiales afectan enormemente a materialescomo catalizadores, semiconductores, etc., influyendo enormementeen el rendimiento.

• etc etc

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¿Qué queremos saber?

• ¿Dónde está?- Uniforme sobre la superficie? ¿En la cercanía de “alguien”?’, etc

• ¿Que es?

- ¿Carbono? ¿Aluminio? ¿Oxigeno? ¿En estado elemental? ¿En

compuestos (óxido, carbonato)?

• ¿Cuanto tengo?15at% Carbono, 30at% Aluminio, 45at% Oxígeno o

30at% Carbono, 20at%Aluminio y 50at% Oxígeno

• ¿Cuál es su grosor?Una película de 2nm de Al2O3 con una capa muy fina de carbono

recubriendola o esos 2nm de grosor con Al2O3 y AlCO3?

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¿Dónde está?

Arriba: Vista del plato con varias muestras

Abajo: Con el sistema de visionado del

espectrómetro se puede seleccionar la muestra y

en punto de análisis

Plato porta muestras y cámara con

aumentos- Visionado de la muestra.

Se visiona la muestra y el punto

exacto donde se quiere hacer el

análisis

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¿Dónde está?

Vista de una muestra utilizando la

óptica reflex

La óptica del sistema proporciona

una visión exacta de la posición de

análisis

Se puede aumentar la imagen para

precisar la posición en análisis de

área pequeña

Se puede usar una óptica reflex

para definir perfectamente la

posición de análisis

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Iluminación – ¿dónde está?

Crater

Axial

Fuera

del eje

Papel Circuitos

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¿Qué es?

Análisis

Cualitativo de

la

SUPERFICIE:

-

Espectroscopía

Fotoelectrónica

de rayos-X

(XPS)

Determinación

del estado de

oxidación

Peak Positions

from database

Picos definidos

Usando su posición

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Cuantificación

Tanto XPS

como AES

son

cuantitativas

Obtenemos

un número

relacionado

con la

cantidad

presente en la

muestra

Define

peak

position

C1s

Peak

defined

Definir otros

picos

ejemplo: O1s

y Si2p

Cuantificación en esta columna

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¿Qué grosor tiene?

XPS: información

sobre el espesor

Análisis no

destructivo

mediante “Análisis

de ángulo resuelto”

Perfiles en

profundidad

mediante

bombardeo de

iºones

2.4nm

320nm

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¿Cómo obtener un espectro?

Un átomo consiste en

un núcleo de carga

positiva y electrones de

carga negativa

orbitando alrededor

Los electrones se

mantienen en

determinadas

posiciones por energías

de ligadura

Los electrones estan

localizados en orbitales

(4f, 4p, 4s), cada uno de

los cuales tiene una

energía de ligadura

específica

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¿Cómo obtener un espectro? (II)

Fotoelectrones de rayos-X

Un fotón de rayos-x (hn)

incide en el átomo y excita un

electrón (le da más energía)

Si esta energía es mayor que

la ENERGÍA DE LIGADURA

(BE), éste es expulsado del

átomo con una ENERGÍA

CINÉTICA (KE) igual a la que

llevaba el fotón (hn) menos la

energía de ligadura (BE) y

una función de trabajo (y).

Esto es el efecto

Fotoelectrónico

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Características de un espectro XPS

Fotoelectrones de

rayos-X

Los picos Si2p, Si2s,

C1s and O1s que

vemos en el espectro

estan localizados en

las energías de esos

fotoelectrones.

Sin embargo hay otros

picos en este

espectro…

•kinetic energy (eV)Picos de transiciones Auger (OKL1)

Esos picos se deben a transiciones Auger que son independientes de la

radiación usada.

Por eso, los vemos en los espectros ‘XPS’

(Pero no vemos picos XPS en espectros AES!)

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Transiciones Auger

Transiciones Auger

Se producen a partir de un efecto de relajación (deshacerse de demasiada energía en el átomo después de que un electrón se ha expulsado)

La energía del electrón emitido es de nuevo una indicación de qué elemento ha salido y su intensidad de cuánto de él hay

Emisión de un

fotoelectrón interno:

Estado inestable

Un electron cae

para llenar el

hueco vacío

El exceso de energía es

eliminado por la emisión

de un electrón Auger o

por un fotón de rayos-X

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Instrumentación para el Análisis Superficial

Por tanto, los instrumentos para análisis superficial detectan dos tipos de electrones

Fotoelectrones – Generados por interacción con los rayos-X

Electrones Auger – Generados por rayos-X y haces de electrones

Mediante el análisis de la energía y la intensidad de los picos generadospor esos electrones en el espectrómetro podemos obtener informaciónmuy útil sobre la superficie de las muestras

Sin embargo, estos dos tipos de electrones poseen característicasparticulares que hacen que una información sea mucho más fácil de obtener que la otra.

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Energía Cinética y Energía de Ligadura

XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy)

La Ecuación

KE = hn - BE – y

Donde:

KE = energía cinética que lleva el electrón Es lo que medimos con el espectrómetro

(en el rango de 0 a 1486 eV, que nos da esa sensibilidad superficial)

hn = Energía del fotón de rayos-XEsa energía es conocida - AlKa = 1486.6 eV, MgKa = 1253.6 eV

BE = Energía de ligadura del fotoelectrónEsta es la que queremos conocer – y nos da información química cualitativa

y = Función de trabajoEsto permite al electrón viajar desde el estado sólido al estado de vacío (tiene un valor aproximado de 4,2

eV). Se calcula a partir de un estándar conocido [por ejemplo, Ag3d5 = 368.27eV energía de ligadura]

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¿Por qué XPS y AES son técnicas superficiales?

Las energías cinéticas de los electrones detectados estan en el rango de 0 a 1486 eV para XPS y por encima de 2500 eV para AES - Estos son electrones de BAJA ENERGÍA!

Los rayos-X penetran varias micras en el material por lo que esa característica de análisis superficial NO es debido a la fuente de rayos-X.(De la misma forma, AES no es por el haz de electrones primario)

La sensibilidad superficial es consecuencia de la probabilidad que existe de que un electrón de baja energía pueda escapar del material

A este parámetro se le denomina EMFP (Electron Mean Free Path)

(o Inelastic Mean Free Path (IMFP) or l)

Simplemente es la distancia que un electrón puede viajar en un sólido antes de chocar con algo

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¿Por qué l es importante?

Si un electrón choca con algo, pueden suceder dos cosas:

1: Nada… Bueno, probablemente cambie la dirección que llevaba, pero NO su energía cinética

A esto se le llama Dispersión Elástica

2: El electrón pierde algo de energía (y cambia la dirección)

A esto se le llama dispersión Inelástica

Si un electrón experimenta varios “choques inelásticos” (es decir, sigue perdiendo energía) no escapa de la superficie y NO SE DETECTA

El término l nos informa sobre en qué medida un electrón se desplazará en promedio antes de que tal hecho ocurra

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¿Qué valor puede tener l?

El valor de l depende

de la energía del

electrón y del material

que el mismo esta

atravesando

Habitualmente son

valores que se

aproximan a KE0.6 a

partir de la cuva

universal de la

derecha

Para 100eV

(aproximadamente la

de Si2p) la variación

respecto a la línea

universal es de aprox.

3.5 a 14 monocapas

(2.2 a 3.3nm)

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¿Cómo relacionamos l a la profundidad de análisis?

l Nos da una indicación de cuanto puede viajar un electrón antes de un choque inelástico

Probabilidad también determina si un electrón puede escapar de una material dado

Para cualquier pico analizado la probabilidad es que el 65% de la señal es la correspondiente al material superficial con un espesor igual a 1l

De la misma forma, el 95% de la señal es debida a un espesor de 2l (65% + 30%)

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¿Qué pasa cuando hay contaminación?

Esta capa contaminada

tiene mayor señal,

comparada con el

material que se

encuentra por debajo.

En principio, TODAS las muestras

presentan contaminación

superficial

Así, incluso una capa de contaminación

fina tendrá una aportación muy

importante al espectro

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¿Por qué ese interés en la Energía de Ligadura?

Como sabemos, los elementos poseen

electrones en orbitales determinados

con una energía de ligadura particular

Si medimos esa energía, podemos saber

de que elemento proviene ese

electrón:

Análisis Cualitativo

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¿Sobre qué va todo eso de 1s, 2p, 3d,4f?

Cada nivel electrónico se denomina según la nomenclatura: s, p, d and fa medida que avanzamos hacia elementos más pesados, esos niveles se van llenando con electrones

Existe un orden establecido en el que se van llenando1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d, 4s, 4p, 4d, 5s, 4f, 5p, 5d etc

Cada nivel puede alojar un determinado número de electrones:2 en el nivel s, 6 en el nivel p10 en el nivel d y 14 en el nivel f

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Por ejemplo, para el ORO tenemos 79 electrones

1s=2 (2) BE=80 725 eV

2s=2 (4) BE= 14 353 eV

2p=6 (10) BE= 11919 eV

3s=2 (12) BE= 3425 eV

3p=6 (18) BE= 2743 eV

3d=10 (28) BE= 2206 eV

4s=2 (30) BE= 762 eV

4p=6 (36) BE= 546 eV

4d=10 (46) BE= 335 eV

5s=2 (48) BE= 107 eV

4f=14 (62) BE= 84 eV

5p=6 (68) BE= 57 eV

5d=10 (78) BE= VB region

6s=1 (79) BE= VB region

Sólo estos niveles pueden ser excitados

con radiación X AlKa

Por ejemplo, la BE Au3d

(BE= 2206eV) es mayor que la energía

de un fotón de la radiación AlKa

(1486.6 eV)

¿Sobre qué va todo eso de 1s, 2p, 3d,4f?

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¿Sobre qué va todo eso de 1s, 2p, 3d,4f?

Los orbitales p, d y f estan en el mismo nivel, pero con distintas energías de ligadura

p3/2 tiene 4 electrones, p1/2 tiene 2 electronesratio 2:1

d5/2 tiene 6 electrones, d3/2 tiene 4 electronesratio 3:2

f7/2 tiene 8 electrones, f5/2 tiene 6 electrones

ratio 4:3

Conocer esta relaciones, es muy útil para la interpretación de los espectros, por ejemplo, dos picos con una determinada relación (intensidad-área) y con cierta separación

En algunos casos esos orbitales están tan juntos que no podemos separarlos en dos picos

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¿Sobre qué va todo eso de KLL, LMM?

Una Transición Auger recibe el nombre en función

de los niveles orbitales implicados

Desde hace tiempo, los niveles se denominan 1s,

2s, 2p, etc pero también existe otro sistema de

etiquetado K, LI, LII, LIII etc

Por alguna razón, “la gente Auger” utiliza este

último para nombrar sus transiciones

K

LII

LIII

La etiqueta del

primer electrón

emitido se usa como

primer carácter.

Ej. ‘K’

K

LII

LIII

La etiqueta del

electrón que baja de

nivel se usa como

segundo carácter.

Ej. ‘LII’ o sólo ‘L’

K

LII

LIII

La etiqueta del

electrón Auger que es

emitido se usa como

tercer carácter.

Ej. ‘LIII’ o sólo ‘L’

Esta transición se denomina

‘KLIILIII’ o sólo ‘KLL’

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¿Por qué la Energía Cinética AES es específica de cada elemento?

UN EJEMPLO! Para el Magnesio la transición Auger KLL tiene una energía

(es decir, la energía de lleva el electrón auger al salir del átomo) que puede

ser calculada aproximadamente a partir de las Energías de Ligadura de los

niveles de los electrones

Primer electrón emitido

(XPS) ‘K’ (EA)

BE = 1303 eV

K

LII

LIII

K

LII

LIII

Electrón que cae ‘LII’ o ‘L’

(EB)

BE = 50 eV

(Z+1(Al)=74 eV)

K

LII

LIII

Electrón Auger emitido

‘LIII’ o ‘L’ (EC)

BE = 49 eV

(Z+1(Al)=73 eV)

* Una aproximación a este valor es:

KE= EA - ½(EB(Z)+EB(Z+1)) -

½(EC(Z)+EC(Z+1))

1303 - ½(50+74) -½(49+73)

=1303-62-61

= 1180eV

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¿Y para que nos sirve todo este conocimiento?

Os mostramos la lista completa de

transiciones para ORO, CROMO y

MAGNESIO

Si los picos que aparecen en el espectro

tienen BE parecidas es muy probable que

la muestra tenga esos elementos

Como se puede ver, no todas las BE son

accesibles a la radiación AlKa

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Por lo tanto …

¡Repetimos! Si los picos tienen

aproximadamente la misma energía es

que la muestra contiene esos elementos

PERO… la verdadera energía de

ligadura, también depende del estado de

oxidación de cada elemento

Esto se conoce como

“DESPLAZAMIENTO QUÍMICO”

y es la clave por la que usamos XPS

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¿Qué es exactamente el desplazamiento químico?

El estado químico nos describe de qué forma un elemento esta enlazado a otro.

Por ejemplo:

Aluminio Elemental

(aluminio enlazado

asimismo)

y

Óxido de aluminio

(aluminio enlazado a

oxígeno)

El valor

“desplazamiento

químico” depende de a

qué elemento esta

enlazado y de que tipo

es el enlace

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¿Por qué se produce ese desplazamiento químico?

Es un poco complejo, pero…

El Oxígeno atrae electrones

hacia su núcleo

(electronegatividad)

Si un átomo de carbono esta

enlazado a oxígeno, perderá

densidad electrónica a favor

del O y estará más “positivo”

Como es más “positivo” los

electrones tendrán una mayor

energía de ligadura (BE)

Si el número de átomos de

oxígeno aumenta (y el tipo de

enlace), aumentará la carga

del C y lo hará también BE

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Resolución de los picos

Para conseguir buena información

sobre el estado químico de los

elementos tenemos que ser

capaces de resolver los picos

La resolución se mide por la anchura

total a mitad del máximo (FWHM)

Existen varios factores que afectan

esta mediada:

Factores Instrumentales -

Tamaño del detector hemiesférico,

anchuras de rendijas, tipo de

detector y energía de paso (PE)

Factores de Fuente -

Fuente de rayos-x con

monocromador o de doble ánodo

Factores intrínsecos -

La anchura natural del pico (no se

puede hacer mucho al respecto)

Pass Energy 20 eV

Pass Energy 10 eV

Pass Energy 5 eV

Pass Energy 3 eV

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Energía de paso (PE) y resolución/sensibilidad de los picos

En XPS es habitual utilizar diferentes resoluciones del espectrómetro (energías

de paso)

*Aumentar la resolución del espectrómetro por disminución

de la energía de paso, permite que los picos sean resueltos y,

por tanto, determinar el estado químico

*Sin embargo, esto conlleva una pérdida de sensibilidad

(cuentas por segundo)

*Disminuir continuamente la energía de paso

no mejora siempre la resolución espectral

La anchura del pico (DE) viene determinada por:

DE = (DE2int + DE2

fuente + DE2inst)

*Como DE2inst es disminuido al reducir PE, los otros

términos DE2int + DE2

fuente llegan a ser más importantes

*No se puede cambiar DE2int pero sí DE2

fuente cambiando

la fuente (por ejemplo, de doble ánodo a monocromador)

Donde:

DE2int es el cuadrado de la

anchura de pico intrínseca

DE2fuente es el cuadrado de la

anchura de pico de la fuente

DE2inst es el cuadrado de la

anchura de pico debido al

detector

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¿Por qué utilizar monocromador?

Anchura natural DEfuente de los ánodos estandars

DEfuente = 0.75 eV MgKa

DEfuente = 0.85 eV AlKa

DEfuente = 0.3 eV AlKa (mono)

Por tanto, a partir de:

DE = (DE2int + DE2

source + DE2inst)

Sería de esperar que la anchura de pico XPS medido en las mismas condiciones, fuera más estrecho con una fuente de Mg en comparación con una fuente de Al y aún más estrecho con una fuente monocromada

Además, el uso de monocromadores tiene otras ventajas como puede ser el enfocar pequeños puntos (de 30 µm a 400 µm), la reducción en los niveles de fondo y eliminación de picos satélite.

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•Los monocromadores dan

la máyor resolución

espectral

•Eliminan picos satélites de

rayos-X del espectro

•Disminuyen el ruido de

fondo

¿Por qué utilizar monocromador?

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Cuantificación

Veamos cuantos tipos de átomos de

carbono hay en el PET:

C-C 6 (= 3)

C-O 2 (= 1)

O=C-O 2 (= 1)

1 1 3

Estas cantidades se deben reflejar

en las intensidades de los

espectros

De este modo, la intensidad (o

área) de un pico nos da la

Cuantificación

Es decir, cuanto de una especie se

encuentra en la (superficie) de la

muestra

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Cuantificación

La Intensidad de un pico esta directamente relacionada al número de

átomos que generan ese pico

IA α NA

Donde IA es la intensidad del pico y NA es el número de átomos del

elemento A

Cada transición (C1s, Al2p, Si2s) tiene su propia probabilidad de ocurrir -

referida como ‘factor de sensibilidad’- y se obtiene de bases de datos.

Estas bases de datos se denominan bibliotecas Scofield o Wagner

e.g. IA = NF.NA (NA = IA /NF)

Donde NF es algún tipo de normalización, e incluye términos como la

eficiencia (transmisión) del analizador a diferentes energías cinéticas, el

EMFP (l) y el factor de sensibilidad

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Cuantificación

Las áreas normalizadas se calculan utilizando el área de pico como la intensidad de pico (IA)

NA = Peak Area/NF

Los factores de normalización incluyen varios términos:

X-ray Cross-Section(Cuántos foto-electrones generan una transición dada)

Función de Transmisión (“Cómo de bién” son detectados los fotoelectrones con una KE dada por el espectrómetro)

La profundidad del análisis(incorporación del valor l)

Normalización entre los diferentes factores de sensibilidad generados por diferentes instrumentos(entre un CMA o un HSA )

Esto se hace para todos los elementos o especies de una muestra (A, B, C..)

La concentración atómica viene dada por la expresión:

At%A = (NA/(NA + NB + NC..)) X 100

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Sección eficaz (X-ray cross section)

Las más utilizadas son dos, pero tienen que ser usadas en caminos ligeramente diferentes

Scofield – Es un factor de sensibilidad teórico, que toma como referencia al C1s = 1 (Un cálculo que da un número relacionado con el número de fotoelectrones generados por un número de fotones que golpean la muestra)

Para ello se necesita adicionar un término que tenga en cuenta la profundidad del análisis (por ejemplo, l I es generalemnte KE0.6)

Wagner - Es un factor de sensibilidad empírico, referenciado a F1s = 1(Mediciones reales realizadas en un instrumento sobre un gran número de compuestos conocidos y la posterior elaboración de los factores relativos de sensibilidad). Para ello se debe añadir un término para corregir el tipo de analizador (Un CMA en lugar de un HSA). Esto se hace multiplicando por el KE del pico utilizado (el término l ya se incluyó en el análisis)

Se pueden utilizar ambas librerías, pero se pueden obtener diferentes resultados para un mismo conjunto de datos!!

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¿Qué precisión tiene el porcentaje atómico?

Aunque se usan estos datos, hay varias fuentes de incertidumbre en el resultado - Estos pueden deberse a:

Determinación de la Intensidad del pico¿Cómo se mide un área de pico? ¿Donde empiezas y donde terminas? ¿Qué incluyes? ¿Qué forma tiene el ruido de fondo?, etc.

¿Cuál es la precisión del factor de sensibilidad de las diferentes Librerías?Cada una da resultados diferentes… ¿Cuál es la correcta?

Precisión de la función Transmisión¿Cómo de bién esta definida dicha función para un instrumento dado?

Otros Factores incluyen la determinación de l

XPS es bueno para la cuantificación en escalas relativas – esto es, comparar muestras similares, buscar tendencias, etc -, pero los números absolutos tienen un gran grado de incertidumbre.

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¿Qué información se puede extraer de los espectros AES?

Al igual que con el espectro XPS, contiene información que es útil. Sin

embargo, esta información es a veces más difícil de interpretar.

• La anchura natural de un pico AES es mayor

que la de uno XPS, por lo que:

• Es más difícil detectar desplazamientos

químicos (información del estado químico)

• A veces es más difícil determinar la

intensidad de un pico debido a la mala

definición en el punto de inicio y fin

• Las intensidades relativas de los picos varían

con la energía del haz primario, es decir, se

necesitan diferentes conjuntos de factores

de sensibilidad para cada energía del haz de

electrones (1 kV, 2 kV 5 kV, 10 kV etc)

• Las intensidades relativas de los picos varían

con la relación de retardo, es decir,

necesitamos un conjunto de factores de

sensibilidad para cada relación de retardo

utilizada (CRR4, CRR10, CRR40 etc)

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Medición de espesores

En algunos casos, lo que queremos saber no sólo puede estar en la superficie,

si no más debajo de ella.

Hay dos métodos habituales para determinar esta información: ángulo resuelto

y bombardeo de iones (etching) para obtener perfiles de profundidad.

XPS de ángulo resuelto (ARXPS)

para análisis de menor profundidad que XPS

10

nm

Bombardeo de iones para

obtener perfiles en

profundidad de hasta 1mm

Silicon (Si)

Silicon (Si)

Titanium

Silicide (TiSi)

Tungsten

Titanium

Alloy (W/Ti)

30

0 n

m

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Medida de espesores por perfil en profundidad

Cuando un haz de iones (por ejemplo, Ar +) incide en la superficie de una muestra, se eliminan algunos átomos de la superficie.

La velocidad con que estos átomos se eliminan depende de:

• El tipo de gas utilizado (iones pesados (Ar+) eliminan átomos másrápidamente que iones lijeros (He+))

• La energía de los iones (qué velocidad llevan) – Iones a 5 kV (rápidos) eliminan más rápido que iones a 1 kV (lentos)

• El número de iones (intensidad de la corriente) – A 1 mA se eliminanátomos a una velocidad 10 veces mayor que a 0.1 mA

• La velocidad de decapado también depende del material del que estahecha la muestra (una muestra de Silicio es más fácilmente decapada queuna de Tántalo)

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Perfiles en profundidad por bombardeo de iones (etching)

• Este experimento consiste en alternar análisis por XPS seguido de

un período de decapado (mediante etching), y otro análisis. Se

pueden detectar cambios en la composición o del estado químico

con la profundidad.

Metallic Al

Al Oxide

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Perfiles en profundidad por bombardeo de iones (etching)

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Compensación de Carga

El concepto Muestras conductoras:

Los fotoelectrones que dejan la muestra son

compensados por los electrones que vienen del

tierra.

Muestras aislantes:

Los fotoelectrones que dejan la muestra hacen que

esta se cargue positivamente. Esto hace que se

reduzca su energía cinética:

KE = hn - BE – y – d

Donde d es el coeficiente de retardo de los

fotoelectrones

Como d se puede hacer bastante alto, menos

fotoelectrones pueden ser detectados y los picos

aparecen a energías de ligadura más altas, llegando

a distorsionarse o a perder totalmente.

ESTO NO ES MUY BUENO!

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Compensación de carga

El concepto

Electrones de baja

energía se utilizan para

neutralizar la carga

positiva localizada

("agujeros"), generados

por el haz de rayos-X.

Los iones de baja

energía garantizan que

la superficie no se

cargue negativamente y

así, los electrones de

baja energía llegan a la

zona deseada en la

muestra

La puesta en práctica

En ciertos

casos no se

requiere

ningún

ajuste

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Conclusiones

XPS es una técnica de análisis de superficies que proporciona valiosa

información diferente de las técnicas de análisis ‘bulk’:

Informa sobre:

• Donde está

• Qué es

• Cuanto hay y

• Qué espesor tiene

Las muestras aislantes pueden ser analizadas mediante el uso de la

compensación por carga

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GRACIAS!!!

Servicios Técnicos de Investigación

Universidad de Alicante

Fernando Coloma Pascual

[email protected]

Octubre 2016