PowerPoint Presentation

X-RAY PHOTOELECTRON SPECTROSCOPYEspectroscopia de fotoelectrones emitidos por rayos X

Universidad Autnoma de Baja CaliforniaFacultad de Ciencias Qumicas e IngenieraQumica de Materiales Por:Rodriguez Altamirano Juana MariaPalos Pablo Rebeca

EFECTO FOTOELCTRICO

EFECTO FOTOELCTRICOEs un curioso fenmeno que consiste en que los electrones de la superficie de algunos metales se desprenden cuando se hace incidir la luz sobre ellos.

En esencia la idea de Einstein consiste en considerar que la luz est formada por partculas ya que los cuantos son pequeos "paquetes" indivisibles de energa, a los que llam fotones. Los fotones pueden tener diferente energa dependiendo de su frecuencia, as una radiacin de frecuencia elevada est compuesta de fotones de alta energa. La relacin entre la frecuencia y la energa es:E = hfDonde: E = energa ,h = constante de Planck y f = frecuencia.

Para analizar el efecto fotoelctrico cuantitativamente utilizando el mtodo derivado por Einstein es necesario plantear las siguientes ecuaciones:Energa de un fotn absorbido = Energa necesaria para liberar 1 electrn + energa cintica del electrn emitido.Algebraicamente:

que puede tambin escribirse como

donde h es la constante de Planck, f0 es la frecuencia de corte o frecuencia mnima de los fotones para que tenga lugar el efecto fotoelctrico, es la funcin de trabajo, o mnima energa necesaria llevar un electrn del nivel de Fermi al exterior del material y Ek es la mxima energa cintica de los electrones que se observa experimentalmente.

Nota: Si la energa del fotn (hf) no es mayor que la funcin de trabajo (), ningn electrn ser emitido. ,

EjemploX-RAY PHOTOELECTRON SPECTROSCOPY

Tambin es conocida como espectroscopia electrnica para el anlisis qumico (ESCA).

Esta basada en el efecto fotoelctrico, de modo que el origen de la tcnica XPS se debe fundamentalmente al :

Descubrimiento del efecto fotoelctrico: hertz,1887Interpretacin cuntica del efecto fotoelctrico: Einstein 1905Experimentacin: siegbahn, 1967Espectroscopia de fotoemisin de rayos X (XPS)Consiste bsicamente en:Excitacin mediante rayos XEmisin de fotoelectronesProporcionan informacin sobre la energa de cada nivel y por tanto, sobre la naturaleza del tomo emisor

Espectroscopia de fotoemisin de rayos X (XPS)

La incidencia de rayos X( fotn de energa hv) sobre la muestra, provoca por efecto fotoelctrico, la emisin de fotoelectrones con una energa de ligaduras, EB:

hv: energa de los fotones.

EK: energa cintica del fotoelectrn producido.

W:funcion del trabajo del espectrmetro.

EB: energa de ligadura (parmetro que identifica al electrn de forma especifica, en trminos del elemento y nivel atmico).

Con el fin de obtener una radiacin uniforme, utilizamos:

Selector de longitud de ondaSelector de velocidades Detectores

Rayos XEl fundamento de este apartado esta basado en la diferencia energa (a mayor menor energa (a mayor menor energia)Rata de un filtro que nicamente deja pasar la apropiada para la experiencia

Se utilizan monocromadores, un tipo de filtros en los que la dispersin de los rayos X ni es por prisma o redes, se debe a un cristal.

La seleccin de esta dada por la siguiente expresinSen ()=n/(2d)Donde: n es el orden de reflexin es el ngulo de incidencia, que debe encontrarse entre 10 y 110Selector de longitud de ondaConsiste en aplicar un campo magntico y elctrico perpendiculares entre si de forma que solo pueden pasar las partculas que cumplan la relacin:V=E/BSelector de velocidades

Existen diferentes detectores de radiacin Detector de recuento de fotonesDetector de gasDetector de recuento de centelleo

Una vez detectados los electrones, se procesan los resultados con ayuda de un programa informticoDetectores Se trata de Mtodo de caracterizaciones de superficiesAmpliamente utilizado.Suministra gran informacin cualitativa y semicuantitativa de la muestra Se obtiene informacin de enlaces qumicos y de elementos.XPS O ESCA

Se trata de una tcnica superficial (max 10nm).

Interacciones de los electrones con la materia es muy fuerte. Energa de los electrones emitidos es baja (1.5 kV) poca penetracin

Solo electrones emitidos en la superficie puede alcanzar el detector. hablamos de 3 0 4 capas de tomos.

Se utiliza rayos XMg K1253.6 eVAl K1486.6 eVCaractersticas

Se trata de una proceso fundamental. Las superficies se pueden contaminar o modificar. Puede originar confusin para evitar fallos:

Ultra vaco. Utilizacin de una presin de 10-6 torr en la cmara de anlisis

Los fotoelectrones han de viajar desde la muestra hasta el detector sin colisionar con ninguna partcula de fase gaseosa

Algunos componentes tales como la fuente de rayos X requieren condiciones de vaco para mantener la operatividad.

La composicin superficial de la muestra ha de permanecer invariable durante el experimentoAr+: eliminacin de impurezas de la superficie de la muestra. Alto poder oxidante. elimina elementos ligeros (C,O,H). Tambin se puede utilizar plasma de oxigeno.

Preparacin de la muestra

En general la tcnica XPS se puede emplear en los siguientes campos

Polmeros y adhesivos Catlisis heterognea Metalurgia Microelectrnica Fenmenos de corrosin Caracterizacin de superficies de solidos en generalActualmente es una de las tcnicas de anlisis de superficies y laminar delgadas mas utilizada en la caracterizacin qumica de materiales tecnolgicos.

Aplicaciones de la tcnica XPSSe detecta la presencia de Fe, C y O

A temperatura ambiente, la superficie de cualquier metal, en contacto con la atmosfera se recubre de una delgada pelcula de grupos C-C/c-H, OH_ y H2O (espesor inferior a 3nm).

A partir de la intensidad (altura) de cada pico se puede conocer el porcentaje atmico de C O y Fe presentes en la superficie del material.Aplicaciones de la tecnica XPS

En la figura 1 se modeliza la superficie prctica que se observa mediante el anlisis XPS de la superficie de un acero en contacto con la atmsfera. La formacin de xidos e hidrxidos de hierro en la superficie ms externa del material (aproximadamente 6 nm de espesor) est relacionada con la presencia de grupos OH- y agua por el contacto con la atmsfera de laboratorio. Aunque la mayor parte de las tcnicas de anlisis de superficies proporcionan informacin referente a un espesor mayor que una monocapa, la contribucin de esta primera capa es siempre superior a la de las siguientes capas ms profundas.

La energa de ligadura de los picos asociados a la emisin de fotoelectrones est muybien definida permitiendo identificar el estado de oxidacin de cationes y aniones. As,tomos no equivalentes del mismo elemento (diferencia en el estado de oxidacin, enlas molculas que lo rodean o en la posicin en la red) provocan un cambio apreciable(tpicamente entre 1-3 eV) en la energa de ligadura llamado chemical shift tal comose muestra en la figura

Figura 4. Espectro XPS de alta resolucin O1s y Fe2p3/2 obtenido en la superficie de unacero laminado en fro.El espectro muestra lacomponente ms intensa a una energa de ligadura de 530.0 eV asociada a la presenciade oxgeno en forma de xido de hierro y otras dos menos intensas que aparecen aenergas de ligadura de 531.8 y 533.5 eV que podran atribuirse a la presencia deoxgeno en forma de grupos OH- y de H2O,El espectro Fe2p3/2 muestra dos componentes muy intensas a energas de ligadura de 709.7 y 711.0 eV que se podran asociar a la presencia del hierro en forma de Fe2+ y Fe3+, respectivamente. A partir del rea de cada componente utilizada en el ajuste de los picos O1s y Fe2p y los porcentajes atmicos de O y Fe se pueden obtener los porcentajes atmicos de O en forma de xido, OH- y H2O y los porcentajes de Fe en forma de Fe2+ y Fe3+