Principios de análisis instrumental

536 Capítulo 21 Caracterización de superficies por espectroscopia y microscopía <« 21D TÉCNICAS ESPECTROSCÓPICAS CON IONES Las técnicas mencionadas en los renglones S a 7 de la tabla 21.1 detectan un haz secundario de iones, y se clasifican como técni– cas espectroscópicas con iones. Entre éstas están la espectrometría de masas de ion secundario, espectroscopia por dispersión de iones, espectroscopia de Rutherford por retrodispersión y espectrometría de masa con microsonda. 210.1 Espectrometria de masas de ion secundario La espectrometría de masas de ion secundario (SIMS) es el método de espectrometría de masas aplicado al análisis de superficies más desarrollado. Distintos fabricantes ofrecen instrumentos para esta técnica. La SIMS ha demostrado ser útil para determinar tanto la composición atómica como molecular de superficies de sólidos. 12 Básicamente hay tres variaciones del experimento SIMS. La SIMS estática se utiliza para el análisis elemental de submonoca– pas en las superficies. Aunque la espectrometría de masas de ion secundario es en esencia una técnica destructiva, las condiciones estáticas mantienen la integridad de la superficie durante la escala de tiempo del experimento. La SIMS dinámica se utiliza para obte– ner información de la composición en función de la profundidad por abajo de la superficie. El experimento de la SIMS dinámica aprovecha su naturaleza destructiva para obtener información de varias capas del material. Los estudios de imágenes que se obtie– nen mediante SIMS, también denominados SIMS de barrido, se usan para obtener imágenes espaciales de las superficies. Hay dos tipos de instrumentos para la espectrometría de masas de ion secundario: los analizadores de masas de ion secundario, que se utilizan para la SIMS estática y dinámica, y los analizadores de microsonda, que se usan para obtener imágenes. Ambos se basan en el bombardeo o ataque de la superficie de la muestra con un haz de iones de S a 20 keV. Por lo general, se usan los iones de Ar+ pero los de Cs+, N 2 +,u 0 2 + también son comunes. El haz de iones se forma en un cañón en el que los átomos o moléculas gaseosas se ionizan por acción de una fuente de impacto por electrones. Los iones positivos se aceleran luego mediante la aplicación de un vol– taje de cd elevado. El impacto de estos iones primarios causa que se desprenda la capa superficial de átomos de la muestra, en su mayoría como átomos neutros. Sin embargo, una pequeña fracción forma iones secundarios positivos o negativos que se desvían hacia el espectrómetro de masas para su análisis. En la espectrometría de masas de ion secundario estática, el ataque es tan lento que el con– sumo de la muestra es en esencia insignificante. En los analizadores de masas de ion secundario, que sirven para el análisis de superficies en general y para la obtención del per– fil de profundidad, el haz de iones primario tiene un diámetro que varía de 0.3 a S mm. Para las determinaciones de masas se utilizan espectrómetros de doble enfoque, de enfoque único, de tiempo de vuelo y cuadrupolares. Los transductores típicos para espectrome- 12 ). C. Vickerman, en Surface Analysis- The Principal Techniques, 2a. ed., ). C. Vick– erman e l. S. Gilmore, eds., Chichester, UK: Wiley, 2009, cap. 4; P. van der Heide, Sec– ondary Ion Mass Spectrometry: Ar1 lntroduction to Pri11ciples and Practices, New York; Wiley, 2014; D. McPhail y M. Dowsett, en Surface Analysis-Theprincipal Techniques, 2a. ed., ). C. Vickerman e l. S. Gilmore, eds, Chichester, UK: Wiley, 2009, cap. S. tría de masas de ion secundario son multiplicadores de electrones, vasos de Faraday y detectores de imagen. Estos espectrómetros proporcionan información cualitativa y cuantitativa relacionada con todos los isótopos, del hidrógeno al uranio, presentes en una superficie. Los factores de sensibilidad relativa varían de manera notable de ion a ion. Los límites de detección para la mayoría de los elementos traza varían desde 1 X 10 12 átomos/cm 3 a 1 X 10 16 áto– mos/cm3. Al monitorear los picos de uno o de algunos isótopos en función del tiempo, se pueden obtener los perfiles de concentración con una resolución de profundidad de S a 10 nm (SO a 100 Á). Los analizadores de microsonda de iones son instrumentos más sofisticados y más caros que se basan en un haz primario de iones que se enfoca en un diámetro de 200 nm a 1 ¡.Lm. Este haz se puede mover a través de una superficie a casi 300 ¡.Lm en las direcciones x y y. Un microscopio permite el ajuste visual de la posición del haz. El análisis de masas se ejecuta con ayuda de un espectrómetro de doble enfoque. En algunos instrumentos, el haz primario de iones pasa por un espectrómetro de masas adicional de baja resolución, de tal forma que un único tipo de ion primario bombardea la muestra. La versión de microsonda de iones para espectrometría de masas de ion secundario permite realizar estu– dios detallados de superficies de sólidos. 210.2 Espectroscopia por dispersión de iones y espectroscopia de Rutherford por retrodispersión Estas dos técnicas son similares en cuanto a que se utiliza un haz primario de iones para sondear una superficie. 13 En ambas técni– cas, se mide la distribución de energía de los iones retrodispersa– dos desde la muestra. Los iones que chocan contra la superficie de un sólido tienen la capacidad de originar una variedad de procesos relacionados con las colisiones, así como excitaciones electrónicas. Los análisis de los espectros de energía de los iones dispersados proporcionan información respecto a los pesos atómicos, sus con– centraciones y sus configuraciones geométricas en la superficie. La principal diferencia entre las dos técnicas radica en las energías del haz de iones que entra. En la espectroscopia por dis– persión de iones (ISS), también llamada dispersión de iones de baja energía, las energías primarias del ion están en el intervalo devalo– res de 0.5 a S ke V. Se usan los iones de los gases nobles, como He+, Ar+ y Ne+, y los iones de álcali, como Li +, Na+ o K+. La fuente que más se utiliza es la de choque por electrones con un analizador de tiempo de vuelo o uno electrostático. En la técnica ISS, la informa– ción se obtiene a partir de la capa atómica que esté más arriba o, en algunos casos, de una o dos capas directamente abajo. En la espectroscopia de Rutherford por retrodispersión (RBS, por sus siglas en inglés), los valores de energía del haz primario de iones varían desde 100 keV para H+ hasta varios MeV para He+, He 2 + (partículas alfa) y iones más pesados. Las fuentes de iones energéticos son a menudo del tipo del generador de Van de Graaff. Como se muestra en la figura 21.12, los instrumentos para la espectroscopia de Rutherford por retrodispersión están equipa– dos con frecuencia con detectores de estado sólido para partícu– las y analizadores multicanal para la resolución de la energía. Los 13 Para mayor información, véase E. Taglauer, en Surface Analysis-The Principal Techniques, 2a. ed., ). C. Vickermann e !.S. Gilmore, eds., Chichester, UK: Wiley, 2009, cap. 6.