Espectroscopia de fotoelectrones de rayos X

La espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS), también llamada espectroscopia de electrones para análisis químico (ESCA), es un método ampliamente utilizado para identificar y cuantificar los elementos presentes en la superficie de los materiales sólidos, así como, en cierta medida, sus enlaces químicos. Esta técnica se basa en el conocido efecto fotoeléctrico, explicado por A. Einstein en 1905, su uso analítico fue propuesto por primera vez por Kai Siegbahn, que desarrolló sofisticados instrumentos para estudiar el espectro de energía de los electrones fotoemitidos que contiene información sobre el elemento químico y su estado de oxidación, lo que potencialmente permite identificar y cuantificar la composición y el estado químico de las especies de la superficie de la muestra.

Cuando una muestra sólida es irradiada por un haz de rayos X de energía ℎ𝜈, los electrones en orbitales con energías de enlace menores que ℎ𝜈 son expulsados de los átomos. Posteriormente se detectan en un espectrómetro y se analizan en términos de sus energías cinéticas características (KE). A partir del principio de conservación de la energía se puede demostrar que la energía de enlace (BE) del electrón emitido está relacionada con la diferencia entre la energía ℎ𝜈 de la radiación de rayos X incidente y la KE de fotoelectrón emitido

El termino 𝛷𝑠𝑝𝑒𝑐 representa la función trabajo se define como la energía mínima necesaria para eliminar un electrón de un solido a un punto del vacío inmediatamente fuera de la superficie de este.

Para una medición de XPS se requieren condiciones de ultra-alto vacío debido a que a presiones mayores la tasa de adsorción de contaminación sobre la muestra puede ser del orden de varias monocapa atómicas por segundo, impidiendo la medición de la superficie que realmente se quiere analizar.

La energía vinculante exacta de un electrón depende no solo del nivel desde la cual se está ocurriendo la fotoemisión, sino también de:

1) El estado de oxidación formal del átomo.

2) El entorno químico y físico local.

Los cambios en (1) o (2) dan lugar a pequeños cambios en las posiciones pico en el espectro, llamados cambios químicos.

La señal de ruido proviene de los electrones que chocan con otros electrones de diferentes capas.

Las colisiones provocan una disminución de la energía del electrón y ya no contribuirá a la energía característica del elemento

XPS detecta todos los elementos con (Z) >3. No puede detectar H (Z = 1) o He (Z = 2) porque el diámetro de estos orbitales es muy pequeño, lo que reduce la probabilidad de captura a casi cero.

...