Espectroscopía de iones retrodispersados de alta energíA (rbs) rutherford backscattering spectroscopy y de baja energíA




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fecha de publicación17.01.2016
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ESPECTROSCOPÍA DE IONES RETRODISPERSADOS DE ALTA ENERGÍA (RBS) RUTHERFORD BACKSCATTERING SPECTROSCOPY Y DE BAJA ENERGÍA .
En las técnicas de dispersión de iones, generalmente se dividen en dos categorías dependiendo de la energía:

ISS: iones de gases nobles a energías entre 100 eV y 10 keV dispersados entre 20º y 180º .

RBS: iones ligeros (H+ o He+) a altas energías > 1 MeV dispersados en ángulos grandes 90º-170º.
FUNDAMENTO:

Consiste en bombardear un sólido con iones de energía > 100 eV produciendo una gran variedad de efectos y emisiones que pueden utilizarse con fines analíticos para determinar la composición de un sólido.

Tanto en RBS como en ISS la transferencia de energía, durante el proceso de colisión, entre los iones incidentes y el sólido se analiza en términos de conservación de la energía y del momento como en el caso de un choque entre dos cuerpos libres. Si un ión de masa M1 y energía E0 colisiona con un átomo de masa M2 en la superficie de una muestra y es dispersado con un ángulo  el ión dispersado tiene una energía:

En la práctica sólo se detectan los elementos más pesados que el ión incidente. El cociente entre energías E1/E0 se denomina factor cinemático K, muestra que si Eo,  y M1 son conocidas, la energía E tras el choque viene determinada por M2. Para  = 90º la conversión es muy sencilla pues:
E1/E0 = (M2-M1)/(M2+M1)
El dispositivo experimental básico se compone de una fuente de iones cuya masa, energía y dirección están determinadas, una muestra y un analizador de energía con su correspondiente sistema de detección. Sin embargo y a pesar de que ISS y RBS comparten el fundamento físico, la diferencia de energía de los iones que emplean hace que, tanto el dispositivo experimental como la información que suministran y su interpretación sean distintas.
La espectroscopia Rutherford o RBS (Rutherford BackScattering):
Esta técnica da información sobre los elementos químicos que componen un material. Para las energías típicas que se pueden obtener en los aceleradores, las profundidades a las que tiene acceso dentro de los materiales están comprendidas entre la superficie y algunas micras. Se obtiene la cantidad de cada elemento en función de la profundidad (o perfil de concentración) de una manera no destructiva. Por otro lado, tiene un gran poder de resolución entre elementos de bajo número atómico. Estas características y en especial el rango de profundidades estudiado hacen de esta técnica una herramienta fundamentak en el estudio y caracterización de recubrimientos y láminas delgadas.

La muestra es bombardeada con iones de más de 100 eV. El ión que interesa es con el que se bombardea la muestra, es decir el ión primario. Estos iones tienen altas energías por lo que son capaces de chocar con átomos de la muestra a una mayor profundidad, es decir, penetran en la muestra. Debido a que sólo se pueden detectar átomos que tengan más masa que el ión con el que se bombardea los iones generalmente usados son iones de gases nobles y también H en forma iónica (H+, He+), debido a que son muy ligeros, con energías superiores a 1 MeV.


Diagrama esquemático de un experimento RBS.
Para el análisis conocemos M1, teta, Eo, con el detector de iones lo que vamos a determinar es E1 despejando de la ecuación la única incógnita que queda es M2 con la que queda identificado el elemento.

Un teta muy usado para esta técnica es el de 90º porque así la ecuación anterior se simplifica:

E1/E0 = (M2-M1)/(M2+M1)
El espectro RBS es de escalones y no de picos como es habitual, cuanto más se adentran los iones más energía pierden, es decir, cuanto más ancho es el escalón mayor recubrimiento de la muestra.

Esta es una técnica muy útil para determinar recubrimientos.

Tanto ISS como RBS usan el mismo fundamento pero obtenemos espectros muy distintos.

Muestra de un Espectro RBS




Espectroscopía de iones retrodispersados de baja energía (ISS) Ion Scattering Spectroscopy:
Tiene el mismo fundamento que la RBS pero dan espectros muy diferentes. Se focaliza sobre la superficie un rayo de iones, normalmente de gases nobles, helio, argón con energías de 100 eV-10 KeV. Debido a las colisiones de estos iones con los átomos de la superficie se producen variaciones en el estado de movimiento y en la energía del ión incidente. Para obtener una información cuantitativa de la composición de la superficie es necesario saber como depende la intensidad que se observa para una energía dada del ión dispersado con los factores físicos e instrumentales. Como no tiene penetración más allá de la superficie no tiene capacidad para estudiar perfiles a profundidad. Esta técnica

es muy sensible a la presencia de impurezas en la superficie.

En la siguiente figura se puede observar como esta técnica no llega a las capas más profundas del material, sino que se queda en las superficiales:



Los requisitos experimentales se reducen a un cañón de iones, la propia muestra y un analizador de energía de los iones dispersados dentro de un sistema de ultra alto vacío.

En el espectro ISS se mide la intensidad I en función de la energía E del ión dispersado. A diferencia de la espectroscopía XPS o Auger, aquí no se hace referencia a los niveles electrónicos sino que se identifican los elementos químicos que componen la muestra.

Cuanto mayor es el pico del espectro mayor es la intensidad y por lo tanto mayor es la concentración en la que se encuentra el elemento químico.

Los elementos químicos se encuentran en el espectro ordenados por orden de masa atómica.
BIBLIOGRAFÍA:

http://bibdig.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen3/ciencia3/111/htm/sec_13.htm

http://www.dsif.fee.unicamp.br/~furio/IE607A/RBS.pdf

www.wikipedia.org

“Introducción a la Ciencia de los Materiales”, J.M.Albella – A.M. Cintas, Consejo Superior de Investigaciones Científicas.

Apuntes “Ciencia de los Materiales III”, 5º Ingenieria Industrial (E.P.S.)

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