Spettroscopia di fotoemissione

Il servizio di spettroscopia XPS è a disposizione del personale del Dipartimento di Chimica, della Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali e dell'Ateneo tutto. Numerose sono le collaborazioni nazionali e internazionali attuate dalla prima installazione dello spettrometro, avvenuta nel 2002. Il servizio effettua anche attività conto terzi, con modalità stabilite dalla Sapienza.

Prenotazione

Specificando:

  • nome e qualifica del richiedente,
  • gruppo di ricerca,
  • indirizzo e-mail,
  • numero di telefono,
  • tipo di analisi richiesta,
  • numero di campioni da analizzare,
  • esplicita dichiarazione che i campioni sono costituiti da materiale non tossico, non pericoloso -diversamente, elencare le proprietà dei campioni che li rendono materiale a rischio,

contattare il responsabile per fissare un appuntamento, inviando una email a:

robertino.zanoni@uniroma1.it

Preparazione dei campioni

Le misure possono essere effettuate solo su campioni solidi che siano conduttori di elettricità. In alcuni casi si possono analizzare con successo anche campioni non perfettamente conduttori. Le dimensioni della superficie esposta devono essere di ca. 1 cm x 1 cm; lo spessore ed il peso complessivo del campione non debbono essere elevati. Le misure vengono condotte in regime di ultra-alto vuoto, pressione ≤ 10-9 mbar. Il campione viene sottoposto ad una radiazione di ca. 1.5 keV per  una-due ore. La potenza dissipata sull’area esposta tipicamente è  di 164 W (16 mA · 14 kV).

Una conoscenza elementare di base della spettroscopia di fotoemissione può aiutare a comprendere i vantaggi ed i limiti che tale analisi può offrire nell'indagine sui propri campioni. Si offre una consulenza accurata sulla fattibilità delle misure, preliminare al loro ottenimento, la registrazione e l'analisi delle misure stesse.

Descrizione della tecnica

Le spettroscopie fotoelettroniche sono un insieme di tecniche operanti in ultra-alto vuoto e rivolte all'ottenimento delle informazioni riguardanti alla struttura elettronica (ma anche magnetica e, in casi particolari, geometrica) di campioni in diversi stati di aggregazione. Il fenomeno ''fotoemissione'' consiste nell'emissione di elettroni liberi in vuoto (i ''fotoelettroni'') come risultato dell'eccitazione del campione con fotoni (ma anche elettroni) di energia opportuna, almeno superiore alla funzione lavoro del solido esaminato (tipicamente 4-5 eV). Il processo di interazione radiazione-materia genera fotoelettroni aventi energie cinetiche KE che possono essere convertite nelle corrispondenti energie di legame, BE, nota l'energia del fotone eccitante, hv, attraverso la relazione di Einstein per l'effetto fotoelettrico: hv - KE = BE. Questo è verificato solo entro un ristrettissimo volume superficiale, quello entro il quale i fotoelettroni prodotti non hanno subito perdite energetiche per scattering, principalmente elettrone-elettrone. Infatti, lo spessore investigato in XPS corrisponde ai primi strati atomici, 2-5 nm (a seconda della natura chimica del campione). E' richiesto l'uso di una sorgente di energia nota e stabile per ricavare sperimentalmente i valori di energia di legame dei fotoelettroni ed assegnarli alle transizioni elettroniche caratteristiche.

Vantaggi

Lo spostamento in energia di legame, misurata rispetto ad un riferimento opportuno (in genere l'elemento atomico, preso nello stato zerovalente) è detto "chemical shift" in XPS. Questo parametro è fondamentale per poter assegnare gli stati di ossidazione elementari alle varie componenti atomiche di un campione. Ad esempio, si possono distinguere agevolmente solfati da solfiti o solfuri o zolfo elementare, così come tioli e tiolati. Oltre a fornire informazione sullo stato di ossidazione di ogni elemento (solo H ed He non hanno orbitali interni e non hanno picchi di "core"), l'XPS è anche una tecnica analitica, sempre di superficie. I risultati di un'analisi quantitativa XPS sono espressi come rapporti stechiometrici, non come quantità assolute. L'analisi (semi)quantitativa XPS è utilmente integrata da informazioni indipendenti sulla composizione massiva del campione. In questo modo, infatti, si possono evidenziare differenze nella distribuzione tra superficie e bulk negli elementi caratteristici. In termini semplici, l'XPS fornisce un'immagine accurata della superficie esposta del campione, sia in termini elementari, sia in termini di stato di ossidazione, sia anche in termini quantitativi relativi.
Questa tecnica è largamente utilizzata sia nell'ambito della ricerca scientifica pura, sia in ambito applicativo/industriale (studi su materiali metallici e semiconduttori, su polimeri, catalizzatori, particelle di varie dimensioni, etc).

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