Laboratório Nacional
de Luz Síncrotron

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Ipê

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Ipê é o nome popular de diversas espécies de árvores do gênero Handroanthus. (Foto: Domínio Público )

Ipê (Inelastic and Photo-Electron spectroscopy ) será uma linha de luz que terá duas estações experimentais que permitirão modos complementares de espectroscopia, uma delas por fotoelétrons, o AP-XPS (do inglês, Ambient Pressure X-Ray Photoelectron Spectroscopy) e outra por espalhamento inelástico ressonante, o RIXS (do inglês, Resonant Inelastic X-Ray Scattering).

 

Os raios X moles interagem majoritariamente com os elétrons de mais baixa energias dos átomos, que são responsáveis pela maioria das propriedades macroscópicas dos materiais, como magnetismo, condutividade, absorção e emissão de luz, reatividade e etc. A espectroscopia de raios-X moles, que mede a distribuição em energia destes elétrons “ativos” dos materiais, é uma das mais importantes ferramentas experimentais para desvendar os princípios que regem o funcionamento de dispositivos modernos, como discos rígidos e memórias, baterias, displays, catalisadores e etc.

 

Análises por espectroscopia de raios X moles permitem, por exemplo, compreender certas propriedades intrínsecas dos elétrons nos materiais que podem levá-los a transportar correntes elétricas com baixíssimas perdas de energia. Este é o caso de materiais bidimensionais (grafeno e fosforeno) que poderão ser usados em circuitos integrados com frequências de operação até cem vezes maior que a tecnologia atual baseada em silício.

 

A linha Ipê terá duas estações experimentais que permitirão modos complementares de espectroscopia, uma delas por fotoelétrons, o XPS (do inglês, X-Ray Photoelectron Spectroscopy) e outra por espalhamento inelástico ressonante, o RIXS (do inglês, Resonant Inelastic X-Ray Scattering). Enquanto XPS mede as propriedades dos elétrons em seus estados quânticos ocupados, o RIXS mede estas propriedades nos estados quânticos desocupados. Estas estações contarão ainda com instrumentação específica para experimentos com líquidos, e sólidos em contato com gases.

 

Experimentos de espalhamento inelástico requerem fontes de altíssimo brilho, devido a baixa eficiência do processo, e demanda por alta resolução espectral. Na faixa de energia da IPÊ, o tamanho do feixe de elétrons praticamente não tem influência sobre o tamanho da fonte de radiação, pois está próximo ao limite de difração, tanto na direção vertical quanto horizontal. Isso permitirá atingir um alto poder de resolução com alto fluxo. O tamanho do foco natural nesta linha poderá ser reduzido a dimensões nanométricas por meio do uso de lentes difrativas de Fresnel.

ELEMENTOS ÓTICOS

Elemento Tipo Posição[m] Descrição
SOURCEEliptical Polarizing Undulator3,6 m undulator with 50 cm period.
M0Toroidal mirror27Primary focusing mirror Side bounce LN2 cooled. Au coated, theta= 13.9mrad Rm= ,Rs =
PMplane mirror29Included angle selection. Bounce up Water cooled, Au coated, delta phi < 200 nrad
PGVLS plane gratings29Bounce down Water colled, Au coated, delta phi  < 200 nrad k0 = 400, 1500 l/mm
SMPlane mirror31Branch switching mirror, Au coated, theta= 13.9mrad
ESExit slit54Fixed position 1-100 \mu m opening v/h
M1aElipsoidal mirror83Refocusing mirror for RIXS Side bounce, Au coated,theta= 13.9mrad
M1bElipsoidal mirror91Refocusing mirror for APXPS Side bounce, Au coated, theta= 13.9mrad

PARÂMETROS

Parâmetro Valor Obs. | Condição
Faixa de energia (eV)100-1400
Poder de resolução (E/ΔE)50.000High resolution grating
Poder de resolução (E/ΔE)20.000High flux grating
Conteúdo de Harmônicos < 10-4At cff = 2.25
Tamanho do feixe (μm) < 1 x 1RIXS
Tamanho do feixe (μm) < 10x10APXPS
Divergência do feixe (mrad) 1

Técnicas Disponíveis

 

AP-XPS (Ambient Pressure X-ray Photoeletron Spectroscopy)

 

XPS originou-se na década de 70, mas ainda destaca-se como um dos métodos mais versáteis para caracterização de superfícies e interfaces na escala atômica. Nesta técnica, mede-se o número de elétrons em função de sua energia cinética que são emitidos da amostras após a absorção da radiação incidente. Com raios X moles, na faixa de 100 a 1000 eV, a técnica tem alta sensibilidade à superfície dos materiais, devido à forte interação dos elétrons com a matéria, que reduz o livre caminho médio inelástico dos elétrons a poucas camadas atômicas. A posição dos níveis de energia dos elétrons fornece informações quantitativas sobre a composição elemental e estado químico de superfícies e interfaces. Em sua versão mais recente, com os modernos espectrômetros de alta performance que contam com múltiplos estágios de bombeamento diferencial associados a lentes eletrostáticas, é possível realizar experimentos em pressões de até 20 mbar (APXPS), o que permite o estudo das interfaces sólido-gas (catalisadores, sensores), líquidos-gas ( aerossóis, meio ambiente) e líquido-sólido (eletroquímica, corrosão).

 

RIXS (Resonant Inelastic X-Ray Scattering)

 

RIXS é uma das mais novas técnicas de espectroscopia de raios X que emergiu com o advento das fontes de luz síncrotron de terceira geração. Nesta técnica, mede-se o número de fótons em função da energia que são emitidos da amostra após o processo de absorção da radiação incidente. A diferença de energia, momento e polarização entre os fótons emitidos e incidentes são transmitidos para excitações internas dos materiais, que podem ser sólidos, líquidos ou gases. Com os avanços recentes no design dos espectrômetros e detectores, tornou-se possível distinguir as diversas excitações que sucedem o espalhamento inelástico, tais como excitons, plasmons, fônons e etc. Assim, RIXS provê informações sobre o espectro de excitações que determinam a resposta dos materiais a perturbações externas e, consequentemente, diversas de suas propriedades físicas, como magnetismo, condutividade eletrônica, condutividade térmica, polarizabilidade, dentre outras. Com raios X na faixa de 100 a 1200 eV, RIXS é particularmente útil para estudar materiais baseados em metais de transição e elementos leves (C, O, N), como materiais com elétrons fortemente correlacionados, catalisadores, moléculas orgânicas e polímeros.