TÉCNICA DE XPS

XPS é uma técnica espectroscópica quantitativa sensível à superfície baseada no efeito fotoelétrico que pode identificar os elementos que existem dentro de um material (composição elementar) ou estão recobrindo sua superfície (1-10 nm). XPS é uma técnica experimental poderosa porque não apenas mostra quais elementos estão presentes, mas também a quais outros elementos eles estão ligados. XPS e XAS também são importantes para determinar a estrutura eletrônica dos materiais. Enquanto o XPS sonda os estados ocupados dos elétrons profundos e de valência, o XAS mede os estados desocupados projetados no átomo absorvente.

Geometria dos experimentos na estação XPS da IPE.

XPS COM LUZ SÍNCROTRON

Medidas de XPS devem ser realizadas na linha IPE apenas em casos especiais, nos quais os proponentes demonstrem claramente a necessidade de radiação síncrotron (idealmente apresentando XPS convencional como caracterização prévia na proposta). Exemplos de casos que justificam a utilização de luz síncrotron incluem espécies com concentração abaixo do limite de detecção ou deslocamento químico menor que a resolução de equipamentos convencionais. Outros experimentos de fotoemissão que justificam o uso da linha de luz incluem mapeamentos químicos que exploram o foco micrométrico do feixe de luz, banda de valência utilizando fóton com baixa energia, fotoemissão ressonante e espectroscopia de elétron Auger ressonante. Além destes, experimentos com ambientes de amostra complexos que são inviáveis com instrumentos comerciais, como criostatos, aquecimento in situ, células de deformação, dispositivos com potencial elétrico aplicado, microjatos de líquidos, entre outros, também justificam a utilização da linha IPE.

Em relação a experimentos para medir perfil de profundidade com o uso de energia variável do fóton, uma avaliação cuidadosa é essencial. No caso de amostras com superfícies lisas, estes experimentos justificam o uso da linha de luz apenas em situações onde a rotação da amostra é desafiadora em equipamentos convencionais, impedindo a medida do perfil de profundidade variando-se o ângulo. Este é o caso, por exemplo, de amostras micrométricas ou experimentos em ambientes complexos

INSTRUMENTO XPS

A estação XPS é composta por um analisador de elétrons SPECS Phoibos 150 com um detector channeltron de 9 canais conectado a uma câmara principal, que possui um manipulador de 4 eixos (X, Y, Z, θ) que realiza o posicionamento e rotação das amostras no feixe de raios-X. Uma pré-câmara serve tanto para carregamento rápido de amostras quanto para tratamentos térmicos sob atmosfera controlada de gás. O analisador de elétrons é posicionado no plano horizontal em um ângulo fixo de 90^o em relação ao feixe de raios-X incidente, mas a amostra pode ser girada para ajustar o ângulo de incidência desejado (θ_in) e o ângulo de fotoemissão (θ_out). Vários experimentos são possíveis na estação XPS:

AMBIENTES DE AMOSTRAS XPS

As amostras para XPS podem ser sólidos em qualquer forma (pó, folhas, filmes finos, compósitos ou cristais), mas devem ser compatíveis com ultra-alto vácuo (UHV). A câmara principal normalmente opera a uma pressão de 1-2 10^-8 mbar, mas se o experimento exigir, ela pode ser reduzida a ~ 8 10 ^-10 mbar (contate equipe). Esteja ciente de que amostras que degasam muito (úmidas ou alta porosidade) devem ser mantidas por mais tempo na pré-câmara até que a pressão segura para transferência seja alcançada. Além disso, as amostras devem ser moderadamente condutoras para evitar o carregamento superficial, que distorce as medidas. No caso de amostras isolantes, um canhão de elétrons está disponível para neutralizar eletricamente a superfície, minimizando o deslocamento de picos e as distorções na forma de linha.

As amostras são normalmente fixadas em chapinhas metálicas que são encaixadas em um porta amostras que é transferido sob UHV para o manipulador. Disponibilizamos dois modelos de porta amostras (~30×30 mm²) que podem acomodar múltiplas amostras e suportes especiais para tratamentos térmicos. As dimensões dos porta amostras podem ser encontrados aqui. Ambientes de amostra personalizados podem ser usados se necessários para a realização do experimento, mas a viabilidade deve ser discutida com a equipe IPE com antecedência. A linha de luz tem uma pequena sala de preparação de amostras com suprimentos, ferramentas e equipamentos comuns usados para a manipulação de sólidos. Entre em contato com a equipe se sua amostra exigir condições especiais de preparação.

Experimentos de XPS na presença de gases ou líquidos NÃO são possíveis com o setup atual.

Porta-amostras XPS para amostras sólidas presas com fita de carbono em chapinhas metálicas.

Por favor, não hesite em entrar em contato com a equipe da linha de luz para obter mais informações sobre amostras e ambientes.

PROCEDIMENTOS XPS

• Aquisição de dados XAS

• Visualização de dados XAS

• Transferência de porta-amostras em vácuo

• Preparação de amostras XPS

• Arejamento e bombeamento da pré-câmara

• Acesso ao servidor de armazenamento de dados

• Acesso remoto via VPN

TÉCNICA DE RIXS

O espalhamento ressonante inelástico de raios X (RIXS) é uma técnica de entrada/saída de fótons que mede a mudança de energia e momento dos fótons espalhados pela amostra. A energia e o momento perdidos no processo inelástico são transferidos para excitações intrínsecas no interior do material em estudo. O RIXS possui algumas características únicas que o distinguem de outras técnicas de esapalhamento inelástico baseadas em nêutrons (INS), elétrons (EELS) ou luz (Raman), comumente usadas para estudar excitações elementares. É sensível ao volume, requer apenas pequenos volumes de amostra, é seletiva a elemento e orbital, dependente da polarização e cobre um grande espaço de fase de espalhamento. Com raios X moles na faixa de 200 a 1200 eV, o RIXS é particularmente útil para estudar metais de transição 3d e elementos leves em óxidos complexos, materiais com elétrons correlacionados, complexos moleculares, catalisadores, metaloenzimas entre outros

Geometria dos experimentos na estação RIXS da IPE.

INSTRUMENTO RIXS

A estação experimental RIXS é composta por um espectrômetro de raios-X moles desenvolvido no LNLS com base em uma grade de difração cilíndrica VLS (2000 l/mm) e um detector de área de alta resolução espacial (EMCCD RIXSCAM2). O espectrômetro é conectado a uma câmara de vácuo principal por meio de uma flange rotativa com bombeamento diferencial que permite rotação contínua sob vácuo. A radiação espalhada pela amostra é coletada no plano horizontal em um ângulo 2θ de 30-150 graus em relação ao feixe incidente. O feixe é disperso por uma grade VLS cilíndrica e focalizado em um conjunto de 2 detectores EMCCDs que realizam a contagem de fótons únicos. Um manipulador de alta precisão com 4 eixos (X, Y, Z, θ) realiza o posicionamento das amostras no feixe de raios-X e rotação para controlar a direção da transferência de momento em relação à superfície da amostra. A estação também compreende uma câmara para carregamento rápido de amostras (load lock) e uma câmara de armazenamento temporário de amostras em vácuo. Algumas informações relevantes do status atual encontram-se na tabela abaixo:

AMBIENTE DE AMOSTRAS RIXS

As amostras para RIXS podem ser sólidos em qualquer forma (pós, folhas, filmes finos, compósitos ou cristais), mas devem ser compatíveis com UHV. No entanto monocristais ou filmes finos epitaxiais de alta qualidade são necessários para experimentos em alta resolução ou resolvidos em momento.  Normalmente, fixamos as amostras em chapinhas metálicas (SPECS flag style) que são transferidas em UHV para o suporte de amostras no manipulador de alta precisão. A câmara principal normalmente opera a uma pressão de base de 5 10^-9 mbar. A câmara não pode ser aquecida (bake-out) devido à vedação especial para rotação contínua. A linha de luz fornece uma sala dedicada para preparação de amostras com suprimentos, ferramentas e equipamentos comuns usados para a manipulação de sólidos. Entre em contato com a equipe se sua amostra exigir condições especiais de preparação.

Ambientes de amostra com diferentes funcionalidades podem ser montados no manipulador, mas devem ser especificados na proposta e discutidos com a equipe da linha de luz com antecedência. Atualmente, temos um inserto padrão que pode receber até 3 chapinhas que opera em temperatura ambiente, um ambiente criogênico (criostato ciclo aberto ColdEdge) que pode receber apenas 1 chapinha por vez. A faixa de temperatura de operação padrão é 25  – 400 K com LHe e 75 – 400 K com LN₂. Com a inserção de um escudo de proteção térmica, é possível atingir < 10 K com LHe. Além disso, estamos trabalhando em uma célula estática para líquidos baseada em membranas de Si₃N₄ e um inserto criogênico com rotações phi-chi em vácuo para alinhamento amostras monocristalinas.

Por favor, não hesite em entrar em contato com a equipe da linha de luz para obter mais informações sobre amostras e ambientes.