Caratterizzazione e analisi dei materiali delle superfici

Caratterizzazione e analisi dei materiali e delle superfici

Appunti del corso 2015-2016

Luca Bertoli; Gabriele Grezzana; Giacomo Sala; Giorgio Scalmana

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A Christian, con dolcezza

Caratterizzazione e analisi dei materiali e delle superfici Luca Bertoli; Gabriele Grezzana; Giacomo Sala; Giorgio Scalmana 2

Sommario

• Lezione 0 - Introduzione e concetto di materiale .................................................................................................................... 9
• Lezione 1 - Superfici, grado di vuoto, tempo di ricoprimento ............................................................................................... 11
• Cosa si intende per “superficie”? ................................................................................................................................. 11
• Definizione geometrica ............................................................................................................................................. 11
• Definizione generale .................................................................................................................................................. 11
• Il grado di vuoto nelle analisi superficiali ............................................................................................................. 12
• Il tempo di ricoprimento ........................................................................................................................................... 13
• Il cammino libero medio ........................................................................................................................................... 13
• Teoria cinetica dei gas ................................................................................................................................................... 13
• Tempo di formazione di un monostrato .................................................................................................................. 15
• Lezione 2 - Cammino libero medio, monolayer ..................................................................................................................... 17
• Grado di vuoto ................................................................................................................................................................ 17
• Densità atomica superficiale ................................................................................................................................... 17
• Libero cammino medio ................................................................................................................................................... 18
• Frequenza di collisione ............................................................................................................................................. 18
• Lezione 3 - Spettroscopia: l’interazione tra radiazione e materia ......................................................................................... 22
• Spettroscopia .................................................................................................................................................................. 22
• Spettroscopie foto-elettroniche XPS ........................................................................................................................ 23
• Principio fisico: effetto fotoelettrico .................................................................................................................. 24
• Funzione lavoro ......................................................................................................................................................... 24
• Energie di legame e informazioni composizionali.............................................................................................. 25
• Funzione lavoro ed energia di legame .................................................................................................................. 25
• Il rilevatore: il detettore ......................................................................................................................................... 26
• Allineamento dei livelli energetici......................................................................................................................... 26
• Spettri di XPS ................................................................................................................................................................. 27
• Lezione 4 - Sensibilità di analisi e effetti della degenerazione negli spettri .......................................................................... 29
• Profondità del segnale ................................................................................................................................................. 29
• Libero cammino medio anelastico .................................................................................................................... 30
• Master curve................................................................................................................................................................ 31
• Urti ed elettroni nello spettro XPS ........................................................................................................................ 32
• Sdoppiamento picchi ...................................................................................................................................................... 33
• Deviazioni dall’idealità ............................................................................................................................................. 33
• Accoppiamento spin-orbita ...................................................................................................................................... 34
• Lezione 5 - Degenerazione, XPS, produzione di raggi X ......................................................................................................... 35

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• Degenerazione ................................................................................................................................................................. 35
• Notazione ..................................................................................................................................................................... 36
• Produzione dei raggi X .................................................................................................................................................. 37
• Spettro X continuo ..................................................................................................................................................... 38
• Spettro X caratteristico ........................................................................................................................................... 39
• Sorgente: forma di riga ............................................................................................................................................ 40
• Apparato sperimentale ................................................................................................................................................. 40
• Trasmissione dell’analizzatore .............................................................................................................................. 41
• Lezione 6 - Chemical shift, effetto di stato iniziale, rilassamento .......................................................................................... 42
• Tre stadi del processo di fotoemissione ................................................................................................................... 42
• Effetti di stato iniziale .............................................................................................................................................. 42
• Chemical shift .............................................................................................................................................................. 42
• Effetti di stato finale ................................................................................................................................................. 46
• Altri effetti................................................................................................................................................................... 47
• Multipletti .................................................................................................................................................................... 48
• Diagramma delle energie.............................................................................................................................................. 49
• Sample charging ......................................................................................................................................................... 50
• Lezione 7 - Analisi di una superficie non conduttiva, Osservabili spettroscopiche ............................................................... 51
• Superficie non conduttiva ........................................................................................................................................... 51
• Osservabili spettroscopiche......................................................................................................................................... 52
• Posizione del picco ...................................................................................................................................................... 52
• Intensità ........................................................................................................................................................................ 52
• Ampiezza ........................................................................................................................................................................ 52
• Analisi intensità .............................................................................................................................................................. 53
• Analisi elementale quantitativa ................................................................................................................................ 54
• Larghezza di riga ............................................................................................................................................................. 55
• Sorgente ........................................................................................................................................................................... 56
• Radiazione di sincrotrone ........................................................................................................................................ 57
• Lezione 8 - Strumentazioni, Analisi superficiale a varie profondità ....................................................................................... 58
• Analizzatore di energia ................................................................................................................................................. 58
• Energia di passo ........................................................................................................................................................... 58
• Precisione della misura ............................................................................................................................................. 59
• Potenziale ritardante ............................................................................................................................................... 59
• Sensibilità superficiale .................................................................................................................................................. 60
• Lezione 9 - Intensità spettro XPS e ultime considerazioni ..................................................................................................... 65
• Campioni non uniformi ................................................................................................................................................. 65

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• Calcolo dello spessore in film sottili ................................................................................................................... 65
• Analisi di piccole aree e XPS imaging .......................................................................................................................... 68
• Analisi di sezioni di vernici multistrato ................................................................................................................ 70
• Tecniche fotoelettroniche........................................................................................................................................... 70
• Lezione 10 - Spettroscopia elettronica Auger ........................................................................................................................ 71
• Spettroscopia Auger ...................................................................................................................................................... 71
• Notazione transizioni Auger (labelling) ............................................................................................................... 73
• Energia delle transizioni Auger .............................................................................................................................. 73
• Alcuni processi Auger ................................................................................................................................................ 74
• Processi competitivi: AES & fluorescenza ............................................................................................................. 74
• AES in dettaglio ............................................................................................................................................................... 75
• Sensibilità chimica degli spettri Auger .................................................................................................................. 76
• Lezione 11 - Spettroscopia vibrazionale ................................................................................................................................ 78
• Molecola biatomica come oscillatore armonico semplice (caso classico) .................................................... 78
• Esempio HCl .................................................................................................................................................................... 80
• Gradi di libertà e modi puramente vibrazionali di una molecola ..................................................................... 80
• Modi di vibrazione ...................................................................................................................................................... 80
• Assorbimento infrarosso ............................................................................................................................................. 81
• Spettri vibrazionali .................................................................................................................................................... 82
• Scattering Raman ........................................................................................................................................................... 83
• Teoria dello scattering della luce ........................................................................................................................... 83
• Polarizzabilità ............................................................................................................................................................. 83
• Elementi di simmetria nelle vibrazioni molecolari ........................................................................................... 85
• Frequenze di gruppo e fingerprint region ........................................................................................................... 86
• Lezione 12 - Strumenti di misura IR, tecniche di riflessione .................................................................................................. 87
• Fattori di variazione dei modi di vibrazione ............................................................................................................ 87
• Legame idrogeno ........................................................................................................................................................ 87
• Strumenti di misura ....................................................................................................................................................... 88
• Apparato sperimentale per spettri IR ..................................................................................................................... 88
• Interferometro di Michelson .................................................................................................................................. 89
• Analisi di background .................................................................................................................................................. 90
• Tecniche di registrazione .......................................................................................................................................... 90
• Legge di Lambert - Beer .............................................................................................................................................. 91
• Tecniche di riflessione ................................................................................................................................................... 91
• Riflessione speculare ................................................................................................................................................. 92
• ATR (Attenuated Total Reflection) ......................................................................................................................... 92

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• Riflettanza diffusa ..................................................................................................................................................... 92
• Doppia trasmissione ................................................................................................................................................... 93
• Lezione 13 - Tecniche di riflessione ....................................................................................................................................... 94
• Riflessione speculare ad angolo radente (RAIRS) ............................................................................................... 94