Caratterizzazione e analisi dei materiali delle superfici

+n 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

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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

CARATTERIZZAZIONE E ANALISI DEI MATERIALI E DELLE SUPERFICI Luca Bertoli; Gabriele Grezzana; Giacomo Sala; Giorgio Scalmana

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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

CARATTERIZZAZIONE E ANALISI DEI MATERIALI E DELLE SUPERFICI Luca Bertoli; Gabriele Grezzana; Giacomo Sala; Giorgio Scalmana

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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 BACKGROUD .................................................................................................................................................. 90

TECNICHE DI REGISTRAZIONE .......................................................................................................................................... 90

LEGGE DI LAMBERT - BEER .............................................................................................................................................. 91

TECNICHE DI RIFLESSIONE ................................................................................................................................................... 91

RIFLESSIONE SPECULARE ................................................................................................................................................. 92

ATR (ATTENUATED TOTAL REFLECTION) ......................................................................................................................... 92

CARATTERIZZAZIONE E ANALISI DEI MATERIALI E DELLE SUPERFICI Luca Bertoli; Gabriele Grezzana; Giacomo Sala; Giorgio Scalmana

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RIFLETTANZA DIFFUSA ..................................................................................................................................................... 92

DOPPIA TRASMISSIONE ................................................................................................................................................... 93

LEZIONE 13 - Tecniche di riflessione ....................................................................................................................................... 94

RIFLESSIONE SPECULARE AD ANGOLO RADENTE (RAIRS) ............................................................................................... 94