Near Ambient Pressure X-ray Photoelectron Spectrometer acquisito dal Laboratorio NAP-XPS “EnviroESCA” del DII
05.10.2020
Laboratorio NAP-XPS "EnviroESCA" del Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università degli Studi di Padova
La strumentazione acquisita con il finanziamento Europeo "ALPE" attirato dal gruppo "Chemistry of the Materials for the Metamorphosis and the Storage of Electrochemical Energy – CheMaMSE", diretto dal Prof. Vito Di Noto ed installata presso il Dipartimento di Ingegneria Industriale (DII) dell'Università degli Studi di Padova (UNIPD) è un NAP-XPS (Near Ambient Pressure X-ray Photoelectron Spectrometer) modello EnviroESCA, sviluppato da SPECS (https://www.specs-group.com/).
FIGURA 1
La tecnica XPS (spettroscopia fotoelettronica a raggi X) consente di effettuare analisi qualitative e quantitative della superficie dei materiali (i.e., a meno di 10 nm di profondità). In aggiunta, la tecnica XPS permette di determinare lo stato di ossidazione di ciascun elemento analizzato, fornendo dunque informazioni sulla tipologia di atomi alla quale ciascun elemento è legato. Queste caratteristiche, aggiunte al fatto che si tratta di una tecnica non distruttiva, fanno sì che l'XPS sia molto utile per studiare materiali la cui composizione superficiale è critica per definirne le prestazioni. Sono elencate di seguito alcune tematiche in cui la tecnica XPS risulta essere di particolare rilevanza: (i) nanomateriali; (ii) fotovoltaico; (iii) catalisi; (iv) corrosione; (v) adesione; (vi) dispositivi elettronici; (vii) supporti magnetici; (viii) trattamenti superficiali; (ix) rivestimenti; e (x) beni culturali. Una normale strumentazione XPS lavora solo in condizioni di ultra-alto vuoto; può quindi esaminare solo materiali solidi. Inoltre, l'analisi della superficie di un materiale in questo regime di pressioni non permette di determinare quali siano le sue proprietà in condizioni reali.
Al contrario, oltre all'applicazione classica in alto vuoto, la strumentazione di recente acquisizione presso il DII consente la raccolta di spettri XPS anche ad una pressione vicina a quella dell'atmosfera (i.e., fino a 50 mbar), permettendo dunque l'analisi di campioni sia solidi che liquidi. Risulta quindi evidente che l'EnviroESCA è capace di condurre analisi completamente al di fuori della portata di strumentazioni XPS convenzionali. Queste condizioni di misura, molto simili a quelle ambientali, permettono lo studio di campioni di interesse per: (i) applicazioni di catalisi; (ii) sistemi liquidi, o in cui sia presente un'interfaccia solido-liquido (ad esempio, in componenti di dispositivi elettrochimici); (iii) la biologia, su campioni che verrebbero distrutti da condizioni di alto vuoto (e.g., proteine, cellule, DNA, etc.); (iv) le scienze ambientali (studio dei suoli, studi sulla chimica e la fisica dell'atmosfera); e (v) studi "in situ" di processi di crescita quali CVD e ALD. In questo innovativo strumento l'introduzione di fasi reattive liquide o gassose permette di studiare "in situ" ed "in operando" processi di corrosione dei materiali o altre reazioni chimiche e di studiarne i loro effetti all'interfaccia solido-liquido.
FIGURA 2
FIGURA 3
Come in una normale strumentazione XPS, il campione studiato mediante l'EnviroESCA viene irraggiato con un fascio di raggi X monocromatici e altamente focalizzati. A differenza di una normale strumentazione XPS, il sistema di misura dell'EnviroESCA è in grado di raccogliere i fotoelettroni emessi dal campione prima che essi vadano dispersi a seguito di processi di diffusione anelastica da parte delle molecole dei gas presenti nell'ambiente di misura. Questo è possibile grazie ad un sistema di misura unico nel suo genere, caratterizzato da:
• un ampio ugello di raccolta, posizionato molto vicino al campione, atto ad acquisire una cospicua quantità di fotoelettroni;
• un complesso sistema di pompaggio differenziale, atto a ridurre drasticamente, in stadi successivi, la pressione all'interno del sistema di misura;
• un rilevatore di fotoelettroni estremamente sensibile, capace di filtrare il segnale in modo molto efficiente dal rumore di fondo.
Il sistema di misura appena descritto consente di ottenere un elevatissimo rapporto segnale/rumore, consentendo quindi di raccogliere molto rapidamente spettri XPS di qualità eccezionale.
La presenza di una pressione "elevata" sul campione sortisce anche un altro effetto positivo: i raggi X incidenti ionizzano parzialmente le molecole di gas presenti in prossimità del campione. Tali molecole ionizzate riescono a neutralizzare la carica che spesso si forma su campioni isolanti. In tal modo gli effetti di caricamento che in normali strumentazioni XPS ostacolano lo studio di campioni isolanti vengono evitati. In ultima analisi, l'EnviroESCA consente anche di studiare facilmente campioni isolanti che non possono essere caratterizzati mediante strumentazioni XPS convenzionali.
