IX. LAS PRINCIPALES T�CNICAS
HACE alg�n tiempo, el Centro de Investigaci�n y de Estudios Avanzados del Instituto Polit�cnico Nacional sinti� la necesidad de forjarse un lema, leyenda, grito de guerra o como quiera llam�rsele. Algo que identificara la actividad de los investigadores con la personalidad de la instituci�n y el deseo de sacar a M�xico del hoyo. Que fuera como el recordatorio permanente de que la raza grita desde el fondo, que cuando nuestro gran esp�ritu se manifiesta nos parece sentir que tarde o temprano "la vamos a hacer". Entre todos los posibles lemas sugeridos, destac� uno, hecho medio en serio, medio en broma por Jorge Helman, investigador del Departamento de F�sica en esa �poca. No recordamos con precisi�n el enunciado pero era algo como: "El Centro est� por la Raza" o "Por la raza est� el Centro". Un juego de palabras que queda para quienes lo entiendan. Uno de los posibles significados, entre tantos que se le puede dar, es que de una u otra manera existe una obligaci�n de la investigaci�n para con "La Raza".
Curiosamente, desde hace alg�n tiempo se cumple una de las obligaciones de la ciencia y de los que trabajan en su desarrollo en la estaci�n del metro La Raza. Se trata de la difusi�n de la ciencia. Gracias a una asociaci�n que tiene como una de sus principales actividades tal difusi�n, existen largos trayectos que han de recorrerse al cambiar de l�nea en esa estaci�n, t�neles donde podemos pescar algo de la ciencia cada vez que pasamos y, si ponemos atenci�n, un vasto conocimiento. Bastar�a ir acumulando algo a cada pasada. Podr�amos acabar con un excelente conocimiento de las constelaciones y su posici�n en la b�veda celeste, por ejemplo.
En una de esas ocasiones en que hubimos de atravesar los t�neles de La Raza nos toc� escuchar expresiones de desencanto de un par de bellas adolescentes, provistas de sendos cuadernos, causado por un t�rmino que aparece en algunas de las fotograf�as del sistema planetario: fotograf�a "en colores falsos". Esos dos exponentes de nuestras bellezas en �poca colegial, enviadas ah� a realizar sus tareas entre d�a y d�a de clases, se manifestaban desilusionadas porque la realidad tendr�a otros colores que los de las fotograf�as. �Con lo f�cil que es ir a comprobarlo! En la colecci�n de fotograf�as que nos muestran los �rdenes de magnitud de las longitudes en las que sentimos que campea nuestro conocimiento (desde distancias intergal�cticas hasta el tama�o de los quarks), aparecen representaciones de min�sculos �tomos o, a�n m�s, de los quarks. Las distancias se dan en potencias de diez: el paso de una fotograf�a a la otra deber�a guiarnos para ir entendiendo cu�n peque�as o cu�n grandes son las dimensiones comprendidas.
As�, arrastrados por el r�o de gente (que llega a ser mar en muchas ocasiones), llegamos frente a una representaci�n de part�culas subat�micas. No hay oportunidad de quedarse ah�, tal vez a otra hora ser�a posible, pero no durante las horas "pico". Sin embargo, alcanzamos a notar las hermosas esferas coloreadas, sombreadas, casi posando para la foto. �Colores falsos? Claro que s�. Nada puede ser color de rosa, ni verde, ni azul, ni de ning�n color a esos niveles. No se puede ver nada de tama�o inferior a 1000Å, si por ver entendemos registrar se�ales en la regi�n del visible, ya sea con un instrumento, ya sea con los ojos.
La pregunta no se hace esperar: �y las im�genes de microscopio electr�nico? Se pueden ver, �no es as�? Ciertamente. Sin embargo, en el caso de las im�genes de microscopio electr�nico hemos realizado un proceso parecido al de aprender a ver. Proceso de aprendizaje del cual no nos acordamos. Hemos venido aprendiendo a reconocer patrones, de hecho hemos inventado la forma de traducir la informaci�n que se recibe de un microscopio electr�nico a los patrones que podemos reconocer en la regi�n del visible. Parte de los sistemas de observaci�n que se utilizan en la ciencia de superficies, cuando quieren producir una imagen lo hacen mediante un c�digo de traducci�n. Incluso las im�genes aparecer�n coloreadas, pero los colores ser�n asignados de acuerdo a un c�digo prestablecido. Podr�, por ejemplo, pasar de regiones de baja densidad electr�nica en rojo a regiones de alta densidad en azul. S�, colores falsos, pero dan la informaci�n en la forma m�s adecuada para una r�pida interpretaci�n.
Lo cierto es que no siempre nos detenemos a pensar en las limitaciones de nuestros aparatos sensoriales. No es dif�cil encontrarse con alguien que piensa en la posible existencia de un microscopio �ptico sin límite: iluminar y aumentar el tama�o de la imagen mediante un sistema de lentes. Tan pronto como se piensa en las longitudes de onda y que se entera uno que el espectro visible no es sino una reducida fracci�n del espectro de longitudes de onda se empiezan a entender las limitaciones de "lo �ptico". Un microscopio �ptico puede observar objetos cuyos tama�os van desde unos cuantos mil�metros hasta aproximadamente una micra (un mil�simo de mil�metro). Pasamos entonces al microscopio electr�nico que tiene un rango de observaci�n de una d�cima a una millon�sima de mil�metro. O sea, que hay una parte de posibles tama�os que puede ser observada ya con el microscopio �ptico, ya con el electr�nico. Esta superposici�n es como la piedra de Rosetta que permite la creaci�n en microscop�a electr�nica de c�digos f�cilmente interpretables como im�genes. Los c�digos se aplican a toda la regi�n observable con el microscopio electr�nico y deben dar informaci�n an�loga a la del microscopio �ptico en la regi�n de coincidencia.
Otra cosa en la que vale la pena meditar un poco, antes de estudiar las t�cnicas de observaci�n para regiones mucho menores que las longitudes de onda de la luz visible, es en el proceso mismo de observaci�n. En �l intervienen tres partes: la sonda, el objeto observado y el detector de la respuesta al sondeo.
Veamos el caso del sentido de la vista. Para ver un objeto necesitamos iluminarlo. En este caso la sonda la constituyen fotones que hacemos incidir sobre el objeto que absorber� buena parte de ellos pero que reflejar� otros. Algunos de los fotones reflejados (la respuesta) llegan al sensor, que es un aparato complicado que tiene que ver con varios �rganos de nuestro cuerpo. El proceso de visi�n es complicado, comprende los detectores de radiaci�n (los ojos) que transforman la se�al, un sistema de transmisi�n de esa se�al (nervio �ptico) y un centro de procesamiento (cerebro). En el centro de procesamiento se lleva a cabo la parte m�s complicada de la visi�n. Lej�simos estamos de querer meternos en el problema de describir las operaciones que se llevan a cabo en el centro de procesamiento. Mencionamos tan s�lo que entre todas las fases hay una que requiere la comparaci�n de la informaci�n contenida en la se�al con patrones archivados en un centro de memoria de la formidable computadora que es el cerebro. Ahora, como dicen los neuropsic�logos, una cosa es reconocer el papel del cerebro y otra entender c�mo el tejido nervioso puede convertir energ�a, tal como la de las ondas luminosas, en sensaciones que nos signifiquen algo y que en su momento nos conduzcan hasta la acci�n de pensar. Algo semejante podemos decir en este libro de los sistemas detectores y procesadores de las diferentes se�ales: sabemos el papel que desempe�an, los detalles quedan para el que quiere seguir el juego de la investigaci�n en la ciencia de superficies (u otro campo donde se hagan investigaciones parecidas).
Pongamos un poco de detalle, tan s�lo un poco, en la descripci�n de los procesos seguidos por nuestro cerebro para la captaci�n de informaci�n proveniente del medio externo.
El proceso de observaci�n empieza en los receptores. Estrictamente su funci�n es actuar como transductores convirtiendo energ�a sensorial en actividad neural. Lo que llamamos energ�a sensorial var�a de sentido a sentido. En el caso de la visi�n se trata de la energ�a existente en las ondas luminosas que es convertida en energ�a qu�mica en los receptores de la retina y, a su vez, la energ�a qu�mica se convierte, en actividad neural. En el caso del o�do, la energ�a de las ondas sonoras se transforma en energ�a mec�nica en forma de movimiento de los peque�os huesos del sistema auditivo y de la membrana basilar que contiene los verdaderos receptores pilosos. Es s�lo despu�s de que las c�lulas receptoras pilosas se han activado que la descarga neural ocurre. En el sistema somatosensorial, la energ�a mec�nica en forma de presi�n, toque, vibraci�n, etc., activa mecanorreceptores que generan actividad neural.
Cada sistema sensorial requiere de tres o cuatro neuronas conectadas en sucesi�n para hacer pasar la informaci�n de las c�lulas receptoras a la corteza. El sistema visual usa tres. Una vez que la informaci�n ha sido transducida, viene codificada por medio de potenciales de acci�n. La informaci�n sensorial es conducida al cerebro por haces de axones que se llaman nervios hasta que entran al cerebro y de ah� en adelante tractos. Los elementos con los que se maneja una se�al, por ejemplo la visual, van cambiando de n�mero y naturaleza a lo largo del proceso que empieza con bastones y conos en la retina, luego siguen c�lulas bipolares, etc. De la variedad de los elementos y de c�mo cambian de n�mero se desprende que la codificaci�n de la se�al va cambiando.
Aunque no es el lugar para formular las dudas, mencionemos que todos los nervios llevan exactamente el mismo tipo de se�al. No hay una forma especial para cada uno de los sistemas sensoriales. �C�mo hace el cerebro para distinguir entre las se�ales de esos sistemas sensoriales? �C�mo es que no confunde entre se�ales auditivas y visuales, o entre visuales y t�ctiles? Nos dicen los neuropsic�logos que a veces se producen ese tipo de confusiones. Que cuando alguien pasa las u�as por la superficie de un pizarr�n y hay la t�pica reacci�n en la piel hemos registrado el sonido en forma t�ctil.
Habitualmente cuando se menciona a los microscopistas nos hacemos la imagen de una persona de ojos cansados, como a medio cerrar, casi so�adores, que se la pasa encorvado sobre un tubo que en el otro extremo tiene la muestra observada. Ciertamente que a�n es necesario hacer muchos trabajos de investigaci�n que producen personas como las de esa imagen. Basta imaginar a un investigador que necesita aislar una fibra de un m�sculo de rana y se la pasa horas sobre el microscopio realizando el delicado trabajo. Despu�s montar� el delicado objeto entre dos electrodos a fin de imponer un peque�o voltaje y estudiar el efecto de varios f�rmacos sobre las propiedades de la fibra. Nada, que debido al cansancio hace las cosas torpemente y se le rompe la fibra: a volver a empezar. Sin embargo, no todo el trabajo de microscop�a es as�. De hecho, los microscopios m�s modernos trabajan en una forma que tiende a imitar, pobremente desde luego, el proceso de visi�n.
Creemos que una breve descripci�n de la manera como trabajan los microscopios �pticos m�s modernos puede ser de utilidad para entender otras t�cnicas, el microscopio electr�nico de barrido, por ejemplo. Los problemas de patrones que se mencionaron arriba tambi�n han de resolverse en la microscop�a �ptica. Para salir un poco del tema pensemos en la observaci�n de una c�lula. Las dimensiones son todav�a suficientemente grandes como para poder hacer observaciones con radiaci�n (fotones) en la regi�n visible (luz). En este caso se trata de algo de tan poco grosor que la luz que se utiliza para la observaci�n es la que atraviesa a la c�lula. La sonda es luz y la respuesta tambi�n, s�lo que la informaci�n que obtendremos depender� de lo que sea absorbido por la c�lula. Al pensar un poco nos daremos cuenta de que siempre es as�: lo que vemos depende siempre de lo que no fue absorbido s�lo que en el caso habitual la radiaci�n que recibimos es la reflejada por el cuerpo (la luz no atraviesa un cuerpo opaco, por definici�n).
Llega el microscopista, pone la muestra (una cosa complicada, trata de observar una c�lula), la ilumina y, nada: las c�lulas son transparentes a la luz, por lo general. La radiaci�n luminosa las atraviesa sin interaccionar con ellas y las propiedades f�sicas de la luz se mantienen: nada qu� observar. Hay que agregar a la preparaci�n unas sustancias que se absorben de manera diferente en distintas partes de la c�lula. Estas sustancias absorben la luz dejando pasar alg�n color. Como se absorben de manera selectiva, colorean de diversas formas las partes de la c�lula y permiten la observaci�n.
Podemos considerar la imagen proporcionada por el microscopio como un mensaje visual, portador de la informaci�n en el complejo preparado de c�lula, m�s colorantes. La interpretaci�n del mensaje requiere la comparaci�n con esquemas ya grabados (aprendidos). En este caso, el lenguaje utilizado en el mensaje nos es bastante familiar, lo usamos continuamente. Digamos que es el lenguaje de la luz, hecho a base de par�metros luminosos: claro, oscuro; transparente, opaco; brillante, mate; sombreado, iluminado; liso, �spero (en caso de que la textura se registre); lleno, vac�o; de tal o cual color; etc�tera.
Desde hace tiempo los microscopistas se dieron cuenta de la riqueza de informaci�n contenida en los rayos luminosos obtenidos. Se necesitaba un an�lisis mucho m�s completo. Para ello se hace algo similar a lo que hace nuestro sistema de visi�n: se transforman las se�ales luminosas en se�ales el�ctricas que a su vez se convierten en informaci�n num�rica. La informaci�n num�rica puede almacenarse y procesarse de varias maneras, combinarse con otras observaciones, etc. Estas otras observaciones pueden ser, por ejemplo, la respuesta de la c�lula a luz de diferentes longitudes de onda (diferentes colores). Todo el proceso tuvo un principio: la calibraci�n. Fue necesario que el proceso pudiera reproducir en forma id�ntica patrones bien conocidos. Todo ese proceso que acaba con la imagen almacenada en c�digo num�rico se denomina microscop�a digital. El t�rmino comprende tambi�n a las im�genes obtenidas del microscopio electr�nico. En �ste el proceso es el mismo fuera de que lo que se obtiene de la muestra son electrones y no luz. Antes de volver a nuestros problemas de superficies y a nuestra discusi�n de las sondas vale la pena mencionar que la digitalizaci�n revolucion� la microscop�a (��ptica?). Entre otras cosas, permiti� el uso de longitudes de onda fuera de la regi�n visible, como es el caso de la radiaci�n ultravioleta. Tambi�n es posible barrer una regi�n amplia de la muestra y usar la computadora tanto para cambiar la regi�n observada como para llevar el registro de la informaci�n obtenida a partir de cada coordenada. Se dice en este caso que se "barre la muestra".
Las sondas utilizadas pueden ser variadas y pueden darse diversos tipos de respuesta para una sola sonda. Sondear una membrana con un golpe produce como respuesta cambios de densidad en la atm�sfera que ser�n detectados por el o�do o r�pidos movimientos (vibraciones) que pueden detectarse poniendo la mano sobre la membrana. Golpear repetidas veces un cuerpo puede producir una elevaci�n de temperatura suficiente para que se pueda registrar al tacto; en este caso la respuesta, registrada por la mano, es calor. La precisi�n de lo dicho en este p�rrafo es discutible, pero da una idea de los t�rminos que se usar�n en lo que sigue. La observaci�n de lo microsc�pico se hace a base de tirar proyectiles (sonda) a un blanco (muestra) y obtener informaci�n a partir de la respuesta resultante, que puede ser de naturaleza variada: los mismos proyectiles rebotados (la informaci�n viene dada por los �ngulos y las energ�as con las que salen de rebote los proyectiles) u objetos de otra naturaleza.
Las t�cnicas de superficie usan dos tipos de sonda: fotones y part�culas cargadas. Las energ�as usadas para los fotones los sit�an principalmente en la regi�n de los rayos X donde, en la actualidad, se tienen fuentes (sincrotrones, v�ase el cap�tulo XI) sintonizables a cualquier longitud de onda. Las part�culas cargadas pueden ser electrones o �tomos ionizados. Se utilizan principalmente �tomos ionizados de hidr�geno, helio, arg�n, ne�n, xen�n, galio, litio, ox�geno, sodio y potasio.
LAS PRINCIPALES T�CNICAS DE AN�LISIS EN SUPERFICIES DE MATERIALES
De entrada debe entenderse que ninguna t�cnica es completa. La t�cnica a utilizar se escoge de acuerdo a la finalidad perseguida, de acuerdo a lo que se quiere saber de la superficie. La otra cosa que determina la t�cnica utilizada es el valor de la muestra estudiada. Por ejemplo, si lo que se quiere saber es la composici�n qu�mica de la superficie y el perfil de concentraciones al ir penetrando en el material, se podr� usar la espectroscop�a de masa de iones secundarios (SIMS), pero si queremos conservar la muestra tendremos que cambiar de t�cnica, ya que el SIMS es esencialmente destructivo: desbarata la superficie.
La lista (tabla 1) de t�cnicas de superficie muestra los nombres en ingl�s y las siglas con las que se les nombra habitualmente en el medio de los especialistas. Estas siglas se han hecho tan usuales que, con frecuencia, los investigadores se olvidan al hablar de ellas, en conferencias o en publicaciones, de recordarle al p�blico o al lector qu� quiere decir alguna de las palabras cr�pticas usadas para denotar una parte de sus experiencias. Vivimos en la �poca de la sopa de letras ya que no s�lo los cient�ficos sino en todas partes, por ejemplo en los medios oficiales, se usan siglas que no siempre se explican. En ocasiones, una misma t�cnica con una ligera variante o utilizada en otro rango de energ�a, cambia o agrega nuevas siglas. Adoptaremos la costumbre de dar a cada t�cnica un nombre en espa�ol que sea una traducci�n aproximada del nombre en ingl�s y escribiremos en ingl�s las siglas. La traducci�n aproximada en espa�ol es propia de este libro y de ninguna manera son convencionales. Hay que mencionar que casi no existen entre los hispanoparlantes acuerdos sobre c�mo nombrar las t�cnicas. Casi siempre se las llama por las siglas de los nombres en ingl�s.
|
|
|
| AEPS | Auger Electron Appearance Potential Spectroscopy |
| AES | Auger Electron Spectroscopy |
| APS | Appearance Potential Spectroscopy |
| ARUPS | Angle-Resolved Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy |
| CHA | Concentric Hemispherical Analyser |
| CMA | Cylindrrical Mirror Analyser |
| CPD | Contact Potential Difference |
| DAPS | Disappereance Potential Spectroscopy |
| EAPFS | Extended Appereance Potential Fine Structure |
| ESD | Electron Simulated Desorption |
| ESDIAD | Electron Simulated Desorption Ion Angular Distribution |
| EXAFS | Extended X-ray Absorption Fine Estructure |
| FEM | Field Emission Spectroscopy |
| FIM | Field Ions Micrcoscopy |
| HEIS | Hight Energy Ion Scattering |
| HREELS | Hight Resolution Electron Energy Loss Spectroscopy |
| ILS | Ionisation Loss Spectroscopy |
| IMBS | Inelastic Molecular Beam Scattering |
| INS | Ion Neutralisation Spectroscopy |
| IRAS | Infrared Reflection-Absorption Spectroscopy |
| LEED | Low Energy Electron Difraction |
| LEIS | Low Energy Ion Scattering |
| MBE | Molecular Beam Epitaxy |
| PSD | Photon Simulated Desorption |
| RFA | Retarding Filed Analyser |
| RHEED | Reflection High Energy Electron Diffraction |
| SAM | Scanning Auger Microprobe |
| SEM | Scanning Electron Microscope |
| SEXAFS | Surface Extended X-ray Absorption Fine Estructure |
| SIMS | Secondary Ion Mass Spectroscopy |
| SXAPS | Soft X-ray Appereance Potential Spectroscopy |
| TPD | Temperature Programmed Desorption |
| UHV | Ultra-High-Vacuum |
| UPS | Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy |
| XPS | X-ray Photoelectron Spectroscopy |
|
|
|
Antes de ver en detalle un par de las t�cnicas experimentales m�s importantes en las ciencias de superficies, daremos un vistazo r�pido a las cinco m�s usadas a fin de ver sus caracter�sticas y hacer sospechar la forma en que se complementan entre s�. Luego, m�s adelante y para mostrar la forma de aplicaci�n de las t�cnicas, presentaremos con m�s detalle la espectroscop�a de fotoelectrones producidos por rayos X (XPS), la espectroscop�a de electrones Auger (AES, SAM,), y la difracci�n de electrones de baja energ�a (LEED).
Las cinco t�cnicas que repasaremos son: espectroscop�a Auger (AES, SAM), espectroscop�a de fotoelectrones producidos por rayos X (XPS), espectrometr�a de masa de iones secundarios (SIMS) y espectroscop�a de esparcimiento de iones (LEIS).
ESPECTROSCOP�A DE ELECTRONES AUGER(AES)
La espectroscop�a de electrones Auger o AES es, tal vez, la t�cnica m�s utilizada. El proceso bajo el cual se producen estos electrones se discute en el cap�tulo XII. Aqu� solo se presentan algunas generalidades.
Se utiliza un haz de electrones para excitar los electrones (denominados electrones Auger) de los �tomos localizados en la superficie. La se�al medida es proporcionada por estos electrones Auger. Debido a que los electrones del haz inicial interaccionan fuertemente con los electrones de los �tomos de la superficie, se tiene una t�cnica que es netamente superficial ya que los electrones penetran realmente poco. Los haces electr�nicos pueden enfocarse en regiones peque�as, lo que permite el estudio de �reas peque�as y, mediante la aplicaci�n de t�cnicas de microscopio electr�nico de barrido (SEM), la obtenci�n de una imagen de la regi�n bajo an�lisis. Debido tambi�n al gran enfocamiento de los haces iniciales es una t�cnica de gran resoluci�n.
Algunas de las limitaciones de la t�cnica se presentan principalmente en el estudio de las superficies de materiales aislantes. Como se est�n enviando cargas el�ctricas puede haber problemas con la acumulaci�n de carga sobre la muestra. El haz puede da�ar la superficie y, a ra�z de los da�os, se pueden presentar "efectos raros".
En la sopa de letras ha recibido varios nombres. En la aplicaci�n con barrido se le ha denominado SAM (Scanning Auger Microprobe).
ESPECTROSCOP�A DE FOTOLECTRONES PRODUCIDOS CON RAYOS X (XPS)
El haz es de rayos X con los que se excitan electrones de la superficie. Permite conocer con precisi�n la naturaleza qu�mica de los �tomos de la superficie ya que la energ�a de los fotoelectrones depende directamente de la configuraci�n energ�tica de los �tomos de los que provienen. Pr�cticamente no causa da�os en la superficie y puede usarse en materiales delicados. No tiene gran resoluci�n ni en �rea ni en profundidad.
ESPECTROMETR�A DE MASA DE IONES SECUNDARIOS (SIMS)
Aqu� se arrancan �tomos de la superficie usando un haz de iones de baja energ�a. Los fragmentos ionizados se miden directamente con un espectr�metro de masas. Da gran informaci�n acerca del contenido qu�mico de la superficie. A diferencia de otras t�cnicas puede detectar hidr�geno y distingue entre diferentes is�topos. Tiene una buena resoluci�n espacial y da excelente informaci�n sobre el perfil de concentraciones con la profundidad. Es esencialmente una t�cnica destructiva.
ESPECTROSCOP�A DE ESPARCIMIENTO DE IONES (LEIS)
Un haz de iones con energ�a fija se lanza sobre la superficie. Ah� es esparcido por los �tomos superficiales. Los iones tienen energ�as que dependen de la masa de los �tomos superficiales y son analizados mediante espectr�metros de masa. La t�cnica es altamente sensible a la superficie y puede dar informaci�n sobre la estructura de la superficie por medio de la variaci�n de los �ngulos de incidencia. Como no tiene penetraci�n m�s all� de la superficie no tiene capacidad para estudiar perfiles a profundidad.
