IX. LAS PRINCIPALES TÉCNICAS
HACE algún tiempo, el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional sintió la necesidad de forjarse un lema, leyenda, grito de guerra o como quiera llamársele. Algo que identificara la actividad de los investigadores con la personalidad de la institución y el deseo de sacar a México del hoyo. Que fuera como el recordatorio permanente de que la raza grita desde el fondo, que cuando nuestro gran espíritu se manifiesta nos parece sentir que tarde o temprano "la vamos a hacer". Entre todos los posibles lemas sugeridos, destacó uno, hecho medio en serio, medio en broma por Jorge Helman, investigador del Departamento de Física en esa época. No recordamos con precisión el enunciado pero era algo como: "El Centro está por la Raza" o "Por la raza está 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 obligación de la investigación para con "La Raza".
Curiosamente, desde hace algún tiempo se cumple una de las obligaciones de la ciencia y de los que trabajan en su desarrollo en la estación del metro La Raza. Se trata de la difusión de la ciencia. Gracias a una asociación que tiene como una de sus principales actividades tal difusión, existen largos trayectos que han de recorrerse al cambiar de línea en esa estación, túneles donde podemos pescar algo de la ciencia cada vez que pasamos y, si ponemos atención, un vasto conocimiento. Bastaría ir acumulando algo a cada pasada. Podríamos acabar con un excelente conocimiento de las constelaciones y su posición en la bóveda celeste, por ejemplo.
En una de esas ocasiones en que hubimos de atravesar los túneles de La Raza nos tocó escuchar expresiones de desencanto de un par de bellas adolescentes, provistas de sendos cuadernos, causado por un término que aparece en algunas de las fotografías del sistema planetario: fotografía "en colores falsos". Esos dos exponentes de nuestras bellezas en época colegial, enviadas ahí a realizar sus tareas entre día y día de clases, se manifestaban desilusionadas porque la realidad tendría otros colores que los de las fotografías. ¡Con lo fácil que es ir a comprobarlo! En la colección de fotografías que nos muestran los órdenes de magnitud de las longitudes en las que sentimos que campea nuestro conocimiento (desde distancias intergalácticas hasta el tamaño de los quarks), aparecen representaciones de minúsculos átomos o, aún más, de los quarks. Las distancias se dan en potencias de diez: el paso de una fotografía a la otra debería guiarnos para ir entendiendo cuán pequeñas o cuán grandes son las dimensiones comprendidas.
Así, arrastrados por el río de gente (que llega a ser mar en muchas ocasiones), llegamos frente a una representación de partículas subatómicas. No hay oportunidad de quedarse ahí, tal vez a otra hora sería 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 sí. Nada puede ser color de rosa, ni verde, ni azul, ni de ningún color a esos niveles. No se puede ver nada de tamaño inferior a 1000Å, si por ver entendemos registrar señales en la región del visible, ya sea con un instrumento, ya sea con los ojos.
La pregunta no se hace esperar: ¿y las imágenes de microscopio electrónico? Se pueden ver, ¿no es así? Ciertamente. Sin embargo, en el caso de las imágenes de microscopio electrónico 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 información que se recibe de un microscopio electrónico a los patrones que podemos reconocer en la región del visible. Parte de los sistemas de observación que se utilizan en la ciencia de superficies, cuando quieren producir una imagen lo hacen mediante un código de traducción. Incluso las imágenes aparecerán coloreadas, pero los colores serán asignados de acuerdo a un código prestablecido. Podrá, por ejemplo, pasar de regiones de baja densidad electrónica en rojo a regiones de alta densidad en azul. Sí, colores falsos, pero dan la información en la forma más adecuada para una rápida interpretación.
Lo cierto es que no siempre nos detenemos a pensar en las limitaciones de nuestros aparatos sensoriales. No es difícil encontrarse con alguien que piensa en la posible existencia de un microscopio óptico sin límite: iluminar y aumentar el tamaño 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 fracción del espectro de longitudes de onda se empiezan a entender las limitaciones de "lo óptico". Un microscopio óptico puede observar objetos cuyos tamaños van desde unos cuantos milímetros hasta aproximadamente una micra (un milésimo de milímetro). Pasamos entonces al microscopio electrónico que tiene un rango de observación de una décima a una millonésima de milímetro. O sea, que hay una parte de posibles tamaños que puede ser observada ya con el microscopio óptico, ya con el electrónico. Esta superposición es como la piedra de Rosetta que permite la creación en microscopía electrónica de códigos fácilmente interpretables como imágenes. Los códigos se aplican a toda la región observable con el microscopio electrónico y deben dar información análoga a la del microscopio óptico en la región de coincidencia.
Otra cosa en la que vale la pena meditar un poco, antes de estudiar las técnicas de observación para regiones mucho menores que las longitudes de onda de la luz visible, es en el proceso mismo de observación. En él 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 absorberá buena parte de ellos pero que reflejará otros. Algunos de los fotones reflejados (la respuesta) llegan al sensor, que es un aparato complicado que tiene que ver con varios órganos de nuestro cuerpo. El proceso de visión es complicado, comprende los detectores de radiación (los ojos) que transforman la señal, un sistema de transmisión de esa señal (nervio óptico) y un centro de procesamiento (cerebro). En el centro de procesamiento se lleva a cabo la parte más complicada de la visión. Lejísimos estamos de querer meternos en el problema de describir las operaciones que se llevan a cabo en el centro de procesamiento. Mencionamos tan sólo que entre todas las fases hay una que requiere la comparación de la información contenida en la señal con patrones archivados en un centro de memoria de la formidable computadora que es el cerebro. Ahora, como dicen los neuropsicólogos, una cosa es reconocer el papel del cerebro y otra entender cómo el tejido nervioso puede convertir energía, tal como la de las ondas luminosas, en sensaciones que nos signifiquen algo y que en su momento nos conduzcan hasta la acción de pensar. Algo semejante podemos decir en este libro de los sistemas detectores y procesadores de las diferentes señales: sabemos el papel que desempeñan, los detalles quedan para el que quiere seguir el juego de la investigación en la ciencia de superficies (u otro campo donde se hagan investigaciones parecidas).
Pongamos un poco de detalle, tan sólo un poco, en la descripción de los procesos seguidos por nuestro cerebro para la captación de información proveniente del medio externo.
El proceso de observación empieza en los receptores. Estrictamente su función es actuar como transductores convirtiendo energía sensorial en actividad neural. Lo que llamamos energía sensorial varía de sentido a sentido. En el caso de la visión se trata de la energía existente en las ondas luminosas que es convertida en energía química en los receptores de la retina y, a su vez, la energía química se convierte, en actividad neural. En el caso del oído, la energía de las ondas sonoras se transforma en energía mecánica en forma de movimiento de los pequeños huesos del sistema auditivo y de la membrana basilar que contiene los verdaderos receptores pilosos. Es sólo después de que las células receptoras pilosas se han activado que la descarga neural ocurre. En el sistema somatosensorial, la energía mecánica en forma de presión, toque, vibración, etc., activa mecanorreceptores que generan actividad neural.
Cada sistema sensorial requiere de tres o cuatro neuronas conectadas en sucesión para hacer pasar la información de las células receptoras a la corteza. El sistema visual usa tres. Una vez que la información ha sido transducida, viene codificada por medio de potenciales de acción. La información sensorial es conducida al cerebro por haces de axones que se llaman nervios hasta que entran al cerebro y de ahí en adelante tractos. Los elementos con los que se maneja una señal, por ejemplo la visual, van cambiando de número y naturaleza a lo largo del proceso que empieza con bastones y conos en la retina, luego siguen células bipolares, etc. De la variedad de los elementos y de cómo cambian de número se desprende que la codificación de la señal va cambiando.
Aunque no es el lugar para formular las dudas, mencionemos que todos los nervios llevan exactamente el mismo tipo de señal. No hay una forma especial para cada uno de los sistemas sensoriales. ¿Cómo hace el cerebro para distinguir entre las señales de esos sistemas sensoriales? ¿Cómo es que no confunde entre señales auditivas y visuales, o entre visuales y táctiles? Nos dicen los neuropsicólogos que a veces se producen ese tipo de confusiones. Que cuando alguien pasa las uñas por la superficie de un pizarrón y hay la típica reacción en la piel hemos registrado el sonido en forma táctil.
Habitualmente cuando se menciona a los microscopistas nos hacemos la imagen de una persona de ojos cansados, como a medio cerrar, casi soñadores, que se la pasa encorvado sobre un tubo que en el otro extremo tiene la muestra observada. Ciertamente que aún es necesario hacer muchos trabajos de investigación que producen personas como las de esa imagen. Basta imaginar a un investigador que necesita aislar una fibra de un músculo de rana y se la pasa horas sobre el microscopio realizando el delicado trabajo. Después montará el delicado objeto entre dos electrodos a fin de imponer un pequeño voltaje y estudiar el efecto de varios fármacos 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 microscopía es así. De hecho, los microscopios más modernos trabajan en una forma que tiende a imitar, pobremente desde luego, el proceso de visión.
Creemos que una breve descripción de la manera como trabajan los microscopios ópticos más modernos puede ser de utilidad para entender otras técnicas, el microscopio electrónico de barrido, por ejemplo. Los problemas de patrones que se mencionaron arriba también han de resolverse en la microscopía óptica. Para salir un poco del tema pensemos en la observación de una célula. Las dimensiones son todavía suficientemente grandes como para poder hacer observaciones con radiación (fotones) en la región visible (luz). En este caso se trata de algo de tan poco grosor que la luz que se utiliza para la observación es la que atraviesa a la célula. La sonda es luz y la respuesta también, sólo que la información que obtendremos dependerá de lo que sea absorbido por la célula. Al pensar un poco nos daremos cuenta de que siempre es así: lo que vemos depende siempre de lo que no fue absorbido sólo que en el caso habitual la radiación que recibimos es la reflejada por el cuerpo (la luz no atraviesa un cuerpo opaco, por definición).
Llega el microscopista, pone la muestra (una cosa complicada, trata de observar una célula), la ilumina y, nada: las células son transparentes a la luz, por lo general. La radiación luminosa las atraviesa sin interaccionar con ellas y las propiedades físicas de la luz se mantienen: nada qué observar. Hay que agregar a la preparación unas sustancias que se absorben de manera diferente en distintas partes de la célula. Estas sustancias absorben la luz dejando pasar algún color. Como se absorben de manera selectiva, colorean de diversas formas las partes de la célula y permiten la observación.
Podemos considerar la imagen proporcionada por el microscopio como un mensaje visual, portador de la información en el complejo preparado de célula, más colorantes. La interpretación del mensaje requiere la comparación 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 parámetros luminosos: claro, oscuro; transparente, opaco; brillante, mate; sombreado, iluminado; liso, áspero (en caso de que la textura se registre); lleno, vacío; de tal o cual color; etcétera.
Desde hace tiempo los microscopistas se dieron cuenta de la riqueza de información contenida en los rayos luminosos obtenidos. Se necesitaba un análisis mucho más completo. Para ello se hace algo similar a lo que hace nuestro sistema de visión: se transforman las señales luminosas en señales eléctricas que a su vez se convierten en información numérica. La información numérica puede almacenarse y procesarse de varias maneras, combinarse con otras observaciones, etc. Estas otras observaciones pueden ser, por ejemplo, la respuesta de la célula a luz de diferentes longitudes de onda (diferentes colores). Todo el proceso tuvo un principio: la calibración. Fue necesario que el proceso pudiera reproducir en forma idéntica patrones bien conocidos. Todo ese proceso que acaba con la imagen almacenada en código numérico se denomina microscopía digital. El término comprende también a las imágenes obtenidas del microscopio electrónico. En éste 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 discusión de las sondas vale la pena mencionar que la digitalización revolucionó la microscopía (¿óptica?). Entre otras cosas, permitió el uso de longitudes de onda fuera de la región visible, como es el caso de la radiación ultravioleta. También es posible barrer una región amplia de la muestra y usar la computadora tanto para cambiar la región observada como para llevar el registro de la información 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 atmósfera que serán detectados por el oído o rápidos movimientos (vibraciones) que pueden detectarse poniendo la mano sobre la membrana. Golpear repetidas veces un cuerpo puede producir una elevación de temperatura suficiente para que se pueda registrar al tacto; en este caso la respuesta, registrada por la mano, es calor. La precisión de lo dicho en este párrafo es discutible, pero da una idea de los términos que se usarán en lo que sigue. La observación de lo microscópico se hace a base de tirar proyectiles (sonda) a un blanco (muestra) y obtener información a partir de la respuesta resultante, que puede ser de naturaleza variada: los mismos proyectiles rebotados (la información viene dada por los ángulos y las energías con las que salen de rebote los proyectiles) u objetos de otra naturaleza.
Las técnicas de superficie usan dos tipos de sonda: fotones y partículas cargadas. Las energías usadas para los fotones los sitúan principalmente en la región de los rayos X donde, en la actualidad, se tienen fuentes (sincrotrones, véase el capítulo XI) sintonizables a cualquier longitud de onda. Las partículas cargadas pueden ser electrones o átomos ionizados. Se utilizan principalmente átomos ionizados de hidrógeno, helio, argón, neón, xenón, galio, litio, oxígeno, sodio y potasio.
LAS PRINCIPALES TÉCNICAS DE ANÁLISIS EN SUPERFICIES DE MATERIALES
De entrada debe entenderse que ninguna técnica es completa. La técnica 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 técnica utilizada es el valor de la muestra estudiada. Por ejemplo, si lo que se quiere saber es la composición química de la superficie y el perfil de concentraciones al ir penetrando en el material, se podrá usar la espectroscopía de masa de iones secundarios (SIMS), pero si queremos conservar la muestra tendremos que cambiar de técnica, ya que el SIMS es esencialmente destructivo: desbarata la superficie.
La lista (tabla 1) de técnicas de superficie muestra los nombres en inglés 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 público o al lector qué quiere decir alguna de las palabras crípticas usadas para denotar una parte de sus experiencias. Vivimos en la época de la sopa de letras ya que no sólo los científicos sino en todas partes, por ejemplo en los medios oficiales, se usan siglas que no siempre se explican. En ocasiones, una misma técnica con una ligera variante o utilizada en otro rango de energía, cambia o agrega nuevas siglas. Adoptaremos la costumbre de dar a cada técnica un nombre en español que sea una traducción aproximada del nombre en inglés y escribiremos en inglés las siglas. La traducción aproximada en español es propia de este libro y de ninguna manera son convencionales. Hay que mencionar que casi no existen entre los hispanoparlantes acuerdos sobre cómo nombrar las técnicas. Casi siempre se las llama por las siglas de los nombres en inglés.
|
|
|
| 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 técnicas experimentales más importantes en las ciencias de superficies, daremos un vistazo rápido a las cinco más usadas a fin de ver sus características y hacer sospechar la forma en que se complementan entre sí. Luego, más adelante y para mostrar la forma de aplicación de las técnicas, presentaremos con más detalle la espectroscopía de fotoelectrones producidos por rayos X (XPS), la espectroscopía de electrones Auger (AES, SAM,), y la difracción de electrones de baja energía (LEED).
Las cinco técnicas que repasaremos son: espectroscopía Auger (AES, SAM), espectroscopía de fotoelectrones producidos por rayos X (XPS), espectrometría de masa de iones secundarios (SIMS) y espectroscopía de esparcimiento de iones (LEIS).
ESPECTROSCOPÍA DE ELECTRONES AUGER(AES)
La espectroscopía de electrones Auger o AES es, tal vez, la técnica más utilizada. El proceso bajo el cual se producen estos electrones se discute en el capítulo XII. Aquí solo se presentan algunas generalidades.
Se utiliza un haz de electrones para excitar los electrones (denominados electrones Auger) de los átomos localizados en la superficie. La señal medida es proporcionada por estos electrones Auger. Debido a que los electrones del haz inicial interaccionan fuertemente con los electrones de los átomos de la superficie, se tiene una técnica que es netamente superficial ya que los electrones penetran realmente poco. Los haces electrónicos pueden enfocarse en regiones pequeñas, lo que permite el estudio de áreas pequeñas y, mediante la aplicación de técnicas de microscopio electrónico de barrido (SEM), la obtención de una imagen de la región bajo análisis. Debido también al gran enfocamiento de los haces iniciales es una técnica de gran resolución.
Algunas de las limitaciones de la técnica se presentan principalmente en el estudio de las superficies de materiales aislantes. Como se están enviando cargas eléctricas puede haber problemas con la acumulación de carga sobre la muestra. El haz puede dañar la superficie y, a raíz de los daños, se pueden presentar "efectos raros".
En la sopa de letras ha recibido varios nombres. En la aplicación con barrido se le ha denominado SAM (Scanning Auger Microprobe).
ESPECTROSCOPÍA 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 precisión la naturaleza química de los átomos de la superficie ya que la energía de los fotoelectrones depende directamente de la configuración energética de los átomos de los que provienen. Prácticamente no causa daños en la superficie y puede usarse en materiales delicados. No tiene gran resolución ni en área ni en profundidad.
ESPECTROMETRÍA DE MASA DE IONES SECUNDARIOS (SIMS)
Aquí se arrancan átomos de la superficie usando un haz de iones de baja energía. Los fragmentos ionizados se miden directamente con un espectrómetro de masas. Da gran información acerca del contenido químico de la superficie. A diferencia de otras técnicas puede detectar hidrógeno y distingue entre diferentes isótopos. Tiene una buena resolución espacial y da excelente información sobre el perfil de concentraciones con la profundidad. Es esencialmente una técnica destructiva.
ESPECTROSCOPÍA DE ESPARCIMIENTO DE IONES (LEIS)
Un haz de iones con energía fija se lanza sobre la superficie. Ahí es esparcido por los átomos superficiales. Los iones tienen energías que dependen de la masa de los átomos superficiales y son analizados mediante espectrómetros de masa. La técnica es altamente sensible a la superficie y puede dar información sobre la estructura de la superficie por medio de la variación de los ángulos de incidencia. Como no tiene penetración más allá de la superficie no tiene capacidad para estudiar perfiles a profundidad.
