Espectrómetros Mössbauer

2013-01-14 10.14.52La Espectroscopía Mössbauer está basada en el efecto Mössbauer, es decir, en la emisión y absorción resonante de rayos gamma por núcleos sin pérdida de energía debida al retroceso nuclear. La absorción resonante nuclear se ha observado en más de un centenar de transiciones nucleares de diferentes isótopos de varios elementos. La espectroscopía Mössbauer solo se aplica a sólidos o disoluciones congeladas independientemente de su carácter cristalino o amorfo. De todas las transiciones en las que se ha observado el efecto Mössbauer la más popular, con mucho, es la transición de 14,4 keV del 57Fe (a la que se dedica la mayor parte del trabajo). Otros isótopos populares (pero menos usados) son 119Sn, 151Eu and 121Sb.

Las características de la transición de 14.4 keV de 57Fe y su abundancia (2%) isotópica relativa hace posible trabajar en condiciones experimentales razonables: presión y temperatura ambiente usando cantidades razonables de muestra (usualmente unos pocos miligramos). La posibilidad de efectuar la espectroscopía Mössbauer con 57Fe es providencial dado que el hierro es un elemento de la mayor importancia científica y tecnológica. Se utiliza en magnetismo, catálisis, corrosión, biología, mineralogía, metalurgia ay muchos otros interesantes e importantes campos.

modosMossUsando la espectroscopía Mössbauer spectroscopy se puede cuantificar la magnitud de las interacciones hiperfinas. De la cuantificación de estas interacciones , que dependen del medio en el que está situado el átomo Mössbauer, se puede obtener obtener información química, estructural y magnética. Por ejemplo, se puede determinar fácilmente el estado de oxidación, el tipo de coordinación o la magnitud del campo hiperfino, si hay cualquier tipo de ordenamiento magnético. Registrando espectros a diferentes temperaturas, se puede inferir información acerca de las temperaturas de ordenamiento magnético y por la aplicación de campos magnéticos externos se puede deducir el tipo de ordenamiento magnético.

Cada especie de hierro está caracterizada por tres diferentes parámetros hiperfinos. En muestras complejas como muestras multifásicas o compuestos con varios sitios de hierro, se puede usar la espectroscopía Mössbauer para identificar cada fase  (método de la "huella dactilar") o los diferentes sitios de hierro. Nuestro trabajo está dedicado principalmente a espectroscopía Mössbauer de  57Fe, aunque también tenemos fuentes para espectroscopía Mössbauer de 119Sn. Los espectrómetros están situados en una habitación separada en nuestro área de laboratorio. 

 

De los tres tipos de espectroscopía Mössbauer (transmisión, ICEMS, ILEEMS), en España hay alrededor de 10 grupos que tienen equipo de transmisión, menos de tres con equipo de adquisición de ICEMS (por ejemplo, para películas delgadas) incluyéndonos nosotros, y uno de ILEEMS.

 

Espectrómetro de transmisión

SrFe0 9Si0 1O3 various temperaturesExperimentalmente, el modo más común de operar en espectroscopía Mössbauer es el modo de transmisión, en el que los rayos gamma emitidos desde la muestra y que pasan a través de un absorbente delgado llegan a un detector apropiado. Este modo proporciona principalmente información de toda la muestra, que debe ser suficientemente delgada para que pasen los rayos gamma a través de ella. Tenemos un espectrómetro dedicado a espectroscopía de transmisión. En este usamos a menudo muestras en polvo, o laminas de grosor de micrómetros. Las muestras se pueden enfriar con un criorefrigerador de He de ciclo cerrado para la muestra que nos permite registrar espectros a diferentes temperaturas entre 15 k y 298 K. Esto es a menudo crucial para detectar diferentes compuestos de hierro, tal como hacemos para nuestro trabajo sobre óxidos complejos.

 

Integral Conversion Electron Mössbauer Spectrometer (ICEMS)

2012-09-21 10.47.25Para algunos núcleos, tal como ocurre para el 57Fe, las desexcitación después de la absorción resonante nuclear es más probable que ocurra vía un proceso de conversión interna, en el que se emiten electrones desde la muestra. Dado que el camino libre medio de los electrones en un sólido es usualmente corto (dependiendo de su energía) si estos electrones son detectados, la espectroscopía Mössbauer se puede volver sensible a la superficie. Este modo de trabajar se denomina Integral Conversion Electron Spectroscopy (ICEMS). Debido a la energía de los electrones implicados en el proceso, se puede obtener información de los 300 nm superiores de la muestra, aunque esta información proviene principalmente de los 50 nm más externos de la muestra. Preparando cuidadosamente las muestras, que incluye usualmente su enriquecimiento con 57Fe, el método puede ser suficientemente sensible para detectar una fracción de una monocapa.

 

magMossNuestro segundo espectrómetro está dedicado a ICEMS por medio de un Contador de Avalancha de Placas Paralelas (aunque también podemos medir en modo de transmisión si se requiere). Esto nos permite medir rutinariamente películas en el intervalo de grosores 10-300 nm, perfecto para películas de deposición por láser pulsado de monocristales de óxidos.

 

Integral Low Energy Electron Mössbauer Spectrometer (ILEEMS)

ILEEMSUna variante final de la espectroscoía Mössbauer usando electrones está basada en la detección de electrones de muy baja energía (Integral Low Energy Electron Spectroscopy, ILEEMS). Por la aplicación apropiada de un voltaje positivo de polarización en la entrada cónica de un chaneltron estos electrones de baja energía se pueden acelerar y contar más eficientemente haciendo esta técnica muye sensible a la superficie. Nuestro tercer espectrómetro pertenece a este tipo, estando tanto la muestra como el chaneltrón en ultra alto vacío. Esto nos permite medir muestras que no son conductoras (al contrario que el CEMS). Tenemos otro espectrómetro en prueba para su conexión a nuestra cámara de caracterización y crecimiento multipropósito.

 

Espectros de Fe-57 por transmisión, CEMS y LEEMS registrados de óxido de fósforo, titanio, niobio dopado con hierro (Fe0.33NbTiP3O12). El doblete de Fe3+ (línea discontinua en la figura) mejora en los espectros registrados en el modo de detección de electrones, particularmente en el caso de LEEMS, lo que indica la sensibilidad superficial de la técnica.ILEEMS chamber