La CNEA ofrece la técnica de espectrometría de iones secundarios para analizar materiales con gran exactitud

En el Centro Atómico Bariloche funciona un equipo único en su tipo en Sudamérica, que sirve para conocer la composición atómica y química de muestras sólidas. Se trata de un espectrómetro de masas de iones secundarios detectados por tiempo de vuelo TOF-SIMS, que también presta servicios al sector privado.

La Comisión Nacional de Energía Atómica posee un equipo de alta gama único en Sudamérica para caracterización de materiales. Se trata de un espectrómetro de masas de iones secundarios detectados por tiempo de vuelo (TOF-SIMS), una técnica de análisis de alta resolución y sensibilidad que permite conocer la composición atómica y química de muestras metálicas, cerámicas, vítreas, geológicas o biológicas, entre muchas otras. El laboratorio donde funciona este equipo se encuentra en el Centro Atómico Bariloche y presta servicios tanto dentro de la CNEA como al sector académico y productivo.

“La espectrometría de masas es una técnica analítica que determina la relación entre la masa y la carga de iones de una muestra, lo que permite identificar los elementos, isótopos y moléculas presentes en el material. Generalmente, esa muestra se encuentra en estado gaseoso o líquido. La espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS, por sus siglas en inglés) es una variante de esta técnica que permite analizar muestras sólidas”, explica la doctora en Ciencias de la Ingeniería Laura Baqué, del Departamento de Caracterización de Materiales de la Gerencia de Investigación Aplicada.

La CNEA cuenta con un espectrómetro de masas de iones secundarios detectados por tiempo de vuelo (TOF-SIMS, por sus siglas en inglés) modelo TOF.SIMS. V de la empresa alemana IONTOF. Instalado en noviembre de 2019, por sus capacidades este equipo es el primero en su tipo en Sudamérica.

El análisis TOF-SIMS es tan sensible que su límite de detección es de hasta partes por millón (ppm). Consiste en bombardear una superficie sólida con iones primarios generando iones secundarios por un proceso llamado “sputtering”. Cuando el haz de iones primarios impacta en la superficie del material a analizar, se genera una cascada de colisiones atómicas, mediante la cual se transfiere la energía de los iones primarios al material analizado. A su vez, esto produce la emisión de átomos y clústeres de átomos, de los cuales sólo entre el 1 y el 10% están ionizados.

Estos iones, llamados secundarios, luego son separados por su tiempo de vuelo, que es el tiempo que tarda una partícula en recorrer la distancia entre la superficie de la muestra y el detector, de acuerdo a la relación masa sobre carga. De esta manera se obtienen imágenes y espectros de masas.

“El TOF-SIMS opera con un haz primario con baja dosis de iones, lo que le permite realizar un análisis superficial, porque los iones secundarios provienen de las primeras tres capas atómicas. Nuestro equipo también cuenta con tres fuentes de sputtering adicionales (cesio, oxígeno y, para materiales orgánicos, clústeres de argón) que permiten analizar la muestra en profundidad para obtener perfiles de composición. Además tiene una fuente de iones focalizados de galio (FIB) para realizar cortes transversales in-situ; un sistema para calentamiento y enfriamiento de muestras a entre -150 y 600ºC, y un sistema de transferencia que permite analizar muestras sensibles a la atmósfera”, detalla Baqué.

La investigadora destaca que el TOF-SIMS permite analizar una amplia variedad de muestras porque, al ser sólidas, su procesamiento es más sencillo que con otras espectrometrías de masas.

“Hemos analizados desde dispositivos semiconductores como detectores usados en las cámaras fotográficas, hasta muestras geológicas como meteoritos. También muestras biológicas, como piel usada para investigar y desarrollar tratamientos médicos; aleaciones de zirconio con aplicaciones nucleares; cerámicos para pilas de combustibles, y películas de litio enriquecidas electroquímicamente con 6Li”.

Los servicios que presta el laboratorio

El laboratorio que opera el espectrómetro de masas de iones secundarios TOF-SIMS ofrece los siguientes servicios al sector académico, tanto de la CNEA como de otras instituciones, a empresas privadas y a particulares:

• Obtención de espectros de masas de alta resolución en masa (> 17.000).
• Obtención de imágenes composicionales de alta resolución espacial (hasta 60 nm).
• Obtención de perfiles de composición de alta resolución en profundidad (de hasta < 1 nm).
• Cortes transversales con haz de iones focalizados (FIB).
• Análisis de datos.
• Asesoramiento sobre la técnica.
• Formación de recursos humanos.

Fuente: CNEA