Descargas luminiscentes de radiofrecuencia continua y pulsada con detección por espectrometría de masas de tiempo de vuelo para análisis elemental y molecular de materiales homogéneos y con recubrimientos

Resumen

La creciente evolución en el desarrollo de nuevos materiales y, en especial, de materiales con tratamientos superficiales encaminados a mejorar las cualidades de los ya existentes, ha motivado la necesidad de disponer de técnicas de análisis directo de sólidos cada vez más potentes, que permitan correlacionar las características de estos materiales con la composición de la muestra, con la distribución de sus componentes, etc. En esta dirección, el desarrollo en los últimos años de instrumentos de descarga luminiscente (GD) con detectores de espectrometría de masas de tiempo de vuelo (TOFMS) ofrece grandes expectativas. Así, el objetivo general de la presente Tesis Doctoral ha sido la investigación del potencial analítico de las GDs de radiofrecuencia (rf), pulsada y no-pulsada, con detección por TOFMS para análisis elemental y molecular de materiales homogéneos y con recubrimientos. El prototipo instrumental empleado ha sido desarrollado durante la realización del presente trabajo en el marco del proyecto europeo titulado: New Elemental and Molecular Depth Profiling Analysis of Advanced Materials by Modulated Radiofrequency Glow Discharge Time of Flight Mass Spectrometry, (STREP-NMP Nº032202). Dicho proyecto tenía como fin último la comercialización de un equipo GD-TOFMS competitivo en cuanto a prestaciones analíticas y costes. Este objetivo general se ha abordado a través de diferentes objetivos parciales alcanzados con éxito: En el primer capítulo de la Tesis Doctoral se optimizaron las condiciones de trabajo, tanto en modo de rf pulsado como no pulsado, del prototipo GD-TOFMS desarrollado y se compararon las características analíticas en términos de resolución, sensibilidad, etc. Además, con el fin de implementar el prototipo para su posterior comercialización, se realizó un estudio de mejora de la interfase en términos de sensibilidad analítica y, cabe destacar, que los resultados obtenidos han sido utilizados en el diseño del prototipo final del equipo. Finalmente, se investigó la posibilidad de emplear una pre-cámara de Ar para las muestras con el objeto de disminuir la contaminación en el plasma derivada de la colocación de la muestra a presión atmosférica. Los experimentos realizados en esta línea han puesto de manifiesto que la pre-cámara reduce el nivel de contaminantes en el plasma, mejorando la reproducibilidad particularmente en el modo de radiofrecuencia no-pulsado. En el segundo capítulo de la Tesis Doctoral se investigaron distintas estrategias de cuantificación de perfiles en profundidad en materiales conductores y semiconductores empleando el modo de rf pulsado, por ser el que ofrecía mejores prestaciones analíticas. Los tipos de muestras estudiadas han sido por un lado boro y arsénico en implantes de silicio y, por otro lado, una serie de aceros galvanizados. Los métodos analíticos desarrollados han proporcionado resultados satisfactorios para ambos tipos de muestras. Finalmente, y considerando que hoy en día se está trabajando cada vez más en la investigación y desarrollo en campos relacionados con la ciencia y tecnología de los polímeros, el último capítulo ha ido enfocado a este tipo de muestras. Aunque la espectrometría de masas de iones secundarios es una técnica utilizada en el análisis de este tipo de materiales, en algunos casos la interacción del haz de iones incidente con la muestra bajo estudio modifica la naturaleza de la misma evitando que se pueda obtener información en profundidad. Por ello, en el último capítulo de la Tesis Doctoral se propuso el estudio del potencial analítico de la rf-GD-TOFMS para la caracterización de materiales poliméricos. A partir de los experimentos realizados se ha observado que los poliatómicos detectados permiten llevar a cabo una caracterización cualitativa de los polímeros. Además, en este último capítulo se demuestra la capacidad de la rf-GD pulsada acoplada a TOFMS para la obtención de información molecular del perfil en profundidad de recubrimientos poliméricos.