Desarrollo y caracterización de instrumentación basada en descargas luminiscentes con detección por espectrometría óptica y de masas para el análisis de materiales

Resumen

La presente Tesis Doctoral está dirigida al análisis de materiales utilizando la descarga luminiscente como fuente de atomización, excitación e ionización, acoplada a un sistema óptico de detección por espectrometría de emisión óptica (OES) y a un espectrómetro de masas tipo tiempo de vuelo (TOFMS). En ambas configuraciones se prestó especial atención por un lado al desarrollo y/o optimización de la instrumentación necesaria para asegurar una correcta formación de la descarga en cada caso, así como al establecimiento de un método de trabajo reproducible. Particularizando para cada tipo de técnica estudiada, la descarga luminiscente acoplada a OES se utilizó en el estudio de los espectros de emisión derivados de una descarga de radiofrecuencia formada por una mezcla de argón (gas normalmente utilizado para crear el plasma) e hidrógeno. La razón para este estudio se fundamenta en el efecto que pequeñas concentraciones de otros gases inducen en el plasma y, por tanto, en la aplicación analítica de la descarga (principalmente procesos de cuantificación o de análisis de superficies de materiales con recubrimientos). El análisis de los espectros ópticos de emisión ha permitido llevar a cabo estudios comparativos entre diferentes líneas atómicas e iónicas obtenidas a varias concentraciones de hidrógeno, para conseguir establecer una relación entre el efecto observado (incremento o disminución de la intensidad de la línea) y el tipo de línea. El estudio se llevó a cabo con materiales conductores (patrones conductores certificados), una muestra de silicio puro y un vidrio. El segundo tema tratado en la Tesis Doctoral, relacionado en este caso con la descarga luminiscente acoplada a TOFMS, se enfocó hacia el empleo de la descarga pulsada de corriente continua en el régimen de microsegundos (la anchura de pulsos está comprendida entre 10 #s y 250 #s) para el análisis elemental de materiales conductores homogéneos así como para el estudio de la resolución en profundidad de materiales con capas delgadas. Este trabajo se caracterizó por un extenso análisis de los diferentes parámetros que controlan la descarga (voltaje de pulso, frecuencia y anchura de pulso y flujo de argón) y su efecto en los espectros de masas obtenidos. Tras la caracterización de la descarga pulsada, se utilizó para el análisis de materiales que presentaban capas delgadas en su composición, demostrando que la descarga pulsada es particularmente conveniente cuando se quieren estudiar capas cuyo espesor es de unos pocos nanómetros. Además de los dos capítulos de contenido mayoritariamente experimental, se dedicó una parte igualmente importante al estudio de los métodos de modelización más frecuentemente empleados dentro del marco de la descarga luminiscente: modelo de fluido y el método de Monte Carlo. Ambos métodos se emplearon para el estudio de los dos tipos de descarga estudiadas en esta Tesis: la descarga de radiofrecuencia fue investigada mediante el método de fluido, estudiándose las propiedades eléctricas de la misma así como las densidades de electrones e iones de argón en una cámara de descarga cuya geometría coincide prácticamente con la utilizada en la sección experimental de OES. Mediante Monte Carlo se analizó la descarga de corriente continua pulsada empleando una geometría de cámara de descarga más sencilla (un cilindro) y se calcularon las densidades electrónicas, las energías medias electrónicas así como las funciones de distribución de energía electrónicas durante un periodo.