¿Como seleccionamos la tensión de aceleración para el análisis EDS?

28-03-2025 | Autor: Dr. Alfredo Díaz González

Una de las preguntas más comunes que se hacen los usuarios de EDS es: ¿Qué voltaje o tensión de aceleración debo utilizar para mi análisis? En muchos casos, la respuesta habitual es: "Depende...". Hay varios conceptos físicos que deben tenerse en cuenta al seleccionar un voltaje de aceleración apropiado. Hay dos factores relacionados con la muestra: su composición elemental y la forma y el tamaño de las estructuras de interés. La física de la interacción haz de electrones-muestra es clave para comprender el voltaje de aceleración adecuado.
La interacción de un haz de electrones de alta energía con una muestra produce lo que se conoce como el volumen de interacción. Este es un volumen en forma de lágrima desde donde se genera un rango de señales diferentes. Una de esas señales son los rayos X característicos que el EDS utiliza para la identificación elemental. El volumen de interacción está influenciado por el voltaje de aceleración. Como se muestra en la Figura 1, la profundidad de penetración del volumen de interacción disminuye a medida que disminuye el voltaje. La profundidad de penetración también depende del número atómico de los elementos presentes en la muestra. Eso significa que la profundidad de penetración del volumen de interacción diferirá para diferentes elementos o combinaciones de elementos (números atómicos más altos producen volúmenes de interacción más pequeños). Además de eso, la densidad y la inclinación de la superficie también influirán en la profundidad de penetración.

Figura 1. Volumen de interacción simulado para Fe utilizando diferentes voltajes de aceleración

Debido a la forma de este volumen de interacción, una mayor cantidad de rayos X característicos salen de la parte inferior. Esto significa que el espectro obtenido con EDS representa mayormente los elementos presentes debajo de la superficie. Para ser más sensible a la superficie, el voltaje debe reducirse (volumen de interacción más pequeño). Al igual que en la Figura 1, hay una gran diferencia en la profundidad al comparar 20 kV versus 1 kV. Por ejemplo, para caracterizar películas delgadas o pequeñas partículas o inclusiones generalmente se utiliza un voltaje más bajo para que puedan ser caracterizadas.

Disminuir el voltaje de aceleración para poder caracterizar nanoestructuras viene ligado a una serie de dificultades a la hora de analizar la muestra.

En primer lugar, a medida que el voltaje disminuye también hace que la tasa de rayos X emitidos disminuya, que se traduce en menos cuentas por segundo en el detector EDS. Esto significa que para recuperar un número de cuentas establecido que nos proporcione una buena estadística de la muestra, tomará más tiempo a un voltaje más bajo. Un detector con una superficie de colección más grande, y por lo tanto un ángulo sólido mayor, y/o sin ventana de protección será mucho más sensible y permitirá alcanzar altas tasas de cuentas por segundo incluso a voltajes muy bajos. La nueva gama de detectores Ultim Infinity, con superficies de hasta 170mm2 y la posibilidad de windowless proporcionan la posibilidad de trabajas a muy bajos voltajes, danddo así una excelente resolución espacial y superficial.

El segundo problema al trabajar a bajos voltajes viene porque hay menos líneas de rayos X disponibles para el análisis. Para entender esto mejor, debemos introducir el concepto de sobrevoltaje:

El sobrevoltaje es el voltaje mínimo de aceleración requerido para excitar una línea dada para un elemento. Goldstein et al. han definido una sobretensión apropiada como E_0/E_c >1.5 , donde E_0 es el voltaje de aceleración y E_c la energía de la línea de interés. La Figura 2 muestra un ejemplo de este fenómeno. Digamos que estamos interesados en el pico Mn Kα. A medida que el voltaje disminuye, el pico se hace más pequeño. A 10 kV hay un pico notable, pero a 7kV ya no se puede distinguir el pico versus el fondo. Si el usuario está buscando una línea de un elemento específico, el sobrevoltaje debe tenerse en cuenta al seleccionar el voltaje de aceleración para el experimento.

Figura 2. Ejemplo de efecto de voltaje en el espectro para Mn.

A medida que disminuimos el voltaje, se deben utilizar las líneas L, M y N para el análisis y la cuantificación (L en este ejemplo de Mn). Esto trae a colación otro aspecto que es la superposición de picos. Analizando la distribución de las líneas para la mayoría de los elementos (que se muestra en la Figura 3) a medida que el voltaje disminuye, hay más líneas con menos separación entre ellas. Esto significa que, si varios elementos están presentes en la muestra, hay una mayor probabilidad de obtener picos superpuestos en el espectro. La superposición hará que la identificación de elementos específicos sea más compleja para la identificación automática.

Figura 3. Distribución de líneas K, L y M para la mayoría de los elementos.

Por ello, debemos introducir el concepto de resolución espectral del detector, algo que ha sido reflejado en la norma ISO 15632 : 2021. Para definir la resolución garantizada de un detector se debe mencionar qué línea de qué elemento se utiliza para la calibración y a qué cuentas por segundo en salida ha sido determinada. Se deben dar varias líneas, una para altas tensiones de aceleración, generalmente la línea del Mn Kα, otra para tensiones de aceleración moderadas, F Kα, y una tercera, muy importante, para bajas y muy bajas tensiones de aceleración, la línea del C Kα. La combinación de estas tres resoluciones nos permitirá tener definición completa de la calidad de nuestro detector y conocer su rendimiento por ejemplo a muy bajas tensiones de aceleración.

La nueva gama de detectores Ultim Infinity cuentan con resoluciones a altas y bajas energías sin precedentes, permitiendo la caracterización, análisis y cuantificación de nanoestructuras a bajas tensiones de aceleración sin comprometer la detección de líneas de rayos X.

Como resumen, la condición de sobrevoltaje debe equilibrarse con el volumen de interacción y con la calidad del microscopio y del detector EDS y. Un voltaje más bajo produce un volumen de interacción más pequeño, permitiendo la caracterización de nanoestructuras y superficies. Si el detector EDS no es lo suficientemente sensible (cuentas por segundo) o no tiene suficiente resolución espectral (superposición de picos), habrá que encontrar el balance entre todos los conceptos físicos anteriormente descritos.

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