Grupo de Física de Superficies

Introducción


En los años 80 del siglo pasado nace el Grupo de Física de Superficies, alrededor de un instrumento para hacer espectroscopia de electrones Auger, el SAM PHI 590A. Este es, probablemente, el equipo más antiguo del actual Instituto de Física, habiendo sido adquirido para el estudio de las propiedades de las superficies de los materiales.
Este Grupo comprende hoy un Grupo de Física Teórica de Superficies y un grupo experimental que dio origen (trabajando en el) al Laboratorio de Física de Superficies e Interfaces (LASUI).
Ambos grupos comparten líneas de trabajo relacionadas con la interacción de átomos con superficies en procesos dinámicos de colisión, contrastando los modelos teóricos con los experimentos, para poder entender los mecanismos de neutralización de los proyectiles iónicos y de la emisión electrónica.
La realimentación teoría-experimento es un logro que ha dado ya importantes frutos desde el punto de vista de la ciencia básica.

Física de Superficies:
Física Teórica de Superficies

Integrantes

Director del Grupo: Edith Goldberg, Lic. y Dr. en Física, Investigador Principal CONICET; Prof. Asociado UNL.

Investigadores:
Evelina A. García Lic. y Dr. en Física, Investigador Adjunto.
Fernando J. Bonetto, Lic. y Dr. en Física, Investigador Adjunto.
Marcelo Romero, Lic. y Dr. en Física, Investigador Adjunto.
Adalberto Iglesias-García, Mag. y Dr. en Física, Investigador Asistente.

Becarios:
Marcos Tacca, Ing. Nuclear, Becario doctoral del CONICET.

Líneas de Investigación

En el grupo teórico de Física de Superficies se realizan trabajos de investigación en temas de interés fundamentalmente básico, relacionados con la física de superficies. Por ejemplo:

Hamiltonianos modelos para describir la interacción de átomos con superficies y permitir la transferencia de parámetros al modelo de Anderson.

Efecto de la correlación electrónica en estados localizados: desarrollo de modelos a partir de formalismos basados en funciones de Green-Keldysh y método de ecuaciones de movimiento.

Descripción de los mecanismos de intercambio de carga y emisión electrónica en colisiones de iones y superficies: procesos dependientes del tiempo.

Modelos para la descripción del transporte a través de átomos adsorbidos en superficies: procesos estacionarios fuera del equilibrio.


Estudio de la transferencia de carga en colisiones de iones con superficies


El estado de carga del proyectil incidente Li+ puede ser calculado en cada punto de su trayectoria de colisión. En la figura se observa el comportamiento del nivel de energía 2s del Li en función de la distancia ion-superficie, así como también la evolución de la fracción de neutros para diferentes energías cinéticas incidentes. Sombreada, la densidad de estados correspondiente a la superficie de Cu(100).

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El estado final de carga del ión proyectil es medido, lo cual permite contrastar teoría con experimento

Neutralización de iones Li+ en función de la energía de salida en la dispersión de Li+ por una superficie de Cu(100). En la gráfica se compran resultados teóricos con experimentales. Se analiza la influencia de gaps superficiales y estados imágenes en el intercambio de carga entre Li+ y la superficie metálica.
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Estudio del transporte electrónico a través de átomos

Experimento (círculos negros) vs. Teoría (línea roja)
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Conductancia a través de un átomo de Fe en una superficie de CuN
variando campo magnético entre 0 y 7T

Fe: fluctuación de spin de S=2 a S=3/2
Puntos rojos (experimento). Líneas negras (teoría)
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Equipamiento de cómputo

El Grupo Teórico de Física de Superficies cuenta en la actualidad con el equipo de cálculo con la performance necesaria para la realización de nuestros cálculos.
Además de las computadoras personales el grupo cuenta con 4 nodos con procesadores I7 conectados en red. Dispone también de un pequeño clúster de 8 nodos existente en la Facultad de Ingeniería Química (FIQ) de la UNL. Se contempla además el uso del clúster adquirido con el subsidio del Ministerio de Ciencia y Tecnología de la provincia, que ofrece una capacidad de cálculo de relevancia.

Convenios y trabajos en colaboración

Realimentación teoría-experimento a través de la estrecha colaboración con el Laboratorio de Física de Superficies e Interfaces, IFIS Litoral (UNL-CONICET)
Trabajos en colaboración con investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid y la Universidad de Granada

Laboratorio de Física
de Superficies e Interfaces - LASUI

Integrantes

Director del Grupo: Julio Ferrón, Lic. y Dr. en Física, Investigador Superior.

Responsable del LASUI: Ricardo A. Vidal, Lic. y Dr. en Física, Investigador Independiente.

Investigadores:
Mario C.G. Passeggi (h), Lic. y Dr. en Física, Investigador Independiente.
Fernando J. Bonetto, Lic. y Dr. en Física, Investigador Adjunto.
Gustavo D. Ruano, Ing. Qco. y Dr. en Tecnología Química, Investigador Asistente.
Lucila J. Cristina, Lic. en Qca. y Dra. en Tecnología Química, Investigador Asistente.

Profesionales:
Silvia S. Montoro, Lic. en Qca. y Dra. en Ciencias, Profesional Principal.
Claudio J. Bonin, Lic. y Dr. en Física, Profesional Adjunto.
Paula Felaj, Lic. en Qca., Profesional Asistente

Becarios:
Eliana Farías, Lic. y Dra. en Qca., Becaria posdoctoral del CONICET.
Fernando Pomiro, Lic. y Dr. en Qca., Becario posdoctoral del CONICET.
Adriana E. Candia, Ing. Qca., Becaria doctoral, Doctorado en Tecnología Química, ANPCyT. Adriana E. Candia, Ing. Qca., Becaria doctoral, Doctorado en Tecnología Química, ANPCyT.
Vanessa Quintero, Ing. en Física, Becaria doctoral, Doctorado en Física, ANPCyT.

Líneas de Investigación

En el LASUI se realizan trabajos de investigación experimental en temas de interés básicos y aplicados, relacionados con la física de superficies e interfaces. Algunos ejemplos son:
Crecimiento homo- y hétero-epitaxial de películas aisladoras y formas alotrópicas del carbono: grafeno, C60, nanotubos, HOPG. Desarrollo de nanoestructuras auto-ensambladas por bombardeo iónico.
Estudio de los mecanismos de transferencia de carga, con sonda de iones, en los procesos superficiales tales como la formación de nanoestructuras, segregación superficial, cambio de fases, otros.
Estudio de los mecanismos de generación de electrones secundarios en metales y grafito HOPG, y en sistemas de baja dimensionalidad, como el grafeno.
Estudios de los mecanismos de difusión y nucleación, aplicación en nanotecnología y en astrofísica.
Estudio de reacciones químicas en superficies
Crecimiento homo- y hétero-epitaxial de películas aisladoras. Desarrollo de nanoestructuras auto-ensambladas por bombardeo iónico
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Crecimiento de aisladores sobre metales: Imágenes STM/UHV (200 nm × 200 nm) de 0.5 y 0.4 MC de AlF3 sobre a) Cu(100) y b) Cu(111), respectivamente. Panel central: perfiles de alturas obtenidos a lo largo de las líneas de las imágenes a) y b). Insertos: imágenes STM/UHV (2 nm × 2 nm) con resolución atómica de las estructuras cuadrada y hexagonal de a) Cu(100) y b) Cu(111), respectivamente. Physical Review B 81 (2010) 075420, Journal of Physics D: Applied Physics (in the reviewers)
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Nanoestructuras auto-ensambladas por impacto iónico: Imágenes STM a), c) y d) islas de Ncu. b) γ’-Fe4N sobre Cu(100). Physical Review B 69 (2004) 121404(R), Surface Science, 602 (2008) 3454.

Estudio de los mecanismos de transferencia de carga, con sonda de iones, en los procesos superficiales tales como la formación de nanoestructuras, segregación superficial, cambio de fases, otros.

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Tomada durante la evaporación de C60 sobre Cu(111). Imágenes de difracción de electrones (LEED): a) superficie de Cu(111), b) 20 min de evaporación de C60, c) 30 min evaporación de C60.
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Espectros de LEIS-TOF adquiridos sobre Cu(111): sobre una capa gruesa de C60 sobre Cu(111) y luego de irradiar con iones Ar+ (figura superior), e iones H+ (figura inferior). Trabajo en etapa experimental

Estudio de los mecanismos de generación de electrones secundarios en metales y grafito HOPG, y en sistemas de baja dimensionalidad, como el grafeno.

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Espectros de emisión de electrones secundarios de una superficie de HOPG (grafito pirolítico altamente orientado): Producidos por bombardeo con iones He+ a energía de 5 keV. Aumenta el daño de la superficie con el aumento de la dosis.
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Espectros de energías de enlace: Muestran la evolución de la densidad de estados vacíos y llenos en función del tiempo de bombardeo, medidos con UPS (fotoemisión con radiacion UV de He I). Surface Science 622, (2014) 83-86.

Estudios de los mecanismos de difusión y nucleación, aplicación en nanotecnología y en astrofísica.

Reducción de Pirita (FeS2): La irradiación iónica con He+ a 4,5 keV de energía cinética (que simula a las características del viento solar) produce el cambio en el estado de oxidación de los átomos de hierro de Fe+2 a Fe0.

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Espectros de XPS: Proceso de reducción del Fe+2. Densidad de corriente de 5.5 uA/mm2 . Cada curva representa el doble de tiempo de exposición que la anterior (t. inicial: 30 s). En etapa experimental

Estudio de reacciones químicas en superficies

Bootstrap Image Preview Procesos de oxidación de metales: Titanio, aluminio y magnesio expuestos a diferentes presiones parciales de oxígeno y/o temperatura.

Reacciones químicas inducidas por bombardeo iónico: N2+ en Cu(001)

Evolución de la composición superficial de una muestra de aluminio policristalino: Espectros de AES a una presión parcial de oxígeno de 4.10-8 Torr.
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Espectros de XPS: Cu(001) con N implantado, medidos con ánodos de (a) AlKα y (b) MgKα
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Evolución de la cantidad de nitrógeno en la superficie de Cu(001) : para diferentes energías de bombardeo del ión. N2+ Applied Surface Science, 258, (2012) 2047-2051
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Bandas de emisión de la superficie limpia de Cu(001) por UPS resuelta en ángulo: medidas en dos direcciones de simetría (a) [100] y (b) [110]. Se observa en ambas una banda electrónica que alcanza el nivel de Fermi, mostrando el carácter conductor del cristal de cobre. Los resultados obtenidos en la dirección [100] muestran acuerdo con los adquiridos por Heimann et al

Instrumentos y Técnicas Analíticas

Nuestro laboratorio posee equipamiento para el análisis de superficies e interfaces de materiales conductores y aislantes, lo que nos permite abordar temas de investigación básica y aplicada.
Estos instrumentos están dedicados al estudio de procesos básicos de la física involucrados en la interacción de sondas de electrones, iones y fotones con los diversos materiales.
Asimismo, se emplean para la caracterización química de las superficies, y el estudio de sus propiedades a escala micro y nanoscópica.
La variedad de técnicas empleadas nos permite también ofrecer servicios a terceros, y brindar asesorías técnicas.

Microscopio túnel de barrido (STM)

La microscopia túnel de barrido en el LASUI se emplea para estudiar y desarrollar nuevos materiales micro y nanoestructurados.
Se caracterizan superficies, obteniendo imágenes a escalas atómicas.
Trabaja bajo condiciones de ultra alto vacío. Sirve para analizar muestras sensibles a las condiciones ambientales y que posean baja presión de vapor a temperatura ambiente
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Microscopio de Fuerza atómica (AFM)

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La Microscopia de Fuerza Atómica es una técnica de gran versatilidad y simplicidad empleada para la caracterización topográfica de una superficie, dado su poder de resolución, sobre todo en Z (midiendo alturas).
Se emplea para estudio de propiedades mecánicas, eléctricas y magnéticas de un material.
Este sistema SPM (scanning probe microscope) del LASUI permite, además, trabajar con diversas técnicas, todas ellas en condiciones atmosféricas:
Microscopia túnel de barrido (STM)
Microscopia de fuerza por sonda Kelvin (KPFM)
Microscopia de fuerza magnética (MFM)

Espectrómetro de iones de baja energía por tiempo de vuelo (LEIS-TOF)

Este instrumento permite medir la energía de los iones y átomos neutros dispersados por la superficie de un material utilizando la técnica de tiempo de vuelo. El cañón de iones empleado (COLUTRON) permite generar iones entre 1 y 10 keV a partir de una gran variedad de gases, líquidos o sólidos.
La técnica tiene una muy buena resolución en profundidad (primeras capas atómicas de la superficie). La posibilidad de detectar partículas cargadas y neutras en forma independiente permite realizar estudios básicos de transferencia de carga entre un ión y la superficie.
El equipo cuenta con cañón de electrones para implementar la técnica de difracción de electrones de baja energía (LEED), y espectroscopia de electrones Auger (AES).
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Espectrómetro de multitécnicas de superficies

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Este instrumento está diseñado para realizar análisis químico superficial mediante diversas técnicas, bajo condiciones de ultra alto vacío:
Espectroscopia de fotoelectrones: con fuente de rayos X (XPS), con fotones del ultravioleta (UPS).
Espectroscopia de iones: detecta iones secundarios originados por ionización del material (SIMS), como también iones dispersados (ISS) provenientes de una fuente de iones.
Las características del porta-muestras permite implementar técnicas con resolución angular (ARPES).

Espectrómetro de electrones Auger (AES)

La espectrometría de electrones Auger se emplea para determinar la composición química elemental de las superficies, en unos pocos nanómetros de espesor.
Un proceso de erosión superficial, por bombardeo con iones, permite conocer la composición del material en profundidad
Otras técnicas posibles:
La detección de electrones secundarios, de menores energías del espectro de emisión (SEE), permite estudiar cambios químicos.
Los electrones incidentes de baja energía dispersados en el material (EELS) dan información de los niveles energéticos atómicos de la muestra
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Convenios y trabajos en colaboración


Grupo de Superficies de la Universidad Autónoma de Madrid, España.
Institut fur Physikalische Chemie (IPC), Universitat Karlsruhe, Alemania.
Department of Materials Science and Engineering, University of Virginia, Estados Unidos
Facultad de Ciencias Exactas, Naturales y Agrimensura, Universidad Nacional del Nordeste, Corrientes.

Trabajos en colaboración con grupos de investigación nacionales:

Física Teórica de Superficies, IFIS Litoral (UNL-CONICET)
Semiconductores Nanoestructurados, IFIS Litoral (UNL-CONICET)
Fisicoquímica de Sistemas de Interés Biológico, IFIS Litoral (UNL-CONICET)
Polímeros y Reactores de Polimerización, INTEC (UNL-CONICET)
Grupo de Catálisis, INTEC (UNL-CONICET)
Ingeniería en Alimentos y Biotecnología, INTEC (UNL-CONICET)
Instituto de Investigaciones en Fisicoquímica, INFIQC (UNC-CONICET)
Instituto de Física de Rosario, IFIR (UNR-CONICET)

Servicios a Organismos Oficiales y Empresas

Instituto Nacional de Tecnología Industrial, Centro de Investigación y Desarrollo en Telecomunicaciones, Electrónica e Informática
Instituto de Ingeniería Electroquímica y Corrosión, Dpto. de Ingeniería Química, Universidad Nacional del Sur
Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas, Dpto. de Química Inorgánica , Universidad Nacional de Rosario
Grupo de Catálisis, Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química, INTEC (UNL-CONICET)
Instituto de Física de Rosario, IFIR (UNR-CONICET)
Instituto de Investigaciones en Catálisis y Petroquímica, INCAPE (UNL-CONICET)
Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA), Grupo de Energía Solar (CAC)
Laboratorio Farmacéutico ERIOCHEM
Fabricación de Aleaciones Especiales (F.A.E.S.A.)
LIPOMIZE S.A.
SIDERAR S.A.

Contacto

Sede:

Gral. Güemes 3450, S3000GLN Santa Fe, Argentina

Teléfono - Fax: +54 342 4559174/7 - +54 342 4550944.

E-Mail: secretaria-ifis@santafe-conicet.gov.ar.