CIrcular POlarization Beamline (CIPO@Elettra)
Nicola Zema -
Linea di Luce “Circular Polarization” (CIPO) - Elettra, Trieste
La principale caratteristica della linea “Circular Polarization” (CiPo) è quella di fornire un fascio di Radiazione di Sincrotrone a polarizzazione variabile (Circolare / Lineare) in un ampio intervallo spettrale che copre lo spettro di energie tra 5eV e 900eV.
Il fascio di fotoni è prodotto da un wiggler elettromagnetico elicoidale (EEW) e viene disperso utilizzando due monocromatori collineari che, in alternativa, forniscono due fasci di radiazione: uno per le basse (5-40 eV) e l’altro per le alte energie (40-900 eV). La disponibilità di un così ampio spettro di radiazione con discriminazione della polarizzazione rende la linea estremamente flessibile per l’attività sperimentale in molti settori della ricerca. La linea di Luce CiPo è di per se già uno strumento di ricerca che può essere di supporto a tecniche strumentali che necessitano di un fotone in eccitazione ben caratterizzato in energia e polarizzazione, per poter analizzare la risposta del sistema in studio, come per esempio con le tecniche di fotoemissione (XPS, UPS, TEY), la spettrometria di massa in fotoionizzazione e la spettroscopia di assorbimento dai livelli di core ( XAS, XMCD, XNCD, ecc.) che hanno avuto un grande vantaggio rispetto all’utilizzo in laboratorio.
Attualmente sono disponibili le seguenti stazioni sperimentali in accoppiamento con i fotoni disponibili su CiPo:
- Un impianto per misure di assorbimento da livelli di core da superfici, film sottili e molecole (XAS) e di dicroismo magnetico circolare (XMCD) in UHV con campo magnetico variabile fino a 4T e a temperatura variabile da RT ad LHeT per lo studio delle proprieta’ magnetiche dei materiali.
Il sistema permette il trattamento delle superfici, la crescita e la caratterizzazione del sistema in studio. - Un apparato UHV per misure di fotoemissione da superfici pulite ed interfacce preparate e caratterizzate “in situ”.
La preparazione dei campioni da misurare per le due tecniche avviene utilizzando metodi standard di pulizia (sputtering e annealing) con cannone ionico (100-3000 KeV) e riscaldamento della superficie (350-800 K) e controllo LEED per la qualita’ del campione. La deposizione di materiali sulla superficie avviene per evaporazione da sorgenti a crogiuolo o tramite esposizione a vapore nel caso di liquidi.
- Una camera per misure di foto-frammentazione e di spettrometria di massa da fase gassosa su molecole libere per misure di efficienza di fotoframmentazione e cinetiche di reazione ione-molecola.
SPECIFICHE TECNICHE
XAS/XMCD in UHV e soft X-ray
- Intervallo spettrale: 40-900 eV
- Potere Risolutivo:10000-3000 variabile nel intervallo spettrale.
- Dimensione fuoco sul campione 0.3x0.1 mm2
- Grado di Polarizzazione 95-70% in funzione dell’energia del fotone.
- Temperatura campione: RT-4K
- Campo magnetico applicabile: max 4T.
Rivelazione del segnale: Total Electron Yield (TEY) per campioni spessi o in trasmissione su film ultrasottili e semitrasparenti alla radiazione di interesse
L’apparato per le misure di fotoemissione è un apparato standard con le seguenti caratteristiche:
- Vuoto operativo < 5x10-10 mbar
- Manipolatore VG 5 gradi di libertà
- Temperatura campione variabile, 300-100K
- Analizzatore di elettroni OMICRON 125HR
- Accettanza angolare variabile da 2° a 16° a seconda del modo di funzionamento delle lenti.
- Risoluzione energia cinetica dei fotoelettroni: variabile con la Pass Energy nell’intervallo 1.5-0.003 eV.
Apparato sperimentale per PECD
La stazione per PECD consente misure di dicroismo circolare in fotoemissione su sistemi chirali in fase gassosa, con le seguenti specifiche:- La tecnica PECD si basa su un Sistema di fotoemissione UV standard. Sulla Linea sono disponibili rivelatori basati su Velocity Map Imaging ed un analizzatore di elettroni emisferico. La tipica risoluzione dell’esperimento è di 300 meV nell’intervallo di energia tra15-30 eV.
- Campioni liquidi. In caso di campioni liquidi questi sono immessi da una provetta in connessione attraverso un ago ed un Sistema a Perdita variabile con la camera di misura, il tutto riscaldabile fino a 150 °C.
- Campioni solidi. Il materiale è evaporato attraverso un forno connesso con la camera e riscaldabile fino a 150 °C.
- Un sistema di Pompaggio differenziale separa la linea dalla camera di misura per sicurezza del vuoto.
TECNICHE DISPONIBILI
XAS/XMCD in UHV e soft X-ray
- Analisi, attraverso l’assorbimento dai livelli di core (XAS) e lo studio del relativo dicroismo magnetico (XMCD), di materiali di interesse per il magnetismo con particolare attenzione alle applicazioni per l’immagazzinamento dell’informazione e la sensoristica legata alla lettura/scrittura del bit magnetico e alla spintronica.
- Studio delle proprietà elettroniche dicroiche legate alle proprietà chirali di molecole organiche e ai loro comportamenti chirali attraverso la misura degli effetti dicroici sia in assorbimento dai livelli di core (XNCD) che dal dicroismo in fotoemissione dagli stati di valenza (PECD) per applicazioni nel campo della reattività enantioselettiva e della catalisi con applicazioni in chimica farmaceutica ed ambientale.
- Analisi della chimica dei materiali attraverso la misura delle forme di riga in funzione dell’energia dei fotoni delle soglie profonde legame degli atomi contenuti nei composti in esame.
- Analisi diretta della distribuzione degli elettroni negli stati vuoti dei composti in esame.
Fotoemissione UPS
- Spettroscopia di Fotoemissione Risonante da applicare nei composti dei metalli di transizione.
- Analisi chimica dei componenti atomici nei composti ottenuta dalla determinazione dell’energia cinetica dei fotoelettroni emessi dai livelli di core.
- Studio della densità degli stati elettronici occupati nella banda di valenza dalla misura della distribuzione di intensita’ dei fotoelettroni emessi dalla banda di valenza.
- Analisi dei legami che si instaurano nei sistemi caratterizzati da strutture autoassemblate di molecole su superfici ordinate.
Utilizzando la polarizzazione variabile dei fotoni si può inoltre investigare il ruolo della chiralità dei sistemi in esame ed il corrispondente dicroismo generato dalla formazione dei legami chimici in sistemi complessi come superfici funzionalizzate con molecole chirali autoassemblate (SAM).
Dicroismo Circolare in Fotoemissione (PECD) in fase gassosa
- PECD per banda di valenza e livelli core Photo Electron
- Photo Ion COincidence (PEPICO) dicroismo circolare
CAMPIONI
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Superfici di cristalli ordinate, pulite e funzionalizzate.
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Film sottili e interfacce con particolare riferimento ai sistemi contenenti metalli di transizione.
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Molecole chirali in fase gassosa e deposte su superfici orientate. Chimica dei conformeri, Dinamica di fotoionizzazione
UTILIZZATO PER
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Studio delle proprietà elettroniche e magnetiche di film sottili e di nanostrutture cresciute su superfici orientate per applicazioni nella registrazione magnetica e la sensoristica.
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Indagini sulle proprietà elettroniche di molecole chirali finalizzata alla funzionalizzazione di superfici di metalli e semiconduttori, allo scopo di ottenere nuovi materiali con comportamento chimico differenziato da utilizzare per la discriminazione chirale verso altri composti molecolari chirali
ESEMPI APPLICATIVI
XAS ed XMCD dalla profondità dei materiali: Nanostrutture di Coin matrice di TiO2
Per le loro potenziali applicazioni in nanotecnologia si sta studiando il comportamento di Nanocristalli di metalli ferromagnetici inglobati in semiconduttori. Al momento non vi e’ ancora un controllo sulla crescita di queste nanostrutture lungo particolari direzioni o piani cristallini come il Co/TiO2 dove essi in genere si distribuiscono i in modo uniforme. Con questo lavoro presentiamo una sequenza planare di nanoparticelle di Co incluse in Strati di TiO2 cresciute per PLD su substrati si nitruro di silicio. Misure TEM rivelano la presenza di nanocristalli di Co ordinate in modo bidimensionale all’interfaccia tra TiO2 e substrato.
Lo spettro di assorbimento ottenuto alla soglia L del Ti, K di O ed L del Co ottenute in modo sensibile alla superficie e al bulk e confrontati mostrano la fase rutile per il TiO2 e metallicità per i cluster di Ti che tendono ad accumularsi lontano dalla superficie del film. Stante queste considerazioni si suggerisce una prassi per la crescita di aggregati planari all’interno di matrici di TiO2.
PECD spectra of molecular orbitals of structural isomers show similarities and differences
Effetti Conformazionali in PECD
In questo lavoro vengono riassunte le principali attività del gruppo di ricerca nell’ambito dell’indagine PECD a CiPo e lo stato dell’arte in letteratura in questo campo. La sensibilità di questa tecnica agli effetti conformazionali è una caratteristica peculiare non presente nella fotoemissione non dicroica. L’attività scientifica mette poi in evidenza il ruolo fondamentale della teoria DFT per il calcolo dei parametri salienti per il confronto con l’esperimento per i vari conformeri. Infatti molecole che hanno comportamenti strutturali ed elettronici simili, come i conformeri, mostrano comportamenti salienti nei dati PECD, consentendo attraverso l’analisi dei dati sperimentali, di separare i comportamenti spettrali di singoli conformeri in popolazioni all’equilibrio termico, aprendo nuove opportunità nello studio degli stessi.
Si veda: Journal of Physics Condensed Matter, 29 (2017) 503001 DOI: 10.1088/1361-648X/aa9730
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