INTERAKCE IONTŮ S POVRCHY II.

Transkript

1 Úvod do fyziky tenkých vrstev a povrchů INTERAKCE IONTŮ S POVRCHY II. Metody IBA (Ion Beam Analysis): pružný rozptyl nabitých částic (RBS), detekce odražených atomů (ERDA), metoda PIXE, Spektroskopie rozptýlených iontů (LEIS)

2

3 \ Signál Sonda \ Svazek elektronů Elektrony Ionty Elektromagnetické záření AES (SAM) TEM, SEM Svazek iontů INS SIMS/SNMS LEIS/ISS RBS/ERDA Elektromagnetické záření Ostrý hrot lokální sonda XPS (ESCA)/UPS ESD EDS, WDS - MALDI LAMMA PSD PIXE/APX NRA/PIGE GDOS Optická mikroskopie FTIR Raman XRD, XRF/TXRF Výchylka hrotu STM SNOM STM AFM Stylus - -

4 Jaderně-analytické metody (IBA)

5 RBS

6 RBS E E 1 0 A cos A sin 2 1 A M 2 M Identifikace M 2 => hmotnostní spektrometrie

7 Určení hmotnosti atomů terče = identifikace atomů

8 Určení hloubky atomů terče Ztráta energie při průniku dovnitř terče do místa srážky de Ein x dx Změna energie při srážce s in 1 E k E E Ztráta energie při průchodu ven z terče de x Eout dx cos out Zaznamenaná energie 0 in E E E E E 1 0 in s out de de 1 ke0 k x dx in dx out cos S

9 Určení hloubky atomů terče

10 Hmotnostní rozlišení u RBS K E E 1 0 Pro 4 He projektil je pro lehké prvky hmotnostní rozlišení dostatečné na jejich hmotnostní separaci. U těžkých prvků to však může být problém. Hmotnostní rozlišení lze pro těžké prvky zvýšit zvětšením M 1, tj. použitím těžších projektilů.

11 Citlivost Srážkový průřez ds/dw... pravděpodobnost srážky ds/dw Z 12 Z 22 1/E 2 Větší citlivost pro: Těžší prvky terče Alfa částice v porovnání s protony Při nižších energiích dq počet zpětně odražených částic do prostorového úhlu Ω ds dq dw N t Q dw počet dopadajících částic cm 2 sr -1 at. cm-2 N: at. g -1 t: g cm -2 (tloušťka vrstvy) Q N t Q s W Ω =

12 Ilustrace závislosti citlivosti na prvku terče

13 Kvalitativní interpretace RBS spekter

14 Kvalitativní interpretace RBS spekter

15 Kvalitativní interpretace RBS spekter Výhodnější je u RBS analyzovat vrstvy těžších prvků na podložkách z lehčích prvků nežli naopak

16 Příklad aplikace RBS RBS analýza uměleckých děl Zlato Je na povrchu čisté zlato nebo ochranný povlak? Pochva meče Povlak Sošky

17 RBS Prvky Standardní parametry Be - U 2 MeV 4 He + svazek, Si detektor, 10 min./vzorek Přesnost Stechiometrie: < 1% rel., Tloušťka: < 5% Citlivost Hloubkové rozlišení Zpracování dat Poznámky Objem: % až 0.01% v závislosti na Z Povrch: 1 až 10-4 monovrstvy 1 až 10 nm Např. RUMP software: Dosažitelná hloubka cca 1 um Lehké prvky na těžkých vzorcích obtížně měřitelné

18 ERDA E E 2 0 4A 1 A 2 cos 2

19 Příklad aplikace ERDA Současná měření všech prvků v multivrstvě Al2O3/C. Vlevo: energetická spektra vyražených atomů (recoils). Vpravo dole: výsledné hloubkové profily. Data pochází z laboratoře ISL, Hahn-Meitner-Institut Berlín.

20 ERDA Prvky Standardní parametry H U (hlavně využívána pro vodík) ~ 100 MeV svazek těžkých iontů 2 MeV 4 He + svazek pro detekci vodíku TOF, magnetický, ionizační detektor, 10 min./vzorek Přesnost Stechiometrie: < 1% rel., Tloušťka: < 5% Citlivost Hloubkové rozlišení Zpracování dat Poznámky Objem: % až 0.001% v závislosti na Z 1 až 10 nm Např. RUMP software: Současné hloubkové profily všech prvků Dosažitelná hloubka cca 1 um Lehké prvky měřitelné na těžkých vzorcích

21 PIXE

22 PIXE

23 PIXE ERDA má nízké pozadí (brzdné rtg. záření) v porovnání s EDX Vyšší citlivost

24 Micro-PIXE Prvkové chemické mapy buňky pšenice (jaderná mikrosonda MARC, Univerzita Melbourne).

25 PIXE s iontovým svazkem vyvedeným na vzduch

26 PIXE analýza uměleckých děl

27 PIXE analýza historických dokumentů

28 Varianta PIXE spektrometru APXS použita na prvkovou analýsu hornin na Marsu

29 PIXE Prvky Standardní parametry Přesnost Citlivost Hloubkové rozlišení Zpracování dat Poznámky Al U 3 MeV svazek protonů Si (Li)detektor, 10 min./vzorek Stechiometrie: < 5% rel. Používána pro analýzu stopových prvků Absolutní koncentrace určovány pomocí kalib. standardů 1 až 100 ppm v závislosti na Z Dosažitelná hloubka desítky um Často využíván zobrazovací režim (protonové) mikrosondy

30 LEIS/ISS Low Energy Ion Scattering/Ion Scattering Spectroscopy Pouze ionty odražené od vrchní atomární monovrstvy přežijí neutralizaci! Informace u LEIS/ISS pochází pouze z horní atomární monovrstvy

31 Identifikace prvku na povrchu

32 Stínový kužel Lze změřit mřížkovou konstantu

33 Stínový kužel Blokování Ionty o vyšších energiích pronikají hlouběji

34 LEIS spektrum

35 LEIS Prvky Li U Standardní parametry 2 KeV svazek He +, Ne +, Ar +, Kr +, Na +, Li + Přesnost Citlivost Hloubkové rozlišení Zpracování dat Poznámky Stechiometrie: < 5% rel. Používána pro analýzu prvků na povrchu 10 ppm až 1% v závislosti na Z ~1 monovrstva Informační hloubka 1 monovrstva (~ 0.2 nm) Jednoduchá kvantifikace Poskytuje strukturní informace v reálném prostoru