Typy interakcí. Obsah přednášky

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Typy interakcí. Obsah přednášky"

Miloš Bílek
před 9 lety
Počet zobrazení:

1 Co je to inteligentní a progresivní materiál - Jaderné analytické metody-využití iontových svazků v materiálové analýze Anna Macková Ústav jaderné fyziky AV ČR, Řež Obsah přednášky fyzikální princip využití iontových svazků pro materiálový výzkum experimentální zařízení - použití elektrostatického urychlovače depozice progresivních materiálů iontovými svazky příklady progresivních materiálů povlakování - zvětšení životnosti strojírenských výrobků optické a optoelektronické prvky - laserové vlnovody modifikace a využití polymerů Procesy indukované iontovými svazky Při dopadu iontů na materiál dochází k mnoha interakcím a procesům, které závisí na hmotě a energii použitých iontů. Vybráním detekovaných produktů volíme prakticky typ analytické metody. Typy interakcí

progresivních materiálů povlakování - zvětšení životnosti strojírenských výrobků optické a optoelektronické prvky - laserové vlnovody modifikace a využití polymerů Procesy indukované iontovými

2 Výzkumné aktivity v ÚJF AV ČR RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry) ERDA (Elastic Recoil Detection Analysis) PIXE (Particle Induced X-ray Spectroscopy) PIGE (Particle Induced Gamma-Ray Spectroscopy) NDP (Neutron Depth Profiling) RBS, ERDA RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry) - je metoda často využívaná pro analýzu struktury povrchových vrstev pevných látek. Je založena na pružném rozptylu nabitých částic urychlených na energie řádově MeV. - lze zkoumat hloubkové profily, detekční limit at/cm at/cm 2. - zkoumají se nm-µm vrstvy ERDA - využívá svazky těžších iontů o energii řádově MeV k hloubkovému profilování lehčích prvků, těžší projektil vyrazí atom o nižší hmotě ve vhodně zvolené natočené geometrii. - využívá se pro detekci H, D v případě použití alfa - částic 2,5MeV - TOF-ERDA (Time Of Flight - ERDA) RBS Rozptýlené částice registrujeme polovodičovými detektory Si(Au), dosažitelná hloubka 2-10 µm. Detekční limit těžkého prvku v lehké matrici až 1µg/g. Čím nižší hmotnost rozptylujícího atomu, tím vyšší je předaná energie. Hmotnostní rozlišení vzorku je dáno energetickým rozlišením detektoru, energií a hmotností projektilu a atomu vzorku. Použití těžších iontů - M<2 Rutherfordův diferenciální účinný průřez dσ ZZe dω = ( 2 ) E sin 4 16 Θ / 2 ERDA Typická geometrie měření pro Elastic Recoil Analysis, použití mylarové folie, detekují se pouze vyražené částice. ERDA spektrum kalibračního vzorku, který byl připraven difůzí těžké vody do polyimidu.

Je založena na pružném rozptylu nabitých částic urychlených na energie řádově MeV. - lze zkoumat hloubkové profily, detekční limit 10 11 at/cm 2-10 14 at/cm 2.

3 PIXE, PIGE Experimentální vybavení PIXE je metoda, kde se emise typického RTG záření využívá pro detekci prvků přítomných ve vzorku. Svazek protonů o vysoké energii 2~4 MeV excituje díky ionizaci vnitřních slupek, emisi charakteristického RTG záření z atomů přítomných ve vzorku. V pravém slova smyslu se jedná o elektromagnetický proces-atomární. - energie charakt. záření je monotónně rostoucí funkce protonového čísla, lze určit prvkové složení, lze stanovit prvky s Z>5, detekční limit g - nestardantní vzorky- kapaliny, aerosoly, využití externích svazků-studium artefaktů v archeologii, environmental research Particle Induced Gamma-ray Emission (PIGME, PIGE) je univerzální metoda, která doplňuje výše uvedené (zvláště PIXE)pro nedestruktivní analýzu vzorků a hloubkové profilování. PIGE využívá většinou jaderné reakce (p, γ), (p,p γ), (p, α γ) indukované svazky MeV protonů, kde je promptně produkováno gama-záření. Základní vybavení pro produkci iontového svazku. 3,5 MeV Van de Graaf urychlovač produkuje α- částice a protony s energií MeV, 1µA a energetická stabilita lepší než Jsou instalovány 3 komory na iontovém svazku užívané pro RBS, ERDA, PIXE a PIGE analýzy. Van de Graaffův elektrostatický urychlovač Zkoumané systémy Studujeme struktury připravené mnoha technikami: konvenční a reaktivní napařování rf a dc magnetronové naprašování laserová ablace depozice asistovaná iontovými svazky plasma jet technika sol-gel technika iontová implantace plasmaticky upravené povrchy bulkové materiály etc. Systémy pro odvětví: optika a optoelektronika (vlnovodné struktury, optoelektronické prvky) tvrdé povlakování, povrchy se sníženým třením luminiscent silicium korozní procesy povrchových vrstev studium difúzních procesů magnetooptická média biokompatibilní keramika

V pravém slova smyslu se jedná o elektromagnetický proces-atomární. - energie charakt.

4 Použití iontových svazků pro syntézu nových materiálů Dopování polovodičů iontovou implantací iontová implantace IBAD - Ion Beam Assisted Deposition leptání iontovými svazky IBAD IBAD je kombinace PVD technologie a bombardu iontovým svazkem iontový svazek je klíčovým faktorem pro kontrolu vlastností deponované vrstvy kontrola mikrostruktury, chemického složení, reprodukovatelnosti vrstvy, uniformní pokrytí s nízkým pnutím - dobrá adheze Příprava optických vlnovodů - pasivních prvků - iontovou nebo UV - laser litografií Leptání UV zářením Optické vlastnosti vyleptané struktury Vytvořená optická vlákna pod elektronovým mikroskopem

vrstvy kontrola mikrostruktury, chemického složení, reprodukovatelnosti vrstvy, uniformní pokrytí s nízkým pnutím - dobrá adheze Příprava optických vlnovodů -

5 Příklady progresivních materiálů - povlakování Snaha o zvýšení užitné hodnoty strojírenského výrobku nanesením tenké vrstvy - využití fyziky plasmatu -plasmatické depozice-povlakovánímetodou PVD (Physical Vapour Deposition) - materiál, který má být deponován je přítomen jako katoda plazmového výboje (doutnavého nebo obloukového) působením výboje se přenáší materiál na substrát - výhoda vytváření povlaků nejen se složením terče, ale i jeho chemických sloučenin - karbidů a nitridů, polymerů. - povlaky mají vynikající adhezi, definovanou mikrostrukturu, chemickou stálost. - uplatnění také v automobilovém průmyslu-ventily, vstřikovací čerpadla, lékařství (kloubní protézy), dekorativní povlakování! Nová myšlenka - nanokrystalická kompozitní vrstva - systém tvořený malými monokrystaly - velikost pod 10 nm, které jsou ukotvené v amorfní matrici - hranice zrn je efektivní bariéra proti šíření poruch - vysoká tvrdost Optické a optoelektronické prvky Studium LiNbO 3 - struktura krystalu a motivace Lithium niobát, safír je široce využívaný optický materiál s mnoha výlučnými vlastnostmi - elektro-optické koeficienty -acousto-optické koeficienty - aplikace pro optoelektronické prvky - aplikace pro planární vlnovody - integrované optické prvky RBS-channeling Metoda je založena na efektu kanálování nabitých částic v monokrystalické mřížce vzorku, iont se pohybuje ve směru hlavních symetrických os, v kanálu prochází mnoha Rutherfordovými rozptyly pod velkým úhlem. RBS-channeling měření - pozice příměsí v krystalické mříži LiNbO 3 - poškození krystalu výše uvedenými technikami komplementárně s měření metodou X-ray diffraction - množství Er a hloubkový profil srovnání s našimi výsledky Zlepšení hloubkového rozlišení v povrchové vrstvě, detekce příměsí v intersticiálních polohách, defekty krystalu Měření metodou RBS-channeling

vytváření povlaků nejen se složením terče, ale i jeho chemických sloučenin - karbidů a nitridů, polymerů. - povlaky mají vynikající adhezi, definovanou mikrostrukturu, chemickou stálost.

6 Spolupráce AV ČR: Fyzikální ústav, Ústav radiového inženýrství a elektroniky Masarykova Universita Brno, České Vysoké Učení Technické Brno: Fakulta mechanického inženýrství Karlova Universita Praha: Matematicko-Fyzikální fakulta, České Vysoké Učení Technické Praha: Fakulta elektrického inženýrství a Fakulta mechanického inženýrství, University of Helsinki, Accelerator Laboratory, VTT Technical Research Center of Finland Electronics Fachhochshule Deggendorf, University of Regensburg Technical University München Hahn-Meitner Institute, Berlin, Germany Department of Medium and Low Energy Physics, J. Stepan Institute, Ljubljana, Slovenia Vysoká škola chemickotechnologická, Jihočeská universita České Budějovice Institute of Ion Beam Physics and Material Research, Forschungzentrum Rossendorf, Germany Západočeská universita Pardubice: Fakulta chemicko-technologická, Univerzita J. E. Purkyně, Ústí nad Labem

Research Center of Finland Electronics Fachhochshule Deggendorf, University of Regensburg Technical University München Hahn-Meitner Institute, Berlin, Germany Department of Medium and Low Energy

Podobné dokumenty

Využití iontových svazků pro analýzu materiálů

Využití iontových svazků pro analýzu materiálů A. Macková, J. Bočan, P. Malinský Skupina jaderných analytických metod, Ústav jaderné fyziky AV ČR, Řež u Prahy, 250 68 Mackova@ujf.cas.cz. Úvod Počátek rozvoje