Dílčí cíle projektu a jejich plnění v roce 2006 (ÚJF AV ČR - laboratoř Tandetronu)

Transkript

1 Dílčí cíle projektu a jejich plnění v roce 2006 (ÚJF AV ČR - laboratoř Tandetronu) V001 Dokončení a kalibrace experimentálních zařízení v laboratoři urychlovače Tandetron 2006 dokončení instalace implantační trasy zprovoznění spektrometru TOF pro metodu TOF-ERDA, měření prvních kalibračních vzorků dokončení instalace zařízení pro měření metodou RBS-channeling (dodané firmou NEC, USA) zprovoznění zařízení pro depozici vrstev odprašováním iontového svazku konstrukce a návrh depoziční komory s magnetronem (HVM Plasma Praha) 2007 použití metod TOF-ERDA a RBS-channeling na struktury připravené v rámci projektu instalace depoziční komory s magnetronem, příprava depozic prvních vzorků návrh a konstrukce nových metod PIXE a PIGE instalace depozičních komor pro systém MBE V004 Charakterizace a modifikace materiálů iontovými svazky 2006 využití metod RBS, ERDA a RBS-channeling pro analýzu prvkových hloubkových profilů v připravených strukturách analýzy vrstev připravených ve spolupráci s VŠCHT (polymerní materiály, materiály pro optiku a fotoniku - skla, krystaly LT, LN) jadernými analytickými metodami RBS, ERDA a RBS-channeling. studium vrstev připravených s využitím plasmatické polymerizace ve spolupráci s Masarykovou Universitou v Brně implantace H + a He + do polovodičových materiálů ve spolupráci s FEL ČVUT 2007 pokračování studia připravených struktur iontovými svazky ve spolupráci s výše uvedenými pracovišti

2 V010 a V011 Plasmové modifikace struktur polymer/kov a studium struktur metodami počítačové fyziky 2006 byly připraveny metalizované polymery ve spolupráci s VŠCHT plasmatická modifikace (UJEP Ústí nad Labem) použití iontových svazků (RBS) - měření hloubkových profilů kovů použití AFM - studium morfologie (UJEP Ústí nad Labem) studium chemického složení povrchu XPS (VŠCHT) zobrazení rozhraní polymer/kov TEM (ÚMCH AV ČR) příprava modelů pro popis chování kovových částic v polymeru (UJEP Ústí nad Labem) 2007 implantace kovových iontů do polymerů a skel studium elektrických a optických vlastností spolupráce s VŠCHT použití výše uvedených analytických metod pro analýzu implantovaných struktur počítačové simulace elektrických a optických vlastností (UJEP Ústí nad Labem)

3 V001 -TOF spektrometr pro analytickou metodu TOF-ERDA TOF ERDA (Detekce dopředně vyražených atomů s měřením doby letu je nedestruktivní jaderná analytická metoda pro studium ultratenkých vrstev materiálů Time-of-Flight teleskop a vzorková komora Jednotlivé materiálové atomy, které jsou následkem pružné srážky se svazkovým iontem vyraženy ze vzorku, jsou identifikovány současným měřením jejich doby letu na definované dráze (TOF teleskop) a zbytkové kinetické energie (energetický detektor) Časový detektor Elektronické schéma HV, V T- DETE Si- DETE CFD PAMP FAMP AMP TAC ADC12 MPA PC Dvojitý zdroj napětí (Iseg NHQ 205M) Časový detektor Energetický detektor (Ortec BU ) Constant-fraction diskriminátor (Ortec 935) Předzesilovač (Ortec 142B) Rychlý zesilovač (Canberra 2111) Zesilovač (Ortec 572) Časově-amplitudový převodník (Ortec 566) Analogově-digitální převodník (FAST 7072) Multiparametrický systém (FAST MPA-3) Osobní počítač

4 Základní principy TOF-ERDA metody Jednoduché časové spektrum vyražených atomů Jednoduché energetické spektrum vyražených atomů Koincidenční časově-energetické spektrum vyražených atomů Jednoduché hmotnostní spektrum vyražených atomů Energie vyraženého atomu po opuštění vzorku: x x E out = K E0 Sp( E0 ) Sr ( Er ) E 0 počáteční energie svazkového sin iontu α sin β K kinematický faktor pro vyražený atom E r energie dodaná vyraženému atomu při pružné srážce se svazkovým iontem S p, S r lineární brzdné ztráty svazkového iontu a vyraženého atomu ve vzorku x vzdálenost původní pozice vyraženého atomu od povrchu vzorku Doba letu vyraženého atomu TOF teleskopem: m t = l 2( Eout E' ) l dráha pro měření doby letu m hmotnost vyraženého atomu E energie vyraženého atomu ztracená v časovém detektoru Testování první verze TOF teleskopu Počáteční parametry Svazkové ionty: 15,4 MeV Cu 6+ (terminálové napětí na Tandetronu: 2,2 MeV) Proud svazku: 0,55 na Četnost koincidenčních událostí: ~55 Hz Doba nabírání spekter: 35 minut Použitý vzorek: 200 nm LiF vrstva na substrátu skelného uhlíku Vrstva LiF na grafitovém substrátu Analýza spektra vzniklého součtem projekcí jednoprvkových spekter z koincidenčního časově-energetického spektra na energetickou osu Výsledky Změřená tloušťka LiF vrstvy: ~300 nm (při zanedbání drsnosti povrchu substrátu a LiF vrstvy) je v dobrém souladu s předpokladem Výsledné průměrné hmotnostní rozlišení spektrometru pro daný vzorek: ~1,5 u

5 V010, V011 - Výzkum progresivních materiálů kombinujících kov/polymer Neustálá miniaturizace elektronických součástek a zvyšování rychlosti signálu vyvolává potřebu nalezení materiálu s nízkým elektrickým odporem, vyšší elektrickou a tepelnou vodivostí. Právě mnohovrstevné případně kompozitní materiály skládající se z kombinace kovu a polymeru se zdají být řešením daného problému. Elektronické prvky vyráběné právě jako kombinace těchto rozdílných materiálu jsou výhodné pro svou odolnost vůči mechanickému namáhání, vyšším teplotám ale i chemickému poškození [1]. Tenké kovové filmy jsou zajímavé pro výrobu elektronických, optických a mechanických zařízení. Ze sendvičových struktur kov polymer kov (MIM struktury ) se vyrábějící zařízení pro optoelektroniku emitující fotony (LED) a zařízení se záporným diferenciálním odporem [2]. Dalším významným odvětvím použití kompozitních materiálu kov/polymer je v oblasti nanotechnologií. Kovové nanočástice (MNP metal nanoparticles ) jsou velice zajímavé z hlediska unikátních elektrických, magnetických a optických vlastností s aplikací v chemickém průmyslu a biotechnologiích. Ke stabilizaci nestabilních kovových nanočástic se používá právě polymerů. Voltampérové charakteristiky těchto nanokompozitních materiálů je předurčují k využití v elektrochemických senzorech a biosenzorech [3]. [1] Faupel F., Willecke R., Thran A., Kiene M., Bechtolsheim C. V., Strunskus T.: Metal diffusion in Polymers, Defect and Diffusion Forum Vols (1997) pp [2] Švorčík V., Rybka V., Maryška M., Špírková M., Zehentner J., Hnatowitz V.: Microscopic study of ultra thin gold layers on polyethyleneterephthalate, Europen polymer journal (2004) [3] Muraviev D.N.: Inter-matrix synthesis of polymer stabilesed metal nanoparticles for sensor applications, Contruibutions to Science,3(1) (2005)

6 Kovové vrstvy bývají deponovány metodou diodového naprašováni při pokojové teplotě. Následně se úžívá buď post-depozičního žíhání nebo kombinace post-depozičního žíhání spolu s plasmatickou modifikací pro zvýšení mobility kovových atomů na rozhraní polymer/kov. Plasmatická modifikace je prováděna v komoře na plasmatickou oxidaci a pracovním plynem bývá argon nebo kombinace argonu s kyslíkem. Vzorky jsou analyzovány pomocí analytických metod: RBS (Rutherford Backscattering Spetroscopy Rutherfordova spektroskopie zpětně vyražených iontů ) = metoda využívající zpetně odražené ionty lehkých prvků k detekci a určení hloubkové koncetrace prvků v daném vzorku AFM (Atomic Force Microscopy mikroskopie atomárních sil ) = metoda využívající meziátomárních sil mezi vzorkem a senzorem mikroskopu, s lepším rozlišením než optická mikroskopie, schopná zobrazit povrchovou morfologii vzorku XPS (X-Ray induced Photoelectron Spectroscopy - spektroskopie pomocí elektronů indukovaných rentgenovým zářením ) = metoda vhodná k určování složení a chemických stavů v povchových vrstvách vzorku TEM (Transmission Electron Microscopy transmisní elektronová mikroskopie ) = metoda podobná principem optické mikroskopii, avšak místo světelného svazku vyžívá svazek elektronů, který prostupuje vzorkem a na fluorescenčním stínítku vykresluje strukturu vzorku Obrázek komory pro plasmatickou oxidaci, která se používá k plasmatické modifikaci struktur kov-polymer.

7 Hloubková koncentrace naprášeného stříbra na substrátu z polyetyléntereftalátu (PET), získaná metodou RBS, před modifikací (REF) a po modifikaci v plasmatu s různými parametry při měnící se teplotě substrátu. Obrázky rozhraní polymeru a kovu z elektronového mikroskopu (TEM). Vzorek je nanesené stříbro na fólii PET. Studium struktur Ag/PET a Au/PET Snímky získané metodou AFM. Povrch vzorků naneseného stříbra na polyetyléntereftalátu před modifikací (REF) a po modifikaci v různém plasmatu a za různých podmínek.

8 Energetická spektra elektronů získaná metodou XPS. a) referenční vzorek bez plasmatické modifikace, b) vzorek modifikovaný v kombinovaném plasmatu kyslík + argon, c) vzorek modifikovaný v argonovém plasmatu za zvýšené teploty. Závěr: Difúzní koeficienty se pohybují v rozmezí cm 2 s -1 Difúzní koeficenty byly pozorovány vyšší pro stříbro v PET ve srovnání s PI Stříbrná vrstva je narušována plasmatem a klesá zdroj stříbrných atomů na povrchu vzorku U vzorků s naprášeným zlatem je převažující vliv teploty oproti vlivu plasmatické modifikace Články publikované k dané problematice: (1) Macková A., Peřina V., Švorčík V., Zemek j.: RBS, ERDA and XPS study of Ag and Cu diffusion in PET an PI polymer foils, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 240 (2005) (2) Macková A., Švorčík V., Strýhal Z., Pavlík J.: RBS and AFM study of Ag and Au diffusion into PET foils influenced by plasma treatmeant, Surface and Interface Analysis 2006; 38: (3) Macková A., Švorčík V., Sajdl P., Strýhal Z., Pavlík J., Malinský P., Šlouf M.: RBS, XPS and TEM study of metal and polymer interface modified by plasma treatment, JVC 11, September , Prague Czech Republic

9 Studium struktur Ag/LDPE a Ag/HDPE Obr. 1 Výsledky získané metodou RBS: Obrázek 1) Hloubková koncentrace Ag v LDPE [a.u.] ve vzorku po naprášení a po další plasmatické modifikaci při různých výkonech a teplotách substrátu Obr. 2 Obrázek 2) Arrheniův graf difúzních koeficientů v závislosti na převrácené hodnotě termodynamické teploty

10 Výsledky metod XPS a AFM: Obrázek 3) XPS spektra získaná metodou XPS pro vzorek po naprášení a pro vzorky upravované 20 minut při 10W a různých teplotách substrátu Obrázek 4) Snímky získané metodou AFM. Morfologie povrchu vzorků Ag/LDPE před modifikací a po úpravě při různých výkonech plasmatu a teplotách substrátu. Obr. 3 Závěr: polymerní substráty LDPE a HDPE jsou velice citlivé na vysoké teploty difúzní koeficienty jsou řádu cm 2 s -1 na povrchu vzorků se po modifikaci vytváří chemická vazba mezi Ag a C navázaným v polymerním řetězci povrchová drsnost R q roste spolu s rostoucím výkonem plasmatu při vyšší teplotě dochází k tání polymeru a kovové částice se propadají do tekutého polymeru Obr. 4 Články publikované k dané tématice: (1) A. Macková, V. Švorčík, Z. Strýhal, J. Pavlík, P. Malinský: RBS, XPS and AFM study of Ag thin films and polyethylene foils interface modified by plasma treatment, SAPP 16, January 20-25, 2007, Podbanské, Slovakia