Dílčí cíle projektu a jejich plnění v roce 2007 (ÚJF AV ČR - laboratoř Tandetronu) V001 Dokončení a kalibrace experimentálních zařízení v laboratoři urychlovače Tandetron V průběhu r. 2007 probíhaly práce na dokončení nových experimentálních zařízení na urychlovači Tandetron, jejich kalibrace a uvádění do rutinního provozu. Rovněž se pokračovalo osvojení různých režimů provozu Tandetronu a jejich optimalizaci. Zařízení pro analýzy a hloubkové profilování lehkých prvků metodou ERDA-TOF (Elastic Recoil Detection Analysis - Time of Flight) byla v rámci diplomové práce provedena první měření a ověřeny jeho parametry a diplomová práce byla úspěšně obhájena. Dále byl dokončen druhý (stop) detektor ve spektrometru Time of Flight (TOF) pro metodu ERDA, byl umístěn do vakua a elektronicky testován. TOF spektrometr je tímto dokončen a proběhly kalibrace TOF spektrometru s iontovým svazkem Cu 6+, 15.4 MeV (stanovení časového a energetického rozlišení). V roce 2007 bylo dokončeno testování a kalibrace zařízení pro metodu RBS-channeling. Byla naměřena spektra s využitím pohyblivého detektoru pro zpětně odražené ionty metodou RBS a vyražené částice metodu ERDA na různých úhlech současně s nastavením geometrie experimentu. Na zařízení pro analýzy metodou RBS-channeling, které umožňuje zkoumání struktury monokrystalických materiálů (včetně určování poloh atomů příměsí, koncentrací, typu a hloubkových profilů defektů) byly provedeny první experimenty, které ukázaly funkčnost zařízení. Jeho uvedení do rutinního využití v r. 2008 si ještě vyžádá odstranění drobných technických potíží zejména se softwarem, které se průběžně řeší ve spolupráci s dodavatelskou firmou NEC.
RBS-CHANNELING - National Electrostatics Corporation, USA
V roce 2007 byla vyrobena aparatura pro depozici tenkých kovových vrstev magnetronovým naprašováním (HVM Plasma). Aparatura byla testována a bylo ověřeno, že jsou všechny módy funkční. Jednak lze vzorek účinně čistit iontovým bombardem Ar + iontů urychlených v plasmatu, dále lze po odklopení targetu deponovat vrstvy kovů při různých podmínkách (volbou předpětí měnit energii dopadajících iontů a tím měnit strukturu vrstvy) Během r. 2007 byly kompletně rekonstruovány dvě laboratoře určené pro umístění všech zmíněných zařízení. Výše uvedené deposiční metody jsou klíčové pro řešení dílčích cílů V004, 005, 006, 011. V r. 2008 se bude pokračovat v budování experimentálních zařízení laboratoře urychlovače Tandetron a v rostoucí míře budou prováděny rutinní analýzy materiálů v rámci plnění jednotlivých výzkumných etap centra. Bude dokončeno nové zařízení pro analýzy metodami PIXE, PIGE a dokončeno testování zařízení ERDA-TOF a bude připraven software pro zpracování 2D spekter metody ERDA-TOF. Publikace [1] J. Bočan, A. Macková, P. Malinský, Využití urychlovače TANDETRON pro studium mikro a nano-struktur, Seminář Radioanalytické metody IAA 07, 27.-28.9. 200, Praha, Sborník příspěvků, Editor. M. Vobecký, Spektroskopická společnost J. M. Marci, 2007.
V010 a V011 Plasmové modifikace struktur polymer/kov a studium struktur metodami počítačové fyziky V roce 2007 jsme se zabývali mobilitou a vytváření kovových částic na rozhraní polymeru a kovu po ozáření metalizovaných polymerů v plasmatu. Kovové částice vytvořené v dielektrickém materiálu jako je polymer jsou stále atraktivním objektem studia kvůli nezvyklým vlastnostem, které vykazují kovové částice ve srovnání s objemovým kovem. Metalizované polymery (Ag/PET, Ag/PE) byly modifikovány v Ar plasmatu a dále charakterizovány metodami RBS, ERDA. Výsledkem bylo stanovaní hloubkových profilů Ag, výpočet difůzních parametrů (aktivační energie difůze, difůzních koeficientů). Dále byly vzorky charakterizovány AFM, TEM a XPS z hlediska změn morfologie povrchu a chemických vazeb. Morfologie povrchu tenkých kovových vrstev modifikovaných v plasmatu se dramaticky měnila s dobou modifikace a teplotou polymerního substrátu. Vliv morfologie musel být zahrnut do vyhodnocení hloubkových profilů metodou RBS. Toto bylo provedeno s použitím softwaru SIMNRA a měřením vzorků metodou RBS pod různými úhly dopadu iontů, což nám umožnilo kvantifikovat vliv drsnosti povrchu a srovnat s výsledky drsnosti získané metodou AFM. TEM prokázala existenci Ag částic na rozhraní Ag/PET, jejichž velikost rostla s rostoucí teplotou substrátu použité během plasmatické modifikace. Experimenty ukázaly řadu vlastností rozhraní kovu a polymeru pod vlivem ozáření v plasmatu popř. zvýšením teploty polymeru blízko T g nebo T m. Cíl V010 byl úspěšně splněn, sumární výsledky plasmaticky modifikovaných tenkých kovových vrstev byly publikovány a aparatura byla vyrobena a otestována. Publikace [1] Macková, Anna - Švorčík, V. - Sajdl, P. - Strýhal, Z. - Pavlík, J. - Malinský, Petr - Šlouf, Miroslav, RBS, XPS, and TEM study of metal and polymer interface modified by plasma treatment, Vacuum. Roč. 82, - (2007), s. 307-310. [2] Macková, Anna - Švorčík, V. - Strýhal, Z. - Pavlík, J. - Malinský, Petr, RBS, XPS and AFM Study of Ag Thin Films and Polyethylene Foils Interface Modified by Plasma Treatment, Bratislava : Comenius University, 2007. 2 s. 16th Symposium on Application of Plasma Processes. Podbánske (SK), 20.01.2007-25.01.2007. [3] Macková, Anna - Bočan, Jiří - Malinský, Petr, Využití iontových svazků pro analýzu materiálů. Praha : Česká vakuová společnost, 2007. 8 s. Letní škola vakuové techniky. Štrbské pleso (SK), 04.06.2007-07.06.2007 [4] Macková, Anna - Malinský, Petr - Bočan, J - Švorčík, V. - Pavlík, J. - Strýhal, Z., Study of Ag/PE interface after plasma treatment, 9th International workshop on plasma based ion implantation and deposition. Leipzig (DE), 02.09.2007-06.09.2007, Book of abstracts, p. 81, will be published in Physica Status Solidi
RBS The beam of 2.68 MeV He + ions from Van de Graaff accelerator was used for RBS analysis measured at 170 o laboratory scattering angle. RBS spectra of Ag very thin films on polymer substrates were recorded for incoming ion beam angles 0 o, 50 o, 60 o and 75 o to achieve better depth resolution and to observe the surface morphology influencing RBS spectra. RBS spectra were evaluated using SIMNRA code taking into account the surface roughness. Plasma gas /substrate Temperature of substrate [ C] Performance of plasma [W] Ag amount RBS [10 15 at/cm 2 ] Ag fraction XPS [atomic %] LDPE 0 0 23,2±0,1 14,4±0,8 Ar / LDPE 55 10 22,5±0,1 28,1±0,8 Ar / LDPE 65 20 22,1±0,1 23,5±0,8 Ar /LDPE 95 10 11,5±0,1 8,5±0,8 HDPE 0 0 26,8±0,1 15,7±0,8 Ar / HDPE 55 10 16,3±0,1 14,2±0,8 Ar / HDPE 65 20 21,7±0,1 14,0±0,8 Ar / HDPE 95 10 14,6±0,1 13,5±0,8 Table 1: Summarization of deposition parameters and integral amount of Ag determined RBS and Ag surface fraction determined by XPS. XPS, AFM An Omicron Nanotechnology ESCAProbeP spectrometer was used to measure the X-ray photoelectron spectra (XPS). The X-ray source was monochromated at 1486.7 ev. The exposed and analyzed area had dimensions of 2x3 mm 2. The spectra were measured stepwise with a step in binding energy of 0.05 ev. The surface topography and roughness were measured by the Atomic Force Microscopy (AFM - Metris 2001A NC, Burleigh Instruments Inc.) All AFM measurements were carried out in the non - contact mode at the ambient atmosphere and at room temperature.
Parameter R q and R a determined from AFM analysis and from SIMNRA evaluation of RBS spectra are compared. The extraction of diffusion coefficients from RBS spectra was done using geometry of incoming beam with the best correlation with AFM parameters to distinguish the part of Ag signal connected with the surface roughness and with the diffusion profile. Sample of plasma treated Ag/LDPE Ar 10W 55 C Ar 20W 65 C Ar 10W 95 C Parameter AFM analysis R a 20,3 R q 16,8 R a 27,0 R q 22,0 R a 19,5 R q 15,6 RBS analysis using different incident ion beam angle 0 50 60 75 34,6 27,0 22,9 13,4 33,1 22,4 16,6 8,5 53,4 61,4 51,1 68,3 43,6 39,5 40,8 44,7 37,2 31,1 28,6 34,7 20,0 15,9 19,9 17,9
V004 a V013 Charakterizace a modifikace materiálů iontovými svazky a Struktury pro optoelektroniku (fotoniku) na bázi LN, LT. V r. 2007 byl zejména studován účinek iontové implantace do silikátových skel a do optických krystalů potenciálně využitelným ve fotonce. Implantace byly provedeny na dvou pracovištích tj. v Řeži a Rossendorfu za použití různých energií a různých fluencí iontů. Jako dielektrické materiály byly použity různé typy silikátových skel a niobičnan lithný. Vlastnosti připravených vrstev byly charakterizovány pomocí RBS, PIXE, kanálovací RBS (hloubkové koncentrační profily implantovaných prvků), dále metodou vidové spektroskopie (vlnovodné vlastnosti připravených vrstev), Ramanovou spektroskopií (struktura vrstvy) a dále byla měřena absorpční a fluorescenční spektra připravených vrstev. Ve skleněných substrátech byla dosud nejvíce studována implantace zlata, které bylo implantováno s energií 1,7 MeV v různých fluencích do sodnovápenatých silikátových skel, která se od sebe lišila jednak typem síťotvorného prvku nebo obsahem alkálií. Zjistili jsme skutečnost, že vlnovodné vlastnosti má vrstva, která je vytvořena při energii 1,7 MeV a fluenci minimálně 1x10 16 at/cm 2 a je vytvořena v silikátovém skle. Dále jsme studovali vliv následného žíhání na takto připravené vrstvy a podle prvních výsledků bylo zjištěno, že vhodná teplota žíhání by měla být mírně nad teplotou T g skla. Do různých typů skleněných substrátů byly dále implantovány erbium a chrom. Tyto prvky byly implantovány s nižší energií 330 kev a fluencí max. 3x10 15 at/cm 2. Nejúspěšnějším projektem v tomto roce byla příprava speciálních silikátových skel obsahující chrom(iii) v různých koncentracích do kterých byl implantován kyslík (O + ). Cílem těchto experimentů bylo získat skleněné materiály s obsahem velmi žádaného Cr(IV), který má široký emisní pás v oblasti 1200 1700 nm. V různých krystalografických řezech niobičnanu lithného byla provedena implantace erbia při energii 330 kev a různých dávkách. Vliv krystalografické orientace substrátu na implantaci a souvislost mezi následným žíháním a fluorescenčními vlastnostmi jsou nyní studovány. Vzorky substrátů i tenké vrstvy připravené na povrchu substrátů některou z difusních technik založených především na iontové výměně byly analyzovány metodami RBS a PIXE (obsah příp. koncentrační hloubkové profily funkčních iontů., jako např. erbia), NDP (obsah a koncentrační hloubkové profily lithia) a ERDA (obsah a koncentrační hloubkové profily vodíku). Výsledky sloužily k vyhodnocení experimentů a dalším úpravám experimentálních procesů s cílem připravit optické vlnovody s optimální koncentrací a distribucí funkčních iontů ve vlnovodné oblasti.
Obrázek 1 : RBS analýza skel implantovaných 1,7 MeV Au ionty (ϑ = 170 ). Nahoře: RBS spektrum a hloubkový profil Au skla implantovaného dávkou 1 10 15 at./cm 2. Dole: RBS spektrum a hloubkový profil Au skla implantovaného dávkou 1 10 16 at./cm 2. 2 2a 2b Obrázek 2a Er hloubkové profily v LN měřené metodou RBS Obrázek 2b RBS-channeling analýza implantovaných LN pro různé energie implantace a fluence, srovnání s neimplantovaným krystalem
Publikace: [1] J. Spirkova, P. Tresnakova, H. Malichova, M. Mika, Cu+ containing waveguiding layers in novel silicate glass substrates, J. Mater. Sci. Mater. Electron. 18 (2007) 375-378. [2] L. Salavcova, J. Spirkova, M. Mika, A. Mackova, J. Oswald, A. Langrova, J. Vacik, Localised Doping of Li-silicate Glasses by Er3+ Ion Exchange to Fabricate Thin Optical Layers, Opt. Mater. 29 (2007) 753-759. [3] L. Salavcova, A. Mackova, J. Oswald, B. Svecova, S. Janakova, J. Spirkova, M. Mika, Erbium doping into silicate glasses to form luminescent optical layers for photonics applications, J. Phys. Chem. Sol. 68 (2007) 891-895. [4] L. Salavcova, J. Spirkova, F. Ondracek, A. Mackova, J. Vacik, U. Kreissig, F. Eichhorn, R. Groetzschel, Study of anomalous behaviour of LiTaO3 during the annealed proton exchange process of optical waveguide's formation - comparison with LiNbO3, Opt. Mater. 29 (2007) 913-918. [5] J. Spirkova, P. Tresnakova, H. Malichova, M. Mika, Cu+ containing waveguiding layers in novel silicate glass substrates, J. Mater. Sci. Mater. Electron. 18 (2007) 375-378. [6] L. Salavcova, J. Spirkova, M. Mika, A. Mackova, J. Oswald, A. Langrova, J. Vacik, Localised Doping of Li-silicate Glasses by Er3+ Ion Exchange to Fabricate Thin Optical Layers, Opt. Mater. 29 (2007) 753-759. [7] L. Salavcova, A. Mackova, J. Oswald, B. Svecova, S. Janakova, J. Spirkova, M. Mika, Erbium doping into silicate glasses to form luminescent optical layers for photonics applications, J. Phys. Chem. Sol. 68 (2007) 891-895. [8] Salavcova, L., Macková, A., Oswald, J., Švecová, B.,Janáková, S., Špirková, J., Míka, M. Erbium doping into silicate glasses to form luminescent optical layers for photonics applications. Journal of Physics and Chemistry of Solids. Roč. 68, 5-6 (2007), s. 891-895. [9] Macková, A., Bočan, J., Malinský, P., Využití iontových svazků pro analýzu materiálů. Praha : Česká vakuová společnost, 2007. 8 s. Letní škola vakuové techniky. Štrbské pleso (SK), 04.06.2007-07.06.2007 [10] Macková, A., Havránek, V., Salavcová, L., Špirková, J., Study of Erbium Diffusion into a Glass Surface For Applications in Photonics using Ion Beam Methods. 12th European Conference on Applications of Surface and Interface Analysis. Brussels (BE), 09.09-14.09.2007 [11] A. Macková, V. Švorčík, V. Hnatowicz, P. Malinský, J. Bočan, R.I. Khaibullin, P. Nekvindová, Material Analyses and Modification on the Tandetron Accelerator, 4 th International Student Summer school,nuclear Physics Methods and Accelerators in Biology and Medicine, Masarykova Hall, Czech Technical University, Prague, Czech Republic, July 8-19, 2007, Proc. Summer School, Publ. AIP New York (2007) p. 56-60 [12] Janakova S., Spirkova J., Svecova B., Lahodny F., Mika M., Oswald J., Mackova A., Properties of chromium ions containing novel silicate glasses, In: ICOOPMA 2007. 30 July-3 August 2007, London (UK). [13] Janakova S., Spirkova J., Svecova B., Nekvindová P., Mika M., Oswald J., Novel silicate glasses doped by RE3+ for M-IR applications, In: ICOOPMA 2007. 30 July-3 August 2007, London (UK). [14] Švecová B., Špirková K., Janáková S., Míka M., Oswald J., Macková A., Diffusion process applied in fabrication of ion-exchanged optical waveguides in novel Er3+ and Er3+/Yb3+-doped silicate glasses, In: ICOOPMA 2007. 30 July-3 August 2007, London (UK). [15] Janáková S., Švecová B., Špirková J., Míka M., Nekvindová P., Oswald J., Macková A., Ion-implantation into chromium doping silicate glass, In: ChemZi 3(1), 189 (2007).
V012 Syntéza a charakterizace materiálů na bázi nanočástic kovů a jejich oxidů. Počítačové modelování elektrických, optických a magnetických vlastností implantovaných polymerních materiálů úzce navazuje na tématiku iontové implantace kovů do polymerů. Implantované struktury PEEK, PI a PET ionty Fe+, Ni+ (40 kev) byly připraveny v roce 2006. V roce 2007 byly provedeny analýzy implantovaných struktur metodami RBS, ERDA, XPS, UV-VIS spektroskopie. Výsledkem byly hloubkové profily kovů v polymerní matrici a změny složení implantovaného profilu. Pro první simulace hloubkových profilů byl použit software SRIM, který však nezahrnuje celou dynamiku procesu, kdy jsou ionty implantovány těsně pod povrch a dochází ke změnám složení povrchové vrstvy, její hustoty a tím je ovlivněn i tvar profilu implantovaných iontů. Proto byl použit dále software TRIDYNE, který zahrnuje dynamický výpočet změny doletu iontů na základě aktuální změny složení dané vrstvy v livem implantace jiného prvku do matrice substrátu. TRIDYN je založen na simulaci balistického transportu iontů v materiálu s využitím modelu aproximace binárními srážkami. Výsledky jsou připravovány k publikaci v 2008. V roce 2008 plánujeme pokračovat v kompletní charakterizaci polymerů (PET, PI, PEEK, PE) implantovaných kovovými ionty metodami RBS, ERDA, UV-VIS, XPS, TEM a především se zabývat elektrickými vlastnostmi již připravených struktur (implantace Fe, Ni - 40keV) ve spolupráci s VŠCHT. Budou připraveny další struktury implantací Ag, Au a následně charakterizovány a žíhány. A b u n d ance 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 Depth profiles of Ni in PET (D = 2.5x10 16 at/cm 2 ) Ni C H O A b u n d a n c e 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 Depth profiles of Ni in PET (D = 10.0x10 16 at/cm 2 ) TRYDIN simulace Ni C H O 0.3 0.2 0.1 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Depth [Angström] 0.3 0.2 0.1 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Depth [Angström]
XPS Podíl C 1s O 1s Ni 2p 3/2 N 1s Ni 0 /Ni ox 900 800 ERDA ERDA spektrum vodíku pro NiPI PEEK 0 83.37 16.63 1 79.40 19.15 1.45 0.2 3 76.73 19.32 3.95 1.1 6 76.13 16.14 7.73 4.5 PI 0 79.17 14.72 6.11 1 84.36 11.83 0.59 3.22 0.2 3 82.13 14.05 2 1.82 3.7 6 80.75 15.61 2.8 0.84 14.8 PET 0 75.02 24.98 1 87.23 11.92 0.85 0.4 3 86.1 12.75 1.15 0.8 6 78.9 16.34 4.76 4.4 Impulzy 700 600 500 400 300 200 100 NiPI1 (0.25e17/cm2, 4 ua/cm2) NiPI2 (0.50e17/cm2, 4 ua/cm2) NiPIš (0.75e17/cm2, 4 ua/cm2) NiPI4 (0.50e17/cm2, 4 ua/cm2) NiPI5 (1.25e17/cm2, 4 ua/cm2) NiPI6 (1.50e17/cm2, 4 ua/cm2) NiPI virgin Pozice Ni + 855.3 ev Ni 0 852.6 ev C 1s 285.2 ev O 1s 531.7 ev N 1s 400.1 ev 0 0 20 40 60 80 100 120 Hloubková distribuce Ni v PET (1. série) Hloubkový korekční faktor: 0.775 Energie [kanál] Normované zastoupení Ni v polymerové vrstvě 1 0.8 0.6 0.4 0.2 SRIM2006 Ni-PET 0 Ni-PET 1 Ni-PET 2 Ni-PET 3 Ni-PET 4 Ni-PET 5 Ni-PET 6 0 0 20 40 60 80 100 120 140 Hloubka [nm]