Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą rozpraszania jonów wstecz (RBS)

1. Instytut Problemów Jądrowych Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą rozpraszania jonów wstecz (RBS) Karolina Danuta Pągowska

2. Akcelerator jonów

3. 2 MeV 4He+ Magnes kierujący Akcelerator elektrony jony rozproszone produkty reakcji promieniowanie γ promieniowanie X Tarcza atomy wybite

4. O czym będzie mowa w dalszej części seminarium? • Co to jest RBS? • Fizyczne podstawy metody RBS • Układ doświadczalny • Interpretacja widm RBS • Zastosowania • Podsumowanie

5. Co to jest RBS? RBS – to skrót pochodzący od angielskiej nazwy metody Rutherford Backscattering Spectrometry (rozpraszanie jonów wstecz) Jest to metoda mikroanalizy jądrowej służąca do badania warstw powierzchniowych materiałów.

6. Centralne zderzenie dwóch kul o jednakowych masach Vo Vo Sprężyste zderzenia kul a RBS

7. Sprężyste zderzenie dwóch kul o masach: M1<< M2 a RBS V2 M2 Vo, M1 V1

8. Oddziaływanie elektrostatyczne pocisku i tarczy TARCZA M2 V2, E2 POCISK M1, V0, E0 φ Z1e – ładunek cząstki pocisku Z2e – ładunek atomu tarczy r – odległość między cząstkami Θ – kąt rozpraszania θ M1, V1, E1

9. Przekrój czynny na rozpraszanie(Wzór Rutherforda w układzie laboratoryjnym) Z1 - liczba atomowa padającego jonu Z2- liczba atomowa atomu rozpraszającego E0 - energia padającego jonu θ - kąt rozproszenia e - ładunek elementarny

10. Współczynnik kinematyczny E1 - energia cząstki po zderzeniu, E0 - energia cząstki padającej, M1 - masa cząstki pocisku, M2 - masa atomu tarczy θ - kąt rozproszenia Zasada zachowania pędu i energii

11. Θ = 170° Zależność współczynnika kinematycznego od kąta rozproszenia Dla zapewnienia najlepszych warunków rozróżnialności blisko leżących pierwiastków kąt detekcji ustala się w okolicach 180°.

12. Masowa zdolność rozdzielcza • Dla ciężkich jąder masową zdolność rozdzielczą pogarsza fakt istnienia wielu blisko leżących pierwiastków.

13. Rozróżnianie pierwiastków Przekrój czynny jest proporcjonalny do kwadratu liczby atomowej tarczy co oznacza, że rozproszenie wstecz zachodzi ze znacznie większą wydajnością na jądrach ciężkich niż na lekkich.

14. 1.6 1.4 1.2 1.0 Energia / MeV 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 1 2 3 4 5 6 Głębokość/ µm Zależność - Energia - Głębokość dla 1.5 MeV jonów HewSi Rp = 5.21 µm

15. Straty energii jonów w ciele stałym (LET) Jony He Jony Ar Zdolności hamujące Jony He Jony Ar jonizacja dEe/dx Atomy przemiesz- czone dEn/dx Prędkość jonu ~ (Energia)1/2

16. E0 x E θ1 kE0 θ2 θ kE Spowalnianie jonów w tarczy jednoskładnikowej E1

17. Głębokościowa zdolność rozdzielcza - energetyczna zdolność rozdzielcza układu detekcji (eV) - efektywna zdolność hamująca (eV/nm)

18. Wykrywalność liczba zliczeń numer kanału

19. Układ doświadczalny AKCELERATOR PROGRAM DO AKWIZYCJI DANYCH PRZEDWZMACNIACZ ŁADUNKOWY TARCZA WZMACNIACZ LINIOWY KONWERTER ANALOGOWO-CYFROWY MAGNES ANALIZUJĄCY < Q ADC DETEKTOR

20. E0 x x E θ1 LICZBA ZLICZEŃ kE0 θ2 θ kE ENERGIA E1 kE0 Jak powstaje widmo RBS dla prostej próbki jednoskładnikowej? E1

21. Jak wygląda widmo RBS dla cienkiej próbki dwuskładnikowej i jak je zinterpretować? • Położenie przednich krawędzi identyfikuje składniki próbki, • położenie tylnej krawędzi wyznacza grubość badanej próbki, • wysokość każdego ze schodków daje informacje o koncentracji danego pierwiastka w próbce. Liczba zliczeń A B Energia mB>mA

22. x0 Podstawy Rutherford Backscattering Spectrometry Liczba cząstek rozproszonych x0 Energia Głębokość 4He+, 2 MeV Si SiO2 x0 - O - Si

23. Metoda RBS jest używana do • analizy chemicznej (składu pierwiastkowego badanego materiału), • wyznaczania grubości cienkich warstw, • badania rozkładów głębokościowych pierwiastków. Zalety metody RBS: • metoda nieniszcząca (dla większości materiałów), • krótki czas pomiaru.

24. Widmo dla InP - różne grubości warstw

25. Kanałowanie jonów

26. Analiza rozkładu defektów przy użyciu kanałowania jonów

27. Widmo random i aligned dla GaN-u

28. Wpływ grubości warstwy nukleacyjnej na koncentrację defektów

29. Rozkład ilości defektów w funkcji głębokości dla próbki 1125

30. to~11min Szybkość osadzania: (5nm/1min) Grubość warstwy nukleacyjnej GaN: xt=(40-60)nm x1+x2=53nm x1(Ga0.55N0.45)=30nm x2(Ga0.48N0.52)=23nm Warstwa nukleacyjna

31. to~17min Szybkość osadzania: (5nm/1min) Grubość warstwy nukleacyjnej GaN: xt=(80-100)nm x1+x2=83nm x1(Ga0.55N0.45)=49nm x2(Ga0.48N0.52)=34nm Warstwa nukleacyjna

32. Widmo random dla próbki 1202 Grubość warstwy

33. Rozkłady poprzeczne grubości warstw d e f g c h b i a

34. 2 5 8 11 Rozkłady poprzeczne grubości warstw i e h g d f c j b k a l

35. Zjawisko kanałowania jonów wykorzystuje się do: • Wyznaczania stopnia doskonałości krystalograficznej monokryształów i warstw epitaksjalnych, • wyznaczania rozkładów głębokościowych defektów struktury krystalicznej, • wyznaczania położeń atomów domieszki w strukturze krystalicznej.

36. Podsumowanie Zalety metody RBS: • jest to metoda nieniszcząca, umożliwiająca wykorzystywanie próbki do dalszych badań innymi metodami, • wyniki analiz podane są w jednostkach bezwzględnych, • pozwala wyznaczyć rozkłady głębokościowe pierwiastków, • przy zastosowaniu dodatkowo kanałowania, mamy możliwość wyznaczenia rozkładów głębokościowych defektów, • krótki czas pomiaru.

37. Czekamy na Wasze próbki!