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

Akcelerator jonów

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

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

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.

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

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

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

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

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

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

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

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.

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

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

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

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

Wykrywalność liczba zliczeń numer kanału

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

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

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

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

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.

Widmo dla InP - różne grubości warstw

Kanałowanie jonów

Analiza rozkładu defektów przy użyciu kanałowania jonów

Widmo random i aligned dla GaN-u

Wpływ grubości warstwy nukleacyjnej na koncentrację defektów

Rozkład ilości defektów w funkcji głębokości dla próbki 1125

Warstwa nukleacyjna 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 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

Widmo random dla próbki 1202 Grubość warstwy

Rozkłady poprzeczne grubości warstw f g c h b a i

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

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.

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.

Czekamy na Wasze próbki!