Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą rozpraszania jonów wstecz (RBS)
description
Transcript of Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą rozpraszania jonów wstecz (RBS)
![Page 1: Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą rozpraszania jonów wstecz (RBS)](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051218/56815861550346895dc5be2e/html5/thumbnails/1.jpg)
Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą
rozpraszania jonów wstecz (RBS)
Karolina Danuta Pągowska
Instytut Problemów Jądrowych
![Page 2: Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą rozpraszania jonów wstecz (RBS)](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051218/56815861550346895dc5be2e/html5/thumbnails/2.jpg)
2
Akcelerator jonów
![Page 3: Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą rozpraszania jonów wstecz (RBS)](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051218/56815861550346895dc5be2e/html5/thumbnails/3.jpg)
3
Magnes kierujący
Akcelerator
Tarcza
2 MeV 4He+
elektronyjony rozproszone
produkty reakcji
promieniowanie γ
promieniowanie X
atomy wybite
![Page 4: Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą rozpraszania jonów wstecz (RBS)](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051218/56815861550346895dc5be2e/html5/thumbnails/4.jpg)
4
O czym będzie mowa w dalszej części seminarium?
• Co to jest RBS?• Fizyczne podstawy metody RBS• Układ doświadczalny• Interpretacja widm RBS• Zastosowania• Podsumowanie
![Page 5: Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą rozpraszania jonów wstecz (RBS)](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051218/56815861550346895dc5be2e/html5/thumbnails/5.jpg)
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.
![Page 6: Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą rozpraszania jonów wstecz (RBS)](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051218/56815861550346895dc5be2e/html5/thumbnails/6.jpg)
6
Sprężyste zderzenia kul a RBS
• Centralne zderzenie dwóch kul o jednakowych masach
VoVo
![Page 7: Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą rozpraszania jonów wstecz (RBS)](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051218/56815861550346895dc5be2e/html5/thumbnails/7.jpg)
7
Sprężyste zderzenie dwóch kul o masach: M1<< M2 a RBS
Vo, M1
V2
V1
M2
![Page 8: Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą rozpraszania jonów wstecz (RBS)](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051218/56815861550346895dc5be2e/html5/thumbnails/8.jpg)
8
Oddziaływanie elektrostatyczne pocisku i tarczy
M2
V2, E2
TARCZA
POCISKM1, V0, E0
φ
θ
M1, V1, E1
reZZ
rV2
21)(
Z1e – ładunek cząstki pociskuZ2e – ładunek atomu tarczyr – odległość między
cząstkamiΘ – kąt rozpraszania
![Page 9: Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą rozpraszania jonów wstecz (RBS)](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051218/56815861550346895dc5be2e/html5/thumbnails/9.jpg)
9
Przekrój czynny na rozpraszanie(Wzór Rutherforda w układzie laboratoryjnym)
Z1 - liczba atomowa padającego jonu
Z2 - liczba atomowa atomu rozpraszającego
E0 - energia padającego jonuθ - kąt rozproszeniae - ładunek elementarny
)
f(16E
eZZΩσ
20
422
21
![Page 10: Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą rozpraszania jonów wstecz (RBS)](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051218/56815861550346895dc5be2e/html5/thumbnails/10.jpg)
10
Współczynnik kinematyczny
,,,0
10
2
11 E
EkE
MM
kE
2
2
1
2
1
2/12
2
1
1
cossin1
MM
MM
MM
k
E1 - energia cząstki po zderzeniu, E0 - energia cząstki padającej,M1 - masa cząstki pocisku,M2 - masa atomu tarczyθ - kąt rozproszenia
Zasada zachowania pędu i energii
![Page 11: Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą rozpraszania jonów wstecz (RBS)](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051218/56815861550346895dc5be2e/html5/thumbnails/11.jpg)
11
Zależność współczynnika kinematycznego od kąta rozproszenia
k¹ t
20 40 60 80 100 120 140 160 180
Wsp
ó³cz
ynni
k ki
nem
atyc
zny
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Ga
Ca
Mg
Ndla pocisku 4He+
o energii 2MeV
Dla zapewnienia najlepszych warunków rozróżnialności blisko leżących pierwiastków kąt detekcji ustala się w okolicach 180°.
Θ = 170°
![Page 12: Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą rozpraszania jonów wstecz (RBS)](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051218/56815861550346895dc5be2e/html5/thumbnails/12.jpg)
12
Masowa zdolność rozdzielcza
liczba masowa A (u)
50 100 150 200 250
Wsp
ó³cz
ynni
k ki
nem
atyc
zny
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
pocisk 4He+
dla k¹ ta rozproszenia = 170o
Dla ciężkich jąder masową zdolność rozdzielczą pogarsza fakt istnienia wielu blisko leżących pierwiastków.
![Page 13: Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą rozpraszania jonów wstecz (RBS)](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051218/56815861550346895dc5be2e/html5/thumbnails/13.jpg)
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.
![Page 14: Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą rozpraszania jonów wstecz (RBS)](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051218/56815861550346895dc5be2e/html5/thumbnails/14.jpg)
Rp = 5.21 µm
Głębokość/ µm
0 1 2 3 4 5 6
Zależność - Energia - Głębokośćdla 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
Ene
rgia
/ M
eV
![Page 15: Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą rozpraszania jonów wstecz (RBS)](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051218/56815861550346895dc5be2e/html5/thumbnails/15.jpg)
15
1/2
d/d
(d/d)n
(d/d)e
200 keV Ar+
15 keV 2 MeV
0.9 keV He+ 800 keV 2 MeV
0.008 keV 70 keV 2 MeV
Prędkość jonu ~ (Energia)1/2
Zd
oln
o ści
ham
ują
c e Jony He
Jony He
Jony Ar
Jony Ar jonizacja
Atomyprzemiesz-czone
dEe/dx
dEn/dx
Straty energii jonów w ciele stałym (LET)
![Page 16: Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą rozpraszania jonów wstecz (RBS)](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051218/56815861550346895dc5be2e/html5/thumbnails/16.jpg)
16
Spowalnianie jonów w tarczy jednoskładnikowej
E1
SE
x
xSxSSk
E
EkEE
,cos
1cos
,
12
11
10
wyj
wej
EkEE
EEE
1
0 ,
E0
kE0
E
kE
x
θ1
θ2θ
![Page 17: Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą rozpraszania jonów wstecz (RBS)](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051218/56815861550346895dc5be2e/html5/thumbnails/17.jpg)
17
Głębokościowa zdolność rozdzielcza
SE
x
- energetyczna zdolność rozdzielcza układu detekcji (eV)- efektywna zdolność hamująca (eV/nm)
E S
![Page 18: Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą rozpraszania jonów wstecz (RBS)](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051218/56815861550346895dc5be2e/html5/thumbnails/18.jpg)
18
Wykrywalność
iinN
iitT
ii
ii
tn 33
liczb
a zl
icze
ń
numer kanału
![Page 19: Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą rozpraszania jonów wstecz (RBS)](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051218/56815861550346895dc5be2e/html5/thumbnails/19.jpg)
19
Układ doświadczalny
TARCZA
DETEKTOR
MAGNES ANALIZUJĄCY
AKCELERATOR
Q < ADC
PROGRAM DO AKWIZYCJI DANYCH
PRZEDWZMACNIACZŁADUNKOWY
WZMACNIACZ LINIOWY
KONWERTER ANALOGOWO-CYFROWY
![Page 20: Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą rozpraszania jonów wstecz (RBS)](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051218/56815861550346895dc5be2e/html5/thumbnails/20.jpg)
20
Jak powstaje widmo RBS dla prostej próbki jednoskładnikowej?
E1
E0
kE0
E
kE
x
θ1
θ2θ
10 cos
)(xS
ExE )(
)(16 2
422
21
fxEeZZ
ENERGIA
LIC
ZB
A Z
LIC
ZE
Ń
E1 kE0
x
![Page 21: Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą rozpraszania jonów wstecz (RBS)](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051218/56815861550346895dc5be2e/html5/thumbnails/21.jpg)
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
Energia
A B
mB>mA
![Page 22: Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą rozpraszania jonów wstecz (RBS)](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051218/56815861550346895dc5be2e/html5/thumbnails/22.jpg)
22
x0
- O- Si
4He+, 2 MeV
x0
Si SiO2
Energia
Głębokość
Licz
ba c
ząst
ek r
ozpr
oszo
nych
x0
Podstawy Rutherford Backscattering Spectrometry
![Page 23: Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą rozpraszania jonów wstecz (RBS)](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051218/56815861550346895dc5be2e/html5/thumbnails/23.jpg)
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.
![Page 24: Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą rozpraszania jonów wstecz (RBS)](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051218/56815861550346895dc5be2e/html5/thumbnails/24.jpg)
24
Widmo dla InP - różne grubości warstw
g³êbokoœæ (nm)
0500100015002000lic
zba
zlic
zeñ
0
5000
10000
15000
20000
energia [keV]
400 600 800 1000 1200 1400
I nP 300nm
sygna³ In i P
g³êbokoœæ (nm)
0500100015002000lic
zba
zlic
zeñ
0
5000
10000
15000
20000
energia [keV]
400 600 800 1000 1200 1400
I nP 600nm
sygna³ In i P
g³êbokoœæ (nm)
0500100015002000lic
zba
zlic
zeñ
0
5000
10000
15000
20000
energia [keV]
400 600 800 1000 1200 1400
I nP 900nm
sygna³ Insygna³ Psygna³ In i P
g³êbokoœæ (nm)
0500100015002000lic
zba
zlic
zeñ
0
5000
10000
15000
20000
energia [keV]
400 600 800 1000 1200 1400
I nP gruba warstwa
sygna³ Insygna³ Psygna³ In i P
![Page 25: Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą rozpraszania jonów wstecz (RBS)](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051218/56815861550346895dc5be2e/html5/thumbnails/25.jpg)
25
Kanałowanie jonów
![Page 26: Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą rozpraszania jonów wstecz (RBS)](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051218/56815861550346895dc5be2e/html5/thumbnails/26.jpg)
26
Analiza rozkładu defektów przy użyciu kanałowania jonów
![Page 27: Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą rozpraszania jonów wstecz (RBS)](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051218/56815861550346895dc5be2e/html5/thumbnails/27.jpg)
27
Widmo random i aligned dla GaN-u
GaN/GaN NL/Al2O3
pomiar RBS Warszawa: E=1.7 MeV, 4He+
Energia (keV)
200 400 600 800 1000 1200 1400
Lic
zba
zlic
zeñ
0
5000
10000
15000
20000
1125 t=16 min
GaN/GaN NL/Al2O3
pomiar RBS Warszawa: E=1.7 MeV, 4He+
Energia (keV)
200 400 600 800 1000 1200 1400
Lic
zba
zlic
zeñ
0
5000
10000
15000
20000
1125 t=16 min
![Page 28: Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą rozpraszania jonów wstecz (RBS)](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051218/56815861550346895dc5be2e/html5/thumbnails/28.jpg)
28
Wpływ grubości warstwy nukleacyjnej na koncentrację defektów
GaN/GaN NL/Al2O3
pomiar RBS Warszawa: E=1.7 MeV, 4He+
Energia (keV)
200 400 600 800 1000 1200 1400
Lic
zba
zlic
zeñ
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
1142 t=6min1124 t=12min1125 t=16min
![Page 29: Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą rozpraszania jonów wstecz (RBS)](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051218/56815861550346895dc5be2e/html5/thumbnails/29.jpg)
29
Rozkład ilości defektów w funkcji głębokości dla próbki 1125
GaN/GaN NL/Al2O3pomiar RBS Warszawa: E=1.7 MeV , 4He+
G³êbokoœæ (nm)
0 200 400 600 800
IloϾ
def
ektó
w (
%)
0
5
10
15
20
25
![Page 30: Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą rozpraszania jonów wstecz (RBS)](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051218/56815861550346895dc5be2e/html5/thumbnails/30.jpg)
30
Warstwa nukleacyjna
1158
channel number
200 300 400 500 600 700 800
yiel
d
0
200
400
600
800
1000
1200
1400 1158 random 1158 aligned
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
![Page 31: Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą rozpraszania jonów wstecz (RBS)](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051218/56815861550346895dc5be2e/html5/thumbnails/31.jpg)
31
1156
channel number
200 300 400 500 600 700 800
yiel
d
0
200
400
600
800
1000
1200
14001156 random 1156 aligned
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
![Page 32: Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą rozpraszania jonów wstecz (RBS)](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051218/56815861550346895dc5be2e/html5/thumbnails/32.jpg)
32
Widmo random dla próbki 1202
1202 (GaN)
numer kana³u
200 400 600 800
liczb
a z
licze
ñ
0
200
400
600
800random 1202
Grubość warstwy
![Page 33: Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą rozpraszania jonów wstecz (RBS)](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051218/56815861550346895dc5be2e/html5/thumbnails/33.jpg)
33
Rozkłady poprzeczne grubości warstw
1202 (GaN), kawa³ek 4 i 5 i 6, y=5 (mm)
x (mm)
-30 -20 -10 0 10 20 30
%
-15
-10
-5
0
5
10
15
a
b
c
d
i
h
ge f
5 6
a
b c
i
h g
f e d
4
![Page 34: Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą rozpraszania jonów wstecz (RBS)](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051218/56815861550346895dc5be2e/html5/thumbnails/34.jpg)
34
Rozkłady poprzeczne grubości warstw
1203 (Al0.5Ga0.5N), kawa³ek 2 i 5 i 8 i 11, x=0 (mm)
y (mm)
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
%
-15
-10
-5
0
5
10
a
b
c
d
e
f
gh
i
j
k
l
a b
c d
e
f
g h
i j
k
l
2
5
8
11
![Page 35: Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą rozpraszania jonów wstecz (RBS)](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051218/56815861550346895dc5be2e/html5/thumbnails/35.jpg)
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.
![Page 36: Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą rozpraszania jonów wstecz (RBS)](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051218/56815861550346895dc5be2e/html5/thumbnails/36.jpg)
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.
![Page 37: Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą rozpraszania jonów wstecz (RBS)](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051218/56815861550346895dc5be2e/html5/thumbnails/37.jpg)
37
Czekamy na Wasze próbki!