NIZKOENERGIJSKI POSPESEVALNIK ZA ANALIZO MATERIALOV
M. Budnar, A. Cvelbar, P. Panjan, P. Peücon, Ž. Šmit in B. Zorko.
Institut "Jožet Stefan", Jamova 39, 61111 Ljubljana
Low-energy Accelerator for Material Analysis
ABSTRACT
Accdi^racor br ions ud to few MeV is a conveneni tool lor modfdcaiion and ana^/sis oi materials. In the ecnblbubon some metnods based on such low^energy accelerator are fleecribed. Tha rnelhods as Prolon induced X-r^y Emission {PIXE). Rutherford Backscattering Specfforrielry (PBS), Elasbc Recoil Detection Analysis (ERDA) and Nuclea; ReacQon Analysis (NRA) are successful In «lemantai c«rnpoaibon determination or tor depth profiling. Due to small depth range of ione in rraner the mel^OdS are especially useful lof artaJysis of surfaces. Tl-ie techniQues are nondesbucOve and multlelemantai and enaUe determination ol nearly all e4erT>erit3 of the penodic system, sorrta of them w>th s«nsitlvibes beiow ppm.
POVZETEK
Pospslevalntk ionov do nekaj UeV je prikladno orodje pri modifikacijah in analizah materialov, V prispevku SO Opisane nekalere jedrske speMroskopske metode, ki temaijijo na uporabi takega nizkoenergijskega poep«4evdJnika. Metode, kot so proton» sko vzbujena emisija rentgenskih žarkov (PIXE), metoda povratno sipanin projektilov (RBS), analiza elastično odrinianih atprnov tarče (ERDA) ter analiza produMov jedrskih reakcij (NRA), so uspešne pr določanju elementne sestave n^alerlalov ki gloDinskih porazdelitev elementov. Zaiadl majhnega doeega Ionov v snovi so le posebej primerne pri analizah površin. So neporuSne in večeiementne ter on>ogo6ajo določevanje praktično vseh etemen« tov periodnega sistema, rrnogih z obČuUjivoeljo pod ppm,
1	Uvod
Jedrske spektroskopske metode izhajajo iz socfe-lovanja pospešenih ionov s snovjo. Pri tem se vzbudijo različna sevanja, ki odražajo lastnosti snovi /1/. To je ie posebej pomembno pri analizah različnih materialov, kjer podatki o vsebnosti po* sameznih sestavin, nekaterih tudi s koncentracijami pod ppm, igrajo bistveno vlogo. V drugih pnmerih 50 odločilne globinske porazdelitve elementov, še posebej kadar imamo opravka z ^večplastnimi strukturami. Pogosto pa je potrebno poznati mikros-trukturo materiala, kjer uporaba ionskega mikrocurka omogoča preiskave na površinah, manjših od ^Lm2. Izkaže se, da so v omenjenih primerih jedrske spektroskopske metode zelo uspešne in da pogosto dopolnjujejo konvencionalne metode, kot so pre* sevna elektronska mikroskopija (XTEM), Augerjeva elektronska spektroskopija (AES) in druge. Mnogi laboratoriji za analize in modifikacije materialov so zato opremljeni z nizkoenergijskimi pospeševalniki, ki so bili do nedavna le orodje za raziskave v jedrski in atomski fiziki /2/.
2	Jedrske spektrosKopsKe metode
Nabiti delci pri prodiranju v vzorec sodelujejo s snovjo tako, da se sipajo na njenih atomih, jih odrivajo, predvsem pa Izbijajo elektrone ali pa jih
dvigajo v vzbujena stanja. Posledica so razna sevanja, od svetlobe do rentgenskih žarkov Izsevano zarkovje uporabimo za raziskave sestave In oblike snovi, ki jO želimo analizirati (slika 1). Pri metodi protonskega vzbujanja rentgenskih žarkov (PIXE) merimo renigenske žarke, karakteristične za atome, ki sestavljajo snov. Analiza omogoča, da merimo koncentracije elementov z občutljivostjo pod 1 ppm. Seveda lahko določamo koncentracije s Še precej večjo občutljivostjo, če vzorec pred meritvijo prekon-centriramo. Metoda PIXE omogoča hkratno meritev vrste kemijskih elementov, od ogljika do urana. Pri meritvi se vzorec ne p^oškoduje, poleg tega pa jo lahko opravimo že v nekaj minutah. Prednost metode PIXE je tudi v tem, da omogoča analizo majhnih količin snovi (celo do nekaj ng), 2 razvojem proton-ske mikroprobe, ki omogoča elementne analize na površinah manjših od i »m^, pa je ta metoda dobila dodatne prednosti. Varianta metode PIXE, kjer rentgenske žarke spekirometriramo s še posebej veliko ločljivostjo, omogoča, da določamo elemenino sestavo kompleksnih vzorcev In celo kemijska stanja elementov, ki tak vzorec sestavljajo.
Mlffcrr««»! jncme»* MCCM
l^icl« Mxed l-rof tmsMn	CCM CKomii^ Canrm i-kwcoff"
RBS Bi^he'Pwd B«kKiillH«g	STIM Se»-)} ifwissen k-, M^fo«^
RFS »ulherisrd	SeolWix^	SEH Saoodvy EisBtn Mctovxcy
n»«	analysis	p)0£ ikliele hicm qotos-'ot enswi
Slika 1. Pospešeni ioni iz nizkoentrgij^kega po-speseva/n/fca omogočajo vrsto jedr^Kih spektroskopij za pre^sfcave materialov
Pogosto nas ne zanima samo elementna sestava, temveč tudi globinska porazdelitev elementov. Določamo jo z opazovanjem spplctrnv, ki pripadlo prožno sipanim profektilom na alomih vzorca. Ce prožno sipanje merimo v smeri nazaj glede na vpadno smer. govorimo o metodi povratnega sipanja projektilov {RBS). Možna je tudi meritev v smeri
naprdj, kl tvori metodo naprej sipanih projektilov (RFS). če zaznamo tudi '<z vzorca odrinjene ione, imamo opravka s spektrometrijo prožno odrinjenih tonov (ERDA). Vse te metode so sicer manj občutljive kot PiXE (do 100 ppm), a kljub temu omogočajo, da z njimi določamo globinsko porazdd-lilev praktično v&eh elementov periodnega sistema, vključno z vodikom. Bolj kot občutljivost )e tu odločilen podatek, da globinske porazdelitve določamo z ločljivostjo okrog 10 nm do globine nekaj 10 ^m. To pomeni, da so omenjene metode zelo uporat:^ne pri analizah površin.
Zanimiva izpeljanka metode R6S temelji na usmer» janju projektilov v kanale med kristalnimi ravninami, to je kanalska kontrastna mikroskopija (CCM). Z njo je mogoče raziskovati nepravilnosti v kristalni strukturi materialov. Za elektronsko Industrijo pa sta uporabni tudi mikroskopija transmitiranih ionov (STIM). pri kateri Štejemo ione, ki so prešli vzorec, ter mikroskopije sekundarnih elektronov (SEM), kjer merimo tok izbitih elektronov. Pri ns^tetih treh metodah seveda potrebujemo ionski mikrocurek.
Sestavo snovi in plasti lahko določamo tudi z jedrskimi reakcijami. Ugotavljamo njihove razpadne produkte (NRA) aii pa izsevane žarke gama (PIGE). Ti dve metodi sla Še posebej selektivni za določene lahke elemente, ki jih zato lahko merimo z veliko občutljivostjo.
Za vse omenjene metode je skupno, da uporabljajo nizkoenergijskl pospeševalnik. Prednost je Še v tem, da s pospešenimi Ioni lahko opravimo veČ vrst meritev istočasno, saj detektorje namestimo na različnih legah okrog merjenega vzorca. Navadno je vzorec v posebni vakuumski merilni komori, saj v pospešesralniku projektni lahko potujejo le v vakuumu. Z določenimi prilagoditvami je možno curek projektilov speljati tudi iz pospeševal ni ka. Z njim analiziramo večje predmete, ki jih ne želimo poškodovati.
3 Poskusne meritve
Metodo RBS smo preizkusili na večplastnih vzorcih /3/. Kot projektne smo uporabljali ione He*^ z energijo 1,3 MeV In tokove nekaj nA iz Van de Graaffovega pospeševalnika. Projektiii so se sipali na večplastnih vzorcih v vakuumski merilni komori (s^ika ^). Sipane Projektile smo detektirali s polprevodnilkim števcem pod kotom 140'^ glede na vpadno smer. Kinematski faktor za prožni tr1< med projektilom In jedrom tarče (enačba 1) omogoča, da ločimo prispevke, ki pripadajo posameznim elementom v vzorcu.
RBS de(«Vt»r
Kpies - (
sin 89 + M, coše" Ml
+ Ma )
(2)
Slika 3 prikazuje spekter sipanih projektilov na Ni/Cr vzorcu, sestavljenem iz osmih izmeničnih plasti Ni in Cr. pri Čemer je bi^e debelina vsake posamezne plasti 30 nm. Ilustrativna je globinska ločljivost metode, ki je okrog 10 nm. Ta je omogočala dobro reprodukcijo večplastne strukture In ceio Študij sprememb profila v odvisnosti od temperature.
6 R o d«t«ht»r
Slika 2. Geometrijska razporeditev pri meritveh z metodama RBS in SRDA
Izkazalo se je. da so rezultati z metodo RBS primerljivi s tistimi, ki jih daje AES. Kljub vsemu pa je za popolnejšo analizo priporočljiva uporaba obeh metod hkrati, ker daje komplementarne Informacije.
Lahkih elementov, kot je vodik, z metodo RBS ne moremo zaznati. Poleg analize z jedrskimi reakcijami, ki pa zahteva težke projekti le, je možna tudi spektrometrija prožno odrinjenih ionov (ERDA). Pri tej smo zopet uporabljali He'*' projektne, tokrat z energijo 1,5 MeV. V vakuumski merihi komori smo s pol prevod niški m Števcem zaznali iz vzorca odrinjene pTOlone (slika 2). Kinematika prožnega trka (enačba 2) omogoča, da ločimo odrinjene protone od sipanih He projektilov. Pri merlNah smo delali v odbojni geometriji pri vpadnem kotu a=10® In odbojnem kotu ß®10° {tp»20°) glede na površino
tarče.
K
4Mi Ms cos
- (M, +
(2)
Meritve vsebnosti vodika smo opravili na vzorcih z znano stehiometrijo. Izmerjene koncentracije v pla*
, RBS spekter Ni / Cf |
m ioo too
fOOf
Slika 3. R8S speWer večp/esfne strukture Ni/Cr vzorca
, ERP sp^lcter^ vodik v siliciju |
l/s 1S0 If
ia i» žf 900 sa Jio Iff 'CO Its »t
goo
i?s '9> tn 9» Si asD m 300 siS no 37i 4C0 ^-s «ö
I kanal |
S//ika 4, SpeAfer oörinfBiyih protonov izmerjen z metodo BHOA na emofinem Si, obde-fanem v vodikovi plazmi
stiki In kaptonu se z znanimi masnimi razmerji ujemajo na ±10%. Tako umerjeno metodo smo uporabili za določitev koncentracije vodika v amorf-
nem Si» obdelanem z vodikovo plazmo. Na sliki 4 je prikazan spekter odrinjenih protonov iz Si vzonia. Vrh pripada vodiku, ki je bil adsorOiran na površini Si in je ustrezal 1,S% vodikove povprečne masne koncentracije v 40 nm debeli plasti.
4	Sklep
Pfi izbranih primerih smo nakazali nekatere možnosti, ki jih dajejo jedrske spektroskopske metode pri analizi materialov, Metode, ki temeljijo na prožnih trkih projekti lov in tarčnih Jeder, so uporabne predvsem za določanje globinske porazdelitve elementov. Tiste, pri katerih se vzbudijo različna sevanja, pa rabijo za določanje elementne sestave vzorcev, Z uporabo ionskega mikrocurka je možno tudi mikroskopiranje vzorca,
5	Literatura
/1/ v. ValkovlC and O, Mo9Chini, ApplicaBon of Chargad-Panicle Seam$ m Science and Technology, Rfvlsta d^l Nuovo Cimamo, Vol, iS, Ho. 3. i-73 (1992)
/2/ V. Valkovič ar>d W Zysskow^l Accelerators in Sc«ncd and IrKluStrv • Focus on the Midle East&EurO{)e, IAEA Bul^in, Vol, Se, No. 1, 24-29 (1994)
/3/ P, Panjan, 2, ^rt. A. Cveibar, A. Batagalj. U, Budrtar, P helicon. 8. Nevmšek, Q, Dražič. M, Remškdr, A Zaiar m B Prač@k, SpehtroskoDfja tankih piasD z Rutherfordown oovrat-mm sipanjem (RES). Val<uumi$», i3/3, 7-n {1993)
Prva ponovitev "defavnice" Vakuumska tehnika za srednješolske predavatelje
Zamisel, da naše društvo organizira poleg obstoječih tečajev iz vakuumske tehnike, še "delavnico" za srednješolske predavatelje, ki bi Širili znanja s tega podredja med mladimi v srednjih šolah, je bila prvič realizirana lani jeseni. Pripravili smo tudi knjigo "Vakuumska tehnika za srednješolske predavatelje', ki vsebuje snov teoretičnega dela "delavnice". Slušatelji dobijo na "delavnici" še prilogo Eksperimentalne vaje, kjer so podrobno opisane vaje, ki jih obdelamo na "delavnici".
Letos je Izobraževalni center Zavoda*za iolstvo ^n špcrt Republike Slovenije aprila razpisal natečaj za izvajalce stalnega strokovnega izpopolnjevanja pedagoških delavcev. Društvo za vakuumsko tehniko Slovenije Je uspešno konkuriralo z "delavnico" Vakuumska tehnika za srednješolske predavatelje, ki je uvrščena v Katalogu stalnega strokovnega spopolnjevanja pedagoških defavcev v Republiki Sloveniji za 1994,'95 pod številko 241. Na osnovi udeležbe in pripravljenih seminarskih nalog pridobe srednješolski predavatelji (eno) točko za dopolnilno izobraževanje.
Društvo za vakuumsko tehniko Slovenije je v sodelovanju z Inštitutom za elektroniko rn vakuumsko tehniko uspešno izvedlo prvo ponovitev lanske "delavnice" v času od 15, do 17, septembra letos. Udeležencev, srednješolskih predavateljev - pnyfesor-
jev in inženirjev, je bilo 10 in vsi so bili zelo zadovoljni s potekom "delavnice", po njihovih izjavah sodeč, so bili prijetno presenečeni z vsebino m izvedbo. Anketa ob koncu je pokazala, da so bili slušatelji zelo zadovoljni in da so ugotovili, da bodo mogli vključiti tako del osnov kot nekatere eksperi» mente v pouk. Kljub objavi v Katalogu, direktnemu pisnemu obveščanju preko 60 šol in ponovitvi lanske uspešne izvedbe, je bil osnovni vir informacije o "delavnici" ustni med kolegi.
"Delavnica' je bila od Četrtka do sobote, vključevala je poleg teoretičnih predavanj In eksperimentalnih vaj v laboratoriju še ogled nekaterih laboratorijev Inštituta za elektroniko In vakuumsko tehniko m Instituta "Jožef Stefan". Udeleženci so izrazili zeljo, da bi povečali čas, predviden za eksperimentalne va/e in da bi jim druSh'O pomagalo pri nabavi opreme oz. omogočilo ogled z dijaki. Ponovitev •delavnice" nam je potrdilo, da smo pravdno zastavili popularizacijo našega interdisciplinarnega področja že v srednji šoli.
Vse aktivnosti so potekale organizirano in brez zastojev, za kar se iskreno zahvaljujem koleoom, ki so pn tem sodelovali.
Vodja projekta: dr. Bojan Janko