Analiza fasciculului de ioni

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

Analiza fasciculului de ioni (din limba engleză „Ion Beam Analysis”, abre. IBA) este o importantă familie de tehnici analitice care implică utilizarea fasciculelor de ioni accelerate la energii de ordinul MeV pentru a testa compoziția și a obține profiluri de adâncime ale elementelor din stratul de suprafață al solidelor. Toate metodele IBA au o sensibilitate ridicată și permit detectarea elementelor cu sensibilitate a fracțiilor monostrat. Rezoluția adâncimii tehnicilor este de obicei între câțiva nanometri și câteva zeci de nanometri, în funcție de tehnica și cunoștințele privind pierderile de energie. Adâncimea analizată variază de la câteva zeci de nanometri la câteva zeci de micrometri. Metodele IBA sunt cantitative cu o precizie de câteva procente, de obicei determinată de incertitudinea standardului (standardelor) de calibrare cerut (e) de obicei. Utilizarea fenomenului de canalizare asociat cu tehnicile IBA permite analiza cristalinității, permițând, de asemenea, determinarea profilului de adâncime al daunelor în monocristale sau localizarea reticulară a impurităților prezente în urme (de asemenea <ppb).

  • RBS: Rutherford backscattering (din engleza Rutherford backscattering spectrometry) este o tehnică cantitativă sensibilă la elementele grele dintr-o matrice ușoară și se bazează pe interacțiuni ion-nucleu de tip elastic [1] .
  • rRBS: Back-scattering rezonant (non-Rutherford) poate fi, de asemenea, sensibil la elementele ușoare dintr-o matrice grea. Termenul rR BS este utilizat atunci când particula / ionul incident are suficientă energie pentru a depăși bariera Coulomb a nucleului țintă. Interacțiunea nu va mai fi de tipul „ Rutherford ” sau pur culombian. În acest caz, trebuie abordată o abordare cuantică pentru a obține o secțiune transversală de împrăștiere (a se vedea http://www-nds.iaea.org/sigmacalc/ ). În general, această abordare este prea complexă și se bazează pe măsurători experimentale ale secțiunilor transversale.
  • ERD sau ERDA: Elastic Recoil Detection Analysis este o tehnică cantitativă sensibilă la elementele ușoare dintr-o matrice grea. Este utilizat în general pentru a detecta și cuantifica prezența hidrogenului.
  • PIXE: Emisia de raze X indusă de particule (de la protonul englezesc sau emisiunea de raze X indusă de particule ) permite o analiză a compoziției elementare a materialelor prin detectarea razelor X induse de impactul fasciculelor ionice.
  • NRA: Analiza reacției nucleare este o tehnică sensibilă la izotopi anumiți și permite analiza și cuantificarea unui anumit ion într-un material [1] . De asemenea, este posibil să se efectueze o analiză rezolvată cu grosimea și permite limite de detectare foarte mici, chiar și a fracțiunilor monostrat.
  • Canalizare : fasciculul ionic incident poate suferi procese de deviere și canalizare într-un material cristalin dacă cristalul este aliniat cu exactitate la fasciculul ionic [2] . Axa sau planurile cristalografice aliniate la fascicul fac ca acesta din urmă să se propage într-un material într-un mod neuniform, limitându-l în principal între liniile sau planurile rândurilor atomice. Acest lucru se datorează efectului unui potențial respingător dat de nucleele atomice ordonate ale cristalului care generează un potențial periodic în interiorul căruia se mișcă fasciculul. Acest lucru determină o scădere a probabilității de împrăștiere între ion și nuclei și, în combinație cu una dintre tehnicile anterioare, permite o analiză cristalografică / reticulară specială, cum ar fi studiul defectelor, localizarea rețelei impurităților etc.

Evaluarea cantitativă a metodelor IBA necesită utilizarea unui software dedicat de simulare și analiză a datelor. SIMNRA , Rump și DataFurnace sunt doar câteva dintre cele mai populare programe pentru analiza RBS, ERD și NRA, în timp ce GUPIX este popular pentru PIXE. Există, de asemenea, multe software necomerciale dezvoltate de grupuri universitare atât în ​​domeniul public, cât și în domeniul non-public.

Analiza prin utilizarea fasciculelor ionice se bazează pe faptul că interacțiunile ion-atom sunt induse de introducerea ionilor energetici în materialul țintă care urmează să fie investigat. Principalele interacțiuni implică emisia de produse care permit colectarea de informații cu privire la numărul, tipul, distribuția și dispunerea structurală a atomilor dintr-un material. Pentru a utiliza aceste interacțiuni pentru a determina compoziția eșantionului, este necesar nu numai să alegeți o tehnică specifică, ci și să determinați condițiile de iradiere, sistemul de detectare, fasciculul și, în general, condițiile care vor permite detectarea informațiilor. în cel mai bun caz, oferind sensibilitatea și limitele de detectare necesare.

Instrumentația de bază a unui aparat cu fascicul de ioni este formată dintr-un accelerator care produce un fascicul de ioni care este conectat la un tub care transportă fasciculul în vid și este echipat cu dispozitive pentru manipularea fasciculului (sisteme magnetice: magnet analizor, cvadrupoli magnetici). Acest aparat trebuie să izoleze speciile ionice și sarcina de interes (de exemplu, trebuie să poată selecta ioni de heliu simplu sau dublu, care sunt în general produși simultan) care trebuie apoi transportați printr-o linie de fascicul de vid către camera de măsurare, unde materialul țintă este prezent. În camera de măsurare, fasciculul de ioni va intra în contact cu proba, interacțiunea dintre ioni și material va avea loc și produsele interacțiunii vor fi detectate de către detectoarele plasate în interiorul acestuia. Configurația aparatului poate fi modificată și complexizată odată cu încorporarea componentelor suplimentare și, în general, camerele de măsurare sunt proiectate pentru a putea efectua diferite tehnici de măsurare, cum ar fi RBS, NRA, rRBS, dar și PIXE. Tehnicile pentru analiza fasciculului de ioni sunt concepute în scopuri specifice. Tipurile și aranjamentele detectoarelor pentru tehnicile cu fascicul de ioni sunt prezentate în Tabelul 1.

Tabelul 1: Tipuri și aranjamente ale detectoarelor pentru tehnicile cu fascicul de ioni [3]
Produs Detector Configurare Gol
EA E Ioni împrăștiați Channeltron Mobilă goală, avantajoasă

Măsurarea energiei necesită

Analizor electrostatic / magnetic

UHV
SIMS Ioni secundari Channeltron Geometrie goală, fixă

Rezoluție de masă redusă cu ESA, QMA

Rezoluție ridicată de masă cu Sector Field Analyzer

UHV
SIPS Fotoni optici Spectrofotometru În afara camerei, geometrie fixă, rezoluție mare în lungime de undă. <1mPa
PIXE Raze X Da (Li)

IG

Ambalat sub vid sau exterior camerei de măsurare. Fereastra subțire. Răcire cu azot lichid <1mPa
RBS Ioni semiconductor Vid, geometrie mobilă

Aspect mic și simplu

<100 mPa
RBS-C Ioni semiconductor La fel ca RBS. Manevrarea probelor datorită unui goniometru de precizie. <100 mPa
A FOST Ioni semiconductor Geometria unghiului de pășunat pentru o rezoluție mai bună a adâncimii
NRA Ioni semiconductor Detectoare cu unghiuri solide mai mari decât RBS
PIGME Raze gamma Ge (Li)

NaI

Geam cu detectare externă din cameră, detector criostat

Rezoluție înaltă, eficiență redusă

Rezoluție slabă, eficiență ridicată

<100 mPa
NRA Neutroni BF 3

Sticlă-le

Scintilator

Exterior, eficiență redusă

Numai detectare

Rezoluție largă pentru implementare

Analiza fasciculului de ioni a găsit utilizare într-o serie de aplicații foarte largi, variind de la utilizări biomedicale la studiul artefactelor antice, dar mai ales la studiul materialelor pentru micro și nanoelectronică, fotonică și multe altele. Popularitatea acestor tehnici derivă din posibilitatea de a obține date cu sensibilitate ridicată, care pot fi colectate fără deteriorări sau artefacte semnificative pentru materialele analizate. Succesul de neegalat al utilizării analizei cu fascicul de ioni a fost practic necontestat în ultimii treizeci de ani până de curând, când noile tehnologii în curs de dezvoltare au intrat pe piață. Chiar și de atunci, utilizarea analizei fasciculului de ioni nu a dispărut, dar s-au găsit mai multe aplicații noi care exploatează capacitățile sale de detectare cu o sensibilitate care nu se găsește în nicio altă tehnică. Într-o eră în care tehnologiile vechi pot deveni învechite într-o clipă, analiza fasciculului de ioni a rămas un pilon în domeniul științific și chiar și astăzi pare să crească și să se extindă datorită cercetătorilor care găsesc întotdeauna noi domenii pentru știință. .

Notă

  1. ^ a b LC Feldman și JW Mayer, Fundamentals of Modern Surface Analysys, North Holland, 1986 ..
  2. ^ DV Morgan, Channeling, Wiley, 1973 .
  3. ^ JS WILLIAMS și JR BIRD, 1 - Concepte și principii ale analizei Ion Beam , San Diego, Academic Press, 1 ianuarie 1989, pp. 3-102, DOI : 10.1016 / b978-0-08-091689-7.50006-9 , ISBN 9780120997404 .