IBA: 5 MV Van de Graaff gyorsító

Átírás

1 Nanostruktúrák vizsgálata ionnyalábokkal Szilágyi Edit MTA Wigner FK, RMI

2 Az előadás vázlata Ionnyalábos analitika (IBA) Lehet-e e információt szerezni nanoszerkezetekről IBA- val? Példák: Pórusos szerkezetek ( ) Töredezett rétegek Természetes nanoszerkezet (otolith) Nanolitográfia További lehetőségek

3 hozam hozam hozam hozam IBA: 5 MV Van de Graaff gyorsító PIXE NRA Nb L Röntgen energia [kev] csatorna irányban véletlen beesés 1 CoK NbK O p 1 16 O p 16 O referencia minta szén 1 5 NbK csatornaszám csatornaszám 4 3 BS Ni / Ti multiréteg üvegen tilt 78 o straggling és detektor felbontás összes energia elmosódási járulék elemek, izotópok mélységfüggő meghatározására ERDA a Ni / Ti multirétegen tilt 87 RBX szimuláció ERDA kev He-RBS =165o energia [kev] Egykristályok esetén csatornahatással kombinálható csatornaszám

4 Hozam nergy spread contributions Energy spread [kev] (kev) Rutherford-visszaszórásos spektrometria Az RBS egy szóráskísérlet, ahol egy adott térszögbe visszaszórt ionok energiaeloszlását határozzuk meg. a szóró atom tömegétől, a mintában elfoglalt helyzetétől. E 1 E K M 1 cos M 1 M 2 2 M 2 M 2 1 sin 2 2 E Detektált energia (kev) MeV He-RBS oxidált SiC-ról = 7 = 45 szimulált 1 mbar O 2, 45 h O 4H SiC (1) "Si-oldal" Si beam, energy beam, angular geometric straggling multiple scattering in multiple scattering out Doppler sum without det. res. total Tilt 8 o Csatornaszám RBX : E. Kótai, NIM B 85 (1994) Depth (nm) 17 kev He-RBS Tilt o Energiaelmosódás: =165o E. Szilágyi NIMB 1, (1995) Si

5 Valós minták Inhomogeneitás a rétegvastagságban: n inh 2 X n xi i 1 X Deformált felület def X X, X tg X A hordozó felületi durvasága: L X subst x erf X tg L substrate

6 Hordozó felületi durvasága inhomogeneitás + deformáció N.P. Barradas et al., Nucl. Instr. Meth. B 94 (1994) Hordozó durvasága: Si: x=1.7 nm L=39 nm Üveg: x=.9 nm L=24 nm

7 3D-analízis: mikronyaláb E x, y, E detektált detektált A felbontás függ a nyalábmérettől; Sugárkárosodás nagy; minden folton egy spektrumot kell gyűjetni.

8 3D-analízis: Pórusos strukturális Si RBS energiaelmosódás spektruma SnO-val dekorált porózus Si RBX : E. Kótai, NIM B 85 (1994) 588. Lehet-e információt szerezni pórusos nanoszerkezetekről RBS-sel, vagy IBA-val? E. Szilágyi et al., Mater. Sci. Forum (1997) 373. RBS-MAST: RBS on MAcroSTructures A pórusokban ugyanis nincs se fékeződés, se szóródás. Az IBA nem érzékeny az anyag sűrűségére sem. Ez igaz is, az RBX szimulációval a szokásos rétegszerkezet leírással egész jól Z. Hajnal et al., Nucl. Instr. Meth. B 118 (1996) 617. leírható a spektrum. Kisebb eltérések csak a réteghatárokon találtunk.

9 S/Sr 3D-analízis: strukturális energiaelmosódás He 16O(, )16O 16 O SiO 2 Si Energy (kev) Cheng 1993 (17) RBS-MAST: RBS on MAcroSTructures Z. Hajnal et al., Nucl. Instr. Meth. B 118 (1996) 617. Oszlopos szerkezetű porózus Si (66% porozitás, ~2 nm pórustávolság) RBS spektruma.

10 Porózus szilícium Meghatározható: porozitás, átlagos pórustávolság, pórus átmérő, struktúra,... F. Pászti et al., Nucl. Instr. Meth. B (1998) 533.

11 Ionimplantáció hatása 16 O( ) 16 O rezonanciacsúcs szélessége vs. döntési szög Surface dőlés Tömörödött réteg tömörödés 1 m Oszlopos szerkezetű porózus Si 4 MeV 14 N + ionokkal implantálva: tömörödés + pórus falak dőlése. F. Pászti et al., Nucl. Instr. Meth. B (2)

12 Yield Töredezett rétegek Ag: 1 1 nm 17 nm Fe: nm 21 nm Ag: 11 nm Ag Fe: 11 nm Fe tilt 7 o 11 kev 4 He + -RBS MgO/Fe/Ag_HT Fe Fe Ag Ag tilt 45 o measured RBS-MAST RBX Fe Ag Energy (kev) Á. Tunyogi et al., Nucl. Instr. Meth. B 266 (28) RBS-MAST program Window-os változata (E. Kótai, to be published) RBX : E. Kótai, NIM B 85 (1994) 588.

13 Yield Yield Yield Y Axis Title yield Yield Otolith (fülkő) mikronyalábos vizsgálata Channels measured at point 3 RBSMAST simulation 75 measured at point 2 RBSMAST simulation 6 measured at point 4 RBSMAST simulation Fülkő: CaCO 3 (aragonit) és fehérje évgyűrűs szerkezet, évszakok, Channels éjszakák és nappalok Tilt measured at point 6 RBSMAST simulation Channels X Axis Title 15 measured at point 2 RBSMAST simulation measured at point 5 RBSMAST simulation Channels E. Parmentier et al. / Journal of Structural Biology 159 (27) 462. tarka menyhal (Lota lota L.) Tarka menyhal (Lota lota L.) fülköve Channels R. Huszank et al., Nucl. Instr. Meth. B 267 (29) 2132.

14 Yield SiO 2 nanogömbök SiO 2 szénfólián szénfólián 3 2 measured simulated by RBX simulated by RBS-MAST 2 MeV RBS E detektált 1 tilt 6 o 3 2 C O tilt 7 o Si Channels A spektrumok Zolnai Zsolt PRB cikkének kísérleti anyagából valók.

15 Beütésszám Spektrum szélesség/csúcs pozíció Miről kaphatunk információt? Spektrum alakok Effektív rétegvastagság szögfüggése = o (merõleges nyaláb beesés) Henger Folytonos réteg Csatornaszám Gömb folytonos réteg LB szilika réteg Ar/LBmaszk Ar/swelling Döntési szög ( o ) ZnO nanoszál 1 objektum Információs térfogat Lokális környezet 1., 2.,, n. szomszédok száma, távolsága Egyidejű információ: összetétel, alak, méret

16 Nanogömb-litográfia Z. Zolnai: NIM B 268 (21) 79 86; Z. Zolnai: Physical Review B 83, (211); Z. Zolnai: Applied Surface Science 281 (213) 17 23

17 További lehetőségek Ionnyalábokkal nem csak vizsgálhatók, módosíthatók, hanem elő is állíthatók nanoszerkezetek, pl. SiC implantáció + hőkezeléssel. Az adalék atomok megfelelő implantációval ugyanabba a mélységbe juttatva esetleg a nanoszerkezetek adalékolása is megoldható. In-situ spektroszkópia ellipszometria alkalmazása a NIK- en. Ionlumineszcencia? (MTA beruházási pályázat, döntés a napokban várható.)

18 Ionlumineszcencia Ionlumineszcenciánál a fényemissziót megelőző gerjesztés ionsugaras besugárzás következménye. Az IBIL-t az EG-2R Van de Graaff-gyorsító nyalábágainál igény szerint alkalmaznánk. Alkalmazási lehetőségei a teljesség igénye nélkül: archeológiai minták, szervetlen pigmentek, művészeti tárgyak vizsgálata, kőzetek, drágakövek összetételének és eredetének meghatározása, kristályok szintcentrumainak meghatározása, hibaszerkezetek azonosítása, ritkaföldfém- vagy átmenetifém-tartalom tartalom azonosítása, fémötvözetek felszínének vizsgálata (már az 197-es évek elejétől), a legkülönbözőbb szigetelő és félvezető nanoszerkezetek, mint pl. GaN nanodrótok, eltemetett Si, vagy SiC nanokristályok, ZnO nanorészecskék, stb.

19 Jelenlegi munkatársak Kutatók: Bányász István (ionimplantáció) Kótai Endre (ERDA, RBS/csatornahatás) Kovács Imre (PIXE, kihozott nyaláb) Németh Attila (ionimplantáció, NIK) Szőkefalvi-Nagy Zoltán, emeritus (PIXE, kihozott nyaláb) Zolnai Zsolt, MTA TTK MFA (RBS/csatornahatás) Üzemeltetés, karbantartás: Kiss László, Kostka Pál, külső mts., Seres Csaba, Zwickl Zoltán Köszönet a hallgatóságnak a figyelméért!