Az ECR Ionforrás Laboratórium 20 éves története Pálinkás József a Magyar Tudományos Akadémia elnöke 60 éves
Anyagfelületek funkcionalizálása ionokkal Kökényesi Sándor
Debreceni Egyetem Kísérleti Fizikai Tanszék
Adott egy unikális, multifunkciós , 14.5 GHZ ECR ionforrás !
? ? ?
?
Adott egy multifunkciós kutatócsoport , amelyben együttműködhetnek ionfizikával, anyagvizsgálatokkal, nanotechnológiával foglalkozó szakemberek az ATOMKI- ból és a Debreceni Egyetemről,
és adott egy témavezető, aki érdekelt az új utak felfedezésében, irányzatok fejlesztésében !
Pálinkás József és a kezdő csoport:
Kökényesi Sándor, Iván István, Szabó István, Biri Sándor, a csoport további növekedése:
Takács Viktor, Csík Attila, Csarnovics István, Hegedüs Csaba, Rácz Richárd…
Háttér: • Úttörő kutatások az USA-ban - National Institute of Standards and Technologymagasan töltött ionok különös kölcsönhatása a szilárdtestek felületével • Első kutatások Európában – Wienna University of Technology, Electron Beam Ion Trap (Dresden-EBIT)- magasan töltött ionok kölcsönhatása fém és dielektrikum kristályfelületekkel
• Egy sor különleges, fény- , elektron- , proton- nyalábokra érzékeny, funkcionális félvezető anyag, kristályok és üvegek, amorf rétegek vizsgálatai Debrecenben
Ion – felület kölcsönhatás: alaptudomány és alkalmazás Mi történhet, amikor az ionok kölcsönhatnak a felülettel ? - kis, termikus energiák : fizikai vagy kémiai szorpció vagy deszorpció - 10-50 eV : a molekulák atomokra bomlanak, kötődnek - 100-1000 eV : atomokat üthetünk ki a felületből plazma maratás, elektronika - > 1000 eV : atomokat implantálunk adalékolás, elektronika
Mindhárom esetben megtörténhet a felület FUNKCIONALIZÁLÁSA, azaz új tulajdonságok kialakulása : - nano- és mikrométer skálán változik a felület szerkezete, érdessége - változhat az összetétele, a vegyi kötések jellege - változik a reakcióképessége Alkalmazás: tisztítás, vékonyítás, litográfia, adalékolás, mechanikai, optikai és elektromos paraméterek, illetve vegyi, biológiai kölcsönhatások megváltoztatása
Általános tapasztalat:
Néhány száz elektronvoltig gyorsan növekszik a porlasztás γs hatásfoka, ezen felül már nem függ a bombázó ion kinetikai energiájától: γs = Mi/Et(Mi+Mt), ahol Et –felületi kötések energiája, Mi és Mt – a bombázó és a felületi atomok tömege. Mi van, ha a töltést, a potenciális energiát változtatjuk?
Kezdetek... Ezt várták.....
J. D. Gillaspy, PHYSICAL REVIEW B VOLUME 55, NUMBER 4 15 JANUARY 1997-II
Közben ezeket látták: Friedrich Aumayr 1,6, Stefan Facsko 2, Ayman S El-Said 1,2,3, Christina Trautmann 4 and Marika Schleberger 5, J. Phys.: Condens. Matter 23 (2011) 393001 (23pp)1 Institute of Applied Physics, TU Wien, 2 Institut f¨ur Ionenstrahlphysik und Materialforschung, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, 3 Physics Department, Faculty of Science, Mansoura University, Egypt4 GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research, Darmstadt, Germany,5 Fakult¨at f¨ur Physik, Universit¨at Duisburg-Essen, Germany
Topographic contact mode AFM images of CaF2(111) surfaces after irradiation with (a) 870 MeV Xe ions of 5 ⇥ 109 cm−2
Hillocks formed on the surface of CaF2(111) single crystals: (a) mean hillock volume as a function of electronic energy loss of SHI (b) Mean hillock volume as a function of potential energy of highly charged Xeq+ ions The threshold(s) for nanohillock formation are indicated
A kutatásaink fókuszában főleg a „laza szerkezetű”, Van-der-Waals és kovalens, ionos kötések kombinációjával rendelkező félvezetők voltak. Ezek az anyagok lehetnek egy- vagy kétdimenziós, viszonylag könnyen felbontható szerkezeti elemeket tartalmazó egykristályok ( például Se, SbSI és GaSe), láncolatos vagy réteges elemeket tartalmazó kalkogenid üvegek (GeS2), belőlük készült vékonyrétegek és nanoréteges struktúrák.
Ezt láttuk mi különböző funkcionális félvezető anyagokon:
1) Xe+21 kölcsönhatása SbSI kristály sík, hasított felületével: AFM által előállított 3D és felülnézeti kép, valamint a kapott felületi domborzatok keresztmetszete.
2) Se – felületek bombázása Belövés előtt +
200-240 KeV Xeq+ ionok
Belövés után (Xe20+)
Belövés után (Xe24+)
A stimulált változások lehető közös mechanizmusát vizsgáltuk azáltal, hogy az AsSe rétegeket Ne+q (q=4…8) ionokkal bombáztuk. A nagyobb töltésű ionok nagyobb energiát veszíthetnek, de kisebb a behatolási mélységük
4+ 5+ 6+ 8+
1.0
600 nm
T/T0
0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0
2
4
6
8
14
10
fluence,10 ion/cm
2
12
800 nm vastag AsSe réteg optikai áteresztésének változása 600 és 640 nm hullámhosszon Neq+ (q=4..8) ionok bombázása után
14
1.0
4+ 5+ 6+ 8+
640 nm
T/T0
0.8 0.6 0.4 0.2 0
2
4
6
8
14
10
fluence, 10 ion/cm
12
2
14
(T/T0)sat, rel. units
1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 3
4
5
6
7
8
9
Incident ion charge
A sötétedés telítési állapotának függvénye az ionok töltésétől.
További érdekességek: 1.Ballisztikus keverés (multirétegek) 3-5 nm, Co/Pt, stb.(Se/As2S3 nanomultirétegek) 2. Amorfizáció-kristályosítás (felület megmunkálása, finom maratás) Se, SeTe,... 3. Implantáció (félvezetők) 180 KeV, 1017 1/cm2 + hőkezelés Au nanoszemcsék kialakítása, lokalizált plazmonok 4. Ionok által stimulált változások (hibák, kristálycsírák kialakítása a Ti felületen 5. Erős kötéssel rendelkező, biokompatibilis fedőrétegek (C60, Au, Si, Ce) (Biokompatibilis anyagok felületi aktiválása (strukturálása, funkcionalizálása) mikro-és nano-skálán 6. Cirkónium (Zr) kerámiák felületének funkcionalizálása szilícium (Si) ionokkal. Felületi aktivitás növelése (szilán SiH4 molekulák képződnek)
A lézerfény hatására változik a Se, kalkogenid rétegek optikai áteresztése és a vastagsága is, csakúgy, mint a deuteronok hatására. As2S3 rétegek 240 keV Ne+8 ionok ( 5.1012 – 3-1013 ion/cm2 ) hatására sötétednek, de nem tágulnak, csak 1.8.1014 ion/cm2 expozíció után látható a maratás nyoma ( és ezen belül a beütések által növesztett „dombok”).
Tehát „finoman” kombinálható a maratás és a lokális domborzatok kialakítása
Au ionok maratással kísért implantálása GeS rétegbe: maszkolt felület besugárzás utáni AFM képe
Biokompatibilis Ti-implantátumok felületét sugároztuk be nagy- és kisebb sűrűségű, különböző töltésekkel rendelkező Ar-ion nyalábbal azzal a céllal, hogy összehasonlítási alapot kapjunk a nanoskálán történő felületi módosításokhoz. Fulleréneket „kötöttünk” a Ti (TiO2) felületre, megcélozva a további aktív molekulák, gyökök kötését és ezáltal a csontsejtek gyorsabb növekedését. A C60 igen aktív, molekulák és gyökök köthetők a felületére.
•Human embryonic bone cells were cultured onto the Ti substrates for 48 hours (type: palatal mesenchymal pre-osteoblast, HEPM 1486, ATCC) •Cells dual labeled with special markers (FITC-falloidin), actine and vinculine •Confocal imaging: laser scanning microscope (LSM 510, Carl Zeiss).
Bone cells grown on glass
Bone cells grown on Ti+C60 (250 eV)
Osteoblastok növekedése
Üvegen, kontrol
4A Ti 50
35
Ti, C60plasma
8
Ti 100
Üvegen., kontrol 5A Ti
50
40
15
8
A teljes mechanizmus még mindig nem ismert, sok a lehetőség....
1. Kökényesi S., Iván I., Takács E., Pálinkás J., Biri S., Valek A. Multipurpose 14.5 GHz ECR ion source: Speciálities and applications for surface modification. Abstr. 8th Workshop on Fast Ion-Atom Collisions, Sept.1-3, 2004, Deberecen , Hungary, pp.73. 2.Kökényesi S., Iván I., Takács E., Pálinkás J., Biri S., Valek A. Multipurpose 14.5 GHz ECR ion sorce: Special features and application for surface modification. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research SectionB: beam interactions with materials and atoms 233, pp.222-226 (2005). 3. Kokenyesi S, Ivan I, Takats V, Pálinkás J., Biri S., Szabo I.. Formation of surface structures on amorphous chalcogenide films Journal of Non-cryst. Sol. 353 (13-15): 1470-1473 2007) 4.Ivan I., Kokenyesi S., Csik A. Ion induced crystallization in amorphous selenium films. Chalcogenide letters, 4,115-118 (2007). 5. Palinkas J., Takács E., Kokenyesi S., Biri S., Szitasi G., Ivan I., Fekete E., Hundson L.T. Heavy ion plasmas and highly charged beams, Acta Physica Debrecina, v.XLI, 71-83 (2007). 6.Kokenyesi S., Iván I., Takats V., Pálinkas J., Biri S., Szabo I. Formation of nanostructures on the surface of amorphous chalcogenide films ISNOG2006, Bangalore, India, April, 2006. 7.S.Kökényesi Investigations in materials science for micro-and nanotechnologies 2nd MINAEAST –NET Workshop , National Centre of Scientifgic Research „Demokritos”, Athene, Greece, 15-16 July, 2005. 8. S. Kökényesi University of Debrecen, Institute of Physics – centre for investigations in materials science for micro- and nanotechnologies. 4th NEXUS IP and NOE meeting , Paris, France, 5-6 December, 2005.
9.Kokenyesi S., Takats V., Cserhati Cs., Szabo I., Vojnarovich I., Shiplyak M. Surface relief recording in amorphous chalcogenide nanomultilayers, Int. Conference NANSYS2007, Kiev, Ukraine, 21-23.Nov.2007, p.349.
Köszönöm a figyelmüket!
18
