Dílčí cíle projektu a jejich plnění v roce 2006 (ÚJF AV ČR - laboratoř Tandetronu) V001 Dokončení a kalibrace experimentálních zařízení v laboratoři urychlovače Tandetron 2006 •dokončení instalace implantační trasy •zprovoznění spektrometru TOF pro metodu TOF-ERDA, měření prvních kalibračních vzorků •dokončení instalace zařízení pro měření metodou RBS-channeling (dodané firmou NEC, USA) •zprovoznění zařízení pro depozici vrstev odprašováním iontového svazku •konstrukce a návrh depoziční komory s magnetronem (HVM Plasma Praha) 2007 • použití metod TOF-ERDA a RBS-channeling na struktury připravené v rámci projektu • instalace depoziční komory s magnetronem, příprava depozic prvních vzorků • návrh a konstrukce nových metod PIXE a PIGE • instalace depozičních komor pro systém MBE V004 Charakterizace a modifikace materiálů iontovými svazky 2006 • využití metod RBS, ERDA a RBS-channeling pro analýzu prvkových hloubkových profilů v připravených strukturách • analýzy vrstev připravených ve spolupráci s VŠCHT (polymerní materiály, materiály pro optiku a fotoniku - skla, krystaly LT, LN) jadernými analytickými metodami RBS, ERDA a RBS-channeling. • studium vrstev připravených s využitím plasmatické polymerizace ve spolupráci s Masarykovou Universitou v Brně • implantace H+ a He + do polovodičových materiálů ve spolupráci s FEL ČVUT 2007 pokračování studia připravených struktur iontovými svazky ve spolupráci s výše uvedenými pracovišti
V010 a V011 Plasmové modifikace struktur polymer/kov a studium struktur metodami počítačové fyziky 2006 • byly připraveny metalizované polymery ve spolupráci s VŠCHT • plasmatická modifikace (UJEP Ústí nad Labem) • použití iontových svazků (RBS) - měření hloubkových profilů kovů • použití AFM - studium morfologie (UJEP Ústí nad Labem) • studium chemického složení povrchu XPS (VŠCHT) • zobrazení rozhraní polymer/kov TEM (ÚMCH AV ČR) • příprava modelů pro popis chování kovových částic v polymeru (UJEP Ústí nad Labem) 2007 • implantace kovových iontů do polymerů a skel • studium elektrických a optických vlastností spolupráce s VŠCHT • použití výše uvedených analytických metod pro analýzu implantovaných struktur • počítačové simulace elektrických a optických vlastností (UJEP Ústí nad Labem)
V001 -TOF spektrometr pro analytickou metodu TOF-ERDA ●
●
TOF ERDA (Detekce dopředně vyražených atomů s měřením doby letu je nedestruktivní jaderná analytická metoda pro studium ultratenkých vrstev materiálů
Time-of-Flight teleskop a vzorková komora
Jednotlivé materiálové atomy, které jsou následkem pružné srážky se svazkovým iontem vyraženy ze vzorku, jsou identifikovány současným měřením jejich doby letu na definované dráze (TOF teleskop) a zbytkové kinetické energie (energetický detektor)
Časový detektor
Elektronické schéma
HV, V TDETE SiDETE CFD PAMP FAMP AMP TAC ADC12 MPA PC
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
Dvojitý zdroj napětí (Iseg NHQ 205M) Časový detektor Energetický detektor (Ortec BU-015-300300) Constant-fraction diskriminátor (Ortec 935) Předzesilovač (Ortec 142B) Rychlý zesilovač (Canberra 2111) Zesilovač (Ortec 572) Časově-amplitudový převodník (Ortec 566) Analogově-digitální převodník (FAST 7072) Multiparametrický systém (FAST MPA-3) Osobní počítač
Jednoduché časové spektrum vyražených atomů
Základní principy TOF-ERDA metody
Jednoduché energetické spektrum vyražených atomů
Koincidenční časově-energetické spektrum vyražených atomů
●
Jednoduché hmotnostní spektrum vyražených atomů
Energie vyraženého atomu po opuštění vzorku: E
x x = K E − S (E ) − S (E )
out p 0 r r 0 α sin β E0 ... počáteční energie svazkovéhosin iontu K … kinematický faktor pro vyražený atom Er ... energie dodaná vyraženému atomu při pružné srážce se svazkovým iontem Sp, Sr … lineární brzdné ztráty svazkového iontu a vyraženého atomu ve vzorku x … vzdálenost původní pozice vyraženého atomu od povrchu vzorku
●
Doba letu vyraženého atomu TOF teleskopem: t =l
m 2(Eout − E ' )
Vrstva LiF na grafitovém substrátu
l ... dráha pro měření doby letu m ... hmotnost vyraženého atomu E’ … energie vyraženého atomu ztracená v časovém detektoru Analýza spektra vzniklého součtem projekcí jednoprvkových spekter z koincidenčního časově-energetického spektra na energetickou osu
Testování první verze TOF teleskopu Počáteční parametry ● Svazkové ionty: 15,4 MeV Cu6+ (terminálové napětí na Tandetronu: 2,2 MeV) ● Proud svazku: 0,55 nA ● Četnost koincidenčních událostí: ~55 Hz ● Doba nabírání spekter: 35 minut ● Použitý vzorek: 200 nm LiF vrstva na substrátu skelného uhlíku Výsledky ● Změřená tloušťka LiF vrstvy: ~300 nm (při zanedbání drsnosti povrchu substrátu a LiF vrstvy) je v dobrém souladu s předpokladem ● Výsledné průměrné hmotnostní rozlišení spektrometru pro daný vzorek: ~1,5 u
V010, V011 - Výzkum progresivních materiálů ů kombinujících kov/polymer
Neustálá miniaturizace elektronických součástek a zvyšování rychlosti signálu vyvolává potřebu nalezení materiálu s nízkým elektrickým odporem, vyšší elektrickou a tepelnou vodivostí. Právě mnohovrstevné případně kompozitní materiály skládající se z kombinace kovu a polymeru se zdají být řešením daného problému. Elektronické prvky vyráběné právě jako kombinace těchto rozdílných materiálu jsou výhodné pro svou odolnost vůči mechanickému namáhání, vyšším teplotám ale i chemickému poškození [1]. Tenké kovové filmy jsou zajímavé pro výrobu elektronických, optických a mechanických zařízení. Ze sendvičových struktur kov – polymer – kov (MIM struktury ) se vyrábějící zařízení pro optoelektroniku emitující fotony (LED) a zařízení se záporným diferenciálním odporem [2]. Dalším významným odvětvím použití kompozitních materiálu kov/polymer je v oblasti nanotechnologií. Kovové nanočástice (MNP – metal nanoparticles ) jsou velice zajímavé z hlediska unikátních elektrických, magnetických a optických vlastností s aplikací v chemickém průmyslu a biotechnologiích. Ke stabilizaci nestabilních kovových nanočástic se používá právě polymerů. Voltampérové charakteristiky těchto nanokompozitních materiálů je předurčují k využití v elektrochemických senzorech a biosenzorech [3].
[1] Faupel F., Willecke R., Thran A., Kiene M., Bechtolsheim C. V., Strunskus T.: Metal diffusion in Polymers, Defect and Diffusion Forum Vols. 143 – 147 (1997) pp. 887-902. [2] Švorčík V., Rybka V., Maryška M., Špírková M., Zehentner J., Hnatowitz V.: Microscopic study of ultra – thin gold layers on polyethyleneterephthalate, Europen polymer journal 40 211 – 217 (2004) [3] Muraviev D.N.: Inter-matrix synthesis of polymer stabilesed metal nanoparticles for sensor applications, Contruibutions to Science,3(1) 19 – 32 (2005)
Kovové vrstvy bývají deponovány metodou diodového naprašováni při pokojové teplotě. Následně se úžívá buď post-depozičního žíhání nebo kombinace post-depozičního žíhání spolu s plasmatickou modifikací pro zvýšení mobility kovových atomů na rozhraní polymer/kov. Plasmatická modifikace je prováděna v komoře na plasmatickou oxidaci a pracovním plynem bývá argon nebo kombinace argonu s kyslíkem. Vzorky jsou analyzovány pomocí analytických metod: ✔ RBS (Rutherford Backscattering Spetroscopy – Rutherfordova spektroskopie zpětně vyražených iontů ) = metoda využívající zpetně odražené ionty lehkých prvků k detekci a určení hloubkové koncetrace prvků v daném vzorku ✔ AFM (Atomic Force Microscopy – mikroskopie atomárních sil ) = metoda využívající meziátomárních sil mezi vzorkem a senzorem mikroskopu, s lepším rozlišením než optická mikroskopie, schopná zobrazit povrchovou morfologii vzorku ✔ XPS (X-Ray induced Photoelectron Spectroscopy - spektroskopie pomocí elektronů indukovaných rentgenovým zářením ) = metoda vhodná k určování složení a chemických stavů v povchových vrstvách vzorku ✔ TEM (Transmission Electron Microscopy – transmisní elektronová mikroskopie ) = metoda podobná principem optické mikroskopii, avšak místo světelného svazku vyžívá svazek elektronů, který prostupuje vzorkem a na fluorescenčním stínítku vykresluje strukturu vzorku
Obrázek komory pro plasmatickou oxidaci, která se používá k plasmatické modifikaci struktur kov-polymer.
Hloubková koncentrace naprášeného stříbra na substrátu z polyetyléntereftalátu (PET), získaná metodou RBS, před modifikací (REF) a po modifikaci v plasmatu s různými parametry při měnící se teplotě substrátu. Obrázky rozhraní polymeru a kovu z elektronového mikroskopu (TEM). Vzorek je nanesené stříbro na fólii PET.
Studium struktur Ag/PET a Au/PET
Snímky získané metodou AFM. Povrch vzorků naneseného stříbra na polyetyléntereftalátu před modifikací (REF) a po modifikaci v různém plasmatu a za různých podmínek.
Energetická spektra elektronů získaná metodou XPS. a) referenční vzorek bez plasmatické modifikace, b) vzorek modifikovaný v kombinovaném plasmatu kyslík + argon, c) vzorek modifikovaný v argonovém plasmatu za zvýšené teploty.
✔ ✔ ✔ ✔
Závěr: Difúzní koeficienty se pohybují v rozmezí 10-17 - 10-18 cm2 s-1 Difúzní koeficenty byly pozorovány vyšší pro stříbro v PET ve srovnání s PI Stříbrná vrstva je narušována plasmatem a klesá zdroj stříbrných atomů na povrchu vzorku U vzorků s naprášeným zlatem je převažující vliv teploty oproti vlivu plasmatické modifikace
Články publikované k dané problematice: (1) Macková A., Peřina V., Švorčík V., Zemek j.: RBS, ERDA and XPS study of Ag and Cu diffusion in PET an PI polymer foils, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 240 (2005) 303-307 (2) Macková A., Švorčík V., Strýhal Z., Pavlík J.: RBS and AFM study of Ag and Au diffusion into PET foils influenced by plasma treatmeant, Surface and Interface Analysis 2006; 38: 335-338 (3) Macková A., Švorčík V., Sajdl P., Strýhal Z., Pavlík J., Malinský P., Šlouf M.: RBS, XPS and TEM study of metal and polymer interface modified by plasma treatment, JVC 11, September 24 - 28 2006, Prague Czech Republic
Studium struktur Ag/LDPE a Ag/HDPE
Obr. 1
Výsledky získané metodou RBS: Obrázek 1) Hloubková koncentrace Ag v LDPE [a.u.] ve vzorku po naprášení a po další plasmatické modifikaci při různých výkonech a teplotách substrátu
Obrázek 2) Arrheniův graf difúzních koeficientů v závislosti na převrácené hodnotě termodynamické teploty Obr. 2
Výsledky metod XPS a AFM: Obrázek 3) XPS spektra získaná metodou XPS pro vzorek po naprášení a pro vzorky upravované 20 minut při 10W a různých teplotách substrátu
Obrázek 4) Snímky získané metodou AFM. Morfologie povrchu vzorků Ag/LDPE před modifikací a po úpravě při různých výkonech plasmatu a teplotách substrátu.
Obr. 3
Závěr: ● polymerní substráty LDPE a HDPE jsou velice citlivé na vysoké teploty -14 cm2s-1 ● difúzní koeficienty jsou řádu 10 ● na povrchu vzorků se po modifikaci vytváří chemická vazba mezi Ag a C navázaným v polymerním řetězci ● povrchová drsnost Rq roste spolu s rostoucím výkonem plasmatu ● při vyšší teplotě dochází k tání polymeru a kovové částice se propadají do tekutého polymeru
Obr. 4 Články publikované k dané tématice: (1) A. Macková, V. Švorčík, Z. Strýhal, J. Pavlík, P. Malinský: RBS, XPS and AFM study of Ag thin films and polyethylene foils interface modified by plasma treatment, SAPP 16, January 20 - 25, 2007, Podbanské, Slovakia
