Nanostruktúrák vizsgálata ionnyalábokkal Szilágyi Edit MTA Wigner FK, RMI
Az előadás vázlata Ionnyalábos analitika (IBA) Lehet--e információt szerezni nanoszerkezetekről IBALehet IBAval? Példák: – Pórusos szerkezetek (1994(1994-2001) – Töredezett rétegek – Természetes nanoszerkezet (otolith) – Nanolitográfia További lehetőségek
IBA: 5 MV Van de Graaff gyorsító
NRA
PIXE 40000
NbL
2000
hozam
hozam
30000
20
100
25000
O p1
16
20000
1000 16
CoK
15000 10000
NbK
5000
0 100
200
300
O p0
szén
0
0 0
O referencia minta
NbK
csatorna irányban véletlen beesés
35000
16
Röntgen energia [keV] 10 15
5
100
200
300
400
500
csatornaszám
400
csatornaszám
BS
elemek, izotópok mélységfüggő meghatározására.
Ni / Ti multiréteg üvegen o
tilt 78 straggling és detektor felbontás összes energia elmosódási járulék
4000
3000
ERDA a Ni / Ti multirétegen 300
tilt 87 RBX szimuláció
250
200
2000
1700 keV He-RBS o =165 0
1000
0 200
400
600
800
energia [keV]
1000
1200
1400
Egykristályok esetén csatornahatással kombinálható.
hozam
hozam
ERDA
150
100
50
0 0
500
csatornaszám
1000
Rutherford-visszaszórásos Rutherfordspektrometria Az RBS egy szóráskísérlet, ahol egy adott térszögbe visszaszórt ionok energiaeloszlását határozzuk meg. – a szóró atom tömegétől, M cos M M sin E EK M M – a mintában elfoglalt helyzetétől. 2 2
1
1
0
1
7000
400
Detektált energia (keV) 600
800
1000
1200
Hozam
5000
O
4000
Si
3000 2000 1000
1000 mbar O2, 45 h 4H SiC (0001) "Si-oldal"
0 100
200
300
Csatornaszám
RBX : E. Kótai, NIM B 85 (1994) 588.
400
Energy spread [keV] (keV) nergy spread contributions
=7 = 45 szimulált
2
250
beam, energy beam, angular geometric straggling multiple scattering in multiple scattering out Doppler sum without det. res. total
2 MeV He-RBS oxidált SiC-ról 6000
2 1
200 150 100 50 0
0
50
100
Depth (nm) 1700 keV He-RBS
o
Tilt 80
150
200 o
Tilt 0 o Energiaelmosódás: E. Szilágyi NIMB 100, (1995) 103–121 =165 0 Si 30
2
2
E0
Valós minták Inhomogeneitás a rétegvastagságban: X
inh n
n
xi2
i 1
Deformált felület X
X def X ,
X tg
A hordozó felületi durvasága:
X L substrate
X subst
x erf X tg
L
Hordozó felületi durvasága
inhomogeneitás + deformáció
N.P. Barradas et al., Nucl. Instr. Meth. B 94 (1994) 266-270.
Hordozó durvasága: durvasága: Si:: Si x=1.7 nm L=39 nm Üveg: x=0.9 nm L=24 nm
3D--analízis: mikronyaláb 3D x, y, Edetektált Edetektált
A felbontás függ a nyalábmérettől; Sugárkárosodás nagy; minden folton egy spektrumot kell gyűjetni.
Pórusos Si RBSenergiaelmosódás spektruma 3D--analízis: 3D strukturális SnO--val dekorált porózus Si SnO
RBX : E. Kótai, NIM B 85 (1994) 588.
Lehet-e információt szerezni pórusos nanoszerkezetekről RBS -sel, vagy IBARBSIBA-val? E. Szilágyi et al., Mater. Sci. Forum 248-249 (1997) 373. A pórusokban ugyanis nincs se fékeződés, RBS-MAST: se szóródás. Az IBA nem érzékeny az anyag sűrűségére sem. RBS on MAcroSTructures 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.
3D--analízis: strukturális energiaelmosódás 3D 16O(
He
,
)16O
25
20
16O
S/Sr
15
SiO Si O2
10
5
0 2300
2500
2700
2900
3100 Energy
Cheng
3300 (keV)
1993
Si
3500
3700
3900
(170)
RBS-MAST: RBS on MAcroSTructures Z. Hajnal et al., Nucl. Instr. Meth. B 118 (1996) 617.
Oszlopos szerkezetű porózus Si (66% porozitás, ~20 nm pórustávolság) RBS spektruma.
Porózus szilícium
Meghatározható: porozitás, átlagos pórustávolság, pórus átmérő, struktúra, ... F. Pászti et al., Nucl. Instr. Meth. B 136-138 (1998) 533.
Ionimplantáció hatása 16O(
)16O rezonanciacsúcs szélessége vs. döntési szög
Surface
dőlés Tömörödött réteg tömörödés
1 m
Oszlopos szerkezetű porózus Si 4 MeV 14N+ ionokkal implantálva: tömörödés + pórus falak dőlése. F. Pászti et al., Nucl. Instr. Meth. B 161-163 (2000) 963-968
Töredezett rétegek Ag: 100
100 nm
17 nm
Fe: 130
130 nm
21 nm
40000 30000
MgO/Fe/Ag_HT
Fe 4
Ag
+
1010 keV He -RBS
20000
Yield
Ag Ag: 11 nm Fe: 11 nm Fe
o
tilt 7
10000 40000
Fe o
tilt 45
30000
measured RBS-MAST RBX
20000 10000 0
Ag
Fe 300
400
500
Á. Tunyogi et al., Nucl. Instr. Meth. B 266 (2008) 4916. RBS-MAST program Window-os változata (E. Kótai, to be published) RBX : E. Kótai, NIM B 85 (1994) 588.
600 700 Energy (keV)
Ag 800
900
Otolith (fülkő) mikronyalábos vizsgálata 2000 1800
1800
1600
1600
Tilt 75
1400
1400
1000
1200
measured at point 3 RBSMAST simulation 75
800
yield
Yield
1200
600
1000 800
Fülkő: CaCO3 (aragonit) és fehérje évgyűrűs szerkezet, évszakok, éjszakák és nappalok.
400
measured at point 4 RBSMAST simulation 0
600
200
400
0 50
100
150
200
250
300
200
350
Channels
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Channels
200 180
measured at point 2 RBSMAST simulation 60
160
1800 1600
140
1400 1200
Y Axis Title
100 80 60
measured at point 6 RBSMAST simulation 74
1000 800 600
40 20
400
0
200
50
100
150
200
250
300
350 0
Channels
50
100
150
2000
200
250
300
350
400
X Axis Title 2000 1800
1500
1600
measured at point 2 RBSMAST simulation 45
1400 1200
1000
Yield
Yield
Yield
120
1000
measured at point 5 RBSMAST simulation 75
800
500
600
Tarka menyhal (Lota lota L.) fülköve
400 200
0 50
100
150
200
250
300
350
Channels
0
50
100
150
200
250
300
350
Channels
E. Parmentier et al. / Journal of Structural Biology 159 (2007) 462.
tarka menyhal (Lota lota L.)
R. Huszank et al., Nucl. Instr. Meth. B 267 (2009) 2132.
SiO2 nanogömbök szénfólián SiO szénfólián 2
measured simulated by RBX simulated by RBS-MAST
3000 2000
Yield
Edetektált
1000
2 MeV RBS
tilt 60o
0 3000
C
2000
O
tilt 7o
Si
1000 0 0
A spektrumok Zolnai Zsolt PRB cikkének kísérleti anyagából valók.
50
100
Channels
150
200
Miről kaphatunk információt? o
Beütésszám
= 0 (merõleges nyaláb beesés) Henger
Gömb
Folytonos réteg
Effektív rétegvastagság szögfüggése Spektrum szélesség/csúcs pozíció
Spektrum alakok
3.0 folytonos réteg
2.5
LB szilika réteg
2.0 ZnO nanoszál
1.5 1.0
Ar/LBmaszk
0.5
Ar/swelling
0.0 0
Csatornaszám
1 objektum
10 20 30 40 50 60 70 80 90 o
Döntési szög ( )
Információs térfogat
Egyidejű információ: összetétel, alak, méret
Lokális környezet 1., 2., …, n. szomszédok száma, távolsága
Nanogömb--litográfia Nanogömb
Z. Zolnai: NIM B 268 (2010) 79–86; Z. Zolnai: Physical Review B 83, 233302 (2011); Z. Zolnai: Applied Surface Science 281 (2013) 17– 23
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 NIKIn NIK en. Ionlumineszcencia? (MTA beruházási pályázat, döntés a napokban várható.)
Ionlumineszcencia Ionlumineszcenciánál a fényemissziót megelőző gerjesztés ionsugaras besugárzás következménye. Az IBILIBIL-t az EGEG-2R Van de GraaffGraaff-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 ritkaföldfém-- vagy átmenetifémátmenetifém-tartalom azonosítása, – fémötvözetek felszínének vizsgálata (már az 19701970 -es évek elejétől), – a legkülönbözőbb szigetelő és félvezető nanoszerkezetek, mint pl. GaN nanodrótok, eltemetett Si, vagy SiC nanokristályok, ZnO nanorészecskék, stb.
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) Szőkefalvi Zolnai Zsolt, MTA TTK MFA (RBS/csatornahatás)
Üzemeltetés, karbantartás: Kiss László, Kostka Pál, külső mts., Seres Csaba, Zwickl Zoltán
Köszönet a hallgatóságnak a figyelméért!
