Nagytöltésű ionok áthaladása nanokapillárisokon
Juhász Zoltán
20 éves az Elektron-ciklotronrezonanciás Ionforrás Laboratórium
Felfedezés (2002): Lassú ionok képesek áthaladni szigetelő fóliákban kialakított nanocsövecskéken nagy beesési szög esetében is, az ionok a kapilláris irányában távoznak (terelés). Az ionterelést a kapillárisok feltöltődése okozza (önszervező jelenség)
Anyag: polietilén-tereftalát (PET) d100nm, L/d100 (hossz-átmérő arány nagy!)
Y
Stolterfoht et al. PhysRevLett.88.133201
Első eredmények:
Minta Ionspektrométer
ECR ionforrás Y
Ionnyaláb
Dőlésszög
Megfigyelési szög
Feliratok:kapilláris dőlésszögei (Y)
Stolterfoht et al. PhysRevLett.88.133201
(Megfigyelési szög: (fok))
Tapasztalatok: Az átvitt ionok több mint 90%-a megtartja eredeti töltésállapotát nem jutnak a felület közelébe
A átvitelhez idő kell
Kapilláris feltöltődésének szimulációja
Kísérletek az ATOMKI-ban Minta Ionnyaláb
ECR ionforrás Y
Dőlésszög
Ionspektrométer, MCP vagy Faraday-csésze
Megfigyelési szög
Polikarbonát (PC) kapillárisok (baktériumszűrő)
Polietilén-teraftalát (PET) kapillárisok (Berlin)
Üveg kapillárisok (Multi channel plate (MCP) detektorból)
Al2O3 kapillárisok (Louvain-i Egyetem, Belgium)
Az áteresztett ionok töltéseloszlása elektrosztatikus spektrométerrel Párhuzamos lemezpár elektrosztatikus spektrométer
Belépő ionok: 3 keV Ne6+ Ne
6+
Mita: Al2O3, d=260 nm
5
U céltárgy ionnyaláb részecskedetektor
Intenzitás (tetsz. egység)
10
Dõlésszög: 5o
4
10
Ne
5+
3
10
Ne
4+
Ne
3+
Ne
2+
Ne
1+
2
10
1
10
0
10
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7 0.8 0.9 1
2
3
Energia/töltés (keV)
Juhász et al.Nucl. Instr. and Meth. B 267, 321 (2009).
A kilépő ionok többsége megtartja eredeti töltésállapotát! Semlegeseket itt nem tudunk mérni.
Kétdimenziós szögeloszlások MCP detektorral Multi Channel Plate (MCP) detektor 40 mm Kapilláris minta
Ar7+ Ar
3keV Dőlésszög Ar7+ nyaláb (Ψ)
·
+
Qlerakott A
A semlegesek is tanulmányozhatók
PET mintán áthaladt ionok időfüggése (az ionok jobbra-balra eltérülése)
Kétdimenziós szögeloszlások
Átl. kibocsájtási szög (fok)
Mind az intezitás mind a kibocsájtási szög oszcillál. A fázisviszonyok információt hordoznak a belső folyamatokról 7
Átl. kibocsájtási szög (fok)
7+
(a)
Csillapodó oszcillációk
6
5
4
Intenzitás
Ar
(b)
Ar
A semlegeseké fázisban megelőzi az ionokét
6
5
4 5
7+
Ar
(c)
0
Kapcsolatban álnak az intenzitás oszcillációkkal
-5 0
100
200
Lerakott töltés (nC) Juhasz et al. Phys. Rev. A 82, 062903 (2010). (ATOMKI mérés)
300
Az intenzitások időbeli fejlődése Az időfejlődést jól leírja a következő exponenciális formula:
PET d=200nm 10.0
Ar7+
(a)
7.5 5.0
Qs=13 nC
2.5
Intenzitás
de oszcilláló eltérések mutatkoznak. A semlegesek azonnal megjelennek és előbb érik el a telítődést.
Qc=118 nC
0.0
Ar
Következtetés: A semlegesek inkább a belépő és középső szakaszokról érkeznek nem a kijárattól.
(b)
0.10
Qc=33 nC
0.05
(a)
Ions: Neutrals:
Qs=4 nC 0.00 0
100
200
Lerakott töltés (nC) Juhasz et al. Phys. Rev. A 82, 062903 (2010). (ATOMKI mérés)
300 g n s
(b) . .. . . . .... . . .. . . .. .
Ionok áthaladása MCP-üveg kapillárisokon (szabálytalan átvitel)
Ionok intenzitásának fejlődése 0,8 0,7
Transzmisszió(%)
0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0
1000
2000
3000
Lerakott töltés (nC)
4000
5000
Ionok és atomok blokkolódása polikarbonát fóliákban Kapillárismintaként használt baktériumszűrő felszíne
3keV Ar7+, 170 nm, 30 m, PC,Y=5.5 0.150
a)
Qb = 49 nC
Intenzitás
0.100
Ar7+ Ionok
0.050
0.000 0.015
b)
Intenzitás
Qb = 64 nC
Elzáródási jelenség
Ar Atomok
0.010
0.005
0.000
0
50
100
150
Lerakott töltés (nC)
ATOMKI mérés
200
Következtetések: - Az ionok terelése egy érdekes önszervező jelenség -Klasszikus elektrodinamikai rendszerek is meglepő jelenségeket tudnak produkálni -Különböző anyagok nagyon eltérő viselkedést mutatnak (keveset tudunk a szigetelők elektromos tulajdonságairól) - A semlegesített lövedékek tanulmányozása nagyban hozzájárul a jelenség megértéséhez -A jelenségnek fontos alkalmazási lehetőségei vannak, pl. sejtek, DNS molekulák irányított besugárzása, fókuszáló elem:
-Atomnyalábok előállítására is lehetne nanokapillárisokat használni
Résztvevők: ATOMKI
Debreceni Egyetem
UCL, Belgium
Biri Sándor Fekete Éva Herczku Péter Iván István Juhász Zoltán Kovács Sándor Kövér Ákos Rácz Rihárd Sulik Béla Tőkési Károly
Pálinkás József Takács Endre Víkor György
Mátéfi-Tempfli Mária Mátéfi-Tempfli István
HMI, Berlin Stolterfoht, Nico
