Espectroscopia por Retroespalhamento Rutherford (Rutherford Backscattering Spectroscopy RBS) Apresentado por: Paulo César Trombini Júnior Daniel Borghi Mendes Daniele Simões Grangeiro Departamento de Física Universidade Federal de São Carlos - UFSCar
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Espectroscopia por Retroespalhamento Rutherford
(Rutherford Backscattering Spectroscopy RBS)
Apresentado por:
Paulo César Trombini JúniorDaniel Borghi Mendes
Daniele Simões Grangeiro
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos - UFSCar
Conteúdo
1. O que é Retroespalhamento Rutherford.
2. Fundamentos da Física.
3. Instrumentação.
4. Resultados.
5. Interpretação de um espectro.
6. Aplicações.
7. Conclusões.
8. Referências.
O que é retroespalhamento Rutherford?
Rutherford Backscattering Spectroscopy (RBS) é uma técnica analítica na qual um feixe de íons de alta energia e pequena massa são direcionados para a amostra. As partículas que são espalhadas são detectadas pelo detector.
A partir dessa análise podemos determinar a composição ou perfil elementar em profundidade de um material ou filme fino.
Normalmente utiliza-se feixes incidentes sobre a amostra de H+, He+, He++ .
Fundamentos da Física
Fundamentos da Física
Fundamentos da FísicaPrincípio de conservação de energia e momento linear.
• conservação de energia
• conservação de momento linear em x.
• conservação de momento linear em y.
Fundamentos da Física
Eliminando ᵩ e V1’ .
A razão entre as energias das partículas incidentes para M < M1.
Teta representa o ângulo de dispersão no referencial do laboratório.
Fundamentos da Física Podemos relacionar a energia da partícula incidente
com a correspondente energia com que a mesma abandona o material:
Onde é definido como Fator Cinemático da partícula i
Fundamentos da Física
Isolando o Ki e igualando as expressões.
2
1
12
12221
/1
cos/)sin/1(
i
iii MM
MMMMK
Dividindo M1 por Mi sendo X = M1/Mi
K i [(1 x 2 sin2)
12 x cos]2
1 x 2
Fundamentos da Física Se mudarmos as coordenadas do sistema para o centro de massa.
V1 velocidade depois do espalhamento da partícula incidente no referencial do laboratório.
V´1 velocidade depois do
espalhamento da partícula em relação ao centro de massa do sistema.
V velocidade do centro de massa em relação ao referêncial laboratorial.
Fundamentos da Física
Fazendo as substituições adequadas e x = M1/Mi.
K i 1 2x cos x 2
1 x 2
Fundamentos da Física
Calculando para os ângulos 90 e 180 temos.
Para átomos de mesma massa temos K igual a zero para 90 e 180.
Posição preferencial para se colocar o detector. Maior variação de K.
Fator cinemático em função do ângulo de espalhamento e da razãode massa x [Ref.4] .
Fundamentos da Física
Para um ângulo fixo, com mesmo tipo de partículas incidentes e os elementos do alvo possuírem massa muito maior que as partículas incidentes.
Rendimento aproximadamente proporcional ao quadrado do número atômico do elemento alvo, permitindo assim quantificar a composição da amostra a partir do rendimento experimental.
Instrumentação Uma fonte de íons, geralmente partículas alfa (íons de He+) ou
H+.
Um acelerador de partículas capaz de acelerar os íons incidentes até altas energias, da ordem de 1-3 MeV.
Um detector capaz de medir as energias dos íons retroespalhados.
Gráfico de contagens vs. energia
Instrumentação – Acelerador Dois tipos: um ou dois estágios Um estágio: fonte de He+ conectada a um tubo acelerador
com um potencial altamente positivo aplicado na fonte de íons e no fim do tubo. Não consegue acelerar as partículas a mais de 1MeV, devido a dificuldade de aplicar-se altas voltagens ao sistema
Dois estágios: fonte de íons He- e o terminal positivo fica no centro do tubo acelerador. Ocorre a remoção dos elétrons dos íons, produzindo He+. Após tornarem-se positivos, são repelidos até que saiam do tubo, no outro extremo do potencial. É possível acelerar a mais de 2 MeV com menos voltagem aplicada (750kV)
Instrumentação – Detector Camada muito fina de aproximadamente 100 nm de silício
tipo P em cima de um substrato do tipo N formando uma junção p-n
Íons que chegam ao detector perdem um pouco de sua energia para o espalhamento inelástico dos elétrons, e alguns desses elétrons ganham energia o suficiente para vencer o gap entre a banda de valência e de condução do semicondutor.
Resultados Concentrações relativas podem ser medidas pela altura dos
picos
Espessura pode ser medida através da largura dos picos e da mudança da posição dos picos
Só é possível determinar os elementos químicos presentes na amostra
A estrutura química da amostra não pode ser determinada a partir do gráfico
Interpretação de um espectro RBS Elementos de maior massa geram um sinal de espalhamento a
energias maiores e elementos de menor massa geram sinal em menores energias
Se a massa do elemento é alta, sua contagem no espectro será alta devido à sua maior seção de choque. Para medirmos então a sua quantidade por cm2 precisamos então normalizar as contagens de acordo com a carga do feixe e com a seção de choque. A borda do pico do espectro para o elemento m fica em KmE0 e a contagem é proporcional à seção de choque e espalhamento
Interpretação de um espectro RBS
Filme fino homogêneo sobre um substrato
Este filme é composto pelos materiais M e m e o substrato é de um material mais leve que os compostos (isto faz com que os picos de espalhamento do filme fiquem longe do espalhamento do substrato) e início dos picos de espalhamento para os materiais estarão localizados em KME0 e KmE0.
Interpretação de um espectro RBS Em um filme espesso, a maior parte da energia do feixe seja
absorvida ou espalhada, de material M e m como no exemplo anterior
As energias de espalhamento da massa M vão agora se estender desde KME0 até 0 (pois o filme é espesso, ou infinito para o feixe). As contagens para o elemento m, mais leve, também se estenderão desde KmE0 até 0, só que neste caso, as contagens de m se sobrepõem sobre as de M
Aplicações
Caracterização qualitativa/quantitativa; Análise de impurezas; Determinação da espessura. Channeling
AMOSTRA
Aplicações Caracterização• Amostra desconhecida sobre substrato de carbono
Figura- Espectro RBS para caracterização de amostras [Ref.4]
Aplicações Impurezas• Detecção de impurezas em um substrato de Si
Figura- Espectro RBS para análise de impurezas em amostras [Ref.4]
Aplicações Espessura• Determinação da espessura da amostra analisada através da
analise das energias de retroespalhamento
Figura- Espectro RBS para análise de espessura de filmes [Ref.4]
Aplicações Channeling
• Desordem da rede cristalina;
• Localização de impurezas;
• Análise de camadas mais profundas.
Aplicações Channeling
Figura- Espectro RBS para análise de estruturas cristalinas [Ref.4]
Conclusão
Técnica de caracterização de materiais de grande importância, especialmente em áreas de microeletrônica (análise de filmes finos);
Espectros obtidos facilmente interpretados; Técnica que não degrada a amostra analisada; Resolução inclusive para camadas enterradas ; Alta sensibilidade para átomos pesados; Baixa resolução para massas entre o alvo e o projétil
semelhantes e para concentrações inferiores a 10^18 átomos/cm3
Informações de natureza química (ligações, grupos, etc.) ausentes.
Referências
[1] GOLDSTEIN, Herbert. Classical mechanics. Reading: Addison-Wesley, c1950. 399 p. -- (Addison-Wesley Series in Advanced Physics).-- (Addison-Wesley World Student Series Edition)
[2] MARION, Jerry B.. Classical dynamics of particles and systems. New York: Academic Press, c1965. 576 p. -- (Academic Press International Edition)
[3] EVANS, Charles; BRUNDLE, Richard; WILSON. Encyclopedia of Materials Characterization: Surfaces, Interfaces, Thin Films (Materials Characterization Series)