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Caracterização de materiais utilizando a técnica RBS

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Caracterizac¸a˜o de materiais utilizando a te´cnica de RBS
Filmes finos, compostos e implantac¸a˜o
Autor.: Vanessa Kaiser
July 1, 2017
Caracterizac¸a˜o de materiais utilizando a te´cnica de RBS
Contents
1 Introduc¸a˜o 3
1.1 Questa˜o I - Filme fino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Questa˜o II - Ana´lise de composto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Questa˜o III - Material Implantado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 A F´ısica por tra´s da te´cnica RBS 5
2.1 Considerac¸o˜es experimentais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 Simulac¸o˜es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3 Parte I: Determinac¸a˜o de Filmes finos 7
3.1 Calibrac¸a˜o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3.2 Simulac¸a˜o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.3 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
4 Parte II: Ana´lise de compostos 10
4.1 Calibrac¸a˜o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4.2 Simulac¸a˜o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4.3 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
5 Parte III: Elemento implantado 12
5.1 Calibrac¸a˜o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
5.2 Simulac¸a˜o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
5.3 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
6 Conclusa˜o 14
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Caracterizac¸a˜o de materiais utilizando a te´cnica de RBS
1 Introduc¸a˜o
Este documento foi criado para a disciplina de Ana´lise de Materiais com Feixe de I´ons, corrente para o
se´timo semestre do Bacharelado em Engenharia F´ısica da UFRGS.
Basicamente, ele e´ formado por treˆs questo˜es principais, na qual deveremos analisar espectros obtidos no
Tandem do Laborato´rio de Implantac¸a˜o Ioˆnica da UFRGS. As questo˜es esta˜o descritas a seguir:
1.1 Questa˜o I - Filme fino
Nesta questa˜o, temos um filme fino depositado em cima de um substrato, conforme ilustra a imagem 1.1a.
Desejamos descobrir, a partir de um arquivo de contagens por canal e arquivos para calibrac¸a˜o, qual e´ esse
elemento e a sua espessura.
(a) (b)
Figure 1.1
1.2 Questa˜o II - Ana´lise de composto
Nesta parte, ao inve´s de termos um filme fino depositado, teremos um composto. O desafio agora e´, a partir
de um arquivo semelhante e arquivos para calibrac¸a˜o, determinar qual e´ este composto e a sua espessura.
(a) (b)
Figure 1.2
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Caracterizac¸a˜o de materiais utilizando a te´cnica de RBS
1.3 Questa˜o III - Material Implantado
A proposta e´ descobrir a flueˆncia implantada e o centro da distribuic¸a˜o, em profundidade. Temos novamente
um arquivo de canal x nu´mero de contagens e arquivos para calibrac¸a˜o.
(a) (b)
Figure 1.3
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Caracterizac¸a˜o de materiais utilizando a te´cnica de RBS
2 A F´ısica por tra´s da te´cnica RBS
A ana´lise por RBS (do ingleˆs Rutherford Backscattering Spectrometry) se baseia no espelhamento Ruther-
ford, onde o feixe incide na amostra e sofre espalhamento.
As coliso˜es nesse tipo de fenoˆmeno sa˜o ela´sticas, e ocorrem em todas as direc¸o˜es. O feixe de ı´ons incidente
possui uma energia incidente igual a um certo valor Eo. Antes de acontecer o espalhamento ela´stico, o ı´on
do feixe perde energia de forma inela´stica. Por conta dessas coliso˜es, os ı´ons espalhados na superf´ıcie do
material perdem menos energia do que ı´ons que foram espalhados elasticamente em camadas mais profundas
da amostra. Por isso, podemos fazer ana´lises de espessura de filme fino.
Figure 2.1: Ilustrac¸a˜o demonstrando o espalhamento de Rutherford. Os ı´ons incidentes colidem em a´tomos da
amostra e perdem energia. Quanto mais profunda a camada, mais energia sera´ perdida no processo.
A proporc¸a˜o em que isso ocorre chama-se fator cinema´tico. O fator cinema´tico e´ responsa´vel por determinar
onde no espectro teremos a contagem para um determinado a´tomo, em determinada energia do feixe
incidente. Na pra´tica, ela dita qual a proporc¸a˜o de energia que uma part´ıcula de massa M1 ira´ transferir
para uma segunda part´ıcula de massa M2 caso elas colidam elasticamente.
Esse fator cinema´tico e´ expresso por:
K = M1
2
(M1+M2)2
{
cosθ ±
√
(M2M1 )
2 − sin2θ
}2
Por conta desses fatores, a massa atoˆmica dos elementos da amostra determinam a energia da part´ıcula
espalhada em relac¸a˜o a` incidida. Assim, conseguimos tambe´m fazer ana´lises de composto e estequiometria.
Ale´m do fator cinema´tico, outro fator que entra em questa˜o e´ a diferencial da sec¸a˜o de choque. A sec¸a˜o
de choque (Γ) se relaciona com o tamanho do a´tomo. Quanto maior o a´tomo, maior a probabilidade que
um ı´on incidente colida com um a´tomo da amostra.
Pore´m, como o espalhamento ocorre em todas as direc¸o˜es e o nosso detector capta apenas parte dela que
esta´ contido em um certo aˆngulo so´lido Ω, o valor de interesse e´ a diferencial de Γ, ou seja: dΓdΩ
Tambe´m temos que considerar no fenoˆmeno a sec¸a˜o transversal de freamento, decorrente da perda
inela´stica que ocorre quando os ı´ons incidentes na˜o se chocam com os a´tomos da superf´ıcie da amostra, mas
interagem com eles, passando parte da energia para a amostra na forma de calor ou vibrac¸o˜es. Essa perda
e´, portanto, proporcional a` profundidade em que o feixe penetrou a amostra e aos aˆngulos de incideˆncia
e retroespalhamento.
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Caracterizac¸a˜o de materiais utilizando a te´cnica de RBS
2.1 Considerac¸o˜es experimentais
Para gerac¸a˜o dos espectros de RBS consideradas neste documento, foi utilizado o acelerador linear do
tipo Tandem, encontrado no Laborato´rio de Implantac¸a˜o Ioˆnica da UFRGS. Foram utilizados feixes de
4He+, com energias iguais a 1.5 MeV nos dois primeiros casos (sec¸a˜o 1.1 e sec¸a˜o 1.2) e 3.0 MeV no
terceiro caso (sec¸a˜o 1.3).
Quando ocorre retroespalhamento, os ı´ons sa˜o contados eletronicamente. Um detector de estado so´lido e´
posicionado em um certo aˆngulo a fim de otimizar a colec¸a˜o dos ı´ons. Estes aˆngulos podem ser representados,
esquematicamente, da seguinte forma:
Figure 2.2: Geometria do experimento, sendo o aˆngulo de incideˆncia α = 15, e aˆngulo de inclinac¸a˜o da amostra em
relac¸a˜o a` origem do angulo do feixe incidente, β = 0
O sinal do detector sofre uma pre´-amplificac¸a˜o, e enta˜o passa para o amplificador, que junsot sa˜o responsa´veis
pela otimizac¸a˜o da resoluc¸a˜o do sinal.
O sinal enta˜o passa por um multicanal, tendo um total de 512 canais para os espectros de RBS. Cada
um desses canais e´ relacionado a um diferente range de energia. Portanto, dependendo da energia do
ı´on ao incidir no detector, ele sera´ contabilizado apenas no respectivo canal. Por isso, apo´s calibrac¸a˜o
do experimento, podemos saber qual energia corresponde a qual canal, e assim, analisar os espectros das
amostras. Este processo de calibrac¸a˜o estara´ melhor descrito nos cap´ıtulos posteriores.
2.2 Simulac¸o˜es
Para as simulac¸o˜es, foram utilizados dois programas:
• Gnuplot 5.0: Pela sua fa´cil usabilidade na ana´lise de gra´ficos e ajuste matema´tico de curvas que na˜o
envolvam ana´lises f´ısicas de materiais.
• XRUMP: Utilizado na simulac¸a˜o de compostos, filmes finos