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.

Medição da corrente produzida

Acelerador de partículas - 2 MeV

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)

[4] http://www.dsif.fee.unicamp.br/~furio/IE607A/RBS.pdf [5] http://biblioteca.universia.net/ficha.do?id=38064402 [6]http://www.eaglabs.com/techniques/analytical_techniques/rbs.php [7]http://en.wikipedia.org/wiki/Rutherford_backscattering_spectroscopy [8] www.harvard.edu/~slane/ref/ps/RBS.ps