Quantitative Oberflächenanalytik mit hochenergetischen Ionenstrahlen

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1 Quantitative Oberflächenanalytik mit hochenergetischen Ionenstrahlen Rutherford Backscattering (RBS) Elastic Recoil Detection Analysis (ERDA) Particle Induced X-ray Emission (PIXE) Max Döbeli, Labor für Ionenstrahlphysik, ETH Zürich

2 Swiss Federal Institute of Technology Labor für Ionenstrahlphysik unterstützt durch ETH EMPA EAWAG PSI 6 MV Tandem Van de Graaff ETH-Hönggerberg Ionenenergie MeV

3 Wechselwirkung von MeV Ionenstrahlen mit Atomkernen MeV Ionen Rückstreuung RBS Probe X-ray Rückstosskern PIXE ERDA

4 Warum ist elastische Streuung von MeV Ionen so quantitativ? KEINE Atomphysik! KEINE Kernphysik! Reine Elektrostatik und klassische Mechanik! Anfängerrechnung auf 1 % genau e - N Wechselwirkung im Vakuum zwischen Elektronenhülle und Atomkern

5 Vorteile der MeV Ionenstrahlanalyse sehr quantitativ (Wirkungsquerschnitte genauer als 1 %) keine Matrixeffekte keine Kalibrierung/Normalisierung notwendig ganze Tiefenprofile der Zusammensetzung mit 1 Messung kurze Messzeiten (1 bis 10 Minuten) «zerstörungsfrei»

6 Rutherford Backscattering Spectrometry RBS

7 Elastische Streuung E 1 Probe Atomkern leichte Ionen (2 MeV He) E o Energieverlust ~ Tiefe charakteristische Rückstossenergie Energiespektrum der rückgestreuten Teilchen: Überlagerung der Tiefenprofile aller Elementkonzentrationen im Probenmaterial

8 Yield Interpretation von RBS Spektren: dünne Schichten Massenskala! Probe Cu Y Ag Pr Bi 25 MeV 35 Cl Detektor 'Monolagen' von Cu, Y, etc Energy in MeV

9 Normalized Yield Interpretation von RBS Spektren: Tiefenprofile Energieverlust 5 4 Al Rückseite Tiefenskala! Al Frontseite Au R Au F Gold-beschichtete Aluminium Folie Au R Au F 3 Al 2 MeV 4 He 2 DE Al 1 Al 400nm Detektor Energy / MeV Wir sehen Tiefenprofile der Konzentration!

10 Yield RBS Spektrum einer Y 1 Ba 2 Cu 3 O x Supraleiter-Schicht, Ba Cu Dicke Y MeV 16 O Strahl Depth / nm Wirkungsquerschnitt ~Z 2

11 Normalized Yield Beispiel: TiO 2 optische Beschichtung 20 Energy (MeV) Messung Simulation Ti 15 Messung der Stöchiometrie und La Kontamination: 10 Ti 1 O 1.93±0.02 (255 nm) 5 C O La La /Ti < Channel

12 Normalized Yield Beispiel: Metall-Schichtsystem Measurement Simulation Energy (MeV) 380 nm Ag Genauigkeit der Simulation! 380 nm Ag nm Cr V Ni 715 nm Ni V nm Cr 10 Ti Substrate 715 nm Ni V Ti Channel

13 RBS Zusammenfassung Elemente: C U Messzeit: 5 bis10 Minuten pro Probe Genauigkeit (accuracy): Stöchiometrie: < 1 % relativ (für dünne Schichten) Schichtdicke: 3 5 % ~ 3 % (dicke Schichten, Bulk ) Nachweisgrenzen: Bulk : % bis 10-4, abhängig vom Element Oberfläche: 1 to 10-4 Monolagen Tiefenauflösung: 1 to 10 nm (erreichbare Tiefe ~ 1mm) Nachteile: komplexe Spektren keine leichten Elemente auf schweren Substraten

14 Elastic Recoil Detection Analysis ERDA

15 Elastic Recoil Detection Analysis (ERDA) schwere Ionen z.b. 20 MeV 127 I Rückstoss-Atome H,..,U Spektrometer Energie- und Teilchenidentifikation Probe getrennte Tiefenprofile für alle Elemente

16 Das ist nicht SIMS! Projektile and Rückstosskerne haben MeV Energien Wirkungsquerschnitte genau bekannt! Keine Matrix-Effekte! Profile nicht durch Sputtering!

17 Concentration / at% From A. Blazevic et al. HMI Berlin Al 2 O 3 / C Multilayer 120 MeV Kr Al, O, C, Si Didaktisches Beispiel Al 2 O 3 C Al 2 O 3 C Al 2 O 3 C Si Tiefenprofile: nm O O O Al C Al C Al C Depth / atoms/cm 2 separate Energiespektren für alle Elemente

18 Flugzeit - ERDA an der ETH Energiemessung Flugzeit-Spektrometer Probenkammer

19 Velocity Yield / a.u. Interpretation von ERDA Daten 2D ERDA Spektrum von Borsilikat Glas: Massenspektrum: O B 11 B 16 O 23 Na 28 Si 39 K Si Energy 127 I 12 MeV 127 I B 23 Na 29 Si K B 30 Si Mass / amu Jede Banane' repräsentiert das Tiefenprofil eines Elementes. m E = v 2 2 Massenauflösung 1 in 40

20 Time of Flight Beispiel Concentration in % Diamond-like-carbon (DLC) auf Al 120 Konzentrationsprofile 100 Probe C Al Ti O N Depth in nm C N Ti (O,N) O Al Ti DLC aluminum ERDA 2D data 100 nm Energy

21 Time-of-Flight Yield Materials Group, ENE, PSI Strontiumtitanat SrTiO x N y (auf Kohlenstoff Substrat) C N O Massenspektrum Ti O x Sr 150 C N y Mass / amu Energy y/x = 0.60 Beispiel

22 Hydrogen Content in at % Wasserstoffnachweis ERDA mit 2 MeV He Strahl Energy / MeV Wasserstoffprofil in Si 3 N 4 :H 9 at % Si 3 N 4 :H Si 300 nm Depth / nm voll quantitativ! (1 Minute pro Messung)

23 ERDA Zusammenfassung Elemente: H U Messzeit: 5 bis 10 Minuten pro Probe Genauigkeit (accuracy): Stöchiometrie: 4 % relativ Schichtdicke: 5 % Nachweisgrenzen: Bulk : 10-2 to 10-4, vom Element abhängig Tiefenauflösung: 1 to 10 nm (erreichbare Tiefe < 0.5 mm) Simultane Tiefenprofile für alle Elemente

24 Particle Induced X-ray Emission PIXE

25 Particle Induced X-ray Emission (PIXE) SDD Detektor X-rays 3 MeV p Probe Analog zu EDS, EDX, WDX Vorteil: keine Bremsstrahlung keine Vielfachstreuung generell ca. 100 mal empfindlicher als EDX!

26 Counts Mit PIXE durch Gold schauen: Au M ab vergleichbares EDX X 2 MeV He 1200 x nm Au 800 Cu/Ni Legierung 600 Au MN Cu K a Au Mz Au MO 2 Au M a 3 Au M a Ni K a Ni K b Cu K b Au L a Au L b X-ray energy / kev

27 PIXE Zusammenfassung Elemente: Al - U Messzeit: 1 bis10 Minuten pro Probe Genauigkeit (accuracy): abhängig von der Matrix! genaue Konzentrationen nur über Standards im Allgemeinen für Spurenelemente benutzt Nachweisgrenzen: 1 bis100 ppm, abhängig vom Element und Matrix Tiefenauflösung: keine Tiefeninformation beprobte Tiefe beträgt mehrere mm Rasterbilder mit Protonen-Mikroprobe

28 Counts Micro-PIXE in Luft Al Si Sn S Cl P Ar Ca V Fe Cu Zn 10 Mg Energy / kev antike griechische Bronze-Figur

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30 Wir freuen uns über Ihr Interesse Zusätzlich vorhandenetechniken: - Nuclear Reaction Analysis (NRA) - SuperSIMS - Channeling in Einkristallen - Implantationen / Bestrahlungen