Rutherfordi tagasihajumise spektroskoopia (RBS) Professor Jüri Krustok krustok@staff.ttu.ee http://staff.ttu.ee/~krustok Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) RBS sai alguse 1911. a. RBS-i "isa" Lord Rutherford Lord Ernest Rutherford United Kingdom Victoria University Manchester, United Kingdom b.1871 (in Nelson, New Zealand) d.1937 Veel ajalugu 1909.a. tegi Ernest Rutherford kindlaks, et radioaktiivsel lagunemisel kiiratavad α-osakesed kujutavad endast He 2+ osakesi. Nende osakeste tagasihajumise eksperiment, mis praegu kannab Rutherford i nime, pakuti välja Hans Geigeri poolt (Geigeri loendaja looja). Esimese α-osakeste hajumise eksperimendi õhukese Au-lehekesest märklauaga tegi 25-aastane bak-üliõpilane Ernest Marsden, kes nägi, et valdav enamus osakesi läbis märklaua ilma hajumata, kuid mõned osakesed hajusid erinevates suundades lähtekiire suhtes. Selle katse seletamiseks oletas Rutherford, et aatomite põhiline mass on koondunud väiksemõõdulisse tuuma, aatomi keskel. 1
Miks RBS on kasulik? Ideaalne pinnaanalüüsiks Kvantitatiivne analüüsi meetod (ei lõhu objekti) Õhukeste kilede koostist ja paksust saab mõõta Elementide kontsentratsiooni saab mõõta Kristallides saab kindlaks teha lisandite paiknemist Kristallide kvaliteeti saab hinnata RBS põhimõte RBS põhimõte Rutherford tagasihajumise spektromeetria (Rutherford backscattering spectrometry,rbs) puhul mõõdetakse objektilt tagasipeegeldunud α-osakeste energiat. Nende osakeste energia sõltub aatomitest, millelt nad tagasi hajuvad ning sügavusest, kus need aatomid asuvad ja hajumisnurgast. Seega saab RBS-i kasutada objekti pinnalähedase ala elementanalüüsiks. 2
Raskete ja kergete ioonide võrdlus RBS põhimõte Suur osa objekti pommitavatest osakestest implanteeritakse pinnakihti, kuna aatomi tuuma mõõde on suurusjärgus 10-15 m ning aatomtasandite vahekaugus ~2*10-10 m. Mõned osakesed, mis kohtuvad objekti aatomite tuumadega, hajuvad viimastel eri suundades. RBS põhimõte Kindla nurga all tagasihajunud osakeste energia sõltub kahest protsessist: a) osakesed kaotavad energiat objektis liikudes, nii enne kui pärast põrkumist, põhiliselt interaktsioonis aatomite elektronkatetega. Seda energiakadu iseloomustab antud aine pidurdusvõime(ingl.k. stopping power) b) osakesed kaotavad energiat ka põrkeprotsessil. Siin on tegemist positiivselt laetud osakeste kulonilise vastasmõjuga, mille tagajärjel toimub elastne põrkumine-impulsside muutus. 3
RBS põhimõte Seega osakese energiakadu põrkel sõltub osakeste masside suhtest. Energiate suhet, mis osakesel oli enne ja pärast põrget nimetatakse kinemaatiliseks faktoriks K (ingl.k. kinematicfactor). Kindla elemendi aatomitelt hajunud osakeste arv sõltub nende aatomite kontsentratsioonist ning nende tuumade efektiivsest suurusest, mida iseloomustab antud aine hajumise ristlõige (ingl.k. scattering cross section). RBS kinemaatika RBS kinemaatika Eelmise slaidi võrrandisüsteemi lahendamisel saame leida nn. kinemaatilise faktori. Kinemaatiline faktor, mis seob osakese energia vahetult enne ja vahetult pärast põrget avaldub: Toodud seosest on näha, et osakeste hajumisel kergetelt aatomitelt on nende energiamuutus palju suurem, kui hajumisel rasketelt aatomitelt RBS omab head energeetilist lahutust kergete elementide määramiseks ja ei kõlba raskete aatomite eristamiseks. 4
RBS teooria Kõige parem oleks kasutada hajumisnurka 180, sest siis on erinevate uuritava aine aatomite masside erinevusele vastav energia erinevus kõige suurem. Sellest muide ka meetodi nimi "tagasihajumine". Kuid nurka 180 on praktiliselt võimatu saavutada, sest detektoril on teatavad mõõtmed. Seetõttu asetatakse detektor selliselt, et hajumisnurk oleks ligikaudu 170. RBS kinemaatiline faktor K Erinevate primaarioonide kinemaatilised faktorid. E 1 = K M2 E 0 Kergematel tuumadel parem lahutus! RBS hajumise ristlõige Tõenäosus, et osake hajub kindlas ruuminurgas Θ, avaldub hajumise ristlõike seosega: 1 2 2 2 2 [ 1 (( M1 M 2 ) sinθ ) ] cosθ Z ( ) 1Z2e 4 + σ θ = 1 2 4E 4 sin θ 2 1 (( M M ) sinθ ) [ ] 1 2 2 Eelnevat valemit võib veidi lihtsustada: σθ ( )= Z 1Z 2e 2 2 sin θ 4 4E 2 2 M 2 1 +... M 2 5
RBS hajumise ristlõige Hajumise ristlõige on võrdeline pommitatava aatomi massi ruuduga. Seda illustreerib allolev graafik. 10000 Sensitivity vs. mass resolution (Z 2 ) 2 ~ σ 1000 100 B C N O F Na MgAl Ne PS Si Sc Ca K Cr Cl Ar Ti V 10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Kinematic factor K M2 (M 1 =He ++, θ=180 ) RBS-i head ja vead Masside lahutus on HEA kergematel tuumadel Tundlikkus on aga kegematel tuumadel HALB ja rasketel tuumadel HEA Pidurdusvõime Osake, mis põrkub märklaua aatomilt objekti sügavuses, omab tunduvalt väiksemat energiat, kui osake, mis põrkub märklaua sama elemendi pinnalähedase aatomiga. Osakese energiakaotus on põhjustatud eelkõige selle interaktsioonist märklaua aatomite elektronidega (elektronpidurdus) ja osakese põrkumistest märklaua aatomitega väikeste nurkade all (tuumapidurdus). 6
Pidurdusvõime Energiakogus, mille pommitav osake kaotab oma teekonnal objektis sõltub osakeste liigist, selle kiirusest, märklaua elemendilisest koostisest, ja märklauad-objekti tihedusest. Tüüpiliselt on 2MeV algenergiaga He-ioonide energiakaod vahemikus100 kuni 800 ev/nm. See, osakeste energiakadude sõltuvus objekti koostisest ja tihedusest, võimaldab RBS mõõtmiste abil määrata kilede paksusi, s.o. viia läbi sügavuse järgi profileerimist. Pidurdusvõime matemaatika RBS näide Al kile, kaetud mõlemalt poolt üliõhukese kullakihiga (Au) Energia skaala: nii mass kui ka paksus 7
RBS näide Pt kile Si alusel Tavaliselt antaksegi RBS spektritel x-teljel nn. channels ehk kanalid, kusjuures iga kanal integreerib teatud kindlat energiavahemikku. RBS spektrite sõltuvus alusest AlN x süsinikalusel AlN x ränialusel RBS näide keerulisest ühendist Keraamiline klaas 8
RBS kasutamine defektide uurimisel ions defect detector lattice Defektid kristallvõres hajutavad samuti ioone Ioonimplanteeritud CuInSe 2 RBS spekter 2000 1500 Cu Se In 30keV Ar + in CuInSe 2 virgin 1.5x10 15 cm -2 3x10 15 cm -2 10 16 cm -2 3x10 16 cm -2 Random 1000 Yield [counts] 500 depth 0 280 300 320 340 360 Channel No Aparatuur Hinnaklass: $350,000 - $550,000, ainuüksi Van de Graaff generaator maksab ligi $300,000 9
Aparatuur Aparatuur Van de Graaffi kiirendi Kõrgepinge tootmiseks kasutatakse sageli Van degraaff kiirendajat (kõrval). Selle konstrueeris Robert Van de Graaff, kasutades Lord Kelvin ideed, mis seisnes laengute transpordis: isoleerivale rihmale injekteeritakse laeng koroonakammi abil. Üks rihmaratas on maandatud, teine isoleeritud, viimase otsast kogutakse laeng terminaali väljundisse. 10
Van de Graaffi kiirendi Kestaga Ilma kestata Van de Graaffi kiirendi kiirendab alfaosakesi energiateni 2-2.5 MeV Aparatuurist veel Elektromagnet on vajalik kindla energiaga ioonide väljaeraldamiseks Kogu aparatuuris on vajalik vaakum10-6 Torri. Kollimaatoritega tehakse ioonikimp teravaks. Ioonide detektorina kasutatakse kas räni või germaaniumdioode. Detektor Analüüsitav α-osake, läbides kullakihi, satub ränisse, kus ta tekitab elektron-augu paare. Mida kõrgem on α -osakese energia, seda rohkem paare tekitatakse. Dioodile on antud teatud vastupinge, nii, et tekkinud elektronid ja augud eraldatakse, tekib elektromotoorjõud, mille suurus on võrdeline α -osakese energiaga. Meetodi lahutusvõime sõltub seega detektori omadusest detekteerida lähedase energiaga α -osakesi. 11
Detektor Tavaliste detektoritega on MeV-se energiaga α -osakeste jaoks saavutatav lahutusvõime 10-20 kev. Selline lahutusvõime pole muidugi paljudel juhtudel piisav selleks, et lahutada kaht lähedase massiga aatomit. Näiteks võimaldab RBS meetod küll lahutada isotoobid 63 Cu ja 65 Cu, kuid ei ole suuteline lahutama suurte massidega aatomeid, näiteks 181 Ta ja 201 Hg. Aparatuur Tüüpiline RBS objekti kamber Teisi meetodeid Osakestega genereeritud röntgenemisioon (ingl. k. particle induced X-ray emission(pixe)) Vesiniku otsehajumine (ingl. k. hydrogenforward scattering(hfs)) Raskete ioonide tagasihajumise spektromeetria (ingl. k. heavyion backscattering spectrometry(hibs)) Madalaenergeetiliste ioonide hajumine (LEIS) 12
RBS ja PIXE meetodite võrdlus Technique Typical Applications Elements detected Depth probed Depth resolution lateral resolution Detection limit Quantitative Depth profiling RBS - thin film composition and thickness -impurity profiles - thin film interactions and interdiffusio ns B-U 1-2μm 20-200Å 0.5-1mm 1-10 at.% Z<20 0.01-1 at.% 0.01-0.001at.% Z>70 Yes Yes PIXE - element identification -impurity analysis Al-U up to 10μm poor 0.5-1mm 0.0001 at.% Yes No RBS ja PIXE meetodite võrdlus RBS kokkuvõte Kinemaatiline faktor ehk energia, mida hajunud osake kaotab, on võrdeline hajutavate tuumade massiga. RBS hajumise ristlõige, mis väljendab osakese hajumise tõenäosust, võimaldab määrata elementide kontsentratsiooni. Energeetilised kaod võimaldavad määrata hajumise sügavust. Kvantitatiivne analüüs, ei vaja standardeid Sügavusprofiile saab ilma objekti rikkumata Meetodi tundlikkus sõltub objektist. Tundlikkus on hea kergete tuumade puhul Sügavuse resolutsioon on tüüpiliselt ~200 Å ioonide otselangemisel ja ~50 Å, kui ioonid langevad väiksema nurga all. 13
RBS kasutusalad Õhukeste kilede, kihiliste struktuuride ja tahkete ainete kvantitatiivne analüüs. Kergemate elementide pinnal asuvate raskemate elementide analüüs Defektide jagunemine sügavusse monokristallide puhul Pinnaaatomite analüüs kristallides Epitaksiaalkilede analüüs Defektide ja lisandite ruumiline paiknemine kristallides Kaasaegsemad lahendused RBS puudused Kuigi koostist saab analüüsida, ei saa infot keemiliste sidemete kohta Vilets ruumiline lahutus, umbes 1 mm. Vilets masside lahutusvõime rasketele elementidele Vilets tundlikkus kergetele elementidele 14