Rutherford Backscattering Spectroscopy

آناليزپس پراکندگی رادرفورد RBS

فرض کنید برای بمباران سطح، به جای الکترون از ذرات باردار یونی استفاده شود. این فرایند مبنای ساخت آنالیزهای جدیدی می شود که بوسیله آنها می توان خواص جالبی از اتمهای نمونه هدف را شناسایی نمود.
تکنیک پس پراکندگی رادرفورد (RBS )، یکی از آنالیزهای مورد استفاده در تعیین مشخصات لایه‌هاي نازك استفاده مي باشد که یک روش غیر مخرب برای آنالیز ترکیب عناصر و گاهی ضخامت یک چندلایه ای می باشد و بر اساس تغيير رفتار نمونه بعد از برخورد یک پرتو یونی با آن تحلیل می شود.
این تکنیک اولین بار توسط شخصی به نام ارنست رادرفورد مورد مطالعه قرارگرفت. او پراكندگي حاصل از دافعه كولني بين يون ها و هسته را اولین بار مورد بررسی قرار داد. وي براي اين كار، با استفاده از برخورد یون های هلیوم روی سطح طلا نتایج جالبی در خصوص طبیعت اتم ها و از جمله هسته موجود در آنها، بدست آورد.
اين تكنيك به پاس تلاش های وی، طیف سنجی پس پراکندگی رادرفورد نام گرفت كه اختصاراً به نام RBS شناخته می شود.
برای بمباران سطح نمونه از یک پرتو یونی سبک با انرژی بالا استفاده می شود که قطر آن معمولاً 1 الي 3 میلیمتر می باشد. این پرتوها مي‌توانند تا چند ميكرون به عمق نمونه(شامل یک یا چند لایه) نفوذ کرده، باعث کندوپاش جزیی اتم‌های سطح شوند. با توجه به اینکه میزان انرژی انتقال یافته به اتم نمونه بستگی به نسبت بین جرم های یون برخوردی و اتم سطح نمونه دارد، ترکیب شیمیایی نمونه با اندازه گیری انرژی یون های پراکنده قابل تشخیص است و به عبارت دیگر، از تحلیل افت انرژی یون های بازگشتی می توان اطلاعاتی راجع به ضخامت لایه و نوع عناصر به دست آورد.
در شکل1، نمای شماتیک از یک سامانه آنالیز RBS نشان داده شده است که در آن یون های تولید شده با استفاده از منبع RF ، توسط شتاب دهنده واندوگراف شتاب داده مي‌شوند.

شكل1: نمای شماتیک از یک سامانه آنالیز RBS

این شتاب دهنده از نوع الکترواستاتیک بوده و نام آن به نام طراحش، واندوگراف[1] نام گرفت. البته امروزه به جاي آن از دستگاهی به نام شتاب دهنده واندو گراف تاندم[2] استفاده می شود که بوسیله آن پروتون با انرژی بیشتر ازMeV ٢٠و ذرات آلفا با انرژی بالایMeV ٣٠ شتاب داده می شوند. پرتو یونی پرشتاب، پس از ورود به محفظه خلأ در نهایت توسط میدان های مغناطیسی قوی، روی نمونه کانونی می شوند و يون هاي پس پراكنده وارد یک یا چند آشكارساز شده، مورد تجزيه و تحليل قرار مي‌گيرند. پالس هاي الكتروني پدید آمده در اثر بمباران سطح، تقويت شده و توسط یک پردازشگر در چند كانال ( برحسب انرژي) ذخيره ‌شده و در نتیجه طيف RBS تشکیل مي‌ شود .

تحلیل فرآیند:
برای بمباران سطح، متناسب با نوع ماده هدف، معمولاً از ذرات آلفا و یا پروتون، استفاده می شود و گاهی هم از دیگر یون ها مانند یون لیتیوم استفاده مي شود. مطابق شکل 2 فرض کنیم که یون فرودی با جرمM₁ و با انرژی E₀ به سمت اتم های سطح نمونه با جرم شتاب داده شود.

             الف                                                                             ب
شكل2: برهم كنش بين يون فرودي به جرمM₁ با نمونه هدف به جرمM₂

در این حال متناسب با نسبت بین جرم های یون فرودي و جرم اتم سطح نمونه، ذرات فرودی تحت زاویه با انرژي پراکنده مي شوند(این ذرات مورد آنالیز می باشند). در اين حال احتمالاً بخشی از اتم های مورد هدف نيز با انرژی پس زده می شوند. زاويه معمولاً محدوده 160تا 170درجه را در بر مي گيرد.
در این حال با فرض برخورد الاستیک داریم:
E₀=E₁+E₂
و در نتیجه:

                                                                   M₁V₀²=M₁V₁²+M₂V₂²

      M₁V₀=M₁V₁+M₂V₂
برای درک بیشتر به بررسی یک مثال می پردازیم: فرض کنید که نمونه مورد آنالیز ترکیبی از هیدروژن و کربن بوده و از یون های هلیوم برای بمباران سطح استفاده شود. در اثر برخورد یون های هلیوم به نمونه،
مطابق شكل3، دو فرآیند رخ خواهد داد :

1- در حالت اول با توجه به اینکه اتم کربن از یون هلیوم سنگین تر است در نتیجه، آنالیز اتم های کربن با استفاده از آشکارساز RBS صورت مي گيرد.

2- در حالت دوم با توجه به اینکه اتم هیدروژن از یون هلیوم سبك تر است در نتیجه، آنالیز اين اتم ها با استفاده از آشکارساز ERD صورت مي گيرد.

شكل3: آشكارسازي نمونه تركيبي از هيدروژن و كربن

گاهي هم از پروتون براي بمباران سطح استفاده مي كنند. تکنیکی که در آن از پروتون به عنوان ذره باردار فرودی جهت آنالیز استفاده شود،[PESA] ناميده مي شود.
نتایج آنالیز در نهایت به شکل یک نمودار است که در آن محور افقی بیان گر مقدار انرژی های برگشتی از نمونه است(که مشخصه مواد می باشد) و محور عمودی به نوعی بیان گر چگالی انرژی های ساطع شده از نمونه(شمارش تعداد سیگنال های باانرژی های یکسان) می باشد. سطح زير قله طيفي، نشان ‌دهنده تعداد اتم هاي مربوط به عنصر داده شده در ناحيه يا لايه مورد بررسي است.
پهنای پیک های نمایش داده شده، ارتفاع آن و شروع لبه های پیک ها بیانگر مشخصه های ماده از جمله استوکیومتری و ضخامت لایه می شود. انرژي هر لبه، انرژي يون پراكنده شده توسط آن عنصر مي باشد. با افزايش جرم اتمي نمونه، انرژي يون هاي پراكنده شده نيز افزايش مي يابد. بنابراین، اولين لبه از سمت راست مربوط به سنگين ترين عنصر موجود در نمونه و اولين لبه سمت چپ مربوط به سبك ترين عنصر موجود در نمونه مي باشد. شکل4، نشان دهنده نوعی از این طیف ها برای فویل کربن است که توسط یون های هلیوم بمباران شده است.

شكل4: طیف RBS برای آنالیز فویل کربن با استفاده از ذرات آلفا

از ديگر ويژگي هاي آناليز RBS ضخامت سنجي تك لايه و حتي چند لايه اي با ضخامت محدود مي باشد. ضخامت سنجی بر اين اصل شكل گرفته كه سیگنال های خروجی با چه انرژی به ماده داخلی(عمقی) نفوذ کرده و با چه انرژی و چه چگالی خارج می شوند.
آنالیز عمقی تا 2میکرون برای ذرات فرودي آلفا و تا 20 میکرون برای ذرات فرودی پروتون می رسد. در این حال دقت رزولوشن عمقی در حدود 1 تا 10 نانومتر بوده و مقدار آن برای عناصر سنگین تر، بسیار بالاتر از عناصر سبک می باشد. بديهي است كه اندازه عمق مورد بررسی به مواردي از قبيل نوع يون های مورد استفاده و انرژی آنها و همچنین شکل و دانسیته نمونه بستگي دارد.
به عنوان مثال، اندازه عمق مورد مطالعه با پرتوهاي He4+ با انرژي دو میلیون الکترون ولت، حداكثر یک میکرومتر است در حالی که برای پرتوهايHe3 با همان انرژی، اندازه عمق تا 5 میکرومتر می رسد.
يكي از اشكالات اين آناليز آن است كه در طیف مواد آلیاژی، متأسفانه عناصر سبکتر به نوعی در هم ادغام می شوند و این آنالیز در تشخیص عناصری که جرم اتمی نزدیکی به هم دارند دچار مشکل مي شود .
برای درک بهتر، آنالیز RBS مربوط به سه نمونه مشابه دو لایه ای فلزی نیکل و نقره که در شرایط مختلف دمایی روی زیرلایه شیشه ای، انباشت شده اند، در شکل آمده است.
پیک سمت چپ (پیک کوچکتر) مربوط به لایه نیکل و پیک سمت راست مربوط به لایه نقره   می باشد. نمودارها به زیبایی، ارتباط پدیده نفوذ بین فلزی را با افزايش دما نشان مي دهد.

شکل5: پروفایل بدست آمده از آنالیز RBS (سازمان انرژی اتمی) روی نمونه شیشه ای با لایه های انباشتی نیکل و نقره. نمونه بالايي در دماي 100، مياني در دماي 200 و پاييني در دماي 300 درجه سانتي گراد انباشت شده اند.

[3] Proton Elastic Scattering

منبع : کتاب مبانی لایه نشانی و آنالیز نانو ساختار تالیف آقای جهانبخش مشایخی، انتشارات مرکز نشر دانشگاهی

آنالیزهای سطح و لایه   نازک

برهم کنش بین ذرات باردار با لایه نازک

برهم کنش بین پرتو ایکس با لایه نازک

برهم کنش بین پرتو نور با    لایه نازک

میکروسکوپ الکترونی روبشی SEM

میکروسکوپ الکترونی عبوری    TEM

میکروسکوپ پروبی روبشی    SPM

میکروسکوپ پروبی روبشی    AFM

میکروسکوپ روبشی تونلینگ    STM

آنالیز سطح و لایه به روش SIMS

آنالیز سطح و لایه به روش    RBS

آنالیز سطح و لایه به روش    XRD

آنالیز سطح و لایه به روش    XPS

آنالیزطیفی به روش بیضی سنجی

آنالیزطیفی به روش اسپکتروفتومتر

لایه نشانی و پارامترهای آن

ساختار    تشکیل       لایه

روش تفنگ الکترونی E_Beam Gun

روش تبخیر مقاومتی    Resistant Ev

روش کندوپاش       Sputtering

لایه نشانی به روش لیرزی    PLD

لایه نشانی به روش       MBE

لایه نشانی شیمیایی       CVD

لایه نشانی شیمیایی        PECVD

لایه نشانی شیمیایی     MOCVD

درباره                            خلاء

پمپ روتاری    Rotary Pump

پمپ توربومولکولارTurbomolecular

پمپ کرایوجنیک Cryojenic Pump

پمپ دیفیوژن    Diffusion Pump

تاریخچه فشارسنج های نخستین

فشارسنجهای محدوده خلاء پایین

فشارسنج یونی کاتد سرد و گرم

کنترل ضخامت

ضخامت سنجی اپتیکی

ضخامت سنجی کریستالیQCM