![Page 1: Chiari: Introduzione alle tecniche di Ion Beam Analysis, IBA (2012)](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042518/559de9911a28ab34148b4601/html5/thumbnails/1.jpg)
Introduzione alla tecniche IBA
Tecniche di analisi con fasci di ioni - A.A. 2011-2012
![Page 2: Chiari: Introduzione alle tecniche di Ion Beam Analysis, IBA (2012)](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042518/559de9911a28ab34148b4601/html5/thumbnails/2.jpg)
IBAIon Beam Analysis
![Page 3: Chiari: Introduzione alle tecniche di Ion Beam Analysis, IBA (2012)](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042518/559de9911a28ab34148b4601/html5/thumbnails/3.jpg)
Principi delle tecniche IBA
Acceleratore
Beamline
SegnaleSpettro di energia
Rivelatore
Bersaglio
Fascio di ioni
Radiazione caratteristica
Camera di scattering
![Page 4: Chiari: Introduzione alle tecniche di Ion Beam Analysis, IBA (2012)](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042518/559de9911a28ab34148b4601/html5/thumbnails/4.jpg)
Fondamenti fisici delle IBA
Niels Bohr (1885-1962)Nobel in Fisica 1922
Ernest Rutherford (1871-1937)Nobel in Chimica 1908
![Page 5: Chiari: Introduzione alle tecniche di Ion Beam Analysis, IBA (2012)](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042518/559de9911a28ab34148b4601/html5/thumbnails/5.jpg)
Gli albori delle IBA
Publications growth rate in nuclear reaction analysis (NRA), Rutherford backscattering• 1956 - 1959: Rivelatore a barriera di superficie (Mayer & Gossick)
• 1965+: Industria dei semiconduttori (impiantazione ionica in Si)
![Page 6: Chiari: Introduzione alle tecniche di Ion Beam Analysis, IBA (2012)](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042518/559de9911a28ab34148b4601/html5/thumbnails/6.jpg)
Caratteristiche delle IBA• Multielementali
• Analisi quantitativa (“tracciabile”)
• Alta sensibilità (1-100 ppm in at/cm3; 1011-1012 in at/cm2)
• Analisi superficiale (10 Å - 10 μm)
• Depth profiling
• Non distruttive
• Non richiedono preparazione del campione
• Microanalisi (risoluzione laterale <1 μm)
• Mappe 2D
![Page 7: Chiari: Introduzione alle tecniche di Ion Beam Analysis, IBA (2012)](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042518/559de9911a28ab34148b4601/html5/thumbnails/7.jpg)
Domande fondamentali nello studio dei materiali•Composizione atomica / profili di concentrazione
•Struttura atomica (struttura cristallina, difetti, amorfizzazione e ricristallizzazione,...)
•Movimenti atomici (diffusione, impiantazione, meccanismi di crescita,...)
![Page 8: Chiari: Introduzione alle tecniche di Ion Beam Analysis, IBA (2012)](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042518/559de9911a28ab34148b4601/html5/thumbnails/8.jpg)
PIXE / PIGEProton Induced X-ray / Gamma-ray Emission
Emissione di raggi X caratteristici in seguito alla ionizzazione da parte del fascio incidente
Emissione “pronta” di raggi gamma durante l’irraggiamento con il fascio di ioni incidente
Z>10Li, B, F,Na, Al...
profili conc.
![Page 9: Chiari: Introduzione alle tecniche di Ion Beam Analysis, IBA (2012)](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042518/559de9911a28ab34148b4601/html5/thumbnails/9.jpg)
RBSRutherford Backscattering Spectrometry
Diffusione degli ioni del fascio incidente ad angoli all’indietro in seguito a urto elastico con nuclei del bersaglio
A>Ap
profili conc.
mov. atomici
![Page 10: Chiari: Introduzione alle tecniche di Ion Beam Analysis, IBA (2012)](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042518/559de9911a28ab34148b4601/html5/thumbnails/10.jpg)
NRANuclear Reaction Analysis
Reazione nucleare tra il fascio incidente e i nuclei del bersaglio, con emissione di particella carica leggera
Basso Z(C, N, O)
profili conc.
mov. atomici
![Page 11: Chiari: Introduzione alle tecniche di Ion Beam Analysis, IBA (2012)](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042518/559de9911a28ab34148b4601/html5/thumbnails/11.jpg)
ERDAElastic Recoil Detection Analysis
Rinculo dei nuclei del bersaglio ad angoli in avanti in seguito a urto elastico con ioni del fascio incidente
A≤Ap
profili conc.
mov. atomici
![Page 12: Chiari: Introduzione alle tecniche di Ion Beam Analysis, IBA (2012)](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042518/559de9911a28ab34148b4601/html5/thumbnails/12.jpg)
ChannelingIon Beam Analysis in channeling geometry
strutt. atomica
![Page 13: Chiari: Introduzione alle tecniche di Ion Beam Analysis, IBA (2012)](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042518/559de9911a28ab34148b4601/html5/thumbnails/13.jpg)
Tecniche di analisiFascio IN Fascio OUT Tecnica (acronimo)
e- e- AES, SEM, TEM, EELS, LEEDe- raggio X EDS, EMPAe- hν Cathodoluminescence (CL)
ione ione RBS, NRA, MEIS, LEISione bersaglio ERDA, SIMS, SNMSione raggio X PIXEione raggio g PIGE, Activation Analysisione hν Ionoluminescence (IL)
raggio X raggio X XRF, XRDraggio X e- XPSraggio X hν FTIR, Raman, Refl. Ellipsometry
![Page 14: Chiari: Introduzione alle tecniche di Ion Beam Analysis, IBA (2012)](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042518/559de9911a28ab34148b4601/html5/thumbnails/14.jpg)
SIMS / SNMSUn fascio di ioni è usato per “sputterare” atomi dalla superficie del campione. Gli ioni secondari emessi sono analizzati in massa.Sensibilità ≈ 1012 – 1014 at/cm3
Depth resolution ≈ 10 – 200 ÅRisoluzione spaziale ≥ 1 μm (imaging)
Raggi X incidono sul campione ad angoli radenti ed eccitano gli atomi superficiali. Gli atomi poi rilassano emettendo un raggio X caratteristico.Depth resolution ≈ 30 – 80 Å
TXRF
![Page 15: Chiari: Introduzione alle tecniche di Ion Beam Analysis, IBA (2012)](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042518/559de9911a28ab34148b4601/html5/thumbnails/15.jpg)
FTIRUn fascio di radiazione infrarossa eccita il campione e le molecole vibrano nel campo IR. Possono essere determinate le molecole e le concentrazioni dei legami chimici “oscillanti”.Depth resolution ≈ 0.1 – 1 μm
Misura l’intensità della luce diffusa inelasticamente dal campione in funzione della lunghezza d’onda. I legami chimici guadagnano o perdono un ammontare caratteristico di energia, che corrisponde ai diversi modi vibrazionali dei legami.
Raman
![Page 16: Chiari: Introduzione alle tecniche di Ion Beam Analysis, IBA (2012)](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042518/559de9911a28ab34148b4601/html5/thumbnails/16.jpg)
XPSLa superficie del campione è eccitata mediante raggi X e fotoelettroni vengono emessi dagli atomi prossimi alla superficie. Si possono ottenere informazioni sui legami chimici.Limite rivelabilità ≈ 0.001 – 1 at%Depth resolution ≈ 10 – 100 Å
Un fascio focalizzato di elettroni produce elettroni Auger, le cui energie sono caratteristiche di ogni elemento.Limite rivelabilità ≈ 0.1 – 1 at%Depth resolution ≈ 20 – 200 Å
AES
![Page 17: Chiari: Introduzione alle tecniche di Ion Beam Analysis, IBA (2012)](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042518/559de9911a28ab34148b4601/html5/thumbnails/17.jpg)
SEM / TEMUn fascio di elettroni ben focheggiato scansiona la superficie del campione; l’immagine della superficie è ricostruita rivelando gli elettroni secondari e i fotoni emessi.Analisi elementale possibile grazie a spettroscopia di raggi X a dispersione di energia (EDX)
Una punta, posizionata a pochi Å dalla superficie del campione, viene mossa sulla superficie. Misura della morfologia e delle proprietà fisiche della superficie.
STM / AFM
![Page 18: Chiari: Introduzione alle tecniche di Ion Beam Analysis, IBA (2012)](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042518/559de9911a28ab34148b4601/html5/thumbnails/18.jpg)
Risoluzione analitica vs Sensibilità
![Page 19: Chiari: Introduzione alle tecniche di Ion Beam Analysis, IBA (2012)](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042518/559de9911a28ab34148b4601/html5/thumbnails/19.jpg)
•Y. Wang, M. Nastasi ed.s “Handbook of Modern Ion Beam Materials Analysis” MRS
• J.F. Ziegler, J.P. Biersack, U. Littmark “The stopping and range of ions in solids” Pergamon press
• W.R. Leo “Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments...” Springer
• G.F. Knoll “Radiation Detection and Measurements” John Wiley & Sons
• P. Sigmund “Particle Penetration and Radiation Effects...” Springer
• R. Hellborg ed. “Electrostatic Accelerators: Fundamentals and Applications” Springer-Verlag
• B. Wolf ed. “Handbook of Ion Sources” CRC press
• S. A.E. Johansson, J.L. Campbell, K.G. Malmqvist ed.s “Particle-induced X-ray emission spectrometry (PIXE)” John Wiley & sons
• P.A. Mandò “PIXE (Particle-induced X-ray Emission)” in Encyclopedia of Analytical Chemistry, John Wiley & sons
• W.-K. Chu, J.W. Mayer, M.-A. Nicolet “Backscattering Spectrometry” Academic Press
• G. Deconninck et al. “Prompt gamma-ray spectroscopy and its use in elemental analysis” At. Energy Rev. suppl. no. 2 (1981) 151
Bibliografia essenziale su IBA