Slide della lezione introduttiva sulle tecniche IBA (Ion Beam Analysis) nell'ambito del corso "Tecniche di analisi con fasci di ioni", corso di Laurea Magistrale in Fisica e Astrofisica, Univ. Firenze AA 2011-2012 (Massimo Chiari, P.A. Mandò)

1. Tecniche di analisi con fasci di ioni - A.A. 2011-2012
Introduzione alla tecniche
IBA

2. IBA
Ion Beam Analysis

3. Principi delle tecniche IBA
Beamline
Camera di scattering
Bersaglio
Fascio di ioni
Acceleratore
Radiazione
caratteristica
Spettro di
Segnale Rivelatore
energia

4. Fondamenti fisici delle IBA
Niels Bohr (1885-1962) Ernest Rutherford (1871-1937)
Nobel in Fisica 1922 Nobel in Chimica 1908

5. 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)

6. 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

7. 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,...)

8. PIXE / PIGE
Proton Induced X-ray / Gamma-ray Emission
Emissione di raggi X caratteristici in Emissione “pronta” di raggi gamma
seguito alla ionizzazione da parte del durante l’irraggiamento con il fascio di
fascio incidente ioni incidente
Li, B, F,
Z>10 Na, Al...
profili conc.

9. RBS
Rutherford 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

10. NRA
Nuclear 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

11. ERDA
Elastic 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

12. Channeling
Ion Beam Analysis in channeling geometry
strutt. atomica

13. Tecniche di analisi
Fascio IN Fascio OUT Tecnica (acronimo)
e- e- AES, SEM, TEM, EELS, LEED
e- raggio X EDS, EMPA
e- hν Cathodoluminescence (CL)
ione ione RBS, NRA, MEIS, LEIS
ione bersaglio ERDA, SIMS, SNMS
ione raggio X PIXE
ione raggio g PIGE, Activation Analysis
ione hν Ionoluminescence (IL)
raggio X raggio X XRF, XRD
raggio X e- XPS
raggio X hν FTIR, Raman, Refl. Ellipsometry

14. SIMS / SNMS
Un 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 Å
Risoluzione spaziale ≥ 1 μm (imaging)
TXRF
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

15. FTIR
Un 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
Raman 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.

16. XPS
La 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
AES
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

17. SEM / TEM
Un 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)
STM / AFM
Una punta, posizionata a pochi Å dalla
superficie del campione, viene mossa sulla
superficie. Misura della morfologia e delle
proprietà fisiche della superficie.

18. Risoluzione analitica vs Sensibilità

19. Bibliografia essenziale su IBA
• 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