Ion-Beam Analysis of Polymer Surfaces and Interfaces

MRS Bulletin ◽  
1996 ◽  
Vol 21 (1) ◽  
pp. 37-42 ◽  
Author(s):  
Edward J. Kramer
Keyword(s):  
Photoelectron Spectroscopy ◽  
Ion Beam ◽  
Inorganic Materials ◽  
Elastic Recoil ◽  
Short Article ◽  
Ion Beam Analysis ◽  
Elastic Recoil Detection ◽  
Neutron Reflection ◽  
Discouraged Workers ◽  
Beam Analysis

Ion-beam analysis of chemical composition as a function of depth is by now well-established for inorganic materials and is an important method of investigating growth of thin films. It has been applied to polymers much more recently, perhaps because fairly obvious problems with radiation damage discouraged workers in this field initially. Ion-beam analysis has developed, however, into a analytical tool that complements other methods, such as x-ray photoelectron spectroscopy and neutron reflection, very well. The purpose of this short article is to give the reader an introduction to its current uses in polymers.The ion beams of ion-beam analysis are typically highly energetic (1–5 MeV) beams of 4He++. While other beams are used, for example, 3He and 15N, alpha particle beams are used in the vast majority of experiments reported in the literature. Two major categories of experiments are carried out with such beams. Rutherford backscattering (RBS) spectrometry to detect heavy elements in the polymer and forward recoil spectrometry (FRES) (also known as elastic recoil detection) to detect the isotopes hydrogen and deuterium. The basic principles for each method are similar.

Extended Damage Depth Determinations in AR- and H-Implanted Silica Glass

1993 ◽  
Vol 316 ◽  
Author(s):  
G.W. Arnold ◽  
G. Battaglin ◽  
P. Mazzoldi
Keyword(s):  
Silica Glass ◽  
Ion Beam ◽  
Fused Silica ◽  
Rutherford Backscattering ◽  
High Fluence ◽  
Elastic Recoil ◽  
Ion Beam Analysis ◽  
Elastic Recoil Detection ◽  
Beam Analysis ◽  
Damage Depth

ABSTRACTDamage depths for Ar-implanted fused silica have been examined by Rutherford backscattering (RBS) and elastic recoil detection (ERD) ion-beam analysis. H incursion (6 at. %) from ambient atmospheres to twice TRIM values was found for damage depths which intersected the surface. H implants were used to decorate Ar damage for deeper Ar implants. The incursion of H for high-fluence implants is important for optoelectronic applications.

Characterization of SiC Thin Film Obtained by Magnetron Reactive Sputtering: IBA, IR and Raman Studies

2005 ◽  
Vol 483-485 ◽  
pp. 287-290
Author(s):  
H. Colder ◽  
M. Morales ◽  
Richard Rizk ◽  
I. Vickridge
Keyword(s):  
Nuclear Reaction ◽  
Hydrogen Content ◽  
Rutherford Backscattering Spectrometry ◽  
Ion Beam ◽  
Nuclear Reaction Analysis ◽  
Elastic Recoil ◽  
Crystalline Fraction ◽  
Elastic Recoil Detection ◽  
Beam Analysis

Co-sputtering of silicon and carbon in a hydrogenated plasma (20%Ar-80%H2) at temperatures, Ts, varying from 200°C to 600°C has been used to grow SiC thin films. We report on the influence of Ts on the crystallization, the ratio Si/C and the hydrogen content of the grown films. Film composition is determined by ion beam analysis via Rutherford backscattering spectrometry, nuclear reaction analysis via the 12C(d,p0)13C nuclear reaction and elastic recoil detection analysi(ERDA) for hydrogen content. Infrared absorption (IR) has been used to determine the crystalline fraction of the films and the concentration of the hydrogen bonded to Si or to C. Complementary to IR, bonding configuration has been also characterized by Raman spectroscopy. As Ts is increased, the crystalline fraction increases and the hydrogen content decreases, as observed by both ERDA and IR. It also appears that some films contain a few Si excess, probably located at the nanograin boundaries.

H-passivation of Si(100) By Wet Chemical Cleaning: Discovery of Ordering

1998 ◽  
Vol 513 ◽  
Author(s):  
V. Atluri ◽  
N. Herbots
Keyword(s):  
Ion Beam ◽  
Elastic Recoil ◽  
Signal To Noise ◽  
Chemical Cleaning ◽  
Elastic Recoil Detection ◽  
Ion Channeling ◽  
Atomic Force ◽  
Beam Analysis ◽  
Wet Chemical ◽  
First Time

ABSTRACTSi(100) is H-passivated via a modified pre-RCA cleaning followed by etching in HF:alcohol, to produce ordered (1 × 1) templates which desorb at low temperature (T ≥ 600°C). Four sets of 12 wafers, each set processed identically, are used to test reproducibility, and are characterized by Ion Beam Analysis (IBA), Tapping Mode Atomic Force Microscope (TMAFM), and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). The absolute coverage of oxygen and carbon is measured by ion channeling combined with nuclear resonance at 3.05 MeV for oxygen and 4.265 MeV for carbon, improving the signal to noise by a factor 10 for oxygen and by 120 for carbon. It is then possible for the first time to measure ordering of oxygen atoms with respect to the surface by comparing the amount of oxygen from rotating random spectra to the disordered oxygen measured by channeling. Hydrogen is measured via the elastic recoil detection (ERD) of 4He2+ at 2.8 MeV.Si(100) etched in HF:methanol after a modified preliminary RCA cleaning yields the cleanest surface. The data suggest that Si(100) passivated by HF in alcohol is terminated by an ordered hydroxide layer, which desorbs at lower temperatures than the more refractory Si02.

Characterization of Plasma Immersion Deposited Multilayer Coatings by Ion Beam Techniques Combined with Energy Filtered Transmission Electron Microscopy

2005 ◽  
Vol 908 ◽  
Author(s):  
Florian Schwarz ◽  
Joerg K. N. Lindner ◽  
Maik Häeberlen ◽  
Goetz Thorwarth ◽  
Claus Hammerl ◽  
...  
Keyword(s):  
Electron Microscopy ◽  
Ion Beam ◽  
Hard Coatings ◽  
Elemental Distribution ◽  
Elastic Recoil ◽  
Elastic Recoil Detection ◽  
Detection Analysis ◽  
Transmission Electron ◽  
Beam Analysis

AbstractMultilayered and nanostructured coatings of amorphous carbon (DLC), silicon composite multilayers and nanocluster containing films today have great potential for applications as hard coatings, wear reduction layers and as diffusion barriers in biomaterials. Plasma immersion ion implantation and deposition (PIII&D) is a powerful technique to synthesize such films. The quantitative nanoscale analysis of the elemental distribution in such multielemental films and thin film stacks however is demanding.In this paper it is shown how the high spatial resolution capabilities of energy filtered trans-mission electron microscopy (EFTEM) chemical analysis can be combined with accurate and standard-less concentration determination of ion beam analysis (IBA) techniques like Rutherford Backscattering Spectroscopy (RBS) and Elastic Recoil Detection Analysis (ERDA) to achieve absolute and accurate multielement concentration profiles in complicated nanomaterials.

scholarly journals Cross-section studies of deuteron reactions and application in light element ion beam analysis techniques

2020 ◽  
Author(s):  
Ελένη Ντέμου
Keyword(s):  
Ion Beam ◽  
Light Element ◽  
Nuclear Data ◽  
Nuclear Reaction Analysis ◽  
Elastic Recoil ◽  
Ion Beam Analysis ◽  
R Matrix ◽  
Detection Analysis ◽  
Beam Analysis ◽  
Nuclear Data Library

Οι αναλυτικές τεχνικές με δέσμες ιόντων (Ion Beam Analysis (IBA) techniques) χρησιμοποιούνται ευρέως για την ανάλυση στοιχείων ή/και ισοτόπων στα επιφανειακά στρώματα στερεών. Η ευρεία χρήση τέτοιων μεθόδων έγκειται στο γεγονός ότι είναι -σχεδόν- μη καταστροφικές για τα υπό ανάλυση δείγματα. H εφαρμογή τους περιλαμβάνει την ανίχνευση των σωματιδίων ή της ακτινοβολίας που προκύπτει μετά την αλληλεπίδραση των σωματιδίων της δέσμης με τα άτομα ή τους πυρήνες των επιφανειακών στρωμάτων του στόχου και καταλήγει στον ποσοτικό προσδιορισμό και στην κατά βάθος ανάλυση στοιχείων σε ένα δείγμα. Για να εφαρμοσθούν ιοντικές τεχνικές ανάλυσης και να εξαχθούν τα αντίστοιχα συμπεράσματα είναι απαραίτητη η εκ των προτέρων γνώση των αντίστοιχων τιμών της διαφορικής ενεργού διατομής. Ωστόσο, ο αναλυτικός υπολογισμός τέτοιων τιμών, στην ενεργειακή περιοχή των MeV, είναι αδύνατος εφόσον η φυσική που περιλαμβάνεται στην αλληλεπίδραση δέσμης-στόχου είναι μόνο μερικώς γνωστή. Επομένως, η εφαρμογή αυτών των αναλυτικών τεχνικών βασίζεται στην ύπαρξη των αντίστοιχων πειραματικών δεδομένων στην βιβλιογραφία. Τα ελαφρά στοιχεία χρησιμοποιούνται ευρέως στην βιομηχανία. Είναι καίριας σημασίας στον τομέα της ανάλυσης υλικών λόγω της ύπαρξης τους στα κεραμικά, στα γυαλιά και στα πολυμερή ενώ συχνά προστίθενται σε μεταλλικά κράματα με σκοπό να βελτιώσουν συγκεκριμένες ιδιότητες όπως είναι η σκληρότητα και η δυσκαμψία υλικών αλλά και η αντοχή τους στην φθορά και η θερμική αντίσταση. Συνεπώς, ο ακριβής ποσοτικός προσδιορισμός της κατά βάθος κατανομής των ελαφρών στοιχείων, τα οποία βρίσκονται σε μια πληθώρα διαφορετικών μητρών, έχει τεράστια σημασία για την σύγχρονη έρευνα και τεχνολογία. Τέτοια αποτελέσματα μπορούν να εξαχθούν με την εφαρμογή πυρηνικών αναλυτικών τεχνικών και πιο συγκεκριμένα μέσω της μεθόδου ανίχνευσης του ελαστικά ανακρουόμενου πυρήνα (ERDA - Elastic Recoil Detection Analysis) για λεπτά επιφανειακά στρώματα και μέσω της μεθόδου πυρηνικών αντιδράσεων (NRA - Nuclear Reaction Analysis) λόγω της παραγωγής απομονωμένων κορυφών (περιλαμβάνονται υψηλές τιμές Q) με αμελητέο υπόβαθρο. Παράλληλα, η χρήση της δέσμης δευτερίων παρουσιάζει το πολύ μεγάλο πλεονέκτημα της καλύτερης διακριτικής ικανότητας βάθους σε σύγκριση με μια δέσμη πρωτονίων και παράλληλα της ταυτόχρονης διέγερσης σχεδόν όλων των ελαφρών στοιχείων/ισοτόπων που συνυπάρχουν σε ένα δείγμα. Η εφαρμογή της τεχνικής d-NRA θα μπορούσε να ενισχυθεί με την ανάλυση των ελαστικών κορυφών που παράγονται ταυτόχρονα στο φάσματα με χρήση της ίδια πειραματικής διάταξης και συνθηκών. Η γενικευμένη εφαρμογή της τεχνικής EBS περιορίζεται κυρίως από τη μεγάλη βιβλιογραφική έλλειψη αξιόπιστων και ολοκληρωμένων δεδομένων ενεργών διατομών σε διάφορες γωνίες και ενέργειες κατάλληλες για την εφαρμογή ιοντικών τεχνικών ανάλυσης. Η συμβολή της παρούσας διατριβής στο πεδίο των ιοντικών τεχνικών ανάλυσης αποτελείται από δύο μέρη. Το πρώτο μέρος είναι μια συνολική μέτρηση των τιμών της διαφορικής ενεργού διατομής της ελαστικής σκέδασης δευτερίων σε πολλά σημαντικά σταθερά ελαφρά ισότοπα και στοιχεία, όπως είναι 6Li, 7Li, 9Be, 14N, natO, 23Na και natSi, σε ενέργειες και γωνίες κατάλληλες για αναλυτικούς σκοπούς. Σε συγκεκριμένες περιπτώσεις (natO, 23Na, natSi) ελέγχθηκε και η αξιοπιστία των εξαγόμενων πειραματικών δεδομένων (benchmarking) με χρήση παχέων στόχων γνωστής και ακριβής στοιχειομετρίας. Όλες οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στο εργαστήριο του Ινστιτούτου Πυρηνικής και Σωματιδιακής Φυσικής του Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. «Δημόκριτος» χρησιμοποιώντας τον επιταχυντή 5.5 MV Tandem. Τα περισσότερα δεδομένα έχουν ήδη παραχωρηθεί στην IBANDL (Ion Beam Analysis Nuclear Data Library) υπό την αιγίδα της Διεθνούς Επιτροπής Ατομικής Ενέργειας, ώστε να αξιοποιηθούν από τη διεθνή επιστημονική κοινότητα τόσο σε προβλήματα βασικής έρευνας όσο και σε τεχνολογικές εφαρμογές ανάλυσης υλικών. Το δεύτερο μέρος της παρούσας διατριβής έγκειται στην συμπλήρωση των πειραματικών δεδομένων της ελαστικής σκέδασης δευτερίων σε φυσικό οξυγόνο με θεωρητικούς υπολογισμούς με σκοπό την επέκταση της υπάρχουσας φαινομενολογικής μελέτης (evaluation) σε υψηλότερες ενέργειες δευτερίων. Το οξυγόνο επιλέχθηκε καθώς αποτελεί το πιο σημαντικό στοιχείο, μεταξύ των μελετώμενων, από άποψη εφαρμογών. Η θεωρητική μελέτη πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια της θεωρίας R-matrix, η οποία αποτελεί την καταλληλότερη θεωρητική προσέγγιση για τον υπολογισμό διαφορικών ενεργών διατομών ελαστικών σκεδάσεων συντονισμού. Η θεωρία R-matrix λαμβάνει υπόψιν της την αλληλεπίδραση του προσπίπτοντος ιόντος με τον πυρήνα συνολικά και οι παράμετροι του συγκεκριμένου θεωρητικού μοντέλου προσδιορίζονται με βάση τις πειραματικά προσδιορισμένες τιμές της διαφορικής ενεργού διατομής. Η παρούσα εργασία είναι δομημένη σε 2 αντίστοιχες ενότητες και συμπληρώνεται από το απαραίτητο θεωρητικό πλαίσιο και τις προοπτικές αυτής της μελέτης.

COMPLEMENTARY TECHNIQUES TO HIGH ENERGY ION BEAM ANALYSIS

2001 ◽  
Vol 15 (28n29) ◽  
pp. 1402-1410
Author(s):  
J. B. METSON ◽  
M. J. GUSTAFSSON
Keyword(s):  
Photoelectron Spectroscopy ◽  
Secondary Ion Mass Spectrometry ◽  
Ion Beam ◽  
Polymeric Materials ◽  
Depth Resolution ◽  
High Energy ◽  
Ion Beams ◽  
Secondary Process ◽  
Ion Beam Analysis ◽  
Beam Analysis

Ion beam analysis methods generally rely on either the scattering of a high energy primary particle, or secondary process arising from the stopping of this particle in the substrate. The information typically obtained is the identification and quantitation of elements present, often resolved in terms of their depth distribution. However, there are a variety of techniques which offer complementary information on the structure composition and chemistry of a surface. These are typified by rather softer interactions with the surface, typified by low energy (kV) ion beams or photons, which interact with the surface in rather more complex manner than higher energy ion beams. The combination of energy and momentum transfer for the ion beams, makes these methods less quantitative, but opens up the potential for more chemically detailed information on the nature of the surface. Secondary ion mass spectrometry (SIMS), both static and dynamic, and X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) will be discussed in some detail. SIMS offers excellent compositional depth profiling capability, but offers poor quantitation, while XPS offers unparalleled chemical detail, but limited lateral and depth resolution. The underlying processes which dictate the strengths and limitations of these techniques are discussed, along with a number of typical applications to the analysis of oxide films and polymeric materials.

Ion Implantation and Ion Beam Analysis of Lithium Niobate

1988 ◽  
Vol 128 ◽  
Author(s):  
G. W. Arnold
Keyword(s):  
Refractive Index ◽  
Ion Beam ◽  
Beam Line ◽  
Ambient Atmosphere ◽  
Elastic Recoil ◽  
Elastic Recoil Detection ◽  
Enhanced Diffusion ◽  
Surface Contaminants ◽  
Radiation Enhanced Diffusion ◽  
Beam Analysis

ABSTRACTImplantations of He and Ti were made into LiNbO3 and the H and Li profiles determined by elastic recoil detection (ERD) techniques. The loss of Li and gain of H depends upon the supply of surface H (surface contaminants or ambient atmosphere). For 50 keV He implants into LiNbO3 through a 200 Å Al film, the small Li loss is governed by the interface H. This is also the case for He implants into uncoated LiNbO3 in a beam line with low hydrocarbon surface contamination; similar implants under conditions of greater hydrocarbon deposition result in proportionally larger Li loss and H gain in the implant damage region. The exchange is possible only for those He energies, i.e., 50 keV, where the damage profile intersects the surface. For Ti implants Li is lost with little H gain. For this case the Li loss is believed to result from radiation-enhanced diffusion. Where He implantation is used to establish waveguiding in LiNbO3, the presence or absence of H in the implanted region is crucial with regard to refractive index stability, due to the replacement of H by Li from the bulk.

CHARACTERIZATION OF ZnO FILMS BY ION BEAM ANALYSIS

2006 ◽  
Vol 20 (25n27) ◽  
pp. 4655-4660 ◽  
Author(s):  
JOHN KENNEDY ◽  
ANDREAS MARKWITZ ◽  
ZHENGWEI LI ◽  
WEI GAO
Keyword(s):  
Rutherford Backscattering Spectrometry ◽  
Ion Beam ◽  
Rf Magnetron Sputtering ◽  
Substrate Material ◽  
Thickness Variation ◽  
Zno Films ◽  
Hall Probe ◽  
Elastic Recoil ◽  
Ion Beam Analysis ◽  
Beam Analysis

Ion Beam Analysis (IBA) techniques such as Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) and Elastic Recoil Detection Analysis (ERDA) were used to determine the composition, uniformity, impurity and elemental depth profiles of Zn , O and H in ZnO films deposited on silicon, quartz, glass and glassy carbon using radio frequency (RF) magnetron sputtering. For the films deposited under the same condition, it was observed that the variation of Zn/O ratios is independent of substrate material and depends on the film thickness. ERDA revealed that the hydrogen impurities were incorporated into the films. Higher hydrogen concentrations were found for the films deposited on glass and quartz compared to Si . The composition and thickness variation in relationship with three different substrates were explored with XRD, SEM, AFM, PL and Hall probe measurements. It was found that ZnO films (250-300 nm) deposited on Si have, the optical and electrical properties which make them suitable candidate for following p-type doping studies using ion implantation and annealing techniques.

Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document