(Microsoft PowerPoint - UJF1 [jen pro čtení])

Dílčí cíle projektu a jejich plnění v roce 2007 (ÚJF AV ČR - laboratoř Tandetronu)
V001 Dokončení a kalibrace experimentálních zařízení v laboratoři urychlovače Tandetron
V průběhu r. 2007 probíhaly práce na dokončení nových experimentálních zařízení na urychlovači Tandetron,
jejich kalibrace a uvádění do rutinního provozu. Rovněž se pokračovalo osvojení různých režimů provozu
Tandetronu a jejich optimalizaci.
Zařízení pro analýzy a hloubkové profilování lehkých prvků metodou ERDA-TOF
(Elastic Recoil Detection Analysis - Time of Flight) byla v rámci diplomové práce provedena
první měření a ověřeny jeho parametry a diplomová práce byla úspěšně obhájena. Dále byl dokončen druhý
(stop) detektor ve spektrometru Time of Flight (TOF) pro metodu ERDA, byl umístěn do vakua a elektronicky testován.
TOF spektrometr je tímto dokončen a proběhly kalibrace TOF spektrometru s iontovým svazkem Cu6+ , 15.4 MeV
(stanovení časového a energetického rozlišení).
V roce 2007 bylo dokončeno testování a kalibrace zařízení pro metodu RBS-channeling. Byla naměřena spektra
s využitím pohyblivého detektoru pro zpětně odražené ionty metodou RBS a vyražené částice metodu ERDA
na různých úhlech současně s nastavením geometrie experimentu. Na zařízení pro analýzy metodou
RBS-channeling, které umožňuje zkoumání struktury monokrystalických materiálů
(včetně určování poloh atomů příměsí, koncentrací, typu a hloubkových profilů defektů) byly provedeny první
experimenty, které ukázaly funkčnost zařízení. Jeho uvedení do rutinního využití v r. 2008 si ještě vyžádá
odstranění drobných technických potíží zejména se softwarem, které se průběžně řeší ve spolupráci s
dodavatelskou firmou NEC.
RBS-CHANNELING
- National Electrostatics Corporation, USA
V roce 2007 byla vyrobena aparatura pro depozici tenkých kovových vrstev magnetronovým naprašováním
(HVM Plasma). Aparatura byla testována a bylo ověřeno, že jsou všechny módy funkční. Jednak lze vzorek
účinně čistit iontovým bombardem Ar+ iontů urychlených v plasmatu, dále lze po odklopení targetu deponovat
vrstvy kovů při různých podmínkách (volbou předpětí měnit energii dopadajících iontů a tím měnit strukturu vrstvy).
Během r. 2007 byly kompletně rekonstruovány dvě laboratoře určené pro umístění všech zmíněných zařízení.
Výše uvedené deposiční metody jsou klíčové pro řešení dílčích cílů V004, 005, 006, 011.
V r. 2008 se bude pokračovat v budování experimentálních zařízení laboratoře urychlovače Tandetron a
v rostoucí míře budou prováděny rutinní analýzy materiálů v rámci plnění jednotlivých výzkumných etap centra.
Bude dokončeno nové zařízení pro analýzy metodami PIXE, PIGE a dokončeno testování zařízení ERDA-TOF a
bude připraven software pro zpracování 2D spekter metody ERDA-TOF.
Publikace
[1] J. Bočan, A. Macková, P. Malinský, Využití urychlovače TANDETRON pro studium mikro a nano-struktur,
Seminář Radioanalytické metody IAA 07, 27.-28.9. 200, Praha, Sborník příspěvků, Editor. M. Vobecký,
Spektroskopická společnost J. M. Marci, 2007.
V010 a V011 Plasmové modifikace struktur polymer/kov a studium struktur metodami počítačové fyziky
V roce 2007 jsme se zabývali mobilitou a vytváření kovových částic na rozhraní polymeru a kovu po ozáření
metalizovaných polymerů v plasmatu. Kovové částice vytvořené v dielektrickém materiálu jako je polymer jsou
stále atraktivním objektem studia kvůli nezvyklým vlastnostem, které vykazují kovové částice ve srovnání s
objemovým kovem. Metalizované polymery (Ag/PET, Ag/PE) byly modifikovány v Ar plasmatu a dále
charakterizovány metodami RBS, ERDA. Výsledkem bylo stanovaní hloubkových profilů Ag, výpočet
difůzních parametrů (aktivační energie difůze, difůzních koeficientů). Dále byly vzorky charakterizovány
AFM, TEM a XPS z hlediska změn morfologie povrchu a chemických vazeb.
Morfologie povrchu tenkých kovových vrstev modifikovaných v plasmatu se dramaticky měnila s dobou
modifikace a teplotou polymerního substrátu. Vliv morfologie musel být zahrnut do vyhodnocení hloubkových
profilů metodou RBS. Toto bylo provedeno s použitím softwaru SIMNRA a měřením vzorků metodou RBS
pod různými úhly dopadu iontů, což nám umožnilo kvantifikovat vliv drsnosti povrchu a srovnat s výsledky
drsnosti získané metodou AFM. TEM prokázala existenci Ag částic na rozhraní Ag/PET, jejichž velikost rostla
s rostoucí teplotou substrátu použité během plasmatické modifikace.
Experimenty ukázaly řadu vlastností rozhraní kovu a polymeru pod vlivem ozáření v plasmatu popř. zvýšením
teploty polymeru blízko Tg nebo Tm.
Cíl V010 byl úspěšně splněn, sumární výsledky plasmaticky modifikovaných tenkých kovových vrstev
byly publikovány a aparatura byla vyrobena a otestována.
Publikace
[1] Macková, Anna - Švorčík, V. - Sajdl, P. - Strýhal, Z. - Pavlík, J. - Malinský, Petr - Šlouf, Miroslav, RBS, XPS,
and TEM study of metal and polymer interface modified by plasma treatment, Vacuum. Roč. 82, - (2007), s. 307-310.
[2] Macková, Anna - Švorčík, V. - Strýhal, Z. - Pavlík, J. - Malinský, Petr, RBS, XPS and AFM Study of Ag Thin
Films and Polyethylene Foils Interface Modified by Plasma Treatment, Bratislava : Comenius University, 2007. 2 s.
16th Symposium on Application of Plasma Processes. Podbánske (SK), 20.01.2007-25.01.2007.
[3] Macková, Anna - Bočan, Jiří - Malinský, Petr, Využití iontových svazků pro analýzu materiálů.
Praha : Česká vakuová společnost, 2007. 8 s. Letní škola vakuové techniky. Štrbské pleso (SK), 04.06.2007-07.06.2007
[4] Macková, Anna - Malinský, Petr - Bočan, J - Švorčík, V. - Pavlík, J. - Strýhal, Z., Study of Ag/PE interface
after plasma treatment, 9th International workshop on plasma based ion implantation and deposition. Leipzig (DE),
02.09.2007-06.09.2007, Book of abstracts, p. 81, will be published in Physica Status Solidi
RBS
The beam of 2.68 MeV He+ ions from Van de Graaff accelerator was used for RBS analysis measured at 170o laboratory
scattering angle. RBS spectra of Ag very thin films on polymer substrates were recorded for incoming ion beam angles 0o,
50o, 60o and 75o to achieve better depth resolution and to observe the surface morphology influencing RBS spectra. RBS
spectra were evaluated using SIMNRA code taking into account the surface roughness.
Plasma gas Temperature of Performance of Ag amount RBS Ag fraction XPS
/substrate substrate [°C]
plasma [W]
[1015 at/cm2]
[atomic %]
LDPE
0
0
23,2±0,1
14,4±0,8
Ar / LDPE
55
10
22,5±0,1
28,1±0,8
Ar / LDPE
65
20
22,1±0,1
23,5±0,8
Ar /LDPE
95
10
11,5±0,1
8,5±0,8
HDPE
0
0
26,8±0,1
15,7±0,8
Ar / HDPE
55
10
16,3±0,1
14,2±0,8
Ar / HDPE
65
20
21,7±0,1
14,0±0,8
Ar / HDPE
95
10
14,6±0,1
13,5±0,8
Table 1: Summarization of deposition parameters and integral amount of Ag determined RBS and Ag
surface fraction determined by XPS.
XPS, AFM
An Omicron Nanotechnology ESCAProbeP spectrometer was used to measure the X-ray photoelectron spectra (XPS). The
X-ray source was monochromated at 1486.7 eV. The exposed and analyzed area had dimensions of 2x3 mm2. The spectra
were measured stepwise with a step in binding energy of 0.05 eV.
The surface topography and roughness were measured by the Atomic Force Microscopy (AFM - Metris – 2001A – NC,
Burleigh Instruments Inc.) All AFM measurements were carried out in the non - contact mode at the ambient atmosphere
and at room temperature.
Parameter Rq and Ra determined from AFM analysis and from SIMNRA evaluation of RBS spectra are
compared. The extraction of diffusion coefficients from RBS spectra was done using geometry
of incoming beam with the best correlation with AFM parameters to distinguish the part of Ag signal
connected with the surface roughness and with the diffusion profile.
Sample
of plasma treated
Ag/LDPE
Ar 10W 55°C
Parameter
AFM
analysis
RBS analysis using different incident ion
beam angle
0°
50°
60°
75°
34,6
27,0
22,9
13,4
33,1
22,4
16,6
8,5
Ra
Rq
20,3
16,8
Ar 20W 65°C
Ra
Rq
27,0
22,0
53,4
61,4
43,6
39,5
37,2
31,1
20,0
15,9
Ar 10W 95°C
Ra
Rq
19,5
51,1
40,8
28,6
19,9
15,6
68,3
44,7
34,7
17,9
V004 a V013 Charakterizace a modifikace materiálů iontovými svazky a Struktury pro optoelektroniku (fotoniku) na
bázi LN, LT.
V r. 2007 byl zejména studován účinek iontové implantace do silikátových skel a do optických krystalů potenciálně
využitelným ve fotonce. Implantace byly provedeny na dvou pracovištích tj. v Řeži a Rossendorfu za použití různých
energií a různých fluencí iontů. Jako dielektrické materiály byly použity různé typy silikátových skel a niobičnan lithný.
Vlastnosti připravených vrstev byly charakterizovány pomocí RBS, PIXE, kanálovací RBS (hloubkové koncentrační
profily implantovaných prvků), dále metodou vidové spektroskopie (vlnovodné vlastnosti připravených vrstev),
Ramanovou spektroskopií (struktura vrstvy) a dále byla měřena absorpční a fluorescenční spektra připravených vrstev.
Ve skleněných substrátech byla dosud nejvíce studována implantace zlata, které bylo implantováno s energií 1,7 MeV
v různých fluencích do sodnovápenatých silikátových skel, která se od sebe lišila jednak typem síťotvorného prvku
nebo obsahem alkálií. Zjistili jsme skutečnost, že vlnovodné vlastnosti má vrstva, která je vytvořena při energii
1,7 MeV a fluenci minimálně 1x1016at/cm2 a je vytvořena v silikátovém skle. Dále jsme studovali vliv následného
žíhání na takto připravené vrstvy a podle prvních výsledků bylo zjištěno, že vhodná teplota žíhání by měla být
mírně nad teplotou Tg skla. Do různých typů skleněných substrátů byly dále implantovány erbium a chrom.
Tyto prvky byly implantovány s nižší energií 330 keV a fluencí max. 3x1015 at/cm2.
Nejúspěšnějším projektem v tomto roce byla příprava speciálních silikátových skel obsahující chrom(III) v různých
koncentracích do kterých byl implantován kyslík (O+). Cílem těchto experimentů bylo získat skleněné materiály s
obsahem velmi žádaného Cr(IV), který má široký emisní pás v oblasti 1200 – 1700 nm.
V různých krystalografických řezech niobičnanu lithného byla provedena implantace erbia při energii 330 keV a
různých dávkách. Vliv krystalografické orientace substrátu na implantaci a souvislost mezi následným žíháním
a fluorescenčními vlastnostmi jsou nyní studovány.
Vzorky substrátů i tenké vrstvy připravené na povrchu substrátů některou z difusních technik založených především
na iontové výměně byly analyzovány metodami RBS a PIXE (obsah příp. koncentrační hloubkové profily funkčních
iontů., jako např. erbia), NDP (obsah a koncentrační hloubkové profily lithia) a ERDA (obsah a koncentrační hloubkové
profily vodíku). Výsledky sloužily k vyhodnocení experimentů a dalším úpravám experimentálních procesů s cílem
připravit optické vlnovody s optimální koncentrací a distribucí funkčních iontů ve vlnovodné oblasti.
Obrázek 1 : RBS analýza skel implantovaných 1,7 MeV Au ionty (ϑ = 170°). Naho ře: RBS
spektrum a hloubkový profil Au skla implantovaného dávkou 1×1015 at./cm2. Dole: RBS spektrum
a hloubkový profil Au skla implantovaného dávkou 1×1016 at./cm2.
sledovat např. na krystalu TiO2 implantovaném kovovými ionty [7].
2a
2b
Obrázek 2a Er hloubkové profily v LN měřené metodou RBS
Obrázek 2b RBS-channeling analýza implantovaných LN pro různé energie implantace a
fluence, srovnání s neimplantovaným krystalem
Publikace:
[1] J. Spirkova, P. Tresnakova, H. Malichova, M. Mika, Cu+ containing waveguiding layers in novel silicate glass
substrates, J. Mater. Sci. Mater. Electron. 18 (2007) 375-378.
[2] L. Salavcova, J. Spirkova, M. Mika, A. Mackova, J. Oswald, A. Langrova, J. Vacik, Localised Doping of
Li-silicate Glasses by Er3+ Ion Exchange to Fabricate Thin Optical Layers, Opt. Mater. 29 (2007) 753-759.
[3] L. Salavcova, A. Mackova, J. Oswald, B. Svecova, S. Janakova, J. Spirkova, M. Mika, Erbium doping into
silicate glasses to form luminescent optical layers for photonics applications, J. Phys. Chem. Sol. 68 (2007) 891-895.
[4] L. Salavcova, J. Spirkova, F. Ondracek, A. Mackova, J. Vacik, U. Kreissig, F. Eichhorn, R. Groetzschel, Study of
anomalous behaviour of LiTaO3 during the annealed proton exchange process of optical waveguide's formation
- comparison with LiNbO3, Opt. Mater. 29 (2007) 913-918.
[5] J. Spirkova, P. Tresnakova, H. Malichova, M. Mika, Cu+ containing waveguiding layers in novel silicate glass
substrates, J. Mater. Sci. Mater. Electron. 18 (2007) 375-378.
[6] L. Salavcova, J. Spirkova, M. Mika, A. Mackova, J. Oswald, A. Langrova, J. Vacik, Localised Doping of
Li-silicate Glasses by Er3+ Ion Exchange to Fabricate Thin Optical Layers, Opt. Mater. 29 (2007) 753-759.
[7] L. Salavcova, A. Mackova, J. Oswald, B. Svecova, S. Janakova, J. Spirkova, M. Mika, Erbium doping into silicate
glasses to form luminescent optical layers for photonics applications, J. Phys. Chem. Sol. 68 (2007) 891-895.
[8] Salavcova, L., Macková, A., Oswald, J., Švecová, B.,Janáková, S., Špirková, J., Míka, M. Erbium doping into silicate
glasses to form luminescent optical layers for photonics applications. Journal of Physics and Chemistry of Solids.
Roč. 68, 5-6 (2007), s. 891-895.
[9] Macková, A., Bočan, J., Malinský, P., Využití iontových svazků pro analýzu materiálů. Praha : Česká vakuová
společnost, 2007. 8 s. Letní škola vakuové techniky. Štrbské pleso (SK), 04.06.2007-07.06.2007
[10] Macková, A., Havránek, V., Salavcová, L., Špirková, J., Study of Erbium Diffusion into a Glass Surface For
Applications in Photonics using Ion Beam Methods. 12th European Conference on Applications of Surface and
Interface Analysis. Brussels (BE), 09.09-14.09.2007
[11] A. Macková, V. Švorčík, V. Hnatowicz, P. Malinský, J. Bočan, R.I. Khaibullin, P. Nekvindová, Material
Analyses and Modification on the Tandetron Accelerator, 4th International Student Summer school ,Nuclear Physics
Methods and Accelerators in Biology and Medicine, Masarykova Hall, Czech Technical University, Prague,
Czech Republic, July 8 - 19, 2007, Proc. Summer School, Publ. AIP New York (2007) p. 56-60
[12] Janakova S., Spirkova J., Svecova B., Lahodny F., Mika M., Oswald J., Mackova A., Properties of chromium
ions containing novel silicate glasses, In: ICOOPMA 2007. 30 July-3 August 2007, London (UK).
[13] Janakova S., Spirkova J., Svecova B., Nekvindová P., Mika M., Oswald J., Novel silicate glasses doped by
RE3+ for M-IR applications, In: ICOOPMA 2007. 30 July-3 August 2007, London (UK).
[14] Švecová B., Špirková K., Janáková S., Míka M., Oswald J., Macková A., Diffusion process applied in fabrication
of ion-exchanged optical waveguides in novel Er3+ and Er3+/Yb3+-doped silicate glasses, In: ICOOPMA 2007. 30
July-3 August 2007, London (UK).
[15] Janáková S., Švecová B., Špirková J., Míka M., Nekvindová P., Oswald J., Macková A., Ion-implantation into
chromium doping silicate glass, In: ChemZi 3(1), 189 (2007).
V012 Syntéza a charakterizace materiálů na bázi nanočástic kovů a jejich oxidů.
Počítačové modelování elektrických, optických a magnetických vlastností implantovaných polymerních materiálů
úzce navazuje na tématiku iontové implantace kovů do polymerů. Implantované struktury PEEK, PI a PET ionty
Fe+, Ni+ (40 keV) byly připraveny v roce 2006. V roce 2007 byly provedeny analýzy implantovaných struktur
metodami RBS, ERDA, XPS, UV-VIS spektroskopie. Výsledkem byly hloubkové profily kovů v polymerní matrici
a změny složení implantovaného profilu. Pro první simulace hloubkových profilů byl použit software SRIM, který
však nezahrnuje celou dynamiku procesu, kdy jsou ionty implantovány těsně pod povrch a dochází ke změnám
složení povrchové vrstvy, její hustoty a tím je ovlivněn i tvar profilu implantovaných iontů. Proto byl použit dále
software TRIDYNE, který zahrnuje dynamický výpočet změny doletu iontů na základě aktuální změny složení
dané vrstvy v livem implantace jiného prvku do matrice substrátu. TRIDYN je založen na simulaci balistického
transportu iontů v materiálu s využitím modelu aproximace binárními srážkami.
Výsledky jsou připravovány k publikaci v 2008.
V roce 2008 plánujeme pokračovat v kompletní charakterizaci polymerů (PET, PI, PEEK, PE) implantovaných
kovovými ionty metodami RBS, ERDA, UV-VIS, XPS, TEM a především se zabývat elektrickými vlastnostmi
již připravených struktur (implantace Fe, Ni - 40keV) ve spolupráci s VŠCHT. Budou připraveny další struktury
implantací Ag, Au a následně charakterizovány a žíhány.
16
2
Depth profiles of Ni in PET (D = 10.0x10 at/cm )
16
2
Depth profiles of Ni in PET (D = 2.5x10 at/cm )
1
TRYDIN simulace
1
0.9
0.9
0.8
0.8
0.7
Abundance
A b u n d an ce
0.7
Ni
0.6
C
H
0.5
O
0.4
0.6
Ni
C
H
0.5
O
0.4
0.3
0.3
0.2
0.2
0.1
0.1
0
0
0
200
400
600
800
1000
1200
Depth [Angström]
1400
1600
1800
2000
0
200
400
600
800
1000
1200
Depth [Angström]
1400
1600
1800
2000
XPS
ERDA
ERDA spektrum vodíku pro NiPI
900
PET
83.37
79.40
76.73
76.13
79.17
84.36
82.13
80.75
75.02
87.23
86.1
78.9
16.63
19.15
19.32
16.14
14.72
11.83
14.05
15.61
24.98
11.92
12.75
16.34
Ni 2p3/2
Podíl
Ni0/Niox
N 1s
800
700
1.45
3.95
7.73
0.2
1.1
4.5
6.11
3.22
1.82
0.84
0.59
2
2.8
600
Impulzy
PI
0
1
3
6
0
1
3
6
0
1
3
6
O 1s
0.2
3.7
14.8
500
400
NiPI1 (0.25e17/cm2,
NiPI2 (0.50e17/cm2,
NiPIš (0.75e17/cm2,
NiPI4 (0.50e17/cm2,
NiPI5 (1.25e17/cm2,
NiPI6 (1.50e17/cm2,
NiPI virgin
300
0.85
1.15
4.76
0.4
0.8
4.4
200
100
Pozice
Ni+
Ni0
C 1s
O 1s
N 1s
855.3
852.6
285.2
531.7
400.1
4 uA/cm2)
4 uA/cm2)
4 uA/cm2)
4 uA/cm2)
4 uA/cm2)
4 uA/cm2)
0
eV
eV
eV
eV
eV
Normované zastoupení Ni v polymerové vrstvě
PEEK
C 1s
0
20
40
60
80
Energie [kanál]
Hloubková distribuce Ni v PET (1. série)
Hloubkový korekční faktor: 0.775
1
0.8
SRIM2006
Ni-PET 0
Ni-PET 1
0.6
Ni-PET 2
Ni-PET 3
Ni-PET 4
Ni-PET 5
0.4
Ni-PET 6
0.2
0
0
20
40
60
80
Hloubka [nm]
100
120
140
100
120