25 Birželio, 2025

JONŲ PLUOŠTELIŲ ANALIZĖ

Didelių energijų jonų pluoštelių sąveika su medžiaga yra unikalus fizikinis procesas. Naudojant įgreitintų delelių pluoštą galima ne tik selektyviai modifikuoti įvairias medžiagas, bet ir atlikti medžiagų, įskaitant ir mikrostruktūrų, sudėties vertinimus. Dalelių siekis medžiagoje priklauso nuo jų energijos, todėl galima valdyti modifikuojamos struktūros parametrus ir, jei reikia, implantuoti atskirus elementų izotopus.

1. Įranga

1.1 „Tandetron 4110A“ („General Ionex Corp.“) greitintuvas

„Tandetron 4110A“ jonų greitintuvas yra bendros paskirties analitinis instrumentas, skirtas sunkiųjų jonų implantavimui, protonų ar kitų jonų atgalinės sklaidos, dalelių indukuotos rentgeno spindulių emisijos analizei (PIXE) ir kitoms analitinėms technikoms. „Tandetron 4110A“ greitintuvas yra tandem tipo – žemos ir aukštos įtampos kraštai yra žemės potencialo.

Sudedamosios jonų greitintuvo dalys: jonų šaltinis („Hiconex 834“), greitinimo, fokusavimo ir analitinės dalys ir vakuuminė sistema. Reikiamo elemento neigiami jonai atrenkami naudojant injekcinį magnetą, vėliau fokusuojami ir nukreipiami į greitinimo sistemą su nuolatinės įtampos generatoriumi, kurio darbinė įtampa gali siekti 1 MV. Greitinimo sistema sudaryta iš įtampos daliklio, „corona“ žiedų, dujų „stripper“ terminalo, fokusavimo elementų ir 1 MV įtampos maitinimo šaltinio. Greitinimo sistemoje neigiami jonai įgreitinami (iki 1 MV) naudojant teigiamą įtampos terminalo potencialą. Įtampos terminale įmontuota dujinė jonų perkrovos celė, kurioje neigiami jonai praranda elektronus ir yra verčiami teigiamais jonais. Tuomet teigiamos dalelės yra jau stumiamos teigiamo 1 MV įtampos potencialo link įžeminto greitinimo sistemos išėjimo. Įgreitintų jonų energija išėjime priklauso nuo jono krūvio būsenos ir gali siekti iki 2.0 MeV vieną ir iki 5.0 MeV keturis kartus jonizuotoms dalelėms.

1.2 „Hiconex 834“ sunkiųjų jonų šaltinis

Naudojant „Hiconex 834“ sunkiųjų jonų šaltinį išgaunami įvairių elementinių medžiagų ir sudėtinių junginių mikroamperų eilės neigiamų jonų pluošteliai. „Hiconex“ naudojamas ne tik kaip injekcinis jonų greitintuvo šaltinis, bet ir įvairių tipų jonų, kurių energija yra nuo 10 keV iki 30 keV, implantavimui.

2. Vykdomi tyrimai

2.1 Jonų implantavimas:

a) Įvairių teigiamų jonų nuo 0.7 iki 5 MeV energijos implantavimas panaudojant jonų greitintuvą:

Pvz.: H⁺, C⁺, S⁺ N⁺, Si⁺, O⁺, Mg⁺, Zn⁺, Cu⁺, Ge⁺, Ga⁺, As⁺ ir kt. iki 70 mikrometrų siekio, priklausomai nuo medžiagos struktūros;
Skirtingų krūvio būsenos jonų implantavimas, pvz.: C⁺ C²⁺ C³⁺ C⁴⁺.

b) Įvairių neigiamų jonų iki 30 keV energijos implantavimas panaudojant neigiamą jonų šaltinį Hiconex, pvz.:

H^-, C^-, S^- N^-, Si^-, O^-, Mg^-, Zn^-, Cu^-, Ge^-, Ga^-, As^- ;
Molekulinių jonų implanatavimas, pvz.: Al^-, Al₂^-ir kt.

c) Jonų implantavimo optimizavimas atsižvelgiant į tolimesnio post-implantavimo apdorojimo ypatybes, susijusias su naujų medžiagų ir jų kompleksinių struktūrų modifikavimo technologijų kūrimu ir jų diegimu, pvz.:

implantavimo proceso modeliavimas prieš eksperimentą;
implantavimas sumažinus jonų pluošto įtėkį (iki pA eilės) ir pailginus proceso trukmę (ir atvirkščiai: didesnis įtėkis per trumpesnį laiką);
kelių skirtingų jonų implantavimas į tą patį taikinį įvairiame gylyje;
Kelių skirtingų energijų jonų implantavimas (kontaktų formavimas) ir t.t..

d) Jau suformuotų puslaidininkinių struktūrų krūvininkų gyvavimo trukmių koregavimas implantuojant įvairius jonus ir realiuoju laiku (in situ) kontroliuojant krūvininkų gyvavimo trukmių pokyčius.

2.2 Medžiagų analizė:

a) Kietųjų medžiagų kokybiniai (elementų santykiai %, ‰) ir kiekybiniai (absoliučiais vienetais, pagal NIST ar kt. standartus) medžiagų sudėties tyrimai už Mg sunkesniems elementams PIXE (angl. Particle induced x-ray emission) metodu.

Rentgeno spinduliuotei detektuoti naudojamas 135° kampu sumontuotas Canberra 7905–BWR kriostatas su Si(Li) detektoriumi su nuimamu 25 µm storio Berilio langeliu. Detekcijos elemento storis – 3mm, plotas – 30 mm², energinė skyra – 165 eV (prie 5.894 keV ⁵⁵Fe).

b) Paviršinių cheminių elementų koncentracijų į gylį profilių nustatymas RBS (angl. Rutherford backscactering specroscopy) metodu.
Atgalinės sklaidos eksperimentams naudojamas ORTEC CR-015-050-100. Jo skiriamoji geba alfa (FWHM) yra 15 keV ties 5.486 MeV energija, o aktyvusis plotas – 50 mm².

c) Oksidų ar kitokių sluoksnių stechiometrijos matavimai ir priemaišinių elementų sluoksniuose nustatymas jungtiniu RBS ir PIXE metodu.

d) Ant filtrų surinktų submikroninės frakcijos aerozolio dalelių kiekybinė sunkiųjų metalų analizė PIXE metodu.

e) Liuminescencijos, sukeltos jonų pluoštelio, tyrimai jonų apšvitos metu.

2.3 Įvairaus pobūdžio testai tyrimams ir kosmoso technologijoms, pvz.:

a) Elektronikos, optikos, avionikos sistemų apšvita protonais iki 2 MeV ir sunkiaisias jonais iki 5 MeV energijos;

b) Medžiagų, detalių degazavimo (angl. degassing) dinamika ir susidarančių junginių charakterizavimas;

c) Vakuuminės kameros su bandinių šildymo/šaldymo sistema ir maitinimo bei signalų įvadais nuoma įvairiems prototipų testams;

d) Medžiagų / audinių apšvita atmosferoje naudojant protonų pluoštą.

2.4 Mažo (100kPa-3.3kPa), vidutinio (3.3kPa-130mPa), didelio (130mPa-130µPa) ir labai didelio (130µPa-130nPa) vakuumo sistemų projektavimas, remontas, aptarnavimas.

2.5 Dujų padavimo ir pneumatinių valdymo sistemų projektavimas ir aptarnavimas.

Kontaktinis asmuo:

FTMC vyr. m. d. Vitalij Kovalevskij

vitalij.kovalevskij@ftmc.lt