Yliopiston etusivulle Suomeksi På svenska In English Helsingin yliopisto

Progress in Elastic Recoil Detection Analysis

Show full item record

Files in this item

Files Description Size Format View/Open
mizohata_dissertation.pdf 1.379Mb PDF View/Open
Use this URL to link or cite this item: http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-10-8089-0
Vie RefWorksiin
Title: Progress in Elastic Recoil Detection Analysis
Author: Mizohata, Kenichiro
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics, Materiaalifysiikan osasto
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Elastic recoil detection analysis (ERDA) with heavy ion beams has evolved into a universal ion beam analysis (IBA) method for simultaneous analysis of almost all elements, with an essentially constant detection sensitivity. The method is based on the detection and identification of recoiling atoms that have been elastically scattered from a sample by an incident heavy ion beam.

The principal characteristics of heavy-ion ERDA are outlined and illustrated using examples of data obtained with time of flight (TOF) and dE-E detector systems. The potential and limitations of the quantitative analysis were explored. For this purpose, a number of thin layer samples were measured using different projectiles and energies.

Desorption of the surface materials during ERDA measurements was determined as a function of the probing ion fluence. As the differential cross-sections for scattering were enhanced for heavy projectiles, the beam dose to which the sample was exposed to during measurements was reduced by using heavy ion beams. However the higher cross-sections caused an increase of the desorption.

An essential part of this study was dedicated to study those topics that limit the accuracy of the analysis in heavy ion TOF-ERDA, namely: uncertain stopping forces, quantification accuracy, irradiation induced damage, depth resolution, and the role of multiple and plural scattering.

Possible approaches to improve the sample characterisation efficiency and accuracy were studied by using a gas ionisation detector. This study concentrates on the noise reduction, detection characterisation, and analysis procedures. The focus was upon the effect of the large solid angle and position sensitivity on the irradiation induced damage, depth resolution, mass resolution, and elemental sensitivity.

The reliability of the concentration distributions obtained with heavy ion ERDA was strongly affected by the surface structure, surface roughness and multiple scattering. These effects were studied by comparing Monte Carlo simulations with the experimental results.

The analysis procedure was developed to enable the characterisation of novel materials such as atomic layer deposited thin films and nanoparticles. Data handling and storage was improved to facilitate and speed up the analysis procedures.Nykyteknologian kannalta materiaalien tärkeimmät ominaisuudet sijoittuvat aineen pintakerroksiin. Lisäksi materiaalitutkimuksessa keskitytään enenevässä määrin nanorakenteisiin, kuten nanokiteisiin ja nanoputkiin. Eräs keskeinen materiaalitutkimuksen ongelma on tämän muutamista nanometreistä muutamiin satoihin nanometreihin paksun kerroksen ominaisuuksien analysointi. Ionisuihkuihin perustuvia analysointimenetelmiä (IBA, ion beam analysis) käytetään yleisesti alkuainekoostumuksen analysointiin. Tässä tutkimuksessa keskitytään rekyylispektroskopiaan (ERDA, elastic recoil detection analysis), joka perustuu energeettisten hiukkasten törmäyksessä syntyvän rekyyliatomin havainnointiin.

ERDA menetelmässä näytteen analysointiin käytetään usein raskaita ammusioneja, jotka kiihdytetään sähköstaattisella kiihdyttimellä useiden kymmenien megaelektronivolttien energioihin. Kiihdytettyjen hiukkasten ja tutkittavan materiaalin törmäyksessä ammushiukkaset siroavat ja näytteen atomit saavat rekyylin, joka irrottaa atomin näytteestä. ERDA menetelmässä nämä rekyyliatomit ja sironneet ammushiukkaset havainnoidaan sopivalla ilmaisimella. Menetelmässä on mahdollista analysoida näytteen kaikki alkuaineet, aina vedystä raskaimpiin yhdellä mittauksella. Erilaisten havaittavien hiukkasten takia ilmaisinlaitteistolta vaaditaan kykyä tunnistaa hiukkaset ja mitata näiden energia.

Tässä tutkimuksessa selvitetään lentoajan mittaukseen perustuvan ERDA ilmaisimen (TOF-ERDA, time-of-flight ERDA) rajoituksiin ja mahdollisiin parannuksiin, jotta menetelmä sopisi nykyisen materiaalitutkimuksen kannalta kiinnostaviin näytteisiin. Keskeisimmät ongelmat TOF-ERDA menetelmässä ovat lentoajan mittauksen tarkkuus (aikaresoluutio) ja ilmaisimen äärelliseen havainnointikulman aiheuttama energian hajonta. Yleisesti IBA menetelmät, joissa määritetään näytteen alkuaineiden syvyysjakaumia, pohjautuvat materiaalin kykyyn jarruttaa varattuja hiukkasia. Aineen jarrutuskyvylle on olemassa erilaisia teoreettisia ja puolikokeellisiin malleja. IBA menetelmissä käytetyimmät mallit pohjautuvat kokeelliseen dataan ja näiden mallien tarkkuus riippuu saatavilla olevan datan määrästä ja tarkkuudesta. Osa tästä tutkimuksesta keskittyy menetelmiin, joilla hiukkasten energian menetys aineessa voidaan mitata ja tästä edelleen materiaalin jarrutuskyky määrittää. Saatuja tuloksia ja parannuksia on käytetty useiden erityyppisten materiaalien alkuaineanalyyseissä.
URI: URN:ISBN:978-952-10-8089-0
http://hdl.handle.net/10138/37680
Date: 2012-12-14
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
This item appears in the following Collection(s)

Show full item record

Search Helda


Advanced Search

Browse

My Account