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Tópicos em física geral I
Construindo novos materiais e
dispositivos com feixes de íons
Marcelo Sant’Anna
Feixes de íons
1. Feixes de íons e aceleradores
2. Feixes de íons e a fabricação de computadores
3. Algumas estratégias para sintetizar novos materiais
4. Um pouco de física de materiais com feixes de íons no IF-UFRJ
Cada acelerador de íons em uma faixa de uso em energia
E=kT
Com
T=300 Kelvin
(química,
difusão,...)
1.5 eV H+
Fontes de íons Aceleradores
eletrostáticos
Campos alternados
...
3.0 eV He2+
Um precursor: o experimento de Rutherford
• Estrutura atômica (núcleos e elétrons)
• Fontes radiativas: a energia das partículas é fixa (como variar ?)
Obs.: partícula alfa = He2+
1871-1937
Cockcroft-Walton • Foto de um multiplicador de voltagens Cockcroft-Walton. Esta parte do
acelerador foi utilizado para o desenvolvimento da bomba nuclear. Foi construído em 1937 e atualmente exposto no Museu de ciências de Londres.
Van de Graaff
• O primeiro VDG foi construído por Robert Jemison Van de Graaff, enquanto estava em Princeton, em 1929.
• Na PUC-Rio há um VDG de 4 MV desde os anos 60
Tandem (maiores detalhes mais tarde)
• Ex.: o (Van de Graaff) Tandem modelo Pelletron de 1.7 MV do LaCAM (IF-UFRJ)
Ex.: Aceleradores de energia mais alta
Accelerator Colliding Particles Total Energy Major Accomplishment
Stanford Linear Collider (SLC) in Palo Alto
electron, positron 100 Gev provided first look at Z0
Large Electron Positron Collider
(CERN-LEP) in Geneva electron, positron 200 Gev
discovered Z0, W in 1983; shut down in 2002
Relativistic Heavy Ion Collider
(BNL-RHIC) in Brookhaven heavy ions 200 Gev
created quark-gluon plasma
(Mini Big Bang)
Tevatron (FNAL) in Chicago proton, antiproton 2 Tev confirmed Z0, W,
discovered top quark
Large Hadron Collider (CERN-LHC) in Geneva
proton-proton; ion-ion 14 Tev Bóson de Higgs, …
Table 01 High Energy Accelerators
Das válvulas aos circuitos integrados
VLSI
Válvula
diodo
Válvula
triodo Diodo
semicondutor Transistor
Implantações iônicas construindo transistores
• Regiões com implantações em transistores comuns do tipo CMOS
“Ion beams in materials processing and analysis”, B. Schmidt and K. Wetzig
Comparar as
escalas
E=kT
Com
T=300 Kelvin
Fontes de íons Aceleradores
eletrostáticos
Campos alternados
...
E (eV)
Técnicas para processamento e análise com feixes de íons
• Panorama geral
“Ion beams in materials processing and analysis”, B. Schmidt and K. Wetzig
Síntese de novas fases em sólidos
“Ion beams in materials processing and analysis”, B. Schmidt and K. Wetzig
Laboratório de
Colisões Atômicas e
Moleculares (LaCAM)
Materiais
Antônio C. F. Santos Eduardo Montenegro
Hugo Luna Lúcia Coutinho
Marcelo Sant’Anna Nelson V. de C. Faria
Wania Wolff
Dept. Fis. Sólidos (IF-UFRJ) Univ. Notre Dame (EUA)
ESFR - Grenoble PUC-Rio
UFF ...
Modificação de filmes finos
de GaMnAs
Robustez de sensores no
infra-vermelho situados em
satélites
Síntese de aglomerados
de Ródio
Instrumentação: “keV x MeV”
B1
A
A&B
Síntese de nanocristais
de silício
B2
Fonte
de
íons
Filtro
de
Wien
Célula
gasosal
com
gás
Magneto
Deteção
Ex: operação para implantação com 170 keV
10 keV
H- 80 kV
170 keV
H+
Operação padrão do acelerador Tandem
Fonte
de
íons
Filtro
de
Wien
Célula
gasosal
sem
gás
Magneto
Deteção
Operação para implantação de 10 keV
10 keV
H-
Qualquer
voltagem
10 keV
H-
Este modo de operação não é padrão
Inovação: irradiação dentro da fonte de íons
“Alternative uses of a megavolt tandem accelerator for few-keV studies with ion-source SIMS monitoring”,
S.L.A. Mello, C.F.S. Codeço, B.F. Magnani, e M.M. Sant’Anna, Rev. Sci. Instruments (aceito p/ publicação)
B
A
A&B
Colaboradores nos trabalhos a seguir
E. Sinnecker, T. Rapopport, M. Pires, D. Rodriguez,
G. Penello, J. Mendes (UFRJ)
Jacek Furdyna Xinyu Liu (Notre Dame – EUA)
T. Marcolino, A. Pontes, M. Pires, D. Rodriguez, G. Penello (UFRJ)
P. L. Souza, R. M. S. Kawabata (PUC-Rio)
V. Barthem, D. Givord (UFRJ)
A. Rogalev, F. Wilhelm, Y. Zhang, P. Bayle-Guillemaud (Grenoble)
Ga1-xMnxAs: a Diluted Magnetic Semiconductor
• Motivation
– Spintronics
– Highly dopped
– Defects have a prominent role
Obs.: Ga1-xBexAs allows
Comparison with non-magnetic
Doppant
antisite
Interstitial
Mn
+ other
defects
Silicon microfabrication (lithography)
• Ex.: Proton Beam Writing? http://www.pbeam.com
Manipulating GaAs conductivity keeping planarity
Ion beam
sample
Manipulating magnetization keeping planarity
Ion beam
sample
Lens system is capable of focusing a
MeV proton beam down to 40 x 40 nm spot sizes (or less…)
• General idea: the high-velocity ions modifiy the thin Ga1-xMnxAs film and follow their paths.
Ga1-xMnxAs
LT-MBE grown
(Notre Dame) Ion-beam modified
(UFRJ-Brazil)
Sinnecker et al. PRB 81, 245203 (2010)
Aglomerados nanométricos
Átomo Sólido (bulk)
Aglomerados
Física básica: transporte, propriedades magnéticas, absorção de luz...
Física aplicada: dispositivos, fotosensores, spintrônica...
Para que?
Resultados:
Rhn
d=1.8 nm→n≈220 at.
µS =0.067 µB /at.
Paramagnetismo de Pauli !!
Aglomerados muito pequenos ( ~ 13 – 60 átomos )
Este trabalho ( ~200 átomos)
Bulk
superparamagnetico Paramagnetico mas Momento induzido de spin
20 vezes maior que o do bulk
paramagnético
Resumo:
Síntese de novas fases em sólidos
“Ion beams in materials processing and analysis”, B. Schmidt and K. Wetzig
UFRJ (síntese) Laboratório Nacional de Luz Síncrotron
LNLS (caracterização)
Imagem de microscopia
de força atômica (AFM)
2
1 a) b) c)
Ion fluence
increases
3.5 21 mV
5 mm 1 mm 200 nm
3
Comparar:
Alvo: filme de SiO2 → SiOx → Si (NC) + SiO2 Projétil: Cs+ de 2 keV
https://earth.esa.int/web/guest/missions/esa-operational-eo-missions/envisat/instruments/sciamachy
SCIAMACHY (Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric CartograpHY; Greek:
σκιάμάχη: 'Fighting shadows')
Um entre 10 instrumentos a bordo do ESA's ENVIronmental SATellite, ENVISAT (2002-2012).
Monitoramento de traços de gases na troposfera e na ionosfera
Dead pixels:
Problemas do SCIAMACHY com a Anomalia do Atlântico Sul
Kleipool et al. Infrared Phys. and Technology 50, 30 (2007)
“In-flight proton-induced radiation damage to SCIAMACHY’s extended-wavelength InxGa1-xAs
near-infrared detectors” (...tune the band-gap and therefore the cut-off wavelength by variation of the indium fraction x.)
“From analysis of both on-ground and in-flight data it is concluded that the cause for the
observed degradation is displacement damage to the extended-wavelength InGaAs detector
material by trapped-protons.”
Corrente de escuro x Voltagem ( x Dose )
•Mais robusto
•Sem mudanças para altas voltagens
•Mais sensível a doses pequenas
•Efeito forte na polarização direta
•Mudanças para altas voltagens