2.3 CARACTERIZACIÓN ESTRUCTURAL
2.3.1 Espectrometría Rutherford de iones retrodispersados
La técnica de espectrometría Rutherford de iones retrodispersados o Rutherford
Backscattering Spectromety (RBS) se basa en el análisis de las energías de los iones que
Figura 2.8 Detalle del interior de la cámara de sputtering magnetrón. Es posible apreciar ambos cátodos encendidos con sus respectivos plasmas, así como el portasustratos con dos vidrios portaobjetos donde se crecen las láminas delgadas de ZnO dopadas con vanadio.
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2 TÉCNICAS EXPERIMENTALES
han sido retrodispersados tras incidir sobre la superficie de una muestra.57 Es una técnica no destructiva que puede ser usada para determinar espesores y la composición de láminas delgadas. Asimismo, puede dar información acerca de la calidad cristalina de los materiales investigados.
La técnica de RBS se basa en el bombardeo de un material con iones muy energéticos. Típicamente se utilizan iones de He con energías comprendidas entre 1 – 3 MeV. Estos iones, tras incidir en el material y sufrir un proceso de retrodispersión, son recogidos y cuantificados por un detector multicanal. De este análisis es posible determinar los elementos con los que los iones han sufrido una retrodispersión o su distribución en profundidad en rangos que van desde los 10 nm hasta unas pocas micras, con una resolución de hasta 10 nm.
La física subyacente a la técnica de RBS se basa principalmente en aplicar los principios de conservación de la energía y del momento sobre los iones de He retrodispersados. La mayoría de los iones incidentes sobre el material terminarán quedando alojados en el mismo, tras haber perdido su energía en interacciones con los
Figura 2.9 Esquema del experimento de RBS, en el que se dibujan diferentes especies atómicas sobre la superficie de una oblea de Si, así como la forma cualitativa el correspondiente espectro de RBS.
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electrones de valencia de los átomos que conforman el material bajo estudio. Pero una pequeña fracción de los iones incidentes, del orden de 10-6, experimentarán colisiones
elásticas con los núcleos atómicos de los átomos del material, siendo retrodispersados y eyectados del material en ángulos variados. La energía y momento del ion retrodispersado dependerá, entre otros factores, de la masa del átomo con el que experimentó la colisión. Del análisis de las energías y momentos de los iones retrodispersados se obtendrá la información relativa a la composición elemental del material bajo análisis. Las pérdidas de energía de los iones retrodispersados han sido recopiladas en tablas denominadas stopping powers tables.58
La Figura 2.9 muestra un esquema del resultado de un experimento de RBS. En este caso supongamos que se dispone de una oblea de silicio que en superficie presenta diferentes especies químicas: oro, plata y nitrógeno además del propio silicio. Un haz de iones de He de alta energía (2.5 MeV) incide sobre la muestra. Los iones retrodispersados son recogidos por un detector multicanal, que recoge las cuentas de iones retrodispersados para cada canal de energía. El resultado es una gráfica en donde el eje de abscisas representa los canales del detector, que se asocian a una energía determinada de los iones retrodispersados y el eje de ordenadas da información del número de iones retrodispersados recogidos (cuentas). Tal y como se comentó anteriormente, de la energía del ion de He recogido es posible determinar la especie química con la que ha sufrido una colisión. Por lo tanto, obtendremos un espectro caracterizado por una serie de picos que nos indican la especie atómica presente. Cuanto mayor sea la masa del elemento, a mayor energía aparecerá su pico característico. Esto es importante para el caso a estudiar en esta tesis. Al ser el vanadio un elemento más pesado que el silicio, aparecerá a mayor energía en el espectro de RBS, lo que permitirá estudiarlo sin que la señal del silicio enmascare la señal del vanadio. Asimismo, si en lugar de una monocapa dispusiésemos de una lámina delgada, nos aparecería una banda ensanchada, cuya anchura nos daría información del espesor de la lámina delgada. Por último, al llegar a la energía correspondiente al sustrato de silicio, nos aparecerá un brusco aumento de la señal a la energía correspondiente al elemento silicio y a continuación una banda de cuentas correspondientes a las colisiones de iones de He con átomos situados en profundidad.
Existen dos modos principales de realizar un experimento de RBS: modo acanalamiento (channeling) o modo aleatorio (random). En el modo channeling se hace
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2 TÉCNICAS EXPERIMENTALES
incidir el haz de iones de He de manera paralela a una dirección principal cristalográfica del material mientras que en el modo random se hace girar la muestra 360° formando un determinado ángulo el vector del haz incidente con el vector de la superficie del material, de tal manera que el resultado es similar al de analizar una muestra amorfa. El modo channeling es ideal para analizar la cristalinidad de un material, ya que si la estructura se encuentra desordenada aparecerán un mayor número de cuentas que en el caso de un cristal de mayor calidad cristalina. Por otro lado, el espectro de un experimento en configuración random presentará un mayor número de cuentas.
La comparación de los espectros channeling y random es una técnica útil para determinar la posición de una impureza dentro de la red, es decir, si su carácter es sustitucional o intersticial. Si una impureza está en posición sustitucional su espectro
channeling presentará muchas menos cuentas que en random, puesto que al estar las
impurezas alineadas con los átomos de la red, los iones de He pasarán por el canal sin apenas sufrir dispersiones. Sin embargo, si la impureza está en posición intersticial, el experimento de RBS en modo channeling dará lugar a un número parecido de cuentas que en modo random, ya que el haz de iones de He, al incidir a través de un canal, sufrirá colisiones con los átomos de la impureza interpuestos en el canal de la misma forma que sufrirán colisiones cuando el espectro se realice en modo random. El esquema de la Figura 2.10 permite visualizar los diferentes tipos de espectros RBS en ambas configuraciones y cómo determinar la posición de una impureza. Una excelente introducción básica a la técnica de RBS se puede encontrar en la Ref.59
Figura 2.10 Esquema de los espectros de RBS obtenidos sobre un determinado material que presenta una impureza en (a) posición intersticial o (b) posición sustitucional.
43 2.3 CARACTERIZACIÓN ESTRUCTURAL
Los experimentos de RBS presentados en esta tesis se llevaron a cabo usando dos equipos diferentes. Los experimentos realizados sobre las muestras de silicio supersaturado con vanadio se llevaron a cabo en el Centro de Microanálisis de Materiales de la Universidad Autónoma de Madrid (CMAM). La instrumentación consistió en un acelerador Cokcroft-Walton construido por High Voltage Energy Europe. Se trabajó usando iones de Helio-4 con una energía del haz de 2.3 MeV, y el
Figura 2.11 (a) Cámara del experimento de RBS en el equipo 5SDH Pelletron tándem. (b) Detalle del interior de la cámara mostrando las muestras y dos detectores diferentes.
Figura 2.12 (a) Detalle del acelerador Cokcroft-Walton en la actualidad. (b) Fotografía del momento de la instalación del acelerador en las instalaciones del CMAM. Se procede a introducir las placas aceleradoras en el interior del acelerador.
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2 TÉCNICAS EXPERIMENTALES
detector se situó a 170° del haz principal.
Para las medidas realizadas sobre las muestras de Zn1-xVxO se utilizó un
acelerador tipo 5SDH Pelletron tándem, fabricado por National Electrostatics Corporation. En este caso se utilizó un haz de iones de Helio-4 con una energía del haz de 3 MeV, y el detector se situó a 165° del haz principal. Estas medidas se realizaron en las instalaciones del Lawrence Berkeley National Laboratory, en California.