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Tópicos em física geral I Construindo novos materiais e dispositivos com feixes de íons Marcelo Sant’Anna [email protected]

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Tópicos em física geral I

Construindo novos materiais e

dispositivos com feixes de íons

Marcelo Sant’Anna

[email protected]

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

1- Feixes de íons e aceleradores

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+

Aceleradores eletrostáticos

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)

Aceleradores de campos variáveis

(usando “aceleração resonante”)

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

2- Feixes de íons e a fabricação de computadores

Das válvulas aos circuitos integrados

VLSI

Válvula

diodo

Válvula

triodo Diodo

semicondutor Transistor

Implantações iônicas construindo transistores

http://www.youtube.com/watch?v=V-U3v9QBPO4

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)

3- Algumas estratégias para sintetizar novos materiais

Técnicas para processamento e análise com feixes de íons

• Panorama geral

“Ion beams in materials processing and analysis”, B. Schmidt and K. Wetzig

Implantação iônica em metais

• Ex.: Diminuição da oxidação em g-TiAl por íons de F+

Síntese de novas fases em sólidos

“Ion beams in materials processing and analysis”, B. Schmidt and K. Wetzig

Ion Beam Mixing

Si/SiO2

• “Separation by Implanted Oxygen” (SIMOX)

4- Um pouco de física de materiais com feixes de íons no IF-UFRJ

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

Amostra irradiada

Acelerador Tandem NEC de 1.7 MV

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)

O que podemos fazer com esta ferramenta?

B A

A&B

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)

Modificação de filmes finos de GaMnAs

A

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

Moving atoms inside the sample

Ion beam

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)

700 keV Li+ ion beam

GaAs

GaMnAs

GaAs GaMnAs

Ion

beam

2500 nm

Changing

Substitutional Mn

To

Interstitial

Mn

Medida de resistividade in situ

Rbulk RGaMnAs

BulkGaMnAs RR

R11

1

contacts

Síntese de aglomerados de Ródio

B

Aglomerados nanométricos

Átomo Sólido (bulk)

Aglomerados

Física básica: transporte, propriedades magnéticas, absorção de luz...

Física aplicada: dispositivos, fotosensores, spintrônica...

Para que?

Proposta do presente trabalho

Feixe de íons Rh-

(26 keV)

Matriz Al2O3

Kapton

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 nanocristais de silício

B

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

Robustez de sensores no infra-vermelho situados em satélites

A&B

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.”

+ processamento

Crescimento e preparação da amostra (PUC-Rio)

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

Obrigado