FAP5844 - Técnicas de Raios-X e de feixe iônico aplicados à análise de materiais

Manfredo H. TabacniksFI.5 - novembro 2006

Universidade de São PauloInstituto de Física

10/10 FI-1 Revisão: Interação de fótons (raios-X) com a matéria para análise elementar:Absorção e emissão de raios-X característicos.Interação de íons energéticos com a matéria: Poder de freamento, excitaçãoeletrônica, espalhamento elástico.

17/10 FI-2 Raios-X para análise elementar: Fundamentos dos métodos XRF e PIXE.Análise qualitativa e quantitativa elementar.

24/10 FI-3 Instrumentação, bases de dados e softwares para análise e simulação deespectros de raios X. Exemplos e exercícios.

23/10 (tarde)27/10 (tarde)

Laboratório PIXE no LAMFI

7/11 FI-4 Fundamentos da Espectrometria de Retroespalhamento Rutherford, RBS.Análise e interpretação de espectros RBS

9/11 FI-5 Instrumentação, bases de dados e softwares para análise e simulação deespectros RBS. Exemplos e exercícios.

10/11 (tarde) Extra Laboratório RBS no LAMFI

14/11 FI-6 Aplicações avançadas: Difusão em filmes finos, rugosidade, filmesmulticamada e multielementares; análise PIXE de amostras espessas.Análises PIXE em feixe externo.

21/11 FI-7 Apresentação e discussão pública dos resultados das análises PIXE e RBS.28/11 FI-8 PROVA: Métodos de análise com feixes iônicos e com raios-X

Cronograma 2006

• Environmental research• Air quality in an undergroud mine• Tree ring analysis

• Solid state physics• Mass transport in thin films and interfaces

• Biomedical research• Teeth analysis

• Archaeological research and Conservation• Nanotechnology

Air quality and source apportionment in an underground gold mine

The mine Metodology: AFG+IC+PIXE

Tabacniks, M.H., Machado, H. e Pessoa, S.A.. Avaliação da Qualidade do Ar na Mina Velha, da Companhia de Mineração Morro Velho S.A. 83p, 1991 [relatório técnico].

m

jjiji SFC

1Chemical mass balance

Results: source apportionment

PIXE

Tree ring analysis

Martins, J.V. Desenvolvimento de Técnicas Analíticas Nucleares Aplicadas à Análise de Anéis de Crescimento de Árvores da Amazônia e outros Materiais. Mestrado IFUSP (1994)Martins, J.V.; Artaxo, P. A.; Ferraz, E. S. B.; Tabacniks, M.. H. Chronological studies of tree-rings from the Amazon Basin using thick target PIXE and proton backscattering analysis. NIM - B150 (1999) 240-247

Elements in tree rings

Metodology

PIXERBS Densitometry

xeII 0

Rubber exploitation (1827-1920)Krakatoa eruption (1883)Foreign maritime commerce (1866)Manaus port construction (1901)Intense drawness (1911, 1926)

Chemical elements time series

RBS, He+, 2.3MeV@170ºAnnealing: 100 a 300C, 0-243h

Tabacniks, M.H. Kellock, A.J., Baglin, J.E.E., Coffey, K.R., Howard, J.K., Parker, M.A. Thermal degradation of tantalum-nickel thin film couples. Mat Res. Soc. Symp. Proc. 389 (1995) 389-94.

1/n Q(eV)

Ni/Ta/Al2O3 0,24±0,05 0,64±0,05

Ta/Ni/Ta/Al2O3 0,28±0,03 0,55±0,03

nKTQx teKC /1/

0

Mass transport in thin films and interfaces

Ta/ Ni80Fe20 /Ta/Al2O3 - 350C, 0-243h

Ag/Ni80Fe20/Ag/Al2O3 - 300C, 0-243h

Ta/Fe/Ta/Al2O3. - 300C, 0-243h

Baglin, J.E.E., Tabacniks, M.H. & Kellock, A.J. RBS as a tool for topographic modelling of polycrystalline thin film interactions. Nuc. Instrum. Phys. Res., B136 (1998) 136-138.

grain boundary assisted diffusion

Fe nucleation without diffusion

NiFe nucleation with diffusion

Mass transport in thin films and interfaces

RBS, He+, 2.3MeV@170º

Au (1 nm)/Al N O (1 nm)/ Ta (5 nm) on Si

Solid State Physics

Barradas, N; Added, N; Arnoldbik, WM; Bogdanovicradovic, I; Bohne, W; Cardoso, S; Danner, C; Dytlewski, N; Freitas, PP; Jaksic, M; Jeynes, C; Krug, C; Lennard, WN; Linder, S; Linsmeier, Ch; Medunic, Z; Pelicon, P; Pezzi, RP; Radtke, C; Rohrich, J; Sajavaara, T; Salgado, TDM; Stedile, FC; Tabacniks, MH; Vickridge, I. A Round Robin Characterisation Of The Thickness And Composition Of Thin To Ultra-Thin Alno Films. NIM B 227, (2005) 397-419.

ERDA, E-E58 MeV 35Cl7+

lab. thick Al N O tot-zatcm2

e9 -0.10 1.21 0.04 -0.38 0.54i8 0 0 -0.43 1.91 0.78g6 -1.99 -0.37 -0.70 -1.07 0.71g10 0.40 -1.50 1.95 1.86 1.77h8 -0.66 0.49 0.57j6 0.20 0.79 1.07 -0.76 0.87h9 -0.89 -0.13 0.51i7 2.23 -0.51 1.37g9 1.16 1.65 -1.39 1.28 1.44i10 -3.74 -1.15 1.00 -2.99 1.71

Z score for thickness (S1) measurements (at/cm2)

a) Energy spectrum for Al recoils from samples S5 and S6, nominally 1000 and 10 A thick; b) Energy spectrum for Al recoils from samples S2 and S3, nominally 10 and 100 A thick; c) Biparametric spectra E x E for sample S3. (55Cl beam, 50MeV)

Robin Round characterization of the thickness and composition of thin to ultra-thin AlNO films

Samples provided by ITN - Portugal.

Si

PIXE/PIGE analysis in external beam H+, 12MeV

9 human teeth5 swine teeth 9 cattle teeth

Teeth analysis

Rizzutto, MA., Tabacniks, MH., Added, N., Liguori Neto, R., Acquadro, JC., Vilela, MM., Oliveira, TRCF., Markarian, RA., Mori, M. NIM B 190 (2002) 186-189.

100

1000

10000

100000

1000000

Ca P Cu K Cl Zn Fe Ti Sr V Mn Zratomic element

wei

ght c

once

ntra

tion

( µg

/ g )

human

swine

cattle

SIPÁNEsplendor e mistério das tumbas reais da cultura Mochica

Explorando um artefato arqueológico pré-Inca e os limites da análise elementar

Manfredo H. TabacniksInstituto de Física USP

Saettone, E; Matta, JA Sevidanes; Alva, W; Chubaci, JDD; Fantini, MCA; Galvão, RMO; Kiyohara, P; Tabacniks, MH. Journal of Physics - D (Applied Physics) 36 (2003) 842-848.

Chocalhos

peça para análise

10 20 30 40 50 60 70 80 900

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

ooo

ooo

o

Difracción de Rayos-X(Muestra N° 7)

oo

oooo

ooo

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oo

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Cu2O

AuAg

2O

AgSiO

2FeOCaO

2Cu

9S

8Cu

39S

28Cu

46Cl

24(OH)

68.(H

2O)

4

Inte

nsid

ad (u

.a.)

2°

Dra. Márcia de A. Fantini, Laboratório de Cristalografia, IFUSP

Análise PIXE da mancha dourada

Análise PIXE da matriz negra

Espectro RBS da mancha dourada e sua simulação teóricafeixe de He+, 2,4 MeV (alcance ~2 µm)

Ag Ausuperfícies

Espectro RBS da mancha dourada e sua simulação teóricafeixe de H+, 2,4 MeV (alcance ~20 µm)

Au

AgCu

relative concentration

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 1 2 3depth (µm)

goldsilvercopper

Composição relativa da “mancha dourada”

Espectro RBS da região negra (matriz)feixe de He+, 2,4 MeV (alcance ~2 µm)

supe

rfíci

e C

u

supe

rfíci

e C

l

supe

rfíci

e O

Cultural heritage conservation

S i

S

A r

C a

F e

C u - K

Z n

P b

C u - K

Z n -K

local Si S Cl K Fe Ni Cu Zn Pbbase 0.15 1.7 0.69 0.57 0.51 1.5 57 33 4.1arm 0.08 0.8 0.36 0.20 0.33 1.0 42 43 1.3head 0.13 1.0 0.49 0.25 0.46 0.9 33 62 0.9ear 0.12 0.8 0.81 0.18 1.6 0.8 24 69 1.3

Relative elementary composition (%)

• External beam PIXE analysis• 50m, kapton exit window• H+ 1,0 MeV (effective)

Results were used at MAE-USP to improve conservation conditions.

Rizzutto, MA; Tabacniks, MH; Added, N; Barbosa, MDL; Curado, JF; Santos JR, WA; Lima, SC; Melo, HG; Neiva, AC. NIM B (2005) (in print)

elemento gravador indutivoespirasde cobre

sensor magnético

blindagemdo sensor

contatos

50Å Ta100Å FeMn50Å NiFe

substrato

22Å Cu75Å NiFe

50Å Ta

disco

Cabeça magnética gravador/sensor

PIXE spectrum of a spin-valve-like multilayered thin film

RBS spectrum of a spin-valve-like

multilayered thin film

Análise PIXE de uma esmeralda merogoviana

a 100%

b 100%

c 50%

d 50%

e 25%

f

g

h

Sun ray plotRadar

Espectro experimental de uma superfície rugosa. O que ocorre a direita é devido ao fato de que a amostra ao ser aquecida até a temperatura de 300oC, o filme de Fe formava elevações que deformavam o filme Ta.

Representação “artística” da rugosidade da amostra.

Um problema envolvendo rugosidade de filmes finos

Espectro RBS de uma amostra de Ta/Fe/Ta.

Espectro ajustado pelo processo de soma de secções.

Diminuição da espessura do filme de Fe Aumento da espessura do filme de Fe

Recuo do Ta o que implica emaumento da espessura de Fe

Difusão

Recuo do substrato

Aumento da espessura de Fe

Nenhuma alteração com o Ta nasuperfície

Dependência angular em espectros RBS para filmes rugosos Alessandro Alves da Silva

)(

0

2

)(1.11

)(uzf

f dhhpuk

uF

Espectros RBS para filmes rugosos

Filme

))((11)(

)(

0

2max

uho

ss dhhp

ukuF Substrato

fofz

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EEEY

....)( ,

2

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22

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Sensibilidade analítica no tempo