روش، امکان آنالیز محیط شیمیایی نمونه فراهم می‌شود. با این روش علاوه بر تحلیل محیط شیمیایی ماده، کنترل فرایند ساخت مواد با لومینسانس در طول موج‌های مختلف ممکن می‌شود [3،4،5]. روش آیبیل هم اکنون برای مشخصه‌یابی در حوزه نانومواد نیز بسیار مورد توجه قرار گرفته است [6].
همچنین با توجه به اینکه نور مرئی به علت گذارهای الکترون در پوسته خارجی اتم گسیل می‌شود، انتظار می‌رود که لومینسانس حاصل از باریکه یونی حامل اطلاعات ارزشمندی در رابطه با پیوند مولکولی ماده هدف باشد.
همانطور که گفته شد، استفاده از روش آیبیل از راهکارهای مطالعه‌ی محیط شیمیایی ماده است که با استفاده از دیگر روش‌های آنالیز با باریکه یونی همانند پیکسی، طیف سنجی پس‌پراکندگی رادرفورد، گسیل پرتو گاما در اثر برانگیختگی با پروتون قابل دستیابی نیست.
هدف از تعریف این پروژه دانشجویی راه‌اندازی مجموعه تجهیزات وابسته به روش آیبیل در آزمایشگاه واندوگراف و تولید دانش تجربی انجام مطالعات پژوهشی با این روش برای استفاده دیگر پژوهشگران در زمینه‌های مختلف از جمله فیزیک، زمین‌شناسی، نانوتکنولوژی و … می‌باشد.
در این پروژه دانشجویی در پی بررسی اثر مربوط به ابزارآرائی در اندازه‌گیری آیبیل، تعیین بازه طول موج فوتون مورد توجه در این فرایند، بررسی قابلیت ابزارهای به کار گرفته شده جهت اندازه‌گیری آیبیل و تعیین مواردی که اندازه‌گیری آیبیل برای آنها از اهمیت به سزائی برخوردار است، می‌باشد.
برای انجام آزمایش‌های مورد نظر، ابتدا پژوهش‌های انجام شده در رابطه با موضوع پروژه مطالعه، و با فراگيری توانمندی‌های آنالیز به روش آیبیل و سعی در راه‌اندازی تجهیزات اپتیکی و الکترونیکی مورد نیاز در این روش با توجه به امکانات موجود، به پردازش داده‌ها پرداخته شد.
در انجام آزمایش‌ها، جهت تولید باریکه پرانرژی از شتابدهنده خطی واندوگراف، جهت آشکارسازی پرتو ایکس از آشکارساز Si(Li) و برای تصویربرداری از نمونه در حال انتشار لومینسانس از دوربین CCD استفاده شد. همچنین تجهیزات پیکسی و میکروپیکسی، به عنوان روش‌های مکمل در این کار پژوهشی، برای تجزیه و تحلیل داده‌ها به کار گرفته شد.
برای تجزیه و تحلیل داده‌های به دست آمده در آزمایش‌ها، از منابع کتابخانه‌ای و مقایسه اطلاعات به دست آمده با کارهای دیگران بهره گرفته شد. همچنین از نرم‌افزارهای کاربردی همچون GUPIXWIN و OM DAQ برای تحلیل داده‌ها استفاده شد.
در فصل دوم این پایان نامه، مطالعات نظری مربوط به روش‌های استفاده شده در آزمایش‌ها (آیبیل، میکروپیکسی و …)، پیشینه‌ای از تحقیقات قبلی در زمینه آیبیل، نحوه انتخاب نمونه‌ها و توضیحاتی پیرامون نمونه‌های انتخاب شده ارائه شده است.
سپس در فصل سوم، مطالبی پیرامون نحوه ابزارآرایی و تجهیزات مورد استفاده در آزمایش‌ها از جمله شتابدهنده واندوگراف، آشکارساز Si(Li)، دوربین رنگی CCD و … بیان خواهد شد.
در ادامه به تجزیه و تحلیل داده‌های به دست آمده از آزمایش‌ها، با استفاده از نرم‌افزارهای کاربردی اشاره شده و کتابخانه‌های موجود در این زمینه پرداخته شده که این موارد در فصل چهارم آمده است. در فصل پنجم نتایج حاصل از این کار پژوهشی به همراه پیشنهادهایی برای ادامه تحقیقات توسط سایرین ارائه شده است.
فصل دوم: مطالعات نظری
مقدمه
امروزه مشخصه‌یابی مواد در علوم مختلفی مانند فیزیک، شیمی، زیست شناسی، نانوتکنولوژی و … کاربرد دارد [7]، که استفاده از باریکهی یونی یکی از قدرتمند‌ترین روش‌های متداول در زمینه‌ی آنالیز مواد است [8]. در این کار پژوهشی، به بررسی امکان مطالعه مواد مختلف به روش لومینسانس ذره- القائی یا آیبیل با استفاده از باریکه پروتون پرانرژی حاصل از شتابدهنده واندوگراف پرداخته شده است. به منظور کسب اطلاعات بیشتر از نمونه‌ی آنالیز شده به روش آیبیل، از روش آنالیز پیکسی به عنوان روشی مکمل استفاده شده است. در حقیقت دو روش یاد شده، آیبیل و پیکسی، از جمله روش‌های آنالیز با باریکه یونی می‌باشند که می‌توانند به منظور تعیین نوع و غلظت عناصر و نیز تعیین ساختار مولکولی مواد مورد استفاده قرار گیرند. به این دلیل در این بخش ابتدا بحثی کلی پیرامون برهم‌کنش یون با ماده مطرح و سپس هر کدام از دو روش فوق بررسی می‌شود. از آنجا که اساس تعریف این پژوهش بررسی لومینسانس ذره- القائی بوده، جزئیات بیشتری از آن ذکر خواهد شد.
2-1 برهم‌کنش يون با ماده
در برخورد باریکه یونی با انرژی از مرتبه MeV به هدف، هر یون/ پرتابه در حین نفوذ در ماده، مقداری انرژی به جا می‌گذارد [9]. نفوذ یون در ماده با فرایندهای مختلفی از برهم‌کنش با ذرات بنیادی، هسته، اتم و یون همراه است. مشخصات و اثر برهم‌کنش‌ها، به نوع، شدت و انرژی باریکه یونی و همچنین نوع، حالت، چگالی، ترکیبات و اندازه هدف در برخوردها بستگی دارد [10]. برخورد باریکه یونی با نمونه موجب ایجاد فرایندهایی همچون پراکندگی کشسان و ناکشسان، برهم‌کنش هسته‌ای و برانگیختگی الکترومغناطیسی می‌شود. این برخوردها، سبب گسیل از سطح نمونه می‌شوند. هر گسیل از طریق سطح مقطع برهم‌کنش مخصوص به خود، اندازه‌گیری و در نهایت به صورت طیف جمع می‌شود که طیف جمع شده، حامل اطلاعاتی در مورد ترکیبات شیمیایی، ساختار، خواص شیمیایی و الکتریکی نمونه‌ها می‌باشد. این گسیل‌های متفاوت، سبب توسعه روش‌های مختلف ریزسنجه هسته‌ای8 شده‌اند. استفاده همزمان از چند روش در آنالیز با باریکه یونی (IBA)9، موجب شده تا مطالعه بهتری در مشخصه‌یابی مواد نسبت به روش‌های منفرد، صورت پذیرد. با توجه به نوع و انرژی باریکه یونی ، بررسی عمقهای متفاوتی از نمونه ممکن می‌شود. به عنوان مثال تفاوت استفاده از باریکه‌های الکترون و پروتون در شکل 2-1 قابل مشاهده است. این تصویر طرحی جانبی ازمقایسه تفرق طولی و عمق نفوذ پروتون‌ها و الکترن‌ها را نسبت به هم نشان می‌دهد. با توجه به اندازه جریان باریکه، روش‌های آنالیز با باریکه یونی را می‌توان در دو دسته قرار داد؛ دسته‌ای که به منظور دستیابی به آمار بسنده برای تصویربرداری و آنالیز، نیاز به باریکه با جریان بالا10 دارند. و دسته دوم که روش‌های جریان پائین11 هستند.
روش‌های جریان کم مانند IBIC، STIM، تصاویر مفیدی را در زمانی قابل قبول ایجاد می‌کنند، که تنها به جریان باریکه‌ای در حد چند فمتوآمپر (fA) نیاز دارند.
شکل (2-1) مقایسه پروتون‌های MeV2 و الکترون‌های keV30 در نیترید برم مکعبی با استفاده از شبیه‌سازی مونت‌کارلو (به ترتیب با SRIM2006 و Casino).[8]
در دسته اول، برهم‌کنش یون فرودی با الکترون‌های پوسته داخلی یا هسته‌های اتمی نمونه در نظر گرفته می‌شود که با احتمال کمتری رخ می‌دهند. روش‌هایی همچون PIXE، RBS و PIGE روش‌های جریان بالا در IBA هستند که در گروه اول قرار دارند. این سه مورد به همراه ERDA12 و NRA13 هسته‌ی مرکزی روش‌های آنالیز با باریکه یونی را برای آنالیز مواد تشکیل می‌دهند. روش لومینسانس یونی نسبت به روش‌های فوق غیرمعمول می‌باشد. این روش شامل برهم‌کنش باریکه فرودی با الکترون‌های برانگیخته پوسته بیرونی‌تر اتم‌ها بوده و اطلاعاتی از ساختار (شیمیایی) نمونه فراهم می‌کند. شکل (2-2) برخی از روش‌های آنالیز با باریکه یونی را نشان می‌دهد. برای استفاده از یون‌ها جهت بررسی خواص عنصری، بلوری و الکترونی مواد، اندازه‌گیری سطح مقطع برهم‌کنش‌ها و نحوه اتلاف انرژی یون‌ها در درون نمونه دارای اهمیت می‌باشد. هر چه اندازه‌گیری سطح مقطع‌ها در فرایندهای هسته‌ای و اتمی دقیق‌تر باشد، دقت روش‌های مورد استفاده نیز بیشتر می‌شود.
شکل (2-2) طرحی از روش‌های مختلف IBA [8].
به طور خاص، نحوه اتلاف انرژی یون‌ها در برخورد با ماده، به ویژگی‌ها و خواص آنها بستگی دارد، لذا توصیف سازوکارهای اتلاف انرژی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.
بیش از 80 سال از بررسی نظریه و آزمایش نحوه اتلاف انرژی و پراکندگی یون‌ها در برخورد با الکترون‌های اتمی و هسته می‌گذرد. این بررسی‌ها با مشاهدات گایگر14 و مارسن15 در مورد پس‌پراکندگی از فویل طلا، ثبت سطح مقطع پراکندگی توسط رادرفورد16 و توسعه مدل اتمی بوهر17 آغاز شده است. از آنجا که محاسبات ریاضیاتی برای تحلیل برهم‌کنش یون با ماده نیاز به حل معادلات پیچیده‌ای دارد، لذا استفاده از روش‌های آزمایشگاهی همچون PIXE، NRA، ERDA و IBIL برای اندازه‌گیری میزان اتلاف انرژی، بازده پراکندگی، احتمال یونیزاسیون عناصر مختلف و … و در نهایت اندازه‌گیری ترکیبات عنصری مواد، سودمند می‌باشد [1].
2-1-1 اتلاف انرژی الکترونی
یون‌ها پس از ورود به درون ماده، انرژی جنبشی خود را در مسیر حرکت‌شان بر اثر برخورد با ابر الکترونی اتم یا با هسته‌های اتمی از دست می‌دهند. اتلاف انرژی موجب کاهش سرعت یون‌ها و در نهایت توقف آنها در عمقی از ماده می‌شود. از آنجا که هسته‌های اتمی کوچک هستند، لذا برخورد بین هسته‌ها و یون‌ها به ندرت رخ می‌دهد، بنابراین بیشتر انرژی یون‌ها در برخورد با الکترون‌های اتمی تلف می‌شود. البته همواره باید هر دو حالت اتلاف انرژی ناشی از برخورد یون با الکترون‌های اتمی و هسته‌های اتمی در نظر گرفته شود. در مورد استفاده از یون‌های سبک با انرژی از مرتبه MeV، اتلاف انرژی ناشی از برخورد با هسته‌های اتمی، اندک بوده و بنابراین اتلاف انرژی الکترونی برای توصیف فاصله‌ای که یون درون ماده طی می‌کند، کافی است. آهنگ متوسط اتلاف انرژی الکترونی در مسافت بر حسب میکرون که یون در ماده طی می‌کند، به صورت dE/dz تعریف شده و واحد آن کیلو الکترون ولت بر میکرومتر (keV/μm) می‌باشد. این تعریف ساده برای میکروسکوپی هسته‌ای هم مفید است، زیرا ابعاد جانبی اندازه نقطه‌ای باریکه و ناحیه روبش شده نیز با میکرون تعریف می‌شوند. در ادامه حالت‌های اتلاف انرژی الکترونی توصیف خواهد شد.
2-1-1-1 حالت‌های اتلاف انرژی الکترونی
راه‌هایی که یون‌های سبک با انرژی از مرتبه MeV، انرژی خود را درون ماده از دست می‌دهند، به انتقال انرژی جنبشی آنها به الکترون‌های اتمی وابسته است. این انتقال انرژی به راحتی با حالت‌های انرژی بالا و انرژی پائین قابل توصیف می‌باشد. تخمینی از انرژی یون که این حالت‌ها را از هم جدا می‌کند، به واسطه هم‌ارزسازی سرعت یون با سرعت بوهر، v0، حاصل می‌شود.
سرعت بوهر، v0، برای یک الکترون در درونی‌ترین لایه اتمی مربوط به هیدروژن، v0= e2/ħ، برابر با m/s 106× 2.2 می‌باشد.
بر اساس این سرعت، انرژی پروتون برابر با keV 25 و انرژی ذره آلفا برابر با keV 100 است، که مطابق آن، اتلاف انرژی ذرات پروتون و آلفا با انرژی از مرتبه مگا الکترون ولت، در حالت‌های با انرژی بالا توصیف می‌شود. از آنجایی که سرعت یون، 1v، از سرعت الکترون‌ها در لایه‌های اتمی بزرگ‌تر است، لذا اتم در برابر یون ساکن در نظر گرفته می‌شود. سرعت یون به حدی بزرگ است که می‌تواند از اتم هر الکترونی را بکند و لذا با یون به صورت یک ذره کاملاً یونیزه شده با بار مثبت e1Z رفتار می‌کند.
اتلاف انرژی در این حالت به طبیعت شیمیایی مواد وابسته است. این موضوع، حالت انرژی بالا را به طور مستقیم به مدل و امکانات آنالیز کمّی مورد استفاده در روش‌های بررسی با باریکه یونی مرتبط می‌کند. شایان ذکر است که در حالت انرژی بالا، آهنگ اتلاف انرژی با افزایش انرژی یون، کاهش می‌یابد. زیرا عبور یون‌ها از ابرهای الکترونی چرخنده سریع‌تر رخ داده و لذا شانس برخورد با آنها کاهش می‌یابد.
در حالت انرژی پائین، سرعت یون نسبت به الکترون‌های پوسته درونی در اتم‌ها کمتر است، بنابراین دیگر نمی‌توان اتم را در برابر یون ساکن در نظر گرفت. در برخورد یون در حالت با انرژی پائین با جامد، انرژی به طور کامل به الکترون‌های هدف داده نمی‌شود، لذا متوسط بار یون مثبت، کمتر از e1Z است. در فرایند اتلاف انرژی، الکترون‌های پوسته درونی برای انرژی‌های یونی پائین‌تر، نقش کاهشی را دارند. به همین خاطر تعداد الکترون‌های اتمی درگیر در فراین
