TEMA 15 - Materials Science Institute of Madrid

Curso de Especialización y Postgrado del CSIC 

“Preparación, Caracterización y Aplicaciones de Recubrimientos y Láminas Delgadas” 

Raúl Gago Fernández 

E-mail: 

rgago@icmm.csic.es 

Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid 

CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTÍFCIAS 

rgago@icmm.csic.es Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (CSIC) 1/62 

Objetivo del Seminario 

Conocer qué 

INFORMACIÓN (caracterización) 

podemos obtener mediante las diferentes 

TÉCNICAS Y CONFIGURACIONES 

de análisis usando como 

SONDA 

haces de iones energéticos (~MeV/uma) 

(“Ion 

Beam Analysis” ” o IBA) 


1

Contenido de la presentación: 

1. Introducción y conceptos generales 

Presentación de las técnicas IBA 

Fundamentos de la interacción ión‐sólido (ISI): iones energéticos (MeV) 

Instrumentación IBA (aceleradores electrostáticos de MV) 

2. Expresiones analíticas 

Colisión binaria elástica 

Factor cinemático y sección eficaz de dispersión 

Análisis y resolución en profundidad de láminas delgadas 

3. Técnicas experimentales y ejemplos ilustrativos 

Retrodispersión elástica de iones (RBS) 

Retroceso elástico de iones (ERDA) 

 

Sección eficaz no‐Rutherford d( (nRBS) y reacciones nucleares (NRA) 

Emisión de rayos‐X inducida por iones (PIXE) 

Canalización de iones (”channeling”) 

4. Instrumentación avanzada: análisis con alta‐resolución 

Espectrógrafos magnéticos (resolución en profundidad) 

Microsondas nucleares o microhaces (resolución lateral) 


PARTE 1: 

Introducción 


2

Caracterización (micro)estructural de Láminas Delgadas 

Entorno o 

enlace químico (Z 1 -Z 2 ) 

Corto alcance 

Resolución lateral y en 

profundidad 

[resolver motivos 

micro(nano)métricos] 

Estructura atómica 

Orden a medio y 

largo alcance 

Lámina 

Espesor y morfología 

(rugosidad) 

Sustrato 

Composición química ( m Z 1 , n Z 2 ) 

Sensibilidad elemental 

Microestructura 

(tamaño de grano, densidad, porosidad,…) 


Análisis con haces de iones energéticos (~MeV/uma) 

Técnicas IBA (Ion Beam Analysis): 

haz de iones energético 

(sonda o proyectil) sobre la muestra, 

analizando los productos de la interacción 

Obtenemos información del 

entorno a través del resultado de 

una interacción con una sonda 


3

Técnicas de análisis de láminas delgadas 


Análisis con haces de iones energéticos 

Cuantificación de la composición elemental e isotópica 

(análisis sin estándares mediante expresiones analíticas) 

Detección de elementos ligeros (hidrógeno) y pesados 

Perfil de concentración en profundidad y lateral 

Profundidad de análisis controlable (energía, ángulo) 

Análisis no destructivo (en muchos casos) 

Sin preparación especial de la muestra 

Medidas en vacío y en aire (muestras volumétricas) 

Bajo tiempo de medida (10-20 min) (C~10 13 ions) 


4

Técnicas de análisis con iones (IBA) 

Rutherford Backscattering Spectrometry 

- Detección (energía) de proyectiles retrodispersados 

- Elementos pesados (~0.1 at.%) en matriz ligera 

- Análisis en profundidad (hasta varias micras) 

- Resolución ~5 nm (en superficie) 

RBS 

Nuclear Reaction Analysis: 

- Detección de los productos de la reacción 

(partículas o fotones) 

-Alta selectividad elemental (especificidad) (~0.01at.%) 

- Análisis en profundidad (hasta ~5 micras) 

- Resolución 1-10 nm 

NRA 

Elastic Recoil Detection Analysis 

(or Forward Recoil Spectrometry) 

- Detección (energía) de átomos arrancados (“recoils”) 

- Elementos ligeros en una matriz pesada 

- Análisis en profundidad (< 1 micra) 

- Resolución ~20 nm 

ERD 

Particle/Proton Induced X-ray Emission 

Particle Induced G-ray Emission 

-Detección de emisiones características 

- Alta profundidad d de análisis i (penetración) (~5 μm) ) 

- Sensibilidad a elementos traza (ppm) (~0.001 at.%) 

PIX(G)E 


¿Por qué necesitamos energías de MeV? 

Interacción ión‐sólido: 

Energía de MeV’s: 

Poder de frenado - Pérdida de 

energía (electrónica y nuclear) 100 KeV -TRAYECTORIAS 

del proyectil en su trayectoria 

LINEALES: validez de 

S = E/x / = S la colisión binaria i y 

e + S n 

poca dispersión múltiple 

S(R) ↑(↓) Z 1,2 

- REDUCCION DEL 

DAÑO (en superficie): 

Frenado electrónico y 

500 KeV 

análisis no destructivo 

- ALTA PENETRACIÓN 

(análisis de un espesor 

Rango (R) 

mayor): nm-um’s 

(R controlable con el 

tipo de ión, su energía y 

1000 KeV 

ángulo incidencia) 

+ 


5

Instrumentación: Aceleradores electrostáticos 

Source 

+ 

+ 

Single-Ended 

+ + + + + + 

E~qV 

Terminal 

+ 

Double-Ended (Tandem) E~(q+1)V 

Terminal 

Source 

- - - - - + + + + 

Stripper 

Carga del terminal: 

- Cockcroft-Walton 

(condensadores) 

- Van-der-Graff (correa) 

- Pelletron (cadena) 

- Amplificadores 

V 

+ 

V 


Experimental set‐up for IBA 

5 MV 

Accelerator 

LE 

Switching 

HE magnet 

HE 

Beam 

line 

Injection 

LE Magnet 

Ion 

sources 

Sample 


6

Camára de dispersión (análisis) para IBA 

Detector PIX(G)E 

Entrada del 

haz incidente 

Detector de Si 

(backscattering) 

(RBS) 

Detector móvil 

de Si con filtros 

(RBS-ERD) 

Goniómetro 

3-ejes + XYZ 

1 cm 

SISTEMA DE DETECCIÓN: 

• Naturaleza de la partícula detectada 

• Información a obtener (E,Z,…) 

• Resolución (ΔE,ΔZ,…) 


Laboratorio del acelerador CMAM‐UAM 

Tandem 5 MV Cockcroft-Walton 

@2002 

5MV HV 

Tandem 

@2005 

1. Estandard (RBS, ERDA, PIXE) 

+ Nanohaz (en vacío) 

2. TOF‐ERD 

3. Línea 0º: superficies + 

implantación 

4. Micro‐Haz externo 

(Arqueometría) 

5. Física Nuclear (CSIC) 

6. Medioambiente (aerosoles) 

6 

5 

4 

3 

2 

1 


7

PARTE 2: 

Expresiones analíticas 

rgago@icmm.csic.es Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (CSIC) 15/62 

Experimentos de Rutherford (1909‐11) 

Geiger–Marsden experiment: 

Irradiación de una fina lámina de Au con partículas 

E. Rutherford 

– Dispersión s (desviación de la 

trayectoria) de las partículas 

ligeras 

– Solamente una pequeña 

fracción de los proyectiles es 

dispersada 

– Diversos ángulos de dispersión 

(incluso retrodispersados) 

– Colisión (elástica) con átomos 

más pesados 

PRIMERA DEMOSTRACIÓN DE LA EXISTENCIA DEL 

NÚCLEO (+) ATÓMICO 


8

Colisión elástica de dos partículas 

Choque elástico: conservación de energía (E) y momento (P) 

Partícula 2 (blanco) inicialmente en “reposo” (E 2 =0) 

E i = E f → E 1 + E 2 = E 1 = E 2’ + E 

’ 

1 → m 1 v 12 = m 1 v 

’2 

1 + m 2 v 

’2 

2 

P i = P f → P 1 + P 2 = P 1 = P 2’ + P 

’ 

1 → m 1 v 1 = m 1 v 1’ + m 2 v 

’ 

2 


Colisión elástica: Complementariedad de RBS y ERD 

RBS M 1 < M 2 Z 

ERD M 1 > M 2 z 

A m b n 


9

Colisiones elásticas: jugando al billar con átomos 

RBS 

ERD 


Fundamentos de las técnicas RBS y ERD 

1. Factor cinemático (“kinematic factor”): transferencia de energía 

del proyectil al núcleo del blanco en una colisión elástica 

información sobre la naturaleza del blanco 

2. Sección eficaz diferencial (“differential cross-section”): 

probabilidad de que la dispersión ocurra 

sensibilidad elemental (mínima cantidad detectable) 

3. Poder de frenado (“stopping power”): pérdida de energía 

promedio de las partículas (proyectil y recoil) al atravesar el medio 

permite transformar a una escala de profundidad 

d 

4. Dispersión del haz (“energy straggling”): fluctuación estadística 

de la pérdida de energía 

perdida de mono-cromaticidad y de resolución en profundidad 


10

Factor cinemático: selectividad elemental (m 2 ) 

K RBS 

' 

2 

E 

1 

m 

 

1 

 

cos 

E 

 

0 

m1 

m 

 

2 

 

 

 

m 

if m1 

m2 

sinmax 

 

m 

2 

m 1 

2 

m 

2 

 

m 

 

1 

2 

 

2 

sin 

 

 

RBS: m 1 < m 2 

K aumenta para menor m 1 

Retrodispersión (θ~150-170º) 

K~cte (Ω) 

K ERD 

 

' 

E 

2 

4 m 

1 

m 

2 

2 

 

cos 

2 

E m m 

0 

1 

2 

ERD: m 1 > m 2 

Forward-scattering (φ~20-30º) 

Fuerte dependencia en (Ω) 


Resolución en masa (∆m 2 ) de las técnicas RBS y ERD 

RBS 

ERDA 

E 

' 

1,2 

K 

1,2 

E 

0 

 

1 

E 

K1,2 

2 

m 

 

 

E0 

m2 

 

m 1 = 40 Ar + 

Mayor resolución : 

m 

2 

K 

 

 

m 

1,2 

2 

 

 

 

↓Δm 2 ↑m 1 y/o ↑ 

m 1 aumenta el daño y ΔE en detectores de Si 

(útil con espectrógrafos magnéticos o TOF) 

RESOLUCIÓN ÓPTIMA m 1 = 4-7 uma (α) 

m 2 (amu) 

↓Δm 2 ↑m 1 y/o↓ 

m 1 aumenta el daño pero permite 

detectar un mayor número de elementos 

de la muestra (heavy ion ERD) 


11

Sección eficaz de dispersión: sensibilidad elemental 

Sección eficaz diferencial de dispersión: probabilidad de observar una 

partícula dispersada por unidad de ángulo sólido (cono de observación) 

flujo dispersado 

unidad de superficie 

d 

flujo incidenteid 

d unidad de ángulo sólido 

qZ 1 

RBS: “PROYECTÍL” 

2 

 

m 

1 

cos 

1 

sin 

 

2 2 4 

 

m 

 

2 

d 

Z1 

Z2e 

 

RBS 

 

 

 

2 2 4 

d 

4(4 

) sin 

2 

0 

E1 

 

m 

1 

1 

 

sin 

 

m 2 

ERDA: “RECOIL” 

2 2 4 

d 

 

ERD 

Z1 

Z2e 

m1 

m 

 

2 2 3 

4 4 

 

d 

( 0) 

E1 

cos m2 

2 

2 

 

 

 

2 

m1 

m2 

 

 

r 

 

 

 

2 2 4 

Z1 

Z2e 

16(4 

) 

2 

0 

Rutherford: 

Coulomb 

potential 

2 

q Z1Z 

2 

F 

2 

qZ 2 4 

r 

Z Z 

4( 

4 

2 

1 

2 

2 

4 

2 2 

0) 

E1 

1 

4 

E sin 


2 

1 

~10 -24 cm 2 (barn)/sr 

10 6 -10 8 ions/event 

e m 

3 

 

cos m 

1 

2 

0 

2 

 

 

 

Resolución y análisis en profundidad 

Perfil de composición: 

transformar escala de energía a 

profundidad (integración de capas) 

x 

E 2 

d out 

Resolución en profundidad: 

E 

E E x [ S] 

E 

x 

E 

d in 

[S] S 

β 

E 1 = k E 0 

Surface Energy Approximation (SEA): 

x 

dE 

 

E E0 

 

cos 

dx 

x dE 

E2 

kE kE0 

x[ 

S] 

cos dx out 

1 dE 1 dE 

[ S] 

k 

 

cos 

dx in 

cos dx out 

 

in 

 

E 0,i 

2 

x E ΔE detector, x (straggling),… 

x [S] -1 “path length” (α,β) y/o E loss 

STRAGGLING: x aumenta con “x” 


1 

12

PARTE 3: 

Técnicas experimentales 

y ejemplos ilustrativos 


RBS 

•(•,•)• 


13

Rutherford Backscattering (RBS) 

1) Selectividad en “masa”: 

K 

2) Sensibilidad (( 

RBS Z 1 ,Z 2 ,1/E 2 ) 

3) Análisis en profundidad (~E/ 

E/x) 

Film structure: A m B n /C (m c

Análisis RBS de materiales laminados 

2MeV 

He + 

Mo 

Ti 

Si 

Ti 

Mo 

Si 

θ=165º 

RBS Yield (arb. units) 

RBS 2 MeV He + = 165º 

Mo 

Mo-Ti-Si 

Ti-Mo-Si 

Si 

Ti 

600 800 1000 1200 1400 1600 1800 

Energy (keV) 


ERDA 

•(•, •)• 


15

Elastic Recoil Detection Analysis (ERDA) 

 

(10-20º) 

ERD 

Yield 

Channel 

(Energy) 

Incidencia rasante: se precisan 

muestras con una superficie plana 

Configuración estándar: 

= ( → = + = 2 ) 

Alta sensibilidad en [K/ ] 

precisión en la calibración de (

Inconvenientes del filtro absorbente 

ERD 24 MeV 35 Cl +5 

=30° 

Pérdida de energía diferente para cada 

partícula (recoil) al atravesar el filtro: 

Recoil energy (keV) 

10 4 B 

Li 

C 

N O 

He 

F 

D 

no mylar range foil 

6 m mylar range foil 

(no stopping force correction) 

H 

10 3 1 10 

Recoil mass (amu) 

1- Solapamiento de señales!!! 

(se puedo “minimizar” con la 

selección apropiada para cada caso 

de la energía del proyectil y el 

espesor y material del filtro ) 

2- Pérdida de resolución en 

profundidad (Δx) para partículas 

con mayor masa 

(mayor “straggling” después de 

atravesar el filtro absorbente) 

E 


ERDA convencional: uso de filtro absorbente 

A) Standard ERD 

B) Heavy-ion ERD 

H 

He 

C 

2 MeV 

4 

H 26 MeV 

O 

He + 28 

Si 5+ 

a-SiN:H 

Si Substrate 

a-C(:OH) 

Si Substrate 

Yield 

2000 

1500 

1000 

500 

0 

Energy (keV) 

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 

C (97-98%) 

ERDA analysis 

26 MeV 28 Si 

H (

ERDA con iones pesados y cámaras de ionización 

- Detección silmultánea de un 

amplio rango de elementos, 

incluyendo H 

- Medida de la corriente generada 

en los electrodos al ionizar i un 

gas a alta presión 

- Tipos de detectores: ΔE-E, Z-E 

SiOx 

TiOx 

C substrate 

Multilayer optical coating 

© INDO S.A. 

Isobutene 

Z 

E 

BIC 

Mylar foil 

Si-det. 

18 um Al 

Bragg 

Ionization 

Chamber 

35 MeV Cl 7+ 

F.-cup 

Sample 

Monitor 


ERDA con telescopio de tiempo de vuelo (ERDA‐TOF) 

Cámara de 

análisis 

Sample 

Heavy-ion 

beam 

π /2- α 

π-2α 

Telescopio TOF-E 

T 

T 1 

E=1/2mv 2 

L 

T 

v=L/(T 2 -T 1 ) 

m,E 

E 

s/m)300 

T=L(2E/m) 

-1/2 

Mayor resolución al usar la señal de tiempo (~0.5ns) 

Resolución independiente de la partícula detectada 

Bajo Ω (definido por L) requiere dosis elevadas 

Sistema experimental relativamente sencillo 

Compleja electrónica de adquisición. 

Técnica relativamente moderna (~10 ERDA-TOF “world-wide”) 

T 2 

TOF (ns 

200 

100 

Universal TOF 

curve 

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 

MeV/amu 


18

ERDA‐TOF de láminas Boro‐Carbono‐Nitrógeno 

0.5 

Surface 

ón (% at.) 

Composici 

0.4 

0.3 

0.2 

0.1 

B 

C 

N 

O 

H 

Si 

0.0 

0 50 100 150 200 

Profundidad (nm) 

Substrate 

B C 

48 MeV I 9+ N 

Film 

Surface 

B x C y N z 

Interface 

Si substrate AlSi 


NRA 

•(•,)• 


19

Reacciones nucleares 

A(a,b)B 

a 

A 

Energía de reacción, Q: E b + E B = E a + Q 

B 

b 

A = elemento detectado 

a = partícula incidente 

b = partícula o fotón () 

detectada 

B = producto de la reacción 

RBS y ERD son ejemplos de reacciones elásticas (Q=0): 

RBS: A(,)A 

ERD: A(,A) 

El valor de Q es específico para cada elemento e isótopo ( m A) 

Q >> E a Señal detectad (E b ) aperece separados a energías altas 

Aumento del poder de detección (relevante para elementos ligeros) 

Complejidad debido al carácter inelástico del proceso 

Valores de la sección eficaz obtenidos experimentalmente 


High‐energy RBS: sección eficaz no Rutherford 

Projec ctile energy (MeV/am mu) 

5 

4 

3 

2 

1 

0 

He C 

Penetration of the 

Coulomb barrier 

Si Cl 

Cu 

Rutherford x-section 

Screened Coulomb 

0 10 20 30 40 50 60 70 80 

Projectile atomic number, Z 

Au 

- Relevante para 

altas energías 

(HE-RBS) 

Mayor sensibilidad 

a un determinado 

elemento 

(resonancia) 

Calibración 

experimental de la 

sección-eficaz de 

dispersión para 

cada caso concreto 

(proyectil-átomo) 

Análisis más 

complejo e 

impreciso 


20

Ejemplo de sección eficaz no‐Rutherford 

Aplicación: detección de 

elementos ligeros en una matriz 

pesada o para obtener un perfil de 

concentración con alta resolución 

(“energy sweep”) 

(counts/5uC) 

RBS Yield 

4000 

3000 

2000 

1000 

DLCH/Si - DC Glow Discharge 

Ejemplo: C/Si 

C 

Si 

σ ~ 130 σ Ruth 

(@ E α ~ 4300 keV) 

0 

4000 

3000 

50 100 150 200 250 300 350 

Energy channel 

Energy (keV) 

500 1000 1500 2000 2500 

C 

Yield 

2000 

1000 

Si 

x7 

0 

100 200 300 400 500 

Channel 

Ar 


Ejemplos de Reacciones Nucleares 

Reacción: Q (MeV) Reacción: Q (MeV) 

2 

D(d,p) 3 T 4.03 

12 

C(d,p) 13 C 2.72 

2 

D( 3 He,) 1 H 18.35 

13 

C(d,p)1 4 C 5.95 

3 T(d, )n) 17.61 14 N(d,) 12 C 13.57 

6 

Li(d, ) 4 He 22.37 

15 

N(d,) 13 C 7.69 

7 

Li(p, ) 4 He 17.35 

16 

O(d,) 14 N 3.11 

11 

B(p, ) 8 Be 8.58 

18 

O(d,) 16 N 4.25 

10 5 Elastic region 1.4 MeV 2 H + @ 150º 

Backscattered 2 H + 14 N(d,) 13 C - TiN 

10 

4 

Yield 

10 3 

14 N(d, 1 ) 12 C 

14 N(d, 0 ) 12 C 

10 2 

10 1 

10 0 

100 200 300 400 500 600 700 800 900 

Energy channel 


21

Cuantificación de hidrógeno por NRA 

Reacción: H ( 15 N, ) 12 C 

Emisión resonante de rayos para 

una energía de los iones de: 

E = 6.38 ± 0.05 MeV 

Resonancia permite una elevada 

resolución en profundidad (~nm’s): 

~nm 

Detección de H 

en la superficie 

o en intercaras 


PIX(G)E 

•(•,γ•) • 


22

Particle induced x‐ray emission (PIXE) 

PIX(G)E se refiere a “Particle Induced X(γ)-Ray Emission” pero su uso 

extendido con H + tambien se conoce como “Proton Induced…” 

Detección multielemental: 

Líneas características de emisión 

elevada selectividad id den Z 

Rayos-X característicos 

Electron Auger 

Proyectil 

Electrón emitido 

Sensibilidad 

(sección eficaz 

de ionización) 

Elementos 

traza (ppm) 

K: 20 < Z < 35 

L: 75 < Z < 85 

Elemento de la 

muestra 


Eficiencia de producción de rayos‐X: 

(1) Probabilidad 

de generar vacantes 

[K,L,M,...] mediante la 

ionización del blanco 

= Z S r 

(1) (2) (3) 

(2) Eficiencia de 

fluorescencia [K,L,…] 

(3)Fracción de 

producción de la 

línea (diferentes 

transiciones posibles) 

s = 

I s 

N s 

I s = número total de R-X emitidos (K,L,…) 

N s = número total de vacantes (K,L,…) 


23

Análisis de muestras delgadas 

Muestras delgadas:~10s um 

Si(Li) detector 

X-ray 

Target 

X-ray 

E o 

E = E o – E (E

Estructura cristalina mediante “channeling” 


Localización de defectos mediante channeling 

 

Análisis de impurezas/dopantes: 

1 

1 

RBS Yield 

d 

Random 

Defects 

Dechanneling 

2 

2Zzie 

Ángulo crítico : 

4 

dE 

Surface 

peak 

Norm. Yield 

Rmd 

(1) 

Aligned 

0 

~ 0.01 

E 

i 

0 

0 

0 

0 

Substitutional Large displacement 

1 

1 

0 

0 

0 

0 

Small displacement Instertitial 


25

Análisis de crecimiento de heteroestructuras epitaxiales 

Crecimiento de capas tensionadas: 

Redondo-Cubero et al. J. Phys. D’2010 


Estudio de amorfización mediante “channeling” 

Ar + Si(100) ≡ a-Si/cSi 

500eV 

a-Si 

RBS/C 1 MeV He + 

Random 

Si 

Si(100) 

3x10 12 1x10 14 4x10 14 

ions/cm 2 ions/cm 2 ions/cm 2 

500eV 

700eV 

Sin 

irradiar 

Ar 

3x10 14 

ions/cm 2 3x10 14 

ions/cm 2 


26

Parte 4. 

Instrumentación t de alta 

resolución 

? 

Análisis i con alta 

resolución espacial: 

lateral y en profundidad 


Análisis composicional de multicapas 

Análisis de espesores individuales por debajo 

de la decena de nm’s (limitado por la 

resolución de los detectores a 5-10 nm) 

Reducción del espesor 

RBS Yield (counts) 

3.5 MeV He 2+ 

=10° 

Si 

N 

Cr interlayer 

2x (500 nmCrN / 350 nmAlN) 

Al 

Cr 

Exp 

Sim 

Cr 

RBS Yie eld (counts) 

RBS 3.5 MeV He 2+ @ =10° 

10x (40nm AlN / 90nm CrN) 

N 

Si 

Cr interlayer 

Al 

Exp 

Sim 

Cr 

500 1000 1500 2000 2500 

Energy (keV) 

500 1000 1500 2000 2500 

Energy (keV) 


27

Detectores de energía de alta resolución (HR‐RBS/ERD) 

Objetivo: bajar Δx reduciendo ΔE 

Principio: Reemplazar el detector de 

estado sólido de Si (ΔE=15keV) por un 

espectrógrafo magnético (ΔE= 1keV) 


HR‐RBS de multicapas nanométricas 

2nm TiN/AlN ML 

RBS 

RBS S-Yield 

2000 

1600 

1200 

800 

400 

N 

1.7 MeV He + 

=170° 

Si 

Al 

Ti 

0 

400 600 800 1000 1200 

Energy (keV) 

HR-RBS 

RBS-Yield 

250 

200 

150 

100 

50 

0 

4.8 MeV C, 1 

=17.5°, 1 

=18° 

d(AlN)=75*10 15 at/cm 2 

d(TiN)=95*10 15 at/cm 2 

3400 3600 3800 4000 4200 4400 

Energy (keV) 


28

Sondas nucleares para “micro‐análisis” 

Focalización del haz de 

iones con sistema de 

cuadrupolos (3, 4,…) 

Microhaz interno 

(vacío) o externo (peor 

resolución) 

[Arqueometría] 

Haz típico: ~1 μm 

(interno) hasta 100’s μm 

(externo) 

Multianálisis: 

μRBS(/C), μERDA, μPIXE 

ROMICA: Nuclear microprobe at 

HZDR Dresden (Germany) 


Nuclear microprobe analysis of PLD films and particulates 

SEM 

Bi thin films deposited by PLD: droplet formation 

μRBS 

Tomography image obtained from RBS data 

Beam: 2 μm Scan: 275 μm 

REF: Applied Surface Science 208-209, 540 (2003) 


29

Programas de análisis con haces de iones 

http://www.genplot.com/ 

http://www.rzg.mpg.de/~mam/ 

http://www.ee.surrey.ac.uk/IBC/ndf/ 

http://www.itn.pt/facilities/lfi/ndf/uk_lfi_ndf.htm/ 


Conclusiones finales 

Técnicas IBA proporcionan información composicional 

En la mayoría de los casos, el análisis es no destructiva y no requiere 

preparación especial 

Permiten cuantificación sin estándares de calibración 

(medida absoluta dada por expresiones analíticas) 

Profundidad de análisis desde unos pocos nm’s a μm’s 

Posibilidad de obtener perfiles de composición 

Pueden usarse de forma complementaria y simultánea para obtener 

información global de la muestra: 

- Elementos ligeros y pesados (Z 1) 

- Elementos traza o minoritarios (dopaje, impurezas, etc.) 

- Estructura cristalina (“channeling”), … 

Posibilidad de análisis con alta-resolución lateral o en profundidad.. 


30

Bibliografía 

IBA: 

─ 

─ 

─ 

J. Withlow, “High energy and heavy ion beams in materials analysis”, MRS, Pittsburgh 

(USA), 1990 

J.R. Tesmer, M. Nastasi (Eds.), “Handbook of modern ion beam materials analysis”, MRS, 

Pittsburgh (USA), 1995 

I. Montero, R. Gago, “Cap. 17: Análisis con haces de iones: RBS, ERDA, NRA, PIXE y SIMS” 

en LÁMINAS DELGADAS Y RECUBRIMIENTOS: PREPARACIÓN, PROPIEDADES Y 

APLICACIONES” Ed. J.M. Albella, CSIC, 2003, pp. 441‐466 

RBS: 

─ W.K. Chu, J.W. Mayer and M.A. Nicholet, “Backscattering Spectrometry”, AP (NY), 1978 

ERDA: 

─ L’Ecuyer et al. “An accurate and sensitive method for the determination of the depth 

distribution of light elements in heavy materials”, J. Appl. Phys. 47 (1976) 381 

─ W.M.A. Bik and F.H.P.M. Habraken, Elastic recoil detection, Rep. Prog. Phys. 56 (1993) 859 

─ J.A. Davies , J.S. Forster, S.R. Walker , “Elastic recoil detection analysis with heavy ion 

beams”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 136‐I 38 (1998) 594602 


31

TEMA 15 - Materials Science Institute of Madrid

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