espectroscopías de iones

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Técnicas de Análisis de Superficies Basadas en Bombardeo de Iones 
Oscar Grizzi 
Átomos 
neutros Iones 
Fotones 
Campos 
Calor 
Electrones 
• Espectroscopías: RBS, PIXE, channelling, ISS, SIMS, : composición, estructura cristalina 
Rango 
Energía 
Projectil Partícula 
detectada 
Técnica Profundidad Proceso principal Información 
0.01 – 1 
eV 
H, He, Ar Proyectil 
reflejado, 
difractado 
Atom 
Scattering 
HAS - LEAD 
Fuera de la 
superficie 
Interacción con la 
estructura 
electrónica fuera 
de la superficie. 
Adsorbatos 
Estructura electrónica 
de la superficie. 
Estructura atómica de 
la superficie. 
1 – 
decenas 
de eV 
H, N, O, 
moléculas 
álcalis 
Proyectil 
reflejado, 
subproductos de 
la superficie 
 
 
Electrones 
Reactive ion 
scattering 
 
 
Ion 
neutralization 
spectroscopy 
Última capa Reacciones en 
superficies. 
Sputtering químico. 
 
Intercambio de 
electrones 
Procesos adsorción. 
Reacciones en 
superficies. 
Crecimiento de 
películas delgadas. 
 
Estructura electrónica 
1 – 10 
keV 
Gases 
nobles. 
álcalis 
Moléculas 
Iones 
pesados 
Proyectil 
reflejado. 
Átomos de la 
cascada. 
Recoils (átomos 
blanco) directos. 
Electrones 
Secondary 
ion mass 
spectrometry 
(SIMS) 
 
Ion 
scattering 
(ISS, DRS) 
1-10 nm Gran cantidad de 
energía depositada 
en la superficie. 
Stopping nuclear. 
Sputtering. 
Formación de 
cascadas de 
colisiones 
Composición elemental 
Estructura atómica. 
Depth profiling (perfiles 
de profundidad) 
 
~100 
keV 
He, 
Otros gases 
nobles 
Proyectiles 
reflejados 
Recoils 
Medium 
energy ion 
scattering 
(MEIS) 
1-100 nm Pérdida de energía 
nuclear y 
electrónica 
similares 
Composición de la 
superficie. 
Estructura atómica. 
1-5 MeV He, H 
átomos 
Proyectiles 
reflejados 
Recoils 
Rayos-X 
 
High energy 
ion 
scattering 
(RBS, 
channeling). 
PIXE 
1-5 micrones Domina la pérdida 
de energía 
electrónica. 
Alta penetración 
Composición en 
volumen. 
Perfiles de profundidad. 
Análisis cristalográfico 
(en channelling). 
Rutherford Backscattering (RBS) 
• Proyectil: He++ 0.5 - 5 MeV 
• Potenciales de Coulomb sin apantallamiento. 
• Cuantitativa y de buena precisión. 
• Cinemática y secciones eficaces 
independientes de las ligaduras químicas. 
• Profundidad de análisis: ~ micrón. 
• Uso: composición elemental. 
• En cristales: información estructural 
 
Factor cinemático 
2
0
1
1
M
2
M
cos
1
M2
1
2sin 2
1
M2
2
M
E
E
K




















 

 


 2
2
21
21
0
2 cos
MM
MM4
E
E
Energía transferida al recoil 
Instrumentación para RBS 
La altura del pulso detectado es 
proporcional a la energía 
Espectro de RBS para una capa fina de Cu, Ag y 
Au sobre un sustrato de Si 
Identificación de elementos en RBS 
• Cada pulso detectado es amplificado, conformado y analizado en un “Analizador 
Multicanal” 
• Se construye un histograma donde el número de canal es proporcional a la 
energía 
 En este ejemplo, 63Cu (69%) y 65Cu 
(31%) pueden separarse, 107Ag y 
109Ag no se separan (los 6 keV de 
diferencia de energía son menores 
que los 15 keV de resolución en 
energía del detector) 
Potenciales y límites en RBS 
sN Q )(Y 
2
sen
1
E4
eZZ
)(
4
2
0
2
21









  máximo toacercamien de distancia :d , 
2
4
4
2


sen
d







d=Z1Z2e
2/E0, para Ag (z=47, y He 2 MeV): Å10 6.8 
eV 102
 ÅeV 4.14 472
d 4-
6




 barn 89.2cm 10 89.216/ Å)10 8.6()( 2-2424   d es menor que el radio de la capa K y 
justifica el uso de potenciales no 
apantallados 
Límite de baja energía: 
d comparable con radio capa K 

0
22
21
a
e Z Z
E
10 keV for He→Si 
340 keV for He→Au 
Límite de alta energía: d comparable al radio nuclear: RoA1/3, Ro=1.4 10-13 cm 

3
1
0
2
21
R
 
A
eZZ
E 9.6 MeV para He→Si 
Sección eficaz para la colisión He-O. 
Sección eficaz ~ 1 barn a 3.04 MeV, 
Aunque la sección eficaz RBS es 0.037 
barn at 170º 
Potenciales y límites en RBS 
Análisis de muestras gruesas en RBS 
 
 cos
 t
 
E , E 1 
 t 
E E E E
1
0
0tt
outsin01




E
out
ins
E
in
dx
dE
E
EEKE
dx
dE
E
E
 
Å
: eV
dx
dE
 
 
Impact 
parameter 
Proceses Energy Loss 
~1 Å Valence e- excitation ~10 eV 
~10-1 Å L excitation ~100 eV 
~10-2 Å K excitation ~ keV 
 









I
v m 2
ln 
m
M
 
E
n e Z 2
dx
dE 21
42
1Bethe formula: 
Excitation energy versus Z 
Espectro de RBS para una muestra de 
Al sample con marcadores de Au 
Eo= 3 MeV, KAl= 0.55, 
dE/dx= 22 eV/A a 3 MeV 
dE/dx= 29 eV/A a 1.5 MeV 
t N Q 
)t(E 4
e Z Z
)t(Y
2
2
21 








 210
1
E E
1
)E(Y

Blanco grueso: 
Análisis de muestras gruesas en RBS 
outsin01 E E E E  E
Channelling o canalización de iones en monocristales 
Es el efecto de guía del ion debido a 
las colisiones correlacionadas que 
ocurren cerca de una dirección 
cristalina. 
 
Aumenta la transparencia y reduce 
el backscattering. 
 
Se observa desde 100 eV hasta > 
100 GeV. 
Con alineamiento perfecto, solo la primera capa genera backscattering (si no se considera la 
temperatura). Dentro del canal las colisiones son suaves, con parámetros de impacto < 0.1 Å 
Potenciales en channelling axial 
 dz r zV 
d
1
 )r( U
-
22
a 



Axial 










222
2
21
a C r~
1
r~
1
e Z Z )r~(V
Potenciales apantallados: Moliere, Lindhard. 
El potencial de Lindhard hace que la teoría de 
channelling sea analítica 
 
3 a cercana cte una es C ;
 ZZ
a 885.0
3221
2
21
1
0

a














 1 
r
a C
 ln 
d
e Z Z
 )r( U
22
21
a
He→ Si a lo largo de 110 (d = 3.84 Å), 
Ua (r=0.1 Å) = 223 eV 
(r) U 
M 2
P
 
M 2
P 
E a
22
//   (r) U E )r(U 
M 2
 sen P
E a
2
0a
22



21
0
mina
c
E
)r(U
 





 
d E
e Z Z 2
 ;1 
a C
ln
2
 )(
0
2
21
1
21
2
1
c 

























1 MeV He en 111 a RT da c=0.65
º, mientras que el valor medido es 0.55º 
Vibraciones térmicas en Channelling 
Las vibraciones térmicas afectan la prefección del cristal y cambian las trayectorias. 
La ditribución característica sigue el modelo de Debye 
 
2
2
u2
-u
23
2
e 
u 2
1
)u(P

 




 





 



T 4
 
T k M
 T 3
 u DD
2
D
2
2 
 

x
0 y 1 e
dy y
 
x
1
 )x(
Φ(x) is the Debye function, θD the Debye temperature 
Channelling en un plano 


























a
y
 C
a
y
 d N a e Z Z 2 )y(U
2
1
2
2
p
2
21p
2
1
0
minp
p
E
)(y U
 






Yield mínimo en Channelling axial y planar 
2
0
2
mina
min
r 
r 



d N
1
r 20 
La fracción de channelling en condiciones axiales puede ser del 99% 
p
minp
min
d
y 2
En Channelling 
planar 
2
min u 
3
1
 y 
La fracción de channelling en condición 
planar puede ser del 80 – 90 % 
Flujos en channelling 








in
in2
in
2
0
r r si 0
r r si 
r r 
1
)r ,E(P
22
0
2
0
in in
r
0
r
r
2
in
2
0
in inin
rr
r
ln drr 2 
r r 
1
 drr 2 r) ,P(r )r(f
0 o



  
RBS para Yb implantado en Si vs 
ángulo de incidencia, alrededor de 
la dirección (110) 
Scattering por dos centros 
1
2
21
r E
e Z Z

 
r
4R
 r d 
r E
e Z Z
 r d r r
1
2
c
1
1
2
21
112 
2
1
2
21
c
E
d e Z Z
 2 R 








111222 dr r 2 )r(fdr r 2 )r(f 
 
R r si r /R 1
r /R 1
1
2
1
 R r si 0
 
dr
dr
 
r
r
 )r(f
c2
2
2
2
c
2
2
2
c
c2
2
1
2
1
2


















 
R r si 
r
)R r (
 
2
R
 1
 R r si 0
 )r(f
c2
2
c2
2
c
c2
2










 dr r 2 )f(r )(r P~ I 22222  
2
2r -
22
e 
 
1
)r(P~ 


2
2
cR -
2
2
c
2 e 
R
 1 I 







I = 1 + I2 Intensidad total: 
ejemplo, si Rc=1.5  → I2 = 0.34 
En scattering de iones a energías en los keV, la sensibilidad a la primera capa es mucho mayor 
Scattering por dos centros 
Pico de superficies en channelling 
Channelling crecimiento epitaxial 
Surface peak and minimum yield 
Correspond to epitaxial growth 
for Au on Ag, but not for Au on Pd 
El pico de superficies y el yield mínimo 
corresponden a crecimiento epitaxial para 
Au en Ag pero no para Au en Pd 
Sputtering 
Regímenes de sputtering : 
a) Knock -on, b) cascada lineal y c) spike 
Esquema de un proceso de sputtering 
Sputtering químico: el bombardeo con C a baja 
energía genera la formación y posterior emisión de CO 
Potenciales 
3
2
2
1
2
2
1
1
0
2
21
Z Z
a 0.885
a con 
a
r
 
r
e Z Z
 )r(V














Modelo de Sigmund para sputtering 
Y= Λ FD(E, ) 
(A/eV) 
 UN
0.042
0

FD(E, )= dE/dx α = SnN α 
2
2121
2,
e Z Z
a
 E
M M
M



Modelo de Sigmund 
Coeficientes de Sputtering para 400 eV Xe 
Espectrometría de masas de Iones Secundarios (SIMS) 
Esquema del análisis 
•SIMS estático: pAmp/cm2 , poco daño y poco 
efecto de carga superficial en aislantes. 
• Imágenes: mapeado de elementos. 
•SIMS dinámico: μ Amp/cm2 , depth 
Profiling. Range entre 10 nm y 10 μm. 
• Sputtering sirve a ambas funciones: erosión 
Y análisis. 
• Se emiten clústeres de iones 
 
•Sólo se detectan iones. 
•La fracción ionizada puede variar órdenes de 
•Magnitud en diferentes sustratos 
•Cuantificar es difícil 
Intercambio de carga en SIMS 
 
5 keV Ar+ on GaAs 
Efecto del oxígeno en los yields de SIMS 
Time of Flight Ion Mass Spectrometry 
(TOF-SIMS) 
0 10 20 30
5000
10000
15000
20000
 
 
Co
un
ts
m/z (amu)
C-
CH- O-
OH-
C2-
C2H-
F-
0 10 20 30
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
 
 
Co
un
ts
m/z (amu)
F-
0 10 20 30
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
 
 
Co
un
ts
m/z (amu)
C-
O-
F-
0 10 20 30
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
 
 
Co
un
ts
m/z (amu)
OH-
SiO2-
7,0
0
1
2
3
4
5
6
 
 
C
o
u
n
ts
m/z (amu)
TOF SIMS de microesferas de vidrio 
Comparación con espectro EDS 
(con fondo azul) 
RBS y SIMS 
Análisis de una película de W-Si depositado sobre Si 
WSi 
PolySi 
SiO2 
0 20 40 60 80 100 120 140
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
71
Ga
+
 
 
P
o
s
it
iv
e
 i
o
n
s
 (
c
o
u
n
ts
)
Sputter time(s)
 As
 Ga
 Ga71
 Si
 CSZn
ZnCs
+
69
Ga
+
As
+
Si
+
Depth profiling with Cs
+
 at 2 keV, sputter rate:1.5 nm/s 
Análisis de una muestra 
de GaAs dopada con Zn 
Espectroscopía de dispersion de iones (Ion Scattering Spectroscopy) 
“ISS” 
Espectro típico para 
600 eV He dispersado en Ni 
El intercambio de carga puede jugar un rol importante, pero menos que en SIMS 
Más cuantitativo que SIMS. Da información sobre la posición de los átomos (su cristalografía) 
Es menos sensible que SIMS. 

b

Dispersión elástica en ISS 
   2222
0
1 A 1sin - A cos
E
E

o2
2
0
2 90 , cos 
 A) (1
 A4
 
E
E



A=M2/M1. If A>1 Sg+ 
El ion se mueve en una secuencia de colisiones binarias dentro del sólido 
 
Normalmente se desprecia: 
a) Energías de ligadura. 
b) Vibraciones térmicas. 
c) Efectos cuánticos. 
d) Pérdidas inelásticas. 
 
,
a
r
 
r
e Z Z
)r(V
2
21







r/a x , e 0.1 e 5.5 e 0.35 )x( x -6x -1.2x -0.3M 
  2
1
y-432
LJ )x67.9( y with, e y0.01288 y0.01150 y0.4272 Y 0.9389 1)x( 
x -0.2016x -0.4028x -0.9423x -3.2
ZBL e 02817 0. e 0.2802 e 0.5099 e 0.1818 )x( 
rangeenergy on depends m ,
a
r
 
m1
C
 )a/r(
m11
L








2132
2
32
10B )Z (Z a 0.8853 a

3221
2
21
10F )Z (Z a 0.8853 a

123.0
2
0.23
10ZBL )Z (Z a 0.8854 a




minr 22
cm
2 /rb - V(r)/E -1 r
dr b
2 - 
300 eV K on Ir 
Potenciales en ISS 
Trayectorias en ISS 
Tres situaciones típicas en ISS: a) projectil 
Más pesado que el Blanco, b) más liviano, 
c) trayectoria inicial divergente 
4 keV Ne incidiendo sobre un 
monocristal de Ni a diferentes 
ángulos 
Colisiones múltiples 
 
E
d e Z Z 
 2R
2
1
2
21
c 






Efecto de enfoque en ISS 
 
R r if r/R 1
r/R 1
1
2
1
R r if 0
 )r(f
c
22
c
22
c
c




















Potencial de Coulomb 






100 4.5 , 0.0008 - ln 0.182 - 0.924
4.5 0 , 0.01- 0.12 0.1
R
R 2
c
M
 = 2 [(bd)1/2 ] / a 
Potencial de Moliere 
5000
0
C
o
u
n
ts
 
2015105
TOF (s)
4.2 keV Ar Ag(111)
=30
o
 =20
o
Ag
Ar 

(a)
100806040200
Azimuthal Angle (degrees)
=20
o
(d)
[-101]
[-211]
14x10
3
12
10
8
6
4
2
0
A
g
 R
e
c
o
il 
In
te
n
si
ty
 (
a
rb
. 
u
n
it
s
)
403020100
Incident Angle (degrees)
? =30
o
(c)
Figure 1
=30
o
=0
o
 Ag(111)(b)
 
8x10
3
6
4
2
0
C
o
u
n
ts
 
2015105
TOF (s)
4.2 keV Ar  Ag(111)
Grazing Incidence
 smooth
 rough 
Ag
Ar scattered from Ag
1.0
0.0
A
r 
In
te
n
s
it
y
 (
A
rb
 u
n
it
s
)
2520151050
Incident Angle (degrees)
 4.2 keV ArAg(111)


 smooth
 rough
(a)
Ejemplos de ISS 
4.2 keV Ar / GaAs(110) 
Scattering angle: 45 deg 
 
175 200 225 250
0
500
1000
1500
2000
 
 
 
= 70
o 
= 90
o 
DR(Ga)
DR (As)
C
o
u
n
ts
 (
a
rb
. 
u
n
it
s
)
Channel number
-120 -100 -80 -60 -40 -20 0
0
500
1000
1500
[111] [110][112][001]
 
 
I D
R
(A
s
)
Azimuthal angle  (deg)
Ejemplos de ISS 
H
(d) 0.18 nm
0 10 20
0
H:GaAs
Clean
GaAs

1
c

2
c

1
c
N
e
 I
B
S
(A
s
) 
 (
a
rb
.u
n
it
s
)
INCIDENT ANGLE  (deg)
[001]
[110] 0.565 nm
 = -64.7
o
As
Ga
(b)
0.066 nm
0.223 nm
(c)2000 L
1500 L
250 L
0 L
 
 
Ejemplos de ISS 
8000
6000
4000
2000
0
 C
o
u
n
ts
35030025020015010050
 Time of Flight (arb. units)
 0L
 10
4
 L
H C
Au
Adsorption of C3 on Au(111)
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
H
 D
R
 I
n
te
n
s
it
y
10
-1
10
0
10
1
10
2
10
3
10
4
Dose (L)
C6
C3
Ejemplos de ISS 
50 75 100 125 150 175 200
SAM
 
 
C
o
u
n
ts
Time of flight (channels)
Clean
 Lying down
C
H
Ar-Au
S
Ar-S
Adsorción de ditioles en Au