stringtranslate.com

Ионно-лучевой анализ

Ионно-лучевой анализ (IBA) — это важное семейство современных аналитических методов , включающих использование ионных пучков МэВ для исследования состава и получения профилей глубины элементов в приповерхностном слое твердых тел. IBA не ограничивается диапазонами энергий МэВ. Он может работать при низкой энергии (< кэВ) с использованием таких методов, как FIB и масс-спектроскопия вторичных ионов , а также при более высоких энергиях (> ГэВ) с использованием таких инструментов, как LHC . Все методы IBA обладают высокой чувствительностью и позволяют обнаруживать элементы в субмонослойном диапазоне. Разрешение по глубине обычно находится в диапазоне от нескольких нанометров до нескольких десятков нанометров. Разрешение по атомной глубине может быть достигнуто, но требует специального оборудования. Анализируемая глубина варьируется от нескольких десятков нанометров до нескольких десятков микрометров. Методы IBA всегда являются количественными с точностью в несколько процентов. Каналирование позволяет определять профиль глубины повреждения в монокристаллах.

Количественная оценка методов IBA требует использования специализированного программного обеспечения для моделирования и анализа данных. SIMNRA и DataFurnace являются популярными программами для анализа RBS, ERD и NRA, в то время как GUPIX популярен для PIXE. За обзором программного обеспечения IBA [2] последовало взаимное сравнение нескольких кодов, посвященных RBS, ERD и NRA, организованное Международным агентством по атомной энергии . [3]

IBA — область активных исследований. Последняя крупная конференция Nuclear Microbeam в Дебрецене (Венгрия) была опубликована в NIMB 267(12–13).

Обзор

Анализ ионного пучка работает на основе того, что ионно-атомные взаимодействия производятся путем введения ионов в исследуемый образец. Основные взаимодействия приводят к выбросу продуктов, которые позволяют собирать информацию о количестве, типе, распределении и структурном расположении атомов. Чтобы использовать эти взаимодействия для определения состава образца, необходимо выбрать методику вместе с условиями облучения и системой обнаружения, которая наилучшим образом изолирует интересующее излучение, обеспечивая желаемую чувствительность и пределы обнаружения. Базовая схема ионно-лучевого аппарата представляет собой ускоритель, который производит ионный пучок, который подается через вакуумированную трубку транспортировки пучка в устройство обработки пучка. Это устройство изолирует интересующий вид ионов и заряд, которые затем транспортируются через вакуумированную трубку транспортировки пучка в целевую камеру. В этой камере очищенный ионный пучок будет контактировать с образцом, и, таким образом, можно будет наблюдать результирующие взаимодействия. Конфигурация ионно-лучевого аппарата может быть изменена и усложнена путем включения дополнительных компонентов. Методы ионно-лучевого анализа разработаны для определенных целей. Некоторые методы и источники ионов показаны в таблице 1. Типы детекторов и их расположение для методов ионного пучка показаны в таблице 2.

Приложения

Анализ ионного пучка нашел применение в ряде различных приложений, от биомедицинских приложений до изучения древних артефактов. Популярность этого метода обусловлена ​​тем, что можно собирать конфиденциальные данные без существенных искажений в системе, на которой он изучается. Непревзойденный успех, достигнутый при использовании анализа ионного пучка, практически не оспаривался в течение последних тридцати лет до недавнего времени с появлением новых развивающихся технологий. Даже тогда использование анализа ионного пучка не угасло, и все больше приложений находят применение, которые используют его превосходные возможности обнаружения. В эпоху, когда старые технологии могут устареть в одно мгновение, анализ ионного пучка остается основным и, похоже, только растет по мере того, как исследователи находят все большее применение этому методу.

Биомедицинский элементный анализ

Золотые наночастицы недавно использовались в качестве основы для подсчета видов атомов, особенно при изучении содержания раковых клеток. [5] Анализ ионного пучка является отличным способом подсчета количества видов атомов на клетку. Ученые нашли эффективный способ сделать точные количественные данные доступными, используя анализ ионного пучка в сочетании со спектрометрией упругого обратного рассеяния (EBS). [5] Исследователи исследования золотых наночастиц смогли добиться гораздо большего успеха, используя анализ ионного пучка по сравнению с другими аналитическими методами, такими как PIXE или XRF. [5] Этот успех обусловлен тем, что сигнал EBS может напрямую измерять информацию о глубине с помощью анализа ионного пучка, тогда как это невозможно сделать с помощью двух других методов. Уникальные свойства анализа ионного пучка находят широкое применение в новой линии терапии рака.

Исследования культурного наследия

Ионно-лучевой анализ также имеет уникальное применение в изучении археологических артефактов, также известном как археометрия. [6] За последние три десятилетия это был наиболее предпочтительный метод изучения артефактов с сохранением их содержимого. Многие нашли полезным использование этого метода, так это его превосходные аналитические характеристики и неинвазивный характер. Более конкретно, этот метод предлагает непревзойденную производительность с точки зрения чувствительности и точности. Однако в последнее время появились конкурирующие источники для целей археометрии, использующие методы на основе рентгеновского излучения, такие как XRF. Тем не менее, наиболее предпочтительным и точным источником является ионно-лучевой анализ, который по-прежнему не имеет себе равных в своем анализе легких элементов и химических 3D-визуализационных приложениях (то есть произведения искусства и археологические артефакты). [6] [7]

Судебно-медицинский анализ

Третье применение ионно-лучевого анализа — это криминалистические исследования, в частности, характеристика остатков выстрела. Текущая характеристика выполняется на основе тяжелых металлов, обнаруженных в пулях, однако производственные изменения постепенно делают эти анализы устаревшими. Считается, что внедрение таких методов, как ионно-лучевой анализ, смягчает эту проблему. В настоящее время исследователи изучают использование ионно-лучевого анализа в сочетании с сканирующим электронным микроскопом и энергодисперсионным рентгеновским спектрометром (SEM-EDS). [8] Есть надежда, что эта установка будет определять состав новых и старых химикатов, которые старые анализы не могли эффективно обнаружить в прошлом. [8] Большее количество используемого аналитического сигнала и более чувствительное освещение, обнаруженное в ионно-лучевом анализе, открывают большие перспективы для области судебной экспертизы.

Разработка литиевых аккумуляторов

Пространственно разрешенное обнаружение легких элементов, например лития, остается сложной задачей для большинства методов, основанных на электронной оболочке атомов-мишеней, таких как XRF или SEM-EDS. Для литиевых и литий-ионных аккумуляторов количественная оценка стехиометрии лития и его пространственное распределение важны для понимания механизмов, лежащих в основе разрядки/разрядки и старения. Благодаря фокусировке ионного пучка и комбинации методов ионно-лучевой анализ предлагает уникальную возможность измерения локального состояния заряда (SoC) в мкм-шкале. [9]

Итеративный IBA

Аналитические методы на основе ионного пучка представляют собой мощный набор инструментов для неразрушающего, безстандартного, глубинно-разрешенного и высокоточного анализа элементного состава в режиме глубины от нескольких нм до нескольких мкм. [10] Изменяя тип падающего иона, геометрию эксперимента, энергию частицы или получая различные продукты, возникающие в результате взаимодействия иона с твердым телом, можно извлечь дополнительную информацию. Однако анализ часто оспаривается либо с точки зрения разрешения по массе, когда в образце присутствует несколько сравнительно тяжелых элементов, либо с точки зрения чувствительности, когда в тяжелых матрицах присутствуют легкие виды. Следовательно, сочетание двух или более методов на основе ионного пучка может преодолеть ограничения каждого отдельного метода и предоставить дополнительную информацию об образце. [4] [5]

Обзор различных взаимодействий ионов с поверхностью. (1)-входящий ион; (2)-рассеивание; (3)-нейтрализация и рассеяние; (4)-распыление или отдача; (5)-электронная эмиссия; (6)-фотонная эмиссия; (7)-адсорбция; (8)-смещение, например, в результате распыления

Итеративный и самосогласованный анализ также повышает точность информации, которую можно получить из каждого независимого измерения. [11] [12] [13]

Программное обеспечение и моделирование

Начиная с 1960-х годов данные, собранные с помощью анализа ионного пучка, анализировались с помощью множества программ компьютерного моделирования. Исследователи, которые часто используют анализ ионного пучка в своей работе, требуют, чтобы это программное обеспечение было точным и подходило для описания аналитического процесса, который они наблюдают. [14] Приложения этих программных продуктов варьируются от анализа данных до теоретического моделирования и основанных на предположениях об атомных данных, математических и физических свойствах, которые детализируют рассматриваемый процесс. Поскольку цель и реализация анализа ионного пучка менялись с годами, также менялись программное обеспечение и коды, используемые для его моделирования. Такие изменения подробно описаны в пяти классах, по которым классифицируется обновленное программное обеспечение. [15] [16]

Класс-А

Включает все программы, разработанные в конце 1960-х и начале 1970-х годов. Этот класс программного обеспечения решал конкретные проблемы в данных; niy не предоставлял полного потенциала для анализа спектра полного общего случая. Выдающейся пионерской программой была IBA, разработанная Циглером и Баглином в 1971 году. В то время вычислительные модели занимались только анализом, связанным с методами обратного рассеяния ионно-лучевого анализа, и выполняли расчеты на основе анализа слэба. В это время возникло множество других программ, таких как RBSFIT, хотя из-за отсутствия глубоких знаний об ионно-лучевом анализе становилось все труднее разрабатывать точные программы.

Класс-B

Новая волна программ стремилась решить эту проблему точности в этом следующем классе программного обеспечения. Разработанные в 1980-х годах программы, такие как SQEAKIE и BEAM EXPERT, предоставили возможность решить полный общий случай, используя коды для выполнения прямого анализа. Этот прямой подход разворачивает полученный спектр без каких-либо предположений относительно образца. Вместо этого он вычисляет через разделенные спектральные сигналы и решает набор линейных уравнений для каждого слоя. Однако проблемы все еще возникают, и вносятся корректировки для уменьшения шума в измерениях и места для неопределенности.

Класс-C

Возвращаясь к исходной точке, этот третий класс программ, созданный в 1990-х годах, берет несколько принципов из класса A для учета общего случая, однако теперь с использованием косвенных методов. RUMP и SENRAS, например, используют предполагаемую модель образца и моделируют сравнительный теоретический спектр, который обеспечивает такие свойства, как сохранение тонкой структуры и расчеты неопределенности. В дополнение к улучшению инструментов анализа программного обеспечения появилась возможность анализировать другие методы, помимо обратного рассеяния; то есть ERDA и NRA.

Класс-D

Выйдя из эпохи класса C и в начале 2000-х годов, программное обеспечение и программы моделирования для анализа ионного пучка решали различные методы сбора данных и проблемы анализа данных. Следуя за мировыми технологическими достижениями, были внесены изменения для улучшения программ в состояние более обобщенных кодов, оценки спектра и структурного определения. Программы, созданные, как SIMNRA, теперь учитывают более сложные взаимодействия с пучком и образцом; также предоставляя известную базу данных данных рассеяния.

Класс-E

Этот недавно разработанный класс, имеющий схожие характеристики с предыдущим, использует основные принципы вычислительных методов Монте-Карло. [17] Этот класс применяет молекулярные динамические расчеты, которые способны анализировать как низко-, так и высокоэнергетические физические взаимодействия, происходящие в анализе ионного пучка. Ключевой и популярной особенностью, которая сопровождает такие методы, является возможность включения вычислений в реальном времени в сам эксперимент по анализу ионного пучка.

Сноски

  1. ^ Хаддл и др . (2007)
  2. ^ Раухала и др . (2006)
  3. ^ Баррадас и др . (2007)
  4. ^ abc WILLIAMS, JS; BIRD, JR (1989-01-01). 1 - Концепции и принципы ионно-лучевого анализа . Сан-Диего: Academic Press. стр. 3–102. doi :10.1016/b978-0-08-091689-7.50006-9. ISBN 9780120997404.
  5. ^ abcd Jeynes, J. Charles (26 сентября 2013 г.). «Измерение и моделирование межклеточных различий в поглощении золотых наночастиц». Analyst . 138 (23): 7070–4. Bibcode :2013Ana...138.7070J. doi : 10.1039/c3an01406a . PMID  24102065.
  6. ^ ab Dran, Jean-Claude (24 ноября 2013 г.). Анализ ионного пучка в исследованиях культурного наследия: вехи и перспективы . Многопрофильные приложения ядерной физики с ионными пучками. Труды конференции AIP. Том 1530. С. 11–24. Bibcode : 2013AIPC.1530...11D. doi : 10.1063/1.4812900.
  7. ^ "Применение ионно-лучевого анализа". www.surrey.ac.uk . Архивировано из оригинала 2017-05-17 . Получено 2016-04-29 .
  8. ^ ab Romolo, FS (2 мая 2013 г.). «Интегрированный ионно-лучевой анализ (IBA) при характеризации остатков выстрела (GSR)». Forensic Science International . 231 (1–3): 219–228. doi :10.1016/j.forsciint.2013.05.006. PMID  23890641.
  9. ^ Мёллер, Сёрен; Сато, Такахиро; Исии, Ясуюки; Тессмер, Бритта; Герделли, Райан; Камия, Томихиро; Фудзита, Казухиса; Сузуки, Кота; Като, Ёсиаки; Вимхёфер, Ханс-Дитер; Мима, Куниоки (июнь 2021 г.). «Абсолютное локальное количественное определение лития как функции состояния заряда в полностью твердотельных литиевых батареях с помощью 2D МэВ ионно-лучевого анализа». Батареи . 7 (2): 41. doi : 10.3390/batteries7020041 .
  10. ^ Справочник по современному ионно-лучевому анализу материалов . Ван, Юнцян, Настаси, Майкл Энтони, 1950- (2-е изд.). Уоррендейл, Пенсильвания: Materials Research Society. 2009. ISBN 978-1-60511-217-6. OCLC  672203193.{{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )
  11. ^ Моро, М. В.; Холеньяк, Р.; Зендеяс Медина, Л.; Янссон, У.; Приметцхофер, Д. (сентябрь 2019 г.). «Точное профилирование глубины с высоким разрешением пленок сплавов переходных металлов, полученных магнетронным распылением и содержащих легкие частицы: многометодный подход». Тонкие твердые пленки . 686 : 137416. arXiv : 1812.10340 . Bibcode : 2019TSF...686m7416M. doi : 10.1016/j.tsf.2019.137416. S2CID  119415711.
  12. ^ Comparotto, C.; Petter, S.; Donzel-Gargand, O.; Kubart, T.; Scragg, JJS (апрель 2022 г.). «Синтез тонких пленок перовскита BaZrS3 при умеренной температуре на проводящих подложках». ACS Appl. Energy Mater . 5 (5): 6335–6343. doi : 10.1021/acsaem.2c00704 . S2CID  248359886.
  13. ^ Jeynes, C.; Bailey, MJ; Bright, NJ; Christopher, ME; Grime, GW; Jones, BN; Palitsin, VV; Webb, RP (январь 2012 г.). ""Total IBA" – Where are we are?" (PDF) . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел B: Взаимодействие пучков с материалами и атомами . 271 : 107–118. Bibcode : 2012NIMPB.271..107J. doi : 10.1016/j.nimb.2011.09.020.
  14. ^ Barradas, NP (2007). "Intercomparison of Ion Beam Analysis Software Международного агентства по атомной энергии". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. 262 ( 2): 281. Bibcode :2007NIMPB.262..281B. doi :10.1016/j.nimb.2007.05.018. hdl : 11858/00-001M-0000-0027-0732-B .
  15. ^ Раухала, Э. (2006). "Состояние программного обеспечения для анализа и моделирования данных ионного пучка". Ядерные приборы и методы в исследованиях физики B. 244 ( 2): 436. Bibcode :2006NIMPB.244..436R. doi :10.1016/j.nimb.2005.10.024. hdl : 11858/00-001M-0000-0027-0B1E-C .
  16. ^ "Введение в моделирование фуллеренов". www.surrey.ac.uk . Архивировано из оригинала 2017-05-17 . Получено 2016-04-29 .
  17. ^ Schiettekatte, F (2008). "Быстрый Монте-Карло для моделирования анализа ионного пучка". Ядерные приборы и методы в исследованиях физики B. 266 ( 8): 1880. Bibcode : 2008NIMPB.266.1880S. doi : 10.1016/j.nimb.2007.11.075.

Ссылки

Внешние ссылки