Témata závěrečných prací

Tenké povrchové vrstvy nitridů, karbonitridů a diamantu-podobných materiálů mají pro své význačné mechanické, antikorozní a elektrické vlastnosti stále větší význam v moderních technologiích a jsou proto předmětem intenzivního výzkumu.

V Ústavu jaderné fyziky AV ČR je využíván elektrostatický urychlovač pro analýzy povrchů pevných látek zpětným rozptylem nabitých částic (metoda RBS). Nízkou citlivost pro lehké prvky (C, N, O) u standardní metody RBS s částicemi alfa lze zvýšit měřením s protony v resonančním oboru energií, kde jsou účinné průřezy pružného rozptylu podstatně vyšší. Nevýhodou je relativně složitý průběh účinných průřezů v závislosti na energii protonů. Tyto účinné průřezy lze získat z různých semi-empirických databází (např SIGMABASE), které jsou založeny na experimentálních hodnotách získaných různými autory, a které mohou vykazovat různé nepřesnosti a systematické chyby.

Tyto okolnosti je třeba uvážit při hledání optimálního postupu při analýze určitého typu vzorků. Diplomant se seznámí s metodikou RBS a pro statisticky významný soubor vzorků tenkých povrchových vrstev s obsahem lehkých prvků provede měření RBS při proměnných energiích protonů a vyhodnocení měření různými výpočetními programy a s různými sadami účinných průřezů.

Cílem je najít, z hlediska přesnosti a správnosti výsledků, optimální způsob analýzy složení tenkých vrstev obsahujících lehké prvky. K disposici jsou experimentální zařízení pro analýzy metodou RBS, vzorky tenkých vrstev, příslušné výpočetní programy pro vyhodnocení analýz a data báze účinných průřezů.

1. Handbook of Modern Ion Beam Materials Analysis, Eds.: J. R. Tesmer, M. Nastasi, Material Research Society, Pitsburg, Pensylvania 1995
2. Eds: J. R. Bird, J. S. Williams, Ion Beams for Materials Analysis, Academic Press Australia 1989.
3. Ed. Z.B. Alfassi, Chemical Analysis by Nuclear Methods, Wiley, (Chichester) England, 1994.

Studie vlivu radiace na různé typy polymerních materiálů. Ke studiu bude použita implantační trasa urychlovače Tandetronu, kde bude studován vliv implantace různých typů iontů při různých energiích na chemické složení polymeru. Implantované polymery budou studovány jadernými analytickými metodami Rutherfordovského zpětného rozptylu (RBS) a elastického dopředného rozptylu (ERDA). Tyto metody nám umožní stanovit hloubkový rozptyl implantovaných iontů a provést základní srovnání s teoretickým středním doletem iontů, geometrickou distribucí implantovaných iontů simulovaným softwarem SRIM 2006 a dále stanovit změny složení polymerního substrátu. Předpokládá se uvolňování lehkých fragmentů a části polymerních struktur během průchodu těžkých iontů, což se projeví úbytkem lehkých prvků v polymerní struktuře.

Literatura:

1. C. Okay, B. Z. Rameev, R. I. Khaibullin, M. Okutan, F. Yildiz, V. N. Popok and B. Aktas, PHYS. STAT. SOL. (a) 203, No. 7, 1525-1532 (2006)
2. R.I. Khaibullin, V.N. Popok, V.V. Bazarov, E.P. Zheglov, B.Z. Rameev, C. Okay, L.R. Tagirov, B. Aktas, NUCLEAR INSTRUMENTS AND METHODS IN PHYSICS RESEARCH B 191 (2002) 810-814
3. Y. Li, C. Tan, Y. Xia, J. Zhang, C. Xue, H.Xu, P. Liu, APPL. PHYS. A 71, 689-693 (2000)
4. Wu Yuguang, Zhang Tonghe, Liu Andong, Zhou Gu, SURFACE AND COATINGS TECHNOLOGY 157 (2002) 262-266
5. M. Posselt, NUCLEAR INSTRUMENTS AND METHODS IN PHYSICS RESEARCH B 90 (1994) 373-377
6. http://www.srim.org/

Charakterizace a studium progresivních materiálů na bázi polymerů jadernými analytickými metodami RBS, ERD je prováděna na elektrostatickém urychlovači v Ústavu jaderné fyziky AV ČR v Řeži s využitím iontových svazků.

Studium polymerů ozářených iontovými svazky je velmi atraktivní z hlediska vývoje nových materiálů, které jsou výlučné svými mechanickými vlastnostmi (tvrdostí, odolností proti vlhkosti, biokompatibilitou, přilnavostí atd.). Existuje mnoho technologií, kterými lze upravovat syntetické polymery (iontová degradace, plasmaticky upravené polymerní vrstvy, UV ozáření atd. ).

Diplomant se seznámí se základy analytických metod RBS, ERDA (ÚJF), UV-VIS spektroskopie (VŠCHT), jejich použitím při studiu modifikovaných materiálů a s mechanismem procesů probíhajících v polymerech modifikovaných iontovými svazky (vzorky budou připravovány na pracovištích UJF AV ČR, VŠCHT a v zahraničí Forschungzentrum Rossendorf, Německo). Hlavním cílem této práce bude výzkum připravených vzorků a vyhodnocení vlivu depozičních podmínek na procesy probíhající v deponovaných materiálech.

K disposici jsou experimentální zařízení pro analýzy metodou RBS, ERD, UV-VIS spektroskopie, vzorky tenkých vrstev, příslušné výpočetní programy pro vyhodnocení analýz.

1. Handbook of Modern Ion Beam Materials Analysis, Eds.: J. R. Tesmer, M. Nastasi, Material Research Society, Pitsburg, Pensylvania 1995
2. L. Calcagno, G. Compagnini and G. Foti, Nucl. Instr. And Meth. , B65 (1992) 413-422.
3. N. Marin, Y. Serruys, Nucl. Instr. And Meth., B131 (1997) 109-120.

Analytická metoda Rutherford Backscattering Spectrometry – channeling (RBS-channeling) je založena na kanálování nabité částice v potenciálu krystalické mřížky, kdy částice prochází mnoha rozptyly pod malými rozptylovými úhly a pohybuje se v řetězovém potenciálu monokrystalu tak, že výtěžek ve spektru zpětně odražených iontů prudce klesne. Pokud skenujeme výtěžek v axiálních kanálech monokrystalů tj. okolo axiální osy kanálovacího směru, získáme informace o polohách atomů v intersticiálních polohách a hustotě defektů v krystalu popř. typu defektů z tvaru spektra.

Pro přesnou interpretaci tvaru axiálního skenu výtěžku zpětně odražených iontů je nezbytné použít simulaci tohoto výtěžku s využitím simulací metodou MC (Monte Carlo) založené na aproximaci binárními kolizemi a se započítáním pravděpodobnosti nejbližšího přiblížení projektilu k rozptylovému centru. Úkolem disertační práce bude provést simulace průchodu energetických iontů různými typy monokrystalických materiálů a vygenerovat výtěžek ve spektru zpětně odražených iontů, které dopadají pod kritickým úhlem pro kanálovací efekt. Výsledkem těchto simulací bude také tvar axiálních skenů pro krystal LiNbO₃, pro nějž jsou shromážděna data měřená metodou RBS-channeling v několika kanálovacích směrech, které umožní verifikaci simulace. Současně bude úkolem simulovat polohu Er atomu v dopovaných strukturách Er: LiNbO₃, kde jsou k dispozici opět soubory dat měřené metodou RBS-channeling ve stejných krystalografických řezech jako pro nedopovaný materiál.

Literatura:

1. Sohler W, Suche H. Integrated Optical Circuits and Components., Marcel Dekker : New York, 1999; 127.
2. Lorenzo A et al. Optical Materials. 1997; vol . 8:55-63
3. Lorenzo A, Jaffrezic H, Roux B, Boulon G, Garc�a Sol� J, Appl. Phys. Lett. 1995; 67 (25) :3735-3737.
4. Rebouta L, et al. Soares JC, Phys. Rev. B.1993; vol. 48 (6): 3600-3610
5. Feldman LC, Mayer JW, Picraux ST. Materials Anal. by Ion Channeling. Academic Press: London, 1982.

Monokrystalické materiály vykazují schopnost kanálovat iontové svazky tzn. fokusovat iontové svazky elektrostatickým řetězovým potenciálem jader v krystalické mřížce. Ve spektru zpětně odražených částic pozorujeme výrazný pokles výtěžku v případě, že ionty dopadají téměř rovnoběžně s krystalografickou osou. Tento efekt je hojně využíván pro studium různých krystalografických struktur, pro něž je charakteristická závislost minimálních výtěžků na úhlu dopadu iontového svazku. Cílem bude modelovat průchod iontů monokrystalickým materiálem v závislosti na úhlu dopadu na krystalickou matrici s využitím programu FLUX a studovat strukturu a rozložení těchto kanálů v různých typech krystalografických struktur.

Literatura:

1. Handbook of Modern Ion Beam Materials Analysis, Eds.: J. R. Tesmer, M. Nastasi, Material Research Society, Pitsburg, Pensylvania 1995
2. P.J.M. Smulders, D. O. Boerma, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 29 (1987) 471-489., FLUX: http://members.home.nl/p.j.m.smulders/FLUX
3. L. C. Feldman, J. W. Mayer, S. T. Picraux. Materials Anal. by Ion Channeling. Academic Press: London, 1982

Rutherfordovský zpětný rozptyl je hojně využívaná analytická metoda, která umožňuje stanovit hloubkové koncentrační profily prvků. Pro studium se používají vysokoenergetické ionty, ovšem morfologie povrchu měřeného vzorku má významný vliv na tvar spektra zpětně odražených iontů. Cílem práce bude simulace spekter zpětně odražených iontů s použitím softwaru SIMNRA 6.03 zahrnující vliv měnící se tloušťky vrstvy ve formě statistického rozdělení gama funkce a modelování vlivu drsnosti vyjádřené pomocí jiných funkcí statistického rozdělení.

Příprava struktur metalizovaných polymerů metodou magnetronového naprašování kovů na polymerních substrátech. Instalace nového zařízení pro depozici tenkých vrstev magnetronovým naprašováním v laboratoři Tandetronu, ÚJF AV ČR, Praha. Modifikace připravených struktur s využití iontových svazků urychlovače Tandetron a plasmatického výboje v laboratoři PřF UJEP, Ústí nad Labem.

Analýza tenkých kovových vrstev modifikovaných ionty jadernými analytickými metodami (RBS, ERDA) a metodami mikroskopickými (AFM, TEM).

Modelování vlivu drsnosti kovových vrstev na tvar energetického spektra zpětně odražených iontů při analýze struktur metodou RBS s využitím znalosti parametrů morfologie vrstev stanovených metodou AFM. Model bude zahrnovat různé možnosti velikosti, tvaru a distribuce kovových na povrchu popř. uvnitř polymerní matrice.

Studium mechanických a elektrických vlastností nano-indentačními metodami a měřením plošného odporu modifikovaných struktur polymer/kov.

Modelování přenosu náboje ve vrstvách polymeru s obsahem kovových částic popř. v nesouvislých kovových vrstvách s použitím stávajících algoritmů používaných pro modelování elektrických vlastností na PřF UJEP. Komparace výsledků modelování elektrických vlastností s experimentálně naměřenými daty.

Interakce nabitých částic s pevnou látkou je již mnoho dekád zdrojem fundamentálních poznatků o procesech probíhajících v krystalech, amorfních nebo polykrystalických látkách při průchodu energetického svazku nabitých částic [1]. Současně dochází k modifikaci a degradaci materiálu, což může být využito pro zlepšení jeho mechanických, elektrických vlastností popř. biokompatibility. Nastavením parametrů dopadajících iontů (energie, proud, typ iontu) lze docílit žádoucích vlastností [2]. V laboratoři jaderných analytických metod ÚJF AV ČR byl vyvinut a instalován spektrometr Time of Flight (TOF) pro měření energie a doby letu částic, které jsou v šikmé geometrii vyráženy energetickými těžkými ionty ze zkoumaného vzorku. Na základě tohoto měření lze studovat hloubkové profily prvků v různých materiálech [1,3]. Toto zařízení bude v rámci diplomové práce použito pro měření brzdných ztrát v různých typech materiálů (kovy, polymery, uhlík), které budou umísťovány ve spektrometru, a budou měřeny energie a doby letu částic v transmisním módu. Na základě srovnání spekter měřených po průchodu zkoumaným materiálem a bez něj lze vypočítat brzdné ztráty iontů ve zkoumaném vzorku [4-5]. Vzorky různých materiálů budou měřeny také s pomocí metody Rutherdovského zpětného rozptylu (RBS). Budou studovány brzdné ztráty iontů různých hmotností (H⁺, Heⁿ⁺, C ⁿ⁺, O ⁿ⁺, Cl ⁿ⁺, Cu ⁿ⁺, Si ⁿ⁺, Au ⁿ⁺) s energiemi (5-20 MeV) v tenkých kovových fóliích, uhlíkových fóliích s různou strukturou (amorfní, polykrystalický, DLC) a polymerních fóliích a dále v multi-vrstevnatých strukturách připravených magnetronovým naprašováním. Pro vyhodnocování spekter a zpracování dat bude použit software SIMNRA a SRIM [6, 7].   Součástí diplomové práce bude návrh parametrů experimentu, provedení experimentu v laboratoři jaderných analytických metod ÚJF, dále vyhodnocení a zpracování naměřených spekter.

Literatura:

1. J.R. Tesmer et al., Handbook of modern ion beam materials analysis, Material Research Society, Pittsburg, Pennsylvania, 1995.
2. C. Okay, B. Z. Rameev, R. I. Khaibullin, M. Okutan, F. Yildiz, V. N. Popok and B. Aktasďż˝, Phys. Stat. Sol. (a) 203 (2006) 1525-1532.
3. W. Bohne et al., Nucl. Instr. and Meth. B 136-138 (1998) 633-637.
4. Katsumi Takahiro, Kiyoshi Kawatsura, Bun Tsuchiya, Shinji Nagata, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 249 (2006) 43-46
5. Helmut Paul, Andreas Schinner, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 249 (2006) 1-5
6. M. Mayer, SIMNRA version 6.03, Max-Planck-Institut f�r Plasmaphysik, Garching, Germany, 2006. Available at: http://www.rzg.mpg.de/~mam/.
7. J.F. Ziegler et al., SRIM: The stopping and range of ions in matter, Version SRIM-2003.26. Available at: http://www.srim.org/.