Implantacja jonowa polega na wprowadzeniu atomów dowolnego rodzaju do ciała stałego (tarczy), po uprzednim zjonizowaniu ich i przyśpieszeniu w polu elektrycznym. Ta technika modyfikacji własności fizykochemicznych rozmaitych materiałów upowszechniła się w latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych ubiegłego stulecia, dzięki postępującym ulepszeniom techniki akceleratorów i separatorów mas. Gwałtowny rozwój elektroniki i ograniczenia domieszkowania z wykorzystywaniem dyfuzji sprawiły, że implantacja jonowa (połączona z fotolitograficznym przygotowywaniem masek) stała się zasadniczą metodą domieszkowania półprzewodników dla potrzeb wytwarzania wszelkiego typu układów scalonych wielkiej skali integracji. Możliwość wprowadzenia do tarczy w zasadzie dowolnego typu domieszki, dość precyzyjnej kontroli głębokościowego profilu domieszki dzięki doborowi energii jonów, dawki oraz kąta padania wiązki sprawiły, że implantacja jonowa jest wykorzystywana także na polu optoelektroniki, metalurgii i trybologii, w badaniach własności optycznych i magnetycznych cienkich warstw, modyfikacji biokompatybilności materiałów dla potrzeb protetyki i w wielu innych dziedzinach nauki i technologii.
Prowadzone w Katedrze Fizyki Materiałowej badania z wykorzystaniem implantacji dotyczą m.in.
Wytwarzania nanostruktur półprzewodnikowych (m.in. związków AIIIBV oraz AIIBVI ) z wykorzystaniem wygrzewania piecowego, laserowego i milisekundowego (Flash Lamp Annealing). Prace te prowadzone są we współpracy z Helmholz-Zentrum Dresden Rossendorf i Państwowym Uniwersytetem Białoruskim w Mińsku
Inżynierii przerwy energetycznej w germanie i stopach germanu z cyną mającej na celu uczynienie tego materiału przydatnym dla celów optoelektroniki a także szeregu innych modyfikacji mających na celu integrację tych materiałów z technologią CMOS
Modyfikacji własności tribologicznych metali i stopów (współpraca z Politechniką Lubelską)
Modyfikacji własności strukturalnych, optycznych i elektrycznych naświetlanych polimerów
Badania termodesorpcji gazów zaimplantowanych do materiałów półprzewodnikowych i metali
Wytwarzania półprzewodnikowych detektorów cienkowarstwowych (we współpracy ze Środowiskowym Laboratorium Ciężkich Jonów w Warszawie)
Wytwarzania materiałów dla potrzeb reaktorów jądrowych nowej generacji (Współpraca z NCBJ w Świerku).
Wytwarzanie wiązek jonowych odpowiedniej jakości (charakteryzujących się m.in wysokim natężeniem prądu jonowego, czystością jak również adekwatną do potrzeb emitancją) jest zagadnieniem decydujących do ich wykorzystania w implantacji jonowej, spektrometrii jądrowej, spektrometrii mas, fizyce akceleratorowej i innych dziedzinach nauki i techniki. Pracownicy Katedry Fizyki Materiałowej prowadzą badania nad zagadnieniami związanymi z wytwarzaniem wiązek jonowych i ich ekstrakcją. Ich efektem było m.in. opracowanie nowatorskiego plazmowego źródła jonów z wewnętrznym parownikiem, które szybko stało się podstawowym źródłem jonów w implantaorze UNIMAS. Jego zastosowanie umożliwiło efektywne domieszkowanie jonami pierwiastków takich jak In, As, Al, Ge, P, Be,Mn, Fe, Cd, Te, Eu, Mo i wielu innych, co pozwoliło realizować projekty naukowe związane z syntezą nanostruktur półprzewodnikowych, inżynierią przerwy energetycznej w germanie i materiałach pokrewnych, tudzież wytworzenie pierwszej polskiej diody opartej o węglik krzemu. W badaniach wykorzystywane jest szeroko komputerowe modelowanie procesów jonizacji i ekstrakcji wiązki jonowej. Szczególnie intensywnie rozwijany jest numeryczny model jonizacji w źródłach jonów z gorącą wnęką, co jest owocem współpracy z naukowcami z Laboratorium Problemów Jądrowych Zjednoczonego Instytutu Badań Jądrowych w Dubnej. Model ten uwzględnia nie tylko wpływ geometrii i temperatury wnęki, ale także efekty związane z rozpadem promieniotwórczym jonizowanych nuklidów, opóźnieniami w uwalnianiu cząstek na skutek dyfuzji i efuzji w źródle jonów, jonizację przez zderzenia z elektronami oraz wpływ napięcia ekstrakcyjnego. Model umożliwia także obliczenia emitancji otrzymywanej wiązki jonowej.
Do modelowania plazmy w źródłach jonów ujemnych wykorzystywana jest samozgodna metoda Particle-In-Cell, w której jedna tzw. makrocząsteczka zachowuje się jak ,,zwykła'' cząstka (jon, bądź elektron) ale w sposób umowny reprezentuje znaczną (rzędu milionów) liczbę identycznych cząsteczek, których ładunek musi być odpowiednio przypisany do siatki numerycznej. Podejście takie umożliwia znaczną redukcję złożoności zadania obliczeniowego i modelowanie plazmy o gęstościach typowych np. dla źródeł jonów systemów grzania NBI (Neutral Beam Injection) tokamaka ITER.
Modyfikacja właściwości polimerów poprzez implantacje jonową
Polimery od lat są materiałami cenionymi w rozmaitych gałęziach przemysłu z racji ich takich właściwości jak niski koszt produkcji, wysoka wytrzymałość połączona z niewielką gęstością, plastyczność. Materiały te zazwyczaj są dobrymi izolatorami, co utrudnia ich zastosowanie w mikroelektronice, ponadto ich własności elektryczne bywają niekiedy nieprzewidywalne. Kolejne ograniczenia tych materiałów wynikają z ich niskiej odporności na niekorzystne czynniki środowiskowe (jak promieniowanie UV czy substancje żrące), bądź niewielkiej wytrzymałości na zużycie mechaniczne. Jedną z metod modyfikacji własności fizycznych i chemicznych polimerów, skutecznie stosowaną od lat m.in. wobec metali i półprzewodników, jest implantacja jonowa. Przede wszystkim pozwala ona w znacznym stopniu zwiększyć ich przewodnictwo, a niekiedy przekształcić je w półprzewodniki. Dzięki naświetlaniu strumieniem jonów osiąga się istotną poprawę własności powierzchniowych takich jak zwilżalność czy twardość . Należy też wspomnieć, że implantacja jonowa jest efektywną metodą poprawiania biokompatybilności tworzyw sztucznych .
Przyjmuje się, że charakter modyfikacji wprowadzanych do polimeru przez strumień rozpędzonych jonów w trakcie implantacji silnie zależy od dominującego mechanizmu hamowania. W trakcie zderzeń elastycznych charakterystycznych dla hamowania jądrowego (dla stosunkowo niewielkich energii pocisku) dochodzi do zrywania wiązań między atomami i pękania łańcucha polimerowego, co skutkuje degradacją polimeru objawiającą się np. złuszczaniem, czy sproszkowaniem jego zewnętrznej warstwy. W trakcie hamowania elektronowego nachodzi do intensywnego wzbudzania wyżej leżących poziomów energetycznych, jonizacji i formowania rodników. Proces ten skutkuje intensywnym sieciowaniem zewnętrznej warstwy polimeru, której twardość znacznie wzrasta, możliwe jest także jej kurczenie się, co skutkuje np. pojawieniem się pęknięć. Oba procesy prowadzą do intensywnego odgazowania zmodyfikowanej warstwy tworzywa, przy czym niektórzy autorzy przypisują dominującą rolę w uwalnianiu gazów hamowaniu elektronowemu, inni zaś przeciwnie, elektronowemu.
W literaturze można znaleźć szereg doniesień dotyczących modyfikacji własności szerokiego wachlarza polimerów poprzez implantacje jonową: polietylenu (PE) , poliwęglanu (PC), polieteroketonu (PEEK), polimetakrylanu metylowego (PMMA), różnego typu elastomerów i oczywiście politereftalanu etylenu -PET.
Możliwość modyfikacji właściwości PET, polimeru znanego jako Lawsan bądź Dacron, implantowanego wiązkami jonów gazów szlachetnych bądź metali od lat przyciągały uwagę licznych grup badawczych. Najpowszechniej obserwowanym efektem jest drastyczne zmniejszenie oporności naświetlonego polimeru poczynając od poziomu charakterystycznego dla materiałów nieprzewodzących (~1016 cm) w przypadku polimeru niemodyfikowanego o kilka rzędów wielkości w przypadku implantacji o bardzo wysokich dawkach, nawet rzędu 1017 jonów/cm2. Spadek oporności jest bezpośrednim skutkiem powstawania klasterów węglowych tworzących sieć perkolacyjną (niższe dawki) a ostatecznie przewodzącej warstwy zwęglonej na powierzchni tworzywa. Z efektem tym wiąże się także widoczne gołym okiem poczernienie polimeru, zwiększenie absorpcji w zakresie UV-VIS oraz zwężenie się przerwy energetycznej, spowodowane obecnością stanów energetycznych pochodzących od skupisk atomów węgla. Efekty te były obserwowane przez zespół autorów tej publikacji w próbkach naświetlanych jonami gazów szlachetnych o różnych masach oraz jonami lekkiego pierwiastka metalicznego, sodu. Znaczne, rzędu 30 % (a więc odpowiadające znacznej modyfikacji warstwy o grubości ~1 mikrometra) zmniejszenie wysokości wierzchołków w widmach FTIR potwierdziło wyniki pomiarów SIMS-TOF sugerujące, że rzeczywiste zasięgi implantacji Na+ w PET znacznie przekraczającej zasięgi implantacji przewidywane przez program SRIM.
Prezentowane dane ilustrują zmianę własności strukturalnych, optycznych i elektrycznych cienkich folii PET poddanych bombardowaniu jonami K+ o energii 150 keV o dawkach od 1014 cm-2 do 1016 cm-2. Analiza widma FTIR (rys. 1.) wykazała, że implantacja jonowa doprowadziła do zerwania różnych wiązań w cząsteczkach polimeru, co spowodowało m.in. niszczenie struktury jego łańcuchów i intensywną emisję gazów (wodoru i tlenu). Intensywność tego procesu powiązana była z dawką implantacji. Odgazowanie zewnętrznej warstwy folii miało daleko idące konsekwencje dla jej struktury. Widma uzyskane dzięki spektroskopii ramanowskiej (Rys. 2) pozwalają stwierdzić, że w przypadku próbek naświetlanych z dawkami powyżej 1015 cm-2 ich wierzchnia warstwa zawiera liczne i rozległe struktury grafitopodobne, zbudowane z atomów węgla o hybrydyzacji sp2 . Obecność szerokich pasm D i G świadczy o amorficznej budowie klastrów węglowych. Zwiększanie się rozmiarów przewodzących klastrów węglowych (ich rozmiar może sięgać nawet kilku tysięcy atomów) i pojawianie się stanów energetycznych w obrębie przerwy energetycznej skutkuje jej zwężaniem się wraz z rosnącą dawką implantacji – od ~eV dla PET niemodyfikowanego aż do 0.55 eV w przypadku folii poddanych najintensywniejszej modyfikacji, co ustalono przy wykorzystaniu tzw. Analizy wykresów Tauca (rys. 3, przecięcie prostoliniowej części wykresu z osią energii stanowi oszacowanie szerokości przerwy energetycznej). Obecność struktur węglowych zmienia nie tylko kolor i widmo absorpcyjne UV-VIS modyfikowanych próbek, ale silnie wpływa na własności elektryczne bombardowanych folii. Oporność powierzchniowa bombardowanych folii maleje nawet o 6 rzędów wielkości na stronie implantowanej (Rys. 4). Zasięg jonów w próbce jest na tyle mały, że zmiana oporności powierzchniowej po stronie nieimplantowanej spowodowana przez zmiany struktury chemicznej polimeru ogrzewanego przez implantację jest rzędu 50 % , znacznie mniej niż miało to miejsce w przypadku naświetleń lżejszymi jonami Na+. Mierzono także zmiany względnej stałej dielektrycznej dla częstotliwości do 5 MHz. Obserwowane zmiany były znacznie mniejsze niż w przypadku próbek PET naświetlanych jonami gazów szlachetnych. – co ma związek z mniejszą grubością warstwy polimeru zmodyfikowanego bezpośrednio przez hamujące jony. Wzrost stałej dielektrycznej sięgał kilku bądź kilkunastu procent, w zależności od dawki naświetlania, jedynie w przypadku najsilniej modyfikowanych próbek i niskich częstotliwości (~1 kHz) sięgał 65 %.
 |
 |
 |
 |
