Realtidskaraktärisering av struktur- och kompositionsförändringar av ultratunna filmer

Vetenskapsrådet fattade den 23 februari 2017 beslut om projektbidrag och etableringsbidrag inom naturvetenskap och teknikvetenskap. Institutionen för fysik och astronomi tilldelas 45,9 miljoner SEK för totalt sex projektbidrag och sex etableringsbidrag för perioden 2016-2020. Projekten inleddes under 2017.

Daniel Primetzhofer vid tillämpad kärnfysik har tilldelats 4 miljoner i etableringsbidrag i Vetenskapsrådets stora utlysning inom naturvetenskap och teknikvetenskap i november 2016 för perioden 2016-2020 för projektet ”Realtidskaraktärisering av struktur- och kompositionsförändringar av ultratunna filmer”.

Projektbeskrivning

Miniatyriseringen av elektroniska komponenter och sensorer i dagens högteknologiska samhällen är en kontinuerligt pågående process. För att på ett kontrollerbart sätt kunna framställa nya komponenter inom materialområdet krävs förfinade metoder vid karaktäriseringen av nya system, allt från elektronikkomponenter (sensorer, kraftkomponenter, solceller m.m.) till biomaterial (implantat, läkemedelstransportörer, katalysatorer m.m.). Att möta detta behov är en stor utmaning för dagens materialanalysforskning.

Traditionellt finns ett flertal väl etablerade tekniker för karaktärisering av material vad beträffar olika elements djup- och ytfördelning som baseras på elementkaraktäristiska signaler som exempelvis röntgenstrålning, massa och laddning. En förbättring mot ökad känslighet och precision när det gäller koncentration (<ppb) och rumslig upplösning (<nm) har växt fram under senaste årtiondet i och med nanoteknologins intåg inom vetenskap och teknik. En särskild grupp av materialanalysmetoder (exempelvis Rutherford backscattering analysis, Elastic recoil analysis och Particle induced X-ray emission) som grundar sig på joners växelverkan med material har visat sig besitta unika egenskaper i sammanhanget där framförallt faktumet att en analys kan utföras utan att provet förstörs ska framhållas.

I det föreliggande projektet avser vi att tillämpa den nyutvecklade s.k. Medium-Energy-Ion-Scattering-metoden (MEIS) som utnyttjar kinematiken och energiförlusten av lågenergijoner (med energi up till ca. 100 keV) vid spridning mot olika fasta matriser. Tillsammans med datorsimulationer gör metoden det möjligt att bestämma koncentrationer och djupfördelningen av de olika ämnen i materialet som analyseras. Den relativt låga energin medför höga tvärsnitt för spridning och därmed en hög känslighet och snabb datainsamling samtidigt som en mycket god djupkänslighet i nm-området uppnås. Materialsystem som uppvisar enkristallstrukturer kan dessutom studeras och karaktäriseras kristallografiskt dvs. en förfinad bestämning av olika atomers positioner i provet kan fastställas.

Tandemlaboratoriet vid Uppsala universitet har under de senaste fem åren byggt en experimentell MEIS-uppställning som grundar sig på löptidsspektrometri. Som jonkälla används en högströmsjonimplanter med möjlighet till produktion av pulserade (<ns) joner från samtliga element i periodiska systemet och energier inom intervallet keV-MeV. En dedikerad spridningskammare (tryck < 10-8 mbar) med en fleraxlig provgoniometer, datatagningselektronik och en detektor med stor rymdvinkel har installerats. Projektet kan indelas i 2 faser. Den första fasen omfattar grundläggande studier och bestämning av fysikaliska parametrar som energiförlust (”stopping power”) för främst protoner och alfapartiklar vilket krävs för att möjliggöra förbättrade djupprofilanalyser. I fas två kommer vi att fokusera på tillämpningar som exempelvis silicider (metall + kisel) som används som kontaktmaterial i elektroniska kretsar och oxider inom sensorteknologin.

Gemensamheten för dessa är att de ska fungera under krävande förhållanden (t.ex. hög temperatur) och samtidigt inte tappa funktionalitet. Vi kommer att med hjälp av MEIS-tekniken studera hur materialens komposition, kristallstruktur och andra egenskaper förändras vid jonbestrålning och/eller vid varierande temperatur. Av särskilt intresse i detta sammanhang är också gränsskikten emellan olika material och deras kvalitet. Resultaten kommer att vara av avgörande betydelse vid den fortsatta utvecklingen av de ovan nämnda materialen och samtidigt möjliggöra en etablering av MEIS-metoden när det gäller analys av tunna skikt.