PREPARAÇÃO DE PADRÕES DE FILMES FINOS PARA ANÁLISE IBA: UMA ATIVIDADE PARA INICIANTES NA PESQUISA EM FÍSICA NUCLEAR APLICADA

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## PREPARAÇÃO DE PADRÕES DE FILMES FINOS PARA ANÁLISE IBA: UMA ATIVIDADE PARA INICIANTES NA PESQUISA EM FÍSICA NUCLEAR APLICADA

A. O. Delgado , A. R. Limaª, D. M. T. Leiteª, M. A. P. Carmignottoª*, T. F. Maximoª, a W. M. Nakamuraª, M. H. Tabacniks , M. A. Rizzuttoª, N. Addedª, A. D. Santos , b c W. G. P. Engelª, S. A. Romero c

- a Departamento de Física Nuclear -- IFUSP, São Paulo, SP, Brasil

b Departamento de Física Aplicada -- IFUSP, São Paulo, SP, Brasil c Departamento de Física dos Materiais e Mecânica -- IFUSP, São Paulo, SP, Brasil

Um treinamento especial para estudantes novatos em atividades de pesquisa foi proposto com o objetivo de iniciar voluntários à pesquisa. Os seis meses de curso foram compostos de diversos seminários relacionados a utilização de técnicas nucleares, bem como detectores, eletrônica NIM, tecnologia de vácuo, tecnologia de filmes finos e uma introdução à análise por feixe de íons (IBA - 'Ion Beam Analysis'). Neste curso , os estudantes prepararam alvos finos através de métodos de evaporação de elementos simples e analisaram-nos pelos métodos de feixe iônico PIXE e RBS. Como resultado final os estudantes produziram padrões de calibração de elemento simples. Nesta primeira tentativa, padrões de Si, KCl, Cr, Ni, Ti e Co foram depositados em substratos de filmes plásticos comerciais (Mylar ® e Kinfol) e em substratos grossos de carbono ou silício vítreo. As análises destes padrões visavam mensurar a espessura do filme fino produzido e identificar os possíveis contaminantes existentes. Os resultados da análise por PIXE e RBS foram comparados.

## INTRODUÇÃO

- O treinamento de estudantes de iniciação científica geralmente começa designando-os a simples trabalhos, parcialmente relacionados com um projeto em andamento, complementados por leituras, reuniões e seminários individuais. Depois de um ano ou mais, os estudantes começam a auxiliar em atividades mais complexas, atuando parcialmente em algum trabalho do grupo de pesquisa. Mas, se por alguma razão, o estudante decide deixar o grupo, o trabalho dele comumente fica incompleto, com atrasos inevitáveis ao projeto original.

Para suprir alguns desses problemas, o Grupo de Física Nuclear Aplicada decidiu oferecer um breve curso para iniciantes voluntários na pesquisa. O curso de seis meses foi composto por várias atividades: a) Um conjunto de dez seminários ministrados por especialistas convidados em tópicos como: introdução a detectores, eletrônica NIM ('Nuclear Instrumentation Modules'), tecnologia de vácuo, tecnologia de filmes finos e introdução à Análise por Feixes Iônicos. b.) Preparação de um filme fino de um elemento simples evaporado em diferentes substratos e sua análise por PIXE ('Particle Induced X-Ray Emission') e RBS ('Rutherford Back-Scattering'). Com o seu trabalho, cada estudante produziu um padrão de filme fino, útil ao grupo.

## PREPARAÇÃO DAS AMOSTRAS

Filmes finos de alguns elementos químicos foram preparados em diferentes substratos -Kinfol, Mylar, Silício e Carbono -utilizando dois diferentes processos: 'Sputtering' ou Evaporação, dependendo do elemento [1].

Alguns dos filmes (KCl e TiH 2 ) foram obtidos utilizando evaporação por bombardeamento eletrônico sob técnica de auto vácuo (PVD - 'Physical Vapor Deposition' [2]). Neste método, os materiais eram aquecidos por um feixe de elétrons produzidos por um filamento incandescente focado em um ponto do material depositado dentro do cadinho. Neste arranjo experimental utilizouse um evaporador Edwards com foco eletrostático. Os diferentes substratos foram dispostos simetricamente em relação ao centro da evaporação, de maneira a permitir um mesmo padrão de deposição em cada um deles.

Para os outros filmes (Ni, Co, Cr e Si) um ATC-2000 Sputtering System - AJA International , no Laboratório de Materiais Magnéticos ( DFMT-IFUSP ) foi utilizado para deposição dos filmes finos. Neste caso, um plasma foi criado em uma câmara com baixa pressão de gás com Argônio através da combinação de campos elétricos e magnéticos. Em modo DC, íons do plasma eram acelerados para o cátodo, composto do material a ser depositado e que era retirado por um processo mecânico de colisão ('Sputtering'). Este material deposita-se inclusive no substrato.

## ARRANJO EXPERIMENTAL

As análises dos filmes obtidos foram realizadas no LAMFI (Laboratório de Análises de Materiais por Feixes Iônicos), que utiliza feixes de íons para a análise de diferentes materiais, bem como filmes finos. Ele é composto de um acelerador Pelletron tipo tandem de 1,7MV e duas estações de trabalho (câmaras de vácuo) para análises, uma principalmente para RBS e outra para PIXE. Duas fontes de íons são utilizadas para produção de partículas a serem aceleradas: uma fonte de radiofreqüência de íon com vapor de rubídio para feixe de He e uma 'Sputtering NEC' para H.

## PIXE - Particle Induced X-ray Emission

PIXE é uma técnica analítica capaz de identificar e quantificar elementos químicos desde Na (Z = 11) até U (Z = 92) [3-4]. A sensibilidade deste método varia entre 1 - 100 ppm, dependendo do elemento a ser analisado. A vantagem deste método é de ser não-destrutivo, com uma maior sensibilidade para alguns elementos em relação a outros métodos de análises, por exemplo químicos.

## RBS - Rutherford Backscattering Spectrometry

Este método de análise consiste na detecção de partículas retroespalhadas pelo alvo baseado no fato de que a diferença na energia transferida pelas partículas incidentes em colisões elásticas com núcleos da amostra depende da relação das massas envolvidas. Além disso, como estas colisões nucleares podem ocorrer a diferentes profundidades a energia da partícula retroespalhada dependerá também das perdas de energia desta partícula antes e depois da colisão, permitindo assim a definição da espessura do filme. Portanto a técnica RBS é menos sensível à diferenciação de elementos com números atômicos próximos, porém é bastante útil para a determinação de perfil de profundidade (espessura).

## RESULTADOS

Os espectros PIXE e RBS de um filme fino de Cr sobre Mylar são apresentados nas figuras 1 e 2, respectivamente. Os espectros são obtidos em contagens por canal, sendo que canal tem uma relação linear com a energia. No espectro PIXE é possível identificar os picos de raios-X (K α e K β ) do Cr em maior quantidade em relação a alguns contaminantes (picos menores). A figura 2 mostra o espectro RBS evidenciando o pico do Cr.

Figura 2: Espectro de análise RBS

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Figura 1: Espectro de análise PIXE

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Os resultados das concentrações, obtidos pelos métodos PIXE e RBS, para os elementos de todos os filmes padrões confeccionados nos diferentes substratos são mostrados na tabela 1.

Tabela 1: Valores de concentração (µg/cm ) dos elementos nos filmes finos em diferentes substratos 2

1 Neste caso, o substrato era de Carbono

A fim de verificar a influência do método de análise nos resultados, uma análise comparativa entre os valores PIXE e RBS foi feita para os substratos de plástico. Para isso, uma média dos valores para cada elemento foi calculada para cada método e o desvio padrão da distribuição foi usado como incerteza. As diferentes percentagens entre as médias para cada elemento para ambos os métodos são apresentados na figura 3.

Figura 3: Gráfico comparativo das concentrações obtidas por PIXE e RBS (amostra sobre substrato de Kinfoil e Mylar)

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## DISCUSSÃO E CONCLUSÃO

Pelos dados apresentados na tabela 1, pode-se notar que as concentrações dos elementos nas amostras evaporadas sobre silício são incompatíveis, para a maioria dos elementos, com os valores das amostras sobre os diferentes plásticos. Por outro lado, as concentrações de elementos evaporados sobre Kinfol e Mylar são compatíveis entre si para todos os elementos. Não é possível especificar uma tendência para o substrato de silício quando comparado aos outros. Discrepâncias nos dados sugerem algum tipo de efeito de substrato durante a preparação das amostras, que não pôde ser identificado nestas análises.

Como pode ser observado na figura 3, há uma sistemática em relação aos valores de PIXE: são sempre maiores que os valores de RBS. Nos casos de Ti, Cr, Co e Ni, as diferenças entre as percentagens são compatíveis com zero, dentro de dois σ de incerteza, como esperado. No entanto, para K e Cl, estas diferenças são maiores que 60%, sugerindo algum tipo de problema durante a evaporação ou análise dos filmes de KCl. A hipótese mais provável é relacionada à nãohomogeneidade da evaporação no método de bombardeamento eletrônico devido à característica higroscópica desta substância. Diferenças no tamanho do feixe utilizado em ambos os métodos podem ter gerado esta discrepâncias nas diferentes áreas irradiadas, devido a esta nãohomogeneidade.

Com relação ao curso , os alunos A.O.D., A.R.L., D.M.T.L, M.A.P.C., T.F.M. e W.M.N. tiveram a oportunidade obter uma base de conhecimento na Física Nuclear Aplicada e, aos que permaneceram no grupo, uma empolgante Iniciação Científica fora ministrada. Para finalizar este trabalho, estes alunos foram convidados a participar e apresentar este trabalho na XV Reunião de Trabalho de Física Nuclear, realizada em Santos, em 2003 [5].

## REFERÊNCIAS

- [1] http://www.dfn.if.usp.br/dfn/alvos/bomele, em julho de 2003
- [2] Milton Ohring, ' The Materials Science of Thin Films ', capítulo 3 'Physical Vapor Deposition', Academic Press, San Diego, 1989
- [3] http://www.ansto.gov.au/ansto/environment1/iba/capabilities/pixe.htm, em julho de 2003
- [4] http://cams.llnl.gov/microprobe/pixe.html, em julho de 2003
- [5] A.O.Delgado, et al - ' Preparing Thin Film Standard for IBA analysis: An Activity for Beginners in Research in Applied Nuclear Physics' , Program and Abstracts of V Latinamerican Symposium on Nuclear Physics and XXVI Reunião de Trabalho sobre Física Nuclear no Brasil, September 2003