Estudo do poder de freamento de He, Li, Eu e Bi canalizados em alvos de Si cristalino

Abstract

Neste trabalho, foi realizado um estudo experimental sistemático da perda de energia de íons canalizados ao longo das direções h100i , h111i e h110i de cristais de Si. Foram abordados dois aspectos distintos, porém correlatos, do problema. No primeiro tópico, estudamos o poder de freamento de íons pesados (Eu e Bi) com energias entre 15 e 50 keV, para os quais o mecanismo predominante de perda de energia é o freamento nuclear. O segundo tópico está relacionado ao freamento de íons leves (He e Li) com energias no intervalo entre 0.3 e 8 MeV. Neste caso, os íons perdem energia, predominantemente, em colisões com elétrons. O estudo do freamento dos íons pesados foi realizado de maneira indireta, pela comparação dos perfis de concentração de Eu e Bi implantados em direção canalizada com as previsões do programa MARLOWE, que simula a interação de feixes de íons com alvos sólidos. Nós observamos pela primeira vez, em implantações em direção canalizada, o chamado efeito Z1, ou seja, a deformação das núvens eletrônicas do projétil e do alvo em colisões binárias de baixa energia. Enquanto nossos dados para implantações de Bi são muito bem reproduzidas pelo MARLOWE, os perfis de Eu apresentam caudas mais profundas que as preditas por este programa. Além disso nós demonstramos que este comportamento é explicado por cálculos ab initio de estrutura molecular baseados na Teoria Funcional da Densidade (DFT). Com relação os íons leves, a perda de energia foi obtida pela técnica de retroespalhamento Rutherford em amostras do tipo SIMOX, que consistem em uma camada de Si monocristalino de 200 nm sobre uma camada de 500 nm de SiO2 enterrada numa matriz de Sih100i . Com esta técnica nós realizamos medidas da perda de energia como função da energia e do ângulo de incidência do feixe com relação á direção de canalização. A análise teórica dos resultados foi realizada por intermédio de simulações das trajetórias canalizadas e de cálculos da dependência da perda de energia com o parâmetro de impacto. Estas comparações permitiram determinar o papel desempenhado pelos diversos mecanismos de perda de energia envolvidos no freamento dos íons canalizados.

In this work we have performed a systematic sudy of the energy loss of channeled ions along the h100i , h111i and h110i directions of Si single crystals. Two different, but related, topics of the problem were investigated. On the first topic we have studied the stopping powers of heavy ions (Eu and Bi) with energies ranging between 15 and 50 keV, for which the main slowing down mechanism is the nuclear stopping power. The second topic is related to the slowing down of light ions (He and Li) with energies ranging between 0.3 and 8 MeV. In this case, the projectile energy is lost mainly in electronic collisions. The study of the slowing down of channeled heavy ions was performed in an indirect way, by comparing the depth profiles of Eu and Bi ions implanted under channeling conditions with calculations with the program MARLOWE which simulates the interactions of ion beams with solid targets. We have observed for the first time in channeling implantations the Z1 effect, namely, the deformation of the periphery of the electronic clouds of the projectile and target in low energy atomic collisions. While our data for Bi implantations are very well reproduced by MARLOWE predictions the Eu profiles present long tails that go farther in the Si bulk than predicted by MARLOWE. Furthermore, we have demostrated that this behavior is explained in terms of molecular structure ab initio calculations based on the Density Fuctional Theory (DFT). Concerning the light ions, the stopping powers were measured by the Rutherford Backscattering technique with SIMOX samples that consist on a Si single crystal layer 200nm thick on the top of a 5000 nm thick SiO2 layer buried on a Sih100i single cristal. With this technique we have measured both the energy and the angular dependency of the the channeling stopping power. The theoretical analysis of the results was performed by means of computer simulations of the channeled trajectories and in calculatios of the impact parameter dependent energy loss. These comparisons allowed us to determine the relative role played by the energy loss processes under channeling conditions