Luận Văn Thạc Sĩ Về Phân Tích Nguyên Tố Dựa Trên Phổ Tán Xạ Ngược RBS Tại Đại Học Khoa Học Tự Nhiên

Luận văn thạc sĩ phân tích nguyên tố qua phổ tán xạ ngược rơdơphorbs trên máy gia tốc tandem pelletron 5shd 2 tại đại học khoa học tự nhiên.

• Tác giả: Nguyễn Thế Bình
• Người hướng dẫn: PGS.TS Bùi Văn Loát
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử
• Đề tài: Phân Tích Nguyên Tố Bằng Phổ Tán Xạ Ngược RBS
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ
• MỞ ĐẦU
• 0.1. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NGUYÊN TỐ DỰA TRÊN TÁN XẠ NGƯỢC RUTHERFOR
• 0.1.1. Hiệu ứng tán xạ ngược Rutherford
• 0.1.2. Bố trí thí nghiệm
• 0.1.3. Phân bố góc tán xạ
• 0.1.4. Mẫu nguyên tử của Rutherford
• 0.1.5. Tham số tán xạ ngược
• 0.1.6. Những ứng dụng của hiệu ứng tán xạ ngược
• 0.1.7. Nhận diện các nguyên tố trong bia - Hệ số động học tán xạ ngược
• 0.1.8. Phân tích định lượng - Tiết diện tán xạ vi phân
• 0.1.9. Phân tích bề dày mẫu - Độ hao phí năng lượng
• 1. CHƯƠNG I: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NGUYÊN TỐ DỰA TRÊN TÁN XẠ NGƯỢC RUTHERFOR
• 1.1. Hiệu ứng tán xạ ngược Rutherford
• 1.2. Bố trí thí nghiệm
• 1.3. Phân bố góc tán xạ
• 1.4. Mẫu nguyên tử của Rutherford
• 1.5. Tham số tán xạ ngược
• 1.6. Những ứng dụng của hiệu ứng tán xạ ngược
• 1.7. Nhận diện các nguyên tố trong bia - Hệ số động học tán xạ ngược
• 1.8. Phân tích định lượng - Tiết diện tán xạ vi phân
• 1.9. Phân tích bề dày mẫu - Độ hao phí năng lượng
• 2. CHƯƠNG II: THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 2.1. Máy gia tốc 5SDH-2 Pelletron
• 2.2. Buồng gia tốc chính
• 2.3. Hệ chân không
• 2.4. Các bộ phận hội tụ, điều chỉnh chùm tia
• 2.5. Kênh phân tích
• 2.6. Phần mềm điều khiển máy gia tốc AccelNET
• 2.7. Phần mềm cho MCA (MAESTRO)
• 2.8. Phần mềm thu thập dữ liệu định tính RC43
• 2.9. Phần mềm phân tích SIMNRA
• 2.9.1. Giới thiệu chung
• 2.9.2. Sử dụng SIMNRA
• 2.10. Thực nghiệm chiếu mẫu và ghi nhận phổ RBS
• 2.11. Vận hành nguồn RF
• 2.12. Vận hành buồng gia tốc chính
• 2.13. Vận hành buồng phân tích RC43
• 2.14. Quá trình thay mẫu
• 2.15. Quá trình chiếu mẫu và thu thập dữ liệu
• 3. CHƯƠNG III: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 3.1. Xây dựng đường chuẩn năng lượng
• 3.2. Phân tích hàm lượng các nguyên tố theo phương pháp RBS
• 3.3. Kết quả phân tích mẫu chuẩn
• 3.4. Kết quả phân tích mẫu số 1
• 3.5. Kết quả phân tích mẫu số 2
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về phân tích nguyên tố bằng phổ tán xạ ngược RBS

Phân tích nguyên tố bằng phổ tán xạ ngược (RBS) là một phương pháp hiện đại trong lĩnh vực vật lý hạt nhân. Phương pháp này cho phép xác định thành phần và hàm lượng của các nguyên tố trong mẫu vật liệu mà không làm hỏng mẫu. RBS sử dụng chùm ion để tán xạ và thu thập dữ liệu từ các nguyên tử trong mẫu, từ đó phân tích được cấu trúc và thành phần hóa học của chúng. Phương pháp này đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như vật liệu học, hóa học và sinh học.

1.1. Lịch sử phát triển của phương pháp RBS

Phương pháp tán xạ ngược được phát triển từ những năm đầu thế kỷ 20, với những thí nghiệm nổi tiếng của Rutherford. Ông đã sử dụng chùm hạt alpha để khám phá cấu trúc của nguyên tử, từ đó mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu về vật lý hạt nhân. Sự phát triển của công nghệ gia tốc ion đã giúp cải thiện đáng kể độ nhạy và độ chính xác của phương pháp này.

1.2. Nguyên lý hoạt động của phổ tán xạ ngược

Phổ tán xạ ngược hoạt động dựa trên nguyên lý tán xạ Coulomb giữa chùm ion và hạt nhân của nguyên tử trong mẫu. Khi chùm ion va chạm với mẫu, một phần năng lượng sẽ được truyền cho hạt nhân, dẫn đến hiện tượng tán xạ. Phân tích phổ tán xạ cho phép xác định các nguyên tố có trong mẫu dựa trên năng lượng của các ion tán xạ.

II. Thách thức trong phân tích nguyên tố bằng RBS

Mặc dù phương pháp RBS mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng gặp phải một số thách thức. Đầu tiên, độ chính xác của kết quả phụ thuộc vào nhiều yếu tố như năng lượng chùm ion, góc tán xạ và cấu trúc của mẫu. Thứ hai, việc phân tích các nguyên tố nhẹ có thể gặp khó khăn do tín hiệu tán xạ yếu. Cuối cùng, việc chuẩn bị mẫu cũng cần phải được thực hiện cẩn thận để đảm bảo kết quả phân tích chính xác.

2.1. Độ chính xác và độ nhạy của phương pháp

Độ chính xác của phương pháp RBS phụ thuộc vào nhiều yếu tố như năng lượng của chùm ion và góc tán xạ. Các yếu tố này có thể ảnh hưởng đến khả năng phát hiện các nguyên tố nhẹ, do đó cần có các phương pháp cải tiến để nâng cao độ nhạy.

2.2. Khó khăn trong việc chuẩn bị mẫu

Chuẩn bị mẫu cho phân tích RBS là một bước quan trọng. Mẫu cần phải được xử lý để đảm bảo rằng nó không bị ô nhiễm và có cấu trúc đồng nhất. Bất kỳ sai sót nào trong quá trình chuẩn bị mẫu đều có thể dẫn đến kết quả phân tích không chính xác.

III. Phương pháp phân tích nguyên tố bằng RBS

Phương pháp phân tích nguyên tố bằng RBS bao gồm nhiều bước từ chuẩn bị mẫu, chiếu chùm ion đến phân tích dữ liệu. Đầu tiên, mẫu được chuẩn bị và đặt trong buồng chân không. Sau đó, chùm ion được chiếu vào mẫu và các ion tán xạ được thu thập và phân tích. Dữ liệu thu được sẽ được xử lý để xác định thành phần và hàm lượng của các nguyên tố trong mẫu.

3.1. Quy trình chuẩn bị mẫu

Quy trình chuẩn bị mẫu bao gồm việc làm sạch bề mặt mẫu, đảm bảo không có tạp chất và tạo ra một lớp mỏng đồng nhất. Việc này rất quan trọng để đảm bảo rằng kết quả phân tích là chính xác và đáng tin cậy.

3.2. Chiếu chùm ion và thu thập dữ liệu

Chùm ion được chiếu vào mẫu với năng lượng xác định. Các ion tán xạ sẽ được thu thập và phân tích bằng các thiết bị chuyên dụng. Dữ liệu thu được sẽ được xử lý để xác định các nguyên tố có trong mẫu.

IV. Ứng dụng thực tiễn của phân tích RBS

Phân tích nguyên tố bằng RBS có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực khác nhau. Trong vật liệu học, phương pháp này được sử dụng để xác định thành phần và cấu trúc của các vật liệu mới. Trong hóa học, RBS giúp nghiên cứu sự phân bố của các nguyên tố trong các hợp chất. Ngoài ra, phương pháp này còn được áp dụng trong sinh học để nghiên cứu các mẫu sinh học.

4.1. Ứng dụng trong vật liệu học

Trong vật liệu học, RBS được sử dụng để phân tích thành phần và cấu trúc của các vật liệu mới, từ đó giúp cải thiện tính chất của chúng. Phương pháp này cho phép xác định chính xác hàm lượng các nguyên tố trong vật liệu.

4.2. Ứng dụng trong nghiên cứu hóa học

RBS cũng được sử dụng trong nghiên cứu hóa học để xác định sự phân bố của các nguyên tố trong các hợp chất. Điều này giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về cấu trúc và tính chất của các hợp chất hóa học.

V. Kết luận và tương lai của phân tích RBS

Phân tích nguyên tố bằng phổ tán xạ ngược RBS là một phương pháp mạnh mẽ và hiệu quả trong nghiên cứu vật liệu và hóa học. Với sự phát triển của công nghệ, phương pháp này sẽ ngày càng được cải tiến, nâng cao độ chính xác và khả năng phát hiện các nguyên tố nhẹ. Tương lai của phân tích RBS hứa hẹn sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn.

5.1. Triển vọng phát triển công nghệ RBS

Công nghệ RBS đang được phát triển không ngừng, với các thiết bị mới và phương pháp phân tích tiên tiến. Điều này sẽ giúp nâng cao độ chính xác và khả năng phát hiện của phương pháp.

5.2. Tương lai của nghiên cứu nguyên tố

Nghiên cứu nguyên tố bằng phương pháp RBS sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực. Sự phát triển của công nghệ sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho các nhà nghiên cứu trong việc khám phá và ứng dụng các nguyên tố trong vật liệu và hóa học.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong 5 phương pháp phân tích hạt nhân hiện đại hàng đầu hiện nay, phương pháp phổ tán xạ ngược Rutherford đóng vai trò then chốt nhờ khả năng phân tích không phá hủy mẫu, tốc độ xử lý nhanh và độ chuẩn xác vượt trội. Việc nghiên cứu cấu trúc vi mô, xác định thành phần nguyên tố và kiểm soát bề dày màng mỏng ở thang đo nanomet là bài toán cấp thiết trong các lĩnh vực vật lý chất rắn, bán dẫn và khoa học vật liệu. Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán định lượng thành phần nguyên tố và thiết lập hồ sơ phân bố theo chiều sâu của các lớp màng mỏng kim loại trên các loại đế khác nhau.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là vận hành hoàn chỉnh chu trình thực nghiệm trên hệ máy gia tốc tĩnh điện Tandem Pelletron 5SDH-2 với điện thế đỉnh 2 triệu volt, sử dụng chùm ion Heli mang điện tích 2+ ở mức năng lượng 2428 keV. Nghiên cứu được triển khai tại Bộ môn Vật lý hạt nhân, Khoa Vật lý thuộc Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội trong giai đoạn đào tạo cao học từ năm 2011 đến năm 2013.

Ý nghĩa học thuật và ứng dụng của công trình thể hiện qua việc xây dựng thành công quy trình chuẩn năng lượng với độ tin cậy đạt hệ số tương quan tuyến tính trên 0.999, đồng thời phân tích thành công cấu trúc màng mỏng đa lớp với độ dày ở cấp độ 10 lũy thừa 15 nguyên tử trên một centimet vuông. Kết quả thực nghiệm mở ra giải pháp phân tích không phá hủy hiệu quả cao cho các viện nghiên cứu và phòng thí nghiệm chuyên ngành tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Khung lý thuyết của đề tài được xây dựng vững chắc dựa trên 2 nền tảng vật lý hạt nhân kinh điển kết hợp mô hình tính toán số hiện đại:

Thứ nhất là Thuyết tán xạ đàn hồi Rutherford trong trường lực Coulomb. Khi chùm ion tới có khối lượng m1, điện tích z1 và năng lượng ban đầu E0 va chạm đàn hồi với hạt nhân nguyên tử bia có khối lượng m2 và điện tích Z2 ở trạng thái dừng, quá trình tương tác bảo toàn năng lượng và động lượng toàn phần. Năng lượng E1 của hạt ion sau khi tán xạ ngược về phía detector được xác định thông qua hệ số động học tán xạ K. Tiết diện tán xạ vi phân tỷ lệ thuận với bình phương điện tích hạt nhân bia, giúp việc phát hiện các nguyên tố có khối lượng lớn trở nên cực kỳ nhạy bén.

Thứ hai là Thuyết tiêu hao năng lượng Bethe-Bloch kết hợp mô hình gần đúng bán cổ điển Bohr cùng hiệu chỉnh dừng ion Chu và Yang. Đại lượng tổn thất năng lượng dừng dE/dx mô tả sự mất mát động năng của chùm hạt tích điện khi tương tác không đàn hồi với đám mây electron của môi trường bia. Nhờ đại lượng này, hiệu số năng lượng delta E giữa ion tán xạ tại bề mặt và ion tán xạ ở độ sâu t tỷ lệ thuận với quãng đường hạt di chuyển, tạo tiền đề để tính toán chính xác độ dày và profin nồng độ của các lớp vật chất.

Hệ thống khái niệm nòng cốt trong nghiên cứu gồm: hệ số động học tán xạ K, tiết diện vi phân tán xạ Coulomb, tham số tác động va chạm b, mật độ nguyên tử thể tích N0 và hệ số dừng năng lượng S.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm kết hợp mô phỏng số được tiến hành theo quy trình nghiêm ngặt:

Về cỡ mẫu và cách chọn mẫu: Nghiên cứu lựa chọn 3 đối tượng mẫu rắn đại diện với kích thước tiêu chuẩn 1cm x 1cm x 1mm, bao gồm 1 mẫu chuẩn kiểm chuẩn Au-Cu trên đế hữu cơ Polystyrene (C8H8), 1 mẫu màng đơn lớp vàng trên đế thủy tinh và 1 mẫu màng đa lớp Cu-C-Cu trên đế Silic. Kích thước này tối ưu cho buồng tán xạ chân không và hệ gá mẫu tự động.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Kỹ thuật tán xạ ngược RBS sử dụng chùm ion He2+ gia tốc đến năng lượng 2428 keV cho phép ghi nhận đồng thời nhiều nguyên tố mà không cần xử lý hóa học làm biến tính mẫu. Góc ghi nhận tán xạ của detector bán dẫn rào mặt Silic được cố định chuẩn xác ở góc 170 độ nhằm tối đa hóa độ phân giải khối lượng. Dữ liệu thực nghiệm được thu nhận tự động qua hệ đo đa kênh MCA với phần mềm MAESTRO và RC43. Quá trình xử lý, khớp phổ và trích xuất cấu trúc đa lớp được thực hiện trên phần mềm mô phỏng chuyên dụng SIMNRA kết hợp công cụ phân tích hồi quy ORIGIN.

Quy trình thực nghiệm diễn ra liên tục từ việc vận hành nguồn ion plasma vô tuyến RF ở áp suất 10 đến 50 microTorr, duy trì dòng chùm ion âm He- ở mức 1 đến 4 microampe, buồng phân tích đạt độ chân không cao xấp xỉ 10 lũy thừa âm 6 Torr trong suốt timeline nghiên cứu 2012 - 2013.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm và xử lý dữ liệu số đã mang lại 4 phát hiện khoa học quan trọng:

Thứ nhất, xây dựng hoàn chỉnh đường chuẩn năng lượng cho hệ phổ kế RBS. Dựa trên 4 đỉnh năng lượng tán xạ của các nguyên tố trong mẫu chuẩn Au-Cu trên đế Polystyrene với mức năng lượng của vàng tại 2239.1 keV, phương trình hồi quy tuyến tính giữa năng lượng E và số kênh n đạt độ dốc chuẩn xác, hệ số tương quan đạt mức tiệm cận tuyệt đối R2 xấp xỉ 0.999 trên toàn dải năng lượng từ 200 keV đến 2400 keV.

Thứ hai, định lượng chính xác cấu trúc mẫu chuẩn Au-Cu. Phổ mô phỏng từ phần mềm SIMNRA khớp hoàn hảo với phổ thực nghiệm, chứng minh mẫu chuẩn gồm 2 phân lớp rõ rệt: lớp 1 bề mặt chứa 4 nguyên tố với bề dày đo được là 1015 nguyên tử trên một centimet vuông, lớp 2 chứa 3 nguyên tố nền hình thành nên cấu trúc chuyển tiếp bền vững.

Thứ ba, xác định thành công bề dày màng mỏng vàng trên mẫu số 1. Dữ liệu phổ thực nghiệm khi so khớp với mô hình tính toán cho thấy lớp màng mỏng Au trên đế kính có sự đồng nhất cao về độ dày và không phát hiện sự xâm nhập tạp chất vượt quá ngưỡng 0.5%.

Thứ tư, bóc tách thành công cấu trúc đa lớp của mẫu số 2 gồm Đồng - Cacbon - Đồng trên đế Silic. Phần mềm SIMNRA đã phân giải rõ ràng 2 đỉnh phổ tán xạ riêng biệt của 2 lớp đồng nằm ở 2 độ sâu khác nhau, xác định chính xác bề dày lớp xen kẽ cacbon và độ dày từng lớp màng đồng với sai số tương đối so với tính toán lý thuyết dưới mức 3%.

Thảo luận kết quả

Các kết quả thực nghiệm thể hiện sự phù hợp tuyệt vời giữa quy luật tán xạ hạt nhân lý thuyết và dữ liệu phổ ghi nhận. Độ cao của đỉnh phổ tán xạ từ hạt nhân vàng (nguyên tử số Z = 79) vượt trội hơn hẳn so với đỉnh phổ của đồng (nguyên tử số Z = 29) và cacbon (Z = 6), khẳng định bản chất tiết diện tán xạ vi phân tỷ lệ thuận với bình phương điện tích hạt nhân Z2.

Dữ liệu được trực quan hóa rõ nét thông qua đồ thị phân bố số đếm theo số kênh năng lượng. Sự dãn rộng của các đỉnh phổ phản ánh chính xác hiện tượng hao phí năng lượng dừng dE/dx của chùm ion He2+ khi xuyên sâu vào mạng tinh thể vật chất và tán xạ ngược ra ngoài. Phổ mô phỏng SIMNRA bám sát từng đường cong thực nghiệm, chứng minh tính ưu việt của việc áp dụng thuật toán hiệu chỉnh tản mạn năng lượng Chu và Yang.

So với các phương pháp phân tích bề mặt khác như huỳnh quang tia X (XRF) hay nhiễu xạ tia X (XRD), phương pháp RBS trên máy gia tốc Pelletron 5SDH-2 cung cấp thông tin trực tiếp về chiều sâu và nồng độ nguyên tố với độ phân giải dưới 10 nanomet mà hoàn toàn không cần phá hủy hay bóc tách cơ học mẫu thử.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm phát huy tối đa hiệu năng của hệ thống máy gia tốc và kỹ thuật RBS trong nghiên cứu khoa học vật liệu, các giải pháp cụ thể được đề xuất:

Một là, tối ưu hóa quy trình bảo dưỡng hệ thống chân không. Ban kỹ thuật phòng máy gia tốc cần thực hiện kiểm tra định kỳ 6 tháng một lần đối với hệ thống bơm dầu sơ cấp và bơm phân tử turbo, duy trì áp suất buồng đo RC43 ổn định dưới ngưỡng 10 lũy thừa âm 6 Torr để giảm thiểu tối đa hiện tượng tán xạ tạp chất khí dư.

Hai là, nâng cấp và ổn định nguồn phát ion plasma vô tuyến RF. Cần duy trì nhiệt độ buồng đốt lò nung Rubidi ổn định trong dải 150 đến 200 độ C, điều chỉnh điện thế đầu dò ở mức 6 kV nhằm nâng cường độ dòng chùm ion âm He- đạt mức ổn định từ 3 đến 4 microampe, hoàn thành hiệu chỉnh trong quý 1 giai đoạn kế tiếp.

Ba là, mở rộng ứng dụng phân tích màng mỏng công nghệ cao. Các viện nghiên cứu và trường đại học nên đẩy mạnh ứng dụng quy trình phân tích RBS chuẩn hóa này vào kiểm định các màng bán dẫn nano, pin mặt trời thế hệ mới và lớp phủ chống mài mòn, đặt mục tiêu phân tích tối thiểu 100 mẫu vật liệu chuyên sâu mỗi năm.

Bốn là, phát triển bộ công cụ phần mềm xử lý phổ tích hợp tự động. Nhóm nghiên cứu tin học hạt nhân cần phối hợp xây dựng giao diện kết nối trực tiếp giữa hệ điều khiển AccelNET, hệ thu nhận MAESTRO và thư viện mô phỏng SIMNRA trong thời gian 12 tháng, giúp rút ngắn 40% thời gian xử lý và khớp dữ liệu phổ cho nghiên cứu viên.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là nguồn tư liệu học thuật và thực tiễn giá trị cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

Nhóm nghiên cứu và giảng viên chuyên ngành Vật lý hạt nhân, Vật lý nguyên tử: Tài liệu cung cấp cơ sở lý thuyết chuẩn mực về tương tác bức xạ với vật chất, phương pháp dựng đường chuẩn năng lượng và quy trình vận hành máy gia tốc tĩnh điện Tandem 2 MV.

Kỹ sư công nghệ vật liệu, vi điện tử và màng mỏng: Cung cấp phương pháp đo lường không phá hủy mẫu, giúp kiểm soát chính xác bề dày màng mỏng kim loại ở cấp độ nanomet và phân tích profin nồng độ tạp chất trong linh kiện bán dẫn.

Học viên cao học, nghiên cứu sinh và sinh viên kỹ thuật hạt nhân: Bản luận văn là cẩm nang thực nghiệm chi tiết về kỹ thuật phân tích phổ đa kênh, phương pháp sử dụng phần mềm mô phỏng SIMNRA và kỹ năng xử lý dữ liệu trên ORIGIN.

Cán bộ quản lý phòng thí nghiệm bức xạ và an toàn hạt nhân: Nắm bắt quy trình vận hành an toàn hệ thống chân không cao áp, hệ quang học dẫn chùm tia ion và các tiêu chuẩn kiểm soát an toàn bức xạ trong phòng gia tốc hạt.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp phân tích RBS có làm tổn hại hay phá hủy cấu trúc mẫu vật liệu không? Hoàn toàn không làm phá hủy mẫu. Kỹ thuật RBS sử dụng chùm ion He2+ với mật độ dòng thấp chỉ từ 1 đến 4 microampe và năng lượng dưới ngưỡng phản ứng hạt nhân, đảm bảo mẫu rắn kích thước 1cm x 1cm giữ nguyên vẹn 100% cấu trúc hình thái và cơ tính sau khi đo đạc.

Tại sao năng lượng ion He2+ ở mức 2428 keV và góc đo 170 độ lại được lựa chọn? Mức năng lượng 2428 keV tối ưu hóa tiết diện tán xạ đàn hồi thuần túy Coulomb, tránh các cộng hưởng phản ứng hạt nhân phức tạp. Góc tán xạ 170 độ gần va chạm trực diện 180 độ, giúp tối đa hóa sự phân tách năng lượng giữa các nguyên tố theo hệ số động học K.

Làm thế nào để xác định chính xác bề dày của từng lớp màng mỏng từ phổ RBS? Bề dày màng mỏng t được xác định trực tiếp dựa trên hiệu số năng lượng delta E giữa các hạt tán xạ ở bề mặt và đáy lớp vật chất chia cho hệ số dừng năng lượng S, sau đó mô phỏng khớp phổ chính xác bằng phần mềm SIMNRA với độ phân giải đạt mức nanomet.

Vai trò then chốt của phần mềm SIMNRA trong quá trình phân tích phổ là gì? SIMNRA thực hiện mô phỏng tương tác hạt với bia đa lớp, tích hợp dữ liệu tiết diện tán xạ vi phân và hiệu chỉnh tản mạn năng lượng Chu - Yang. Phần mềm cho phép so khớp phổ lý thuyết với phổ thực nghiệm để trích xuất hàm lượng nguyên tố và độ dày từng lớp.

Phương pháp RBS có hạn chế gì khi phân tích các nguyên tố siêu nhẹ như Hydro hay Liti? Do hạt tới là Heli có khối lượng xấp xỉ 4 đơn vị khối lượng nguyên tử, chùm ion không thể tán xạ ngược trên các hạt nhân nhẹ hơn nó theo định luật bảo toàn động lượng. Khi đó cần kết hợp phương pháp tán xạ giật lùi đàn hồi ERDA để khảo sát toàn diện.

Kết luận

Công trình nghiên cứu đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu đề ra với những đóng góp nổi bật:

• Làm chủ hoàn toàn quy trình vận hành hệ máy gia tốc tĩnh điện Tandem Pelletron 5SDH-2 công suất 2 triệu volt phục vụ phân tích hạt nhân hiện đại.
• Thiết lập thành công đường chuẩn năng lượng phổ kế với độ tin cậy vượt trội, đạt hệ số tương quan tuyến tính R2 xấp xỉ 0.999.
• Định lượng chính xác thành phần nguyên tố và bề dày đa lớp của 3 hệ mẫu vật liệu màng mỏng với sai số thực nghiệm dưới 3%.
• Khẳng định tính ưu việt của phần mềm SIMNRA trong việc mô phỏng, khớp phổ và trích xuất thông tin cấu trúc màng mỏng không phá hủy mẫu.
• Đặt nền móng kỹ thuật vững chắc cho việc mở rộng phân tích các vật liệu công nghệ cao trong giai đoạn tiếp theo.

Quý độc giả, nghiên cứu sinh và các đơn vị nghiên cứu khoa học vật liệu quan tâm có thể ứng dụng trực tiếp quy trình thực nghiệm và mô hình tính toán này để nâng cao chất lượng kiểm định vật liệu màng mỏng công nghệ cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NGUYÊN TỐ DỰA TRÊN TÁN XẠ NGƯỢC RUTHERFOR 1. Hiệu ứng tán xạ ngược Rutherford Thí nghiệm tán xạ ngược Rutherford được thực hiện bởi Hans Geiger và Ernest Marsden năm 1909 dưới sự chỉ đạo của nhà vật lý người New Zealand là Ernest Rutherford. Và Rutherford giải thích kết quả thu được vào năm 1911, khi họ bắn phá các hạt tích điện dương nằm trong nhân các nguyên tử (ngày nay gọi là hạt nhân nguyên tử) của lá vàng mỏng bằng cách sử dụng chùm tia alpha phát ra từ nguồn RaC.Bố trí thí nghiệm Hình 1.1 Sơ đồ thí nghiệm phát hiện ra hạt nhân nguyên tử của Rutherford Bắn một chùm hạt alpha vào lá vàng mỏng đặt trong buồng chân không.

Quan sát các hạt alpha sau khi tương tác với lá vàng bằng cách đếm các chớp sáng TIEU LUAN MOI download : [e-mail] LVTS VLNT 2013 xuất hiện khi các hạt alpha đập vào màn sunfua kẽm ZnS. Kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng phần lớn các hạt alpha đi thẳng. Nhưng có những hạt alpha tán xạ ở những góc lớn, thậm chí có hạt tán xạ với góc tán xạ gần 1800. Phân bố góc tán xạ Bằng sơ đồ thí nghiệm tinh vi Rutherford và cộng sự đã xây dựng được đồ thị mô tả phân bố số hạt tán xạ theo góc tán xạ  hình 1.

Phân bố góc hạt alpha theo góc tán xạ. Trục tung theo thang logarit [2]. TIEU LUAN MOI download : [e-mail] LVTS VLNT 2013 Hình 1. Mẫu nguyên tử của Thomson Nếu dựa trên mẫu nguyên tử của Thomson trong nguyên tử các proton tích điện dương phân bố đều trên toàn bộ nguyên tử có dạng hình cầu, còn các electron phân bố đan xen trong quả cầu thì xác suất của hạt alpha tán xạ trên lá vàng với góc tới lớn hơn 900 là cực kỳ nhỏ (khoảng 10-3500).

Tuy nhiên, trong kết quả thu được trên thí nghiệm Rutherford lại lớn hơn rất nhiều (1/8000). Rutherford cho rằng một thành phần tích điện dương trong nguyên tử vàng phải có thể tích nhỏ nhưng rất nặng → Ông gọi đó là hạt nhân nguyên tử. Mẫu nguyên tử của Rutherford TIEU LUAN MOI download : [e-mail] LVTS VLNT 2013 1. Mẫu nguyên tử của Rutherford Năm 1911, Rutherford đề xuất nguyên tử hành tinh nguyên tử.

Nguyên tử gồm có hạt nhân tích điện dương, và các electron quay xung quanh hạt nhân. Hạt nhân ở tâm nguyên tử và có kích thước rất nhỏ (bán kính nhỏ hơn bán kính nguyên tử từ đến 100000 lần ) nhưng chứa toàn bộ điện tích dương và trên 99% khối lượng nguyên tử. Các electron chuyển động xung quanh hạt nhân và liên kết với hạt nhân bằng lực Coulomb. "Mẫu hạt nhân nguyên tử" và sự phù hợp với thí nghiệm Geiger-Marsden: - Khi nhìn từ tia tới sẽ thấy tất cả các hạt nhân nguyên tử chỉ là những chấm nhỏ (như sao trời), tức là có kích thước rất nhỏ so với khoảng cách giữa chúng => Có một số hạt alpha đi qua được "mạng lưới" hạt nhân.

- Mặt khác, khi hạt alpha chuyển động càng gần hạt nhân bao nhiêu thì sẽ bị lực đẩy Coulomb làm lệch một góc lớn bấy nhiêu. (Hiện tượng tán xạ) - Một số ít hạt alpha chuyển động theo hướng xuyên tâm đối với hạt nhân sẽ bị bật ngược trở lại (do lực đẩy Coulomb) với góc xấp xỉ bằng 180 độ. Mẫu nguyên tử Rutherford đã giải thích được bản chất của hiện tượng tán xạ ngược do ông và các cộng sự phát hiện ra. Hiệu ứng này còn gọi là hiệu ứng tán xạ ngược Rutherford.

Tham số tán xạ ngược Khi hạt alpha bay đến hạt gần hạt nhân tùy thuộc vào khoảng cách b từ hạt nhân tới quỹ đạo của hạt alpha bay tới mà nó tán xạ với góc tán xạ khác nhau. Để xác định b từ hạt nhân kẻ đường vuông góc với quỹ đạo của hạt alpha bay tới (Hình 1. Khoảng cách từ hạt nhân tới quỹ đạo của hạt alpha tới được gọi là tham số tham số tác động b. Trong [1,3,4] đưa ra biểu thức liên hệ giữa góc tán xạ  và tham số tác động b, theo công thức sau: TIEU LUAN MOI download : [e-mail] LVTS VLNT 2013  4 o Eob    2.1)  Z 2e  Trong đó  o là hằng số điện, E0 là năng lượng tới của hạt alpha, Z2 là điện tích của hạt nhân còn b là tham số tán động tán xạ ngược,.

Với góc tán xạ  cho trước, tham số tán xạ ngược được xác định theo công thức: Z 2e2   b cotg   (1. Sơ đồ tán xạ của hạt alpha Với hạt nhân bia cho trước, năng lượng hạt alpha tới là E0 xác định, khi tham số tán xạ càng nhỏ thì góc tán xạ càng lớn. Khi tham số tán xạ b =0 góc tán xạ  1800 , tương ứng với va chạm trực diện hạt alpha tán xạ góc 1800. Góc tán xạ lớn khi năng lượng hạt alpha nhỏ và hạt alpha tán xạ trên hạt nhân bia có điện tích lớn.

TIEU LUAN MOI download : [e-mail] LVTS VLNT 2013 1. Những ứng dụng của hiệu ứng tán xạ ngược Trong các bài toán ứng dụng của hiệu ứng tán xạ ngược, chùm ion được sử dụng có năng lượng nhỏ hơn ngưỡng của phản ứng hạt nhân. Khi đi trong bia ion tới sẽ tương tác Coulomb không đàn hồi với hạt nhân và electron của nguyên tử bia truyền động lượng cho nguyên tử kết quả năng lượng của các ion giảm dần. Căn cứ vào đặc điểm suy giảm của năng lượng ion phụ thuộc vào khối lượng của hạt nhân bia và chiều sâu tính từ bề mặt tới hạt nhân gây tán xạ, hiện tượng tán xạ ngược có những ứng dụng khác nhau.

Cụ thể căn cứ vào năng lượng của ion tán xạ có thể nhận diện được các nguyên tố có trong mẫu, còn căn cứ vào tiết diện tán xạ theo góc tới detectơ biết được số hạt nhân nguyên tử gây tán xạ trên từng lớp vật chất, còn căn cứ vào độ tiêu tán năng lượng của ion trên đường đi biết bề chiều sâu của lớp vật chất chứa nguyên tử gây tán xạ. Nhận diện các nguyên tố trong bia - Hệ số động học tán xạ ngược Xét va chạm của ion tới có khối lượng m1, điện tích z1 và năng lượng ban đầu E0 tới tương tác với hạt nhân bia có khối lượng m2 và điện tích Z2. Do tương tác ion tới truyền xung lượng của mình cho hạt nhân nguyên tử gây tán xạ ngược. Sau mỗi lần tương tác ion tán xạ mất năng lượng của mình.

Phần năng lượng của ion mất mát sau mỗi lần tùy thuộc vào khối lượng m1 của ion tới và khối lượng của hạt nhân bia m2. Với ion tới có năng lượng xác định là E0, sau tán xạ năng lượng của ion là E1. Tùy theo tham số tán xạ b, hay góc tán xạ  năng lượng E1 có giá trị xác định.3) Eo TIEU LUAN MOI download : [e-mail] LVTS VLNT 2013 Đại lượng K được gọi là hệ số động học, trong công thức E0 và E1 chính là năng lượng của ion trước và sau khi tán xạ. Do động năng của ion tới nhỏ phản ứng hạt nhân không xảy ra, va chạm giữa ion tới và hạt nhân bia là va chạm đàn hồi.

Từ định luật bảo toàn động lương và định luật bảo toàn năng lượng mà trong trường hợp này bảo toàn động năng tính được động lượng của ion tán xạ, từ đó tính được năng lượng E1 của ion tán xạ, theo biểu thức (1.3) xác định được hệ số động học. Xác định hệ số động học: Quá trình tương tác của ion tới với hạt nhân bia được thể hiện qua hình 1. Quá trình tán xạ đàn hồi trong hệ quy chiếu phòng thí nghiệm. Khi chùm ion có khối lượng m1 , điện tích Z1 ,vân tốc v10 và năng lượng E10 tới va chạm với nguyên tử của bia ở trạng thái dừng có khối lượng m2, điện tích Z2 thì ion sẽ truyền xung lượng cho nguyên tử bia.

Giả sử năng lượng của ion tới thấp hơn năng lượng ngưỡng của phản ứng hạt nhân nên TIEU LUAN MOI download : [e-mail] LVTS VLNT 2013 sẽ không xảy ra phản ứng hạt nhân trong quá trình tương tác, sau va chạm ion bị lệch một góc θ (góc tán xạ), nguyên tử bia bị giật lùi (recoil) một góc ϕ. Theo định luật bảo toàn năng lượng ta có: m1  v02 m1  v12 m2  v22   (a) 2 2 2 Định luật bảo toàn động lượng: + Theo ox ta có: m1  v0  m1  v1  cos  m2  v2  cos (b) + Theo oy ta có: 0  m1  v1  sin   m2  v2  sin  (c) Gọi K là hệ số động học, sau một số biến đổi từ (a), (b), (c) ta có: 2 E1 m1  v  m1  cos  m2  m1  sin   2 2 2 2 1 K   2  (1.4) E10 m1  v  m1  m2   0 Từ biểu thức (1.4) nhận thấy với hạt nhân bia và ion tới xác định hệ số động học chỉ phụ thuộc vào góc tán xạ. Trong thực nghiệm góc  chính là góc hợp bởi phương của ion tới và hướng đặt của detector. Trong thực nghiệm, hình học đo xác định, tức góc  xác định chùm ion có năng lượng xác định, khi đó hệ số động học K(  ) chỉ là hàm của khối lượng hạt nhân bia gây tán xạ.

Với hạt nhân gây tán xạ xác định thì hệ số động học xác định và năng lượng ion tán xạ E1  k ( )  Eo là hoàn toàn xác định. Điều này có nghĩa khi chiếu vào mẫu chùm ion có năng lượng E0 xác định, với hình học đo xác định, các hạt ion tán xạ trên hạt nhân bia khối lượng khác nhau sẽ có năng lượng E1 khác nhau và bay tới detector. TIEU LUAN MOI download : [e-mail] LVTS VLNT 2013 Energy [keV] 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 440 Au-Cu 420 Simulated 400 380 360 340 320 300 280 260 Counts 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1,000 1,050 1,100 Channel Hình 1. Phổ tán xạ ngược của mẫu chuẩn Au-Cu trên hệ phân tích RBS trên máy gia tốc 5SHD-2 Pellectron của Bộ môn Vật lý hạt nhân Căn cứ vào phổ năng lượng của ion tán xạ bay tới detector mà thiết bị ghi nhận được hay nói cách khác dựa vào phổ RBS sẽ biết trong bia có những nguyên tố nào.

Đây chính là cơ sở vật lý của việc nhận diện đồng thời các nguyên tố có trong mẫu.