CNA

Centro Nacional de Aceleradores

Cuantificación simultanea de elementos ligeros mediante aceleradores de partículas

El investigador del Centro Nacional de Aceleradores, Javier Ferrer, responsable del estudio, indica que la importancia de este trabajo radica en que "la cuantificación simultánea de los elementos ligeros existentes en láminas delgadas resulta de interés en muchos campos tecnológicos tales como los biomateriales o los conductores transparentes."
 
En este estudio se han analizado tres tipos de láminas distintas: polímeros, silicio con helio y silicio fluorado. En las láminas delgadas de polímeros, es decir macromoléculas constituidas por la unión de una o varias unidades químicas, la cantidad de elementos ligeros, tales como el carbono (C), nitrógeno (N) u oxígeno (O), condiciona el funcionamiento de estos materiales poliméricos. El contenido en helio (He) incorporado por distintos métodos en láminas delgadas de silicio determina sus propiedades ópticas. Asimismo, capas de carbono fluorado presentan propiedades antisépticas en distinto grado según la cantidad de flúor (F) que contengan. Por lo tanto, es importante disponer de un método que nos permita caracterizar el contenido de estos elementos ligeros (He, C, N, O y F) en distintos materiales.
 
A pesar de la relevancia que tiene la cuantificación de los elementos mencionados anteriormente, se trata de una tarea complicada puesto que aunque se dispone de desde hace tiempo de diferentes técnicas capaces de detectarlos, la información que aportan es limitada. Del grupo de técnicas con haces de iones, el análisis con reacciones nucleares es la que ofrece una mejor resolución del problema, pero no permite la cuantificación simultanea de distintos elementos, ya que estos análisis se optimizan con una reacción distinta para cada elemento que queremos detectar.
 
Los investigadores de la Unidad de Análisis con Haces de Iones, IBA, del Centro Nacional de Aceleradores (Universidad de Sevilla-Junta de Andalucía-CSIC) en colaboración con investigadores del Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla (CSIC-Universidad de Sevilla-Junta de Andalucía) han desarrollado este estudio de láminas delgadas con distintos elementos ligeros, He, C, N, O y F, usando para ello el acelerador Tándem de 3 MV del CNA, obteniendo de este modo una cuantificación simultanea de todos estos elementos.
 
EBS WEB
Espectros de láminas delgadas de óxido de silicio fluorado (a), silicio con helio incorporado (b) y material polimérico (c). En cada uno de los espectros podemos observar simultáneamente señales correspondientes a diferentes elementos ligeros
 
La técnica de Espectroscopía por Retrodispersión Rutherford (RBS) se basa en el estudio de la energía de los iones retrodispersados (tradicionalmente partículas alfa) acelerados con energía de algunos MeVs. En el caso presente se han utilizado protones, en lugar de partículas alfa, de 2.0 MeV de energía. Gracias a ello, se han podido separar mejor las señales de los diferentes elementos ligeros que se desean detectar y se ha aumentado la sensibilidad de detección de éstos, pudiendo llegar a cuantificarlos en cantidades menores al 10 % atómico en capas con espesores de 200-500nm.
 
Referencia bibliográfica:
"Simultaneous quantification of light elements in thin films deposited on Si substrates using proton EBS (Elastic Backscattering Spectroscopy)"
"F.J. Ferrer, M. Alcaire, J. Caballero-Hernández, F.J. García-García, J. Gil-Rostra, A. Terriza, V. Godinho, J. García-López, A. Barranco, A. Fernández-Camacho"
"Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 332 (2014) 449-453"
http://dx.doi.org/10.1016/j.nimb.2014.02.124