Master's Thesis

Analysis and modification of thin layers using ion beams

Final Thesis 8.19 MB Appendix 319.63 kB

Author of thesis: Ing. Jakub Jonner

Acad. year: 2009/2010

Supervisor: doc. Ing. Petr Bábor, Ph.D.

Reviewer: RNDr. Jan Lörinčík, CSc.

Abstract:

This diploma thesis deals with analysis and modification of thin layers using ion beams. The first part of this diploma thesis deals with phenomena accompanying ion beam bombardment of solid matter. The second part of this diploma thesis is concerned with Secondary Ion Mass Spectroscopy (SIMS) and Low Energy Ion Scattering (LAIS). This work convey some basic information about these two techniques and it also deals with some benefits result in their connection into parallel depth profiling mode (such as better depth resolution of the LEIS profile, quantification of the SIMS). These benefits are demonstrated on MoSi film measurement. Within the framework of this thesis a new UHV manipulator was designed. This new UHV manipulator is equipped with precise stepper UHV motor and since the proportions are smaller, the manipulation with a sample in a space limited UHV chamber is much more comfortable and more precise.
The third part of this diploma thesis deals with ion-beam induced transformation of epitaxially grown Fe films with thickness of 22 monolayer (ML) and 44 ML on      Cu(100) single crystal at room temperature. Metastable Fe films of 22 ML thickness were prepared in CO pressure and 44 ML Fe films were prepared by co-evaporation of Fe with Fe64Ni36 (invar). Structural changes are analyzed by scanning tunneling microscopy and low-energy electron diffraction. The aim of this thesis is to discuss the influence of the sputtering parameters such as ion dose and ion energy on the nucleation of bcc nanocrystals, their growth, final shape and size. The influence of different Ni concentration on stability of 44 ML thick Fe films is also discussed.

Keywords:

Analysis and modification with ion beams, SIMS, LEIS, parallel depth profiling mode, Fe films on Cu(100), transformation of thin Fe films, Fe films prepared in CO pressure, Fe films prepared by co-evaporation of Fe with invar.

Date of defence

16.06.2010

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Physical Engineering

Study programme

Applied Sciences in Engineering (N3901-2)

Field of study

Physical Engineering and Nanotechnology (M-FIN)

Composition of Committee

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (místopředseda)
prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc. (člen)
doc. RNDr. Josef Kuběna, CSc. (člen)
prof. RNDr. Jiří Komrska, CSc. (člen)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Ivan Křupka, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Petr Bábor, Ph.D.

V rámci diplomové práce byla provedena analýza MoSi vrstev pomocí paralelního hloubkového profilování metodami SIMS a TOF-LEIS. Rovněž bylo provedeno vyhodnocení a interpretace experimentálních dat. Byly nastíněny možnosti využití metody TOF-LEIS pro kvantitativní zpracování dat měřených metodou SIMS. Bylo prokázáno vyšší rozlišení metody TOF-LEIS při použití He částic odražených pod mixovanou povrchovou vrstvou. Nad rámec zadání byla povedena velmi časově náročná konstrukce manipulátoru s UHV krokovým motorem, jehož většina částí je v současné vyrobena. Během pobytu na Technické univerzitě ve Vídni se diplomantovi podařilo na vysoké úrovni  zvládnout měření metodou STM, což je v diplomové práci ilustrováno pomocí experimentu, ve kterém byly modifikovány tenké vrstvy Fe pomocí iontových svazků. Vzhledem k svědomité, aktivní a tvůrčí činnosti diplomanta navrhuji práci hodnotit stupněm A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené vysledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
RNDr. Jan Lörinčík, CSc.

Předloženou práci lze rozdělit na dvě zhruba stejně rozsáhlé části, jejichž společným jednotícím prvkem je technologie iontových svazků. V první části je popsáno využití iontových svazků na chemickou analýzu multivrtevMoSi originálním způsobem, který spočívá v kombinaci metod TOF-LEIS a SIMS. Ve druhé části jsou popsány experimenty, při kterých jsou iontové svazky využity na lokální modifikaci krystalografické struktury tenkých vrstev Fe nanesených na monokrystalu Cu.
Práce je napsána přehledně a lze si z ní udělat představu o přínosu a podílu diplomanta na jejích výsledcích. Diplomant ve své práci prokázal zvládnutí široké škály dovedností a znalostí; od osvojení si programu na simulaci iontových svazků SIMION a programu AutoCAD až po zvládnutí metod přípravy (vakuové napařování) a diagnostiky (TOF LEIS, SIMS, STM, LEED, AES) tenkých vrstev a povrchů.
Při vysvětlování motivace pro použití kombinované metody TOF-LEIS  SIMS, se vyskytuje důležitý pojem hloubkového rozlišení. Nikde jsem však nenašel definici hloubkového rozlišení  a také žádný kvantitativní odhad jakého hloubkového rozlišení bylo dosaženo metodou TOF-LEIS SIMS při měření MoSi multivrstev (Obr. 4.10. až 4.12.). Není tudíž možné v tomto parametru porovnat výsledky diplomové práce s výsledky dasaženými v jiných laboratořích. Domnívám se, že jeden nebo dva odstavce na toto téma chybí do úplného splnění bodu b) ze seznamu cílů diplomové práce. Ostatní cíle diplomové práce pokládám za splněné beze zbytku.
Zpracování SIMS profilu z Obr. 4.9. pokládám za velmi objevné a originální. S hloubkovým profilem MoSi multivrstev se zachází tak, jako by to byla binární slitina MoxSi1-x s hloubkou se měnícím parametrem x, který odpovídá relativní koncentraci Mo definované v rovnici 4.1. Na druhé straně Obr. 4.9. a z něho odvozené dramaticky "vylepšené" profily v Obr. 4.10 by si žádaly více komentáře.
V práci jsem našel zanedbatelné minimum formálních nedostatků: v anglickém abstraktu by mělo být LEIS místo LAIS, na konci par. 2.1. RSF místo RFS, na str. 7 na 2. a 10. řádku dolního odstavce "mohou" místo "můžou".
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. vysledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. 1. Jak je definováno hloubkové rozlišení a jakého hloubkového rozlišení bylo při Vašich TOF-LEIS-SIMS měřeních dosaženo? 2. Odpovídá kvalitativní průběh profilu označeného Si na Obr. 4.9. průběhu koncentrace Si ve vzorku anebo tento profil vůbec nekopíruje změnu koncentrace Si? Je podobným způsobem ovlivněn i profil Mo?
  2. 3. Čím si vysvětlujete dramatické zlepšení profilu Mo na Obr. 4.10. po transformaci původních dat z Obr. 4.9. pomocí vzorce 4.3.? 4. Jaký je vztah mezi relcSi a relcMo? Je profil "Si-relativní" z Obr. 4.10. odvozen od prvotních dat profilu Si anebo spíše profilu Mo z Obr. 4.9.? 5. Ideální profil u Vašich vzorků MoSi by měl vypadat jako obdélníky široké 3.3 nm oddělené mezerami širokými 11 nm, tj. maximální relativní koncentrace Mo by měla být rovna 1. Proč vyšla maxima relativní koncentrace Mo nižší než 1 a navíc rozdílně při 5 keV He+ (max. rel cMo ~ 0.75, Obr. 4.11) a při 2 keV He+ (max. rel cMo ~ 0.9, Obr. 4.12)?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová