Microanálise com feixes de íons : caracterização de elementos leves em materiais via micro-NRA e micro-PIXE

Abstract

O Laboratório de Implantação Iônica (LII) do IF-UFRGS possui uma linha de microfeixe instalada há poucos anos e que se encontra em fase de otimização e desenvolvimento. Esta é a primeira e única linha de microfeixe de íons instalada no Brasil e, portanto, é de grande interesse torná-la eficiente e disponibilizá-la para a comunidade científica. Algumas técnicas já estão bem desenvolvidas na linha de microfeixe: micro-PIXE, STIM e PBW (proton beam writing). A grande variedade de técnicas baseadas em feixes de íons de grande dimensão estimula estudos para a operacionalização dessas mesmas para o caso de feixes micrométricos. O estabelecimento e a operacionalização da técnica micro-NRA (reação nuclear) é importante para a consolidação de uma técnica capaz de determinar e mapear elementos leves que não são detectados com as técnicas atualmente em operação. Tais elementos, como por exemplo, carbono, nitrogênio e oxigênio, são os constituintes majoritários de grande parte dos materiais em estudo no LII. Neste estudo, apresentamos os parâmetros experimentais utilizados, bem como os resultados analíticos obtidos com a técnica de micro-NRA. Uma primeira avaliação sugere que a técnica tem grandes potencialidades para caracterização e mapeamento do carbono, enquanto que os resultados para o oxigênio e nitrogênio indicam a necessidade de uma técnica complementar. Adicionalmente, os resultados obtidos com micro-NRA foram comparados com os resultados provenientes de medidas com micro-PIXE utilizando um detector SDD com janela ultrafina, recentemente instalado na linha de microfeixe. Uma avaliação dos mapas elementares obtidos pelas duas técnicas indica que as medidas realizadas com micro-PIXE oferecem resultados com melhor estatística e mapas elementares de qualidade superior.

A couple of years ago, the Ion Implantation Laboratory (LII) at IF- UFRGS installed a microprobe station and ever since it has been under development. This is the first and unique ion microprobe station installed in Brazil and therefore it is of great interest to make it efficient and available to the scientific community. Some techniques are well developed in the microbeam station: micro-PIXE, STIM and proton beam writing. A wide variety of techniques based on broad ion beams stimulates further work for the implementation of such techniques for the case where the beam spot size is of the order of few micrometers. The study of the micro-NRA technique (Nuclear Reaction Analysis) is important since it can be used for the detection of light elements that are not detected with the techniques already in operation at the microprobe station. Such elements, such as carbon, nitrogen and oxygen are the major constituents of most materials under study in LII. In this study, we present the experimental parameters as well as the analytical results obtained with the micro-NRA technique. A preliminary assessment suggests that the technique has a great potential for the characterization and mapping of carbon, while the results for oxygen and nitrogen indicate the need for a complementary technique. Additionally, the results obtained with micro-NRA were compared with the results from measurements with micro-PIXE obtained with a SDD detector with ultra-thin window. An evaluation of the elemental maps obtained by the two techniques indicates that the measurements made with micro-PIXE provide results with better statistics and elemental maps with higher quality.