Characterization of ion implanted surfaces by laser induced breakdown spectroscopy, LIBS

Abstract

Lazer Oluşturmalı Plazma Spektroskopisi, LIBS, malzeme hazırlama işlemi en az seviyede ya da hiç olmadan, katı, sıvı, gaz ve aerosollerin elemental kompozisyonunu belirlemede son yıllarda yaygın olarak kullanılan bir atomik emisyon spektrometresi tekniğidir.Bu çalışmada, katı malzemelerin spektrokimyasal analizleri için bir Lazer Oluşturmalı Plazma Spektrometresinin tasarım, kurulum ve optimizasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Özellikle, 1016 - 1017 iyon/cm2 iyon konsantrasyonlarında iyon ekleme metodu ile silikon oksit yözeyine ekilmiş germanyum iyonlarının 2-boyutlu elemental dağılımı incelenmiştir. Bu amaçla, bir Nd: YAG lazerinin 532 nm'deki ikincil harmonik ışıması kullanılmıştır. Oluşan ışıklı plazmanın atomik emisyonu, Eşel tipi bir spektrograf ve şiddetlendirilmiş bir CCD detektör, ICCD, ile uzamsal ve zamansal olarak incelenmiştir.Laser Oluşturmalı Plazma ölçümlerinden elde edilen spektral emisyon şiddeti, zaman, krater büyüklüğü, aşındırma derinliği ve lazer enerjisi bakımından optimize edilmiştir. Oluşan kraterlerin derinliğini, morfolojisini ve elemental kompozisyonunu belirlemede Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM) ve Enerji Dağılımlı X-Ray spektroskopisi ile eşleştirilmiş Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), kullanılmıştır. LIBS spektral verileri, silikon oksit üzerine ekilmiş Ge iyonlarının iki boyutlu (2-D) elemental kompozisyon dağılımının % 0,5 (atomik) den daha az miktarlarda tayin edilebileceğini göstermiştir. Kurulan LIBS sisteminin 50µm yüzeysel ve 800 nm derinlik çözünürlüğünde hızlı bir yarı-kantitatif analiz metodu olarak kulanılabilirliği değerlendirilimiştir. Ayrıca Al ve Cu gibi metal yüzeylerinin elemental analizleri de yapılmıştır.

Laser Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS, is a versatile atomic emission spectrometric technique for the determination of the elemental composition of solids, liquids, gases and aerosols with the need for little or no sample preparation.In this study, an optical LIBS system from its conventional parts was designed, constructed and optimized for spectrochemical analysis of solid materials. Specifically, the 2-D elemental distribution of Ge ions on silicon oxide surfaces, prepared by the method of ion implantation, with differing atomic concentrations between 1016 - 1017 ions/cm2 have been investigated by LIBS. For this purpose a Nd: YAG laser operating at the second harmonic wavelength, 532 nm, was used to create a plasma on the material surfaces. Spatially and temporally resolved atomic emission from the luminous plasma was detected by an Echelle spectroctrograph and Intensified Charged Coupled Device (ICCD) detector combination.Spectral emission intensity from the LIBS measurements has been optimized with respect to time, crater size, ablation depth and laser energy. Atomic Force Microscopy (AFM) and Scanning Electron Microscopy (SEM) coupled with Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDX) have been utilized to obtain crater depth, morphology and elemental composition of the sample material, respectively. LIBS spectral data revealed the possibility of performing 2-D distribution analysis of Ge ions over the silicon oxide substrate at Ge ion concentrations lower than 0.5% (atomic). LIBS as a fast semi-quantitative analysis method with 50µm lateral and 800 nm depth resolutions has been evaluated. In this wok, elemental analysis of some metal surfaces, such as Al and Cu, was also performed by LIBS.