دانلود مقاله بررسی ایجاد پرتوهای یونی سرد برای نانو‌تکنولوژی

عنصر اساسی در توانایی ما برای مشاهده، ساخت، و در بعضی موارد به‌کاراندازی دستگاههای بسیار کوچک فراهم بودن پرتوهای ذره‌ای بسیار متمرکز، مشخصا" از فوتون‌ها، الکترون‌ها و یون‌ها می‌باشد.

قانون عمومی حاکم بر اثر ذرات برخوردی، بیان می‌دارد که چنانچه تمایل به تمرکز یک پرتو از ذرات به یک نقطه با اندازه مشخص داشته باشیم، طول موج وابسته به ذرات برخوردی باید کوچک‌تر از اندازه قطر نقطه مورد نظر باشد.

روابط حاکم بر انرژی و بالطبع طول موج این ذرات بیان کننده آن است که اتم‌ها و بالطبع یون‌ها مناسب ترین کاندیداها برای این آزمایشات می‌باشند مشاهده می‌کنیم که فوتون‌های در ناحیه مریی (eV5/3 – 6/1) برای تمایز تا یک مایکرون و تشخیص اندازه‌های تا چند مایکرون مفید هستند.

استفاده از فوتون‌های انرژی بالاتر یعنی در ناحیه UV تا محدود اشعه ایکس (eV1000 – 5) قدرت تمایز پذیری بیشتری را حاصل می‌نماید.

اما با افزایش بیشتر انرژی (بزرگ‌تر از (eV) 1000) به علت افزایش اثر پخش شدگی (scattering) فوتون‌ها کاربرد خود را در محدوده طول موج‌های کوتاه به سرعت از دست می‌دهند.

در مورد الکترون‌ها که معمولا" در محدوده انرژی‌های (eV) 105 - 102 به کار می‌روند، محدودیت طول موج در اندازه‌های اتمی، که چند آنگستروم (m10-10) می‌باشد، وجود نداشته اما دوباره محدودیت ناشی اثر بخش شدگی ظاهر میگردد، که توجه به استفاده از الکترون‌ها را کاهش می‌دهد.

در خصوص به کارگیری یون‌ها، با توجه به جدول 1 حتی یون‌های با انرژی خیلی کم طول موجی بسیار کوتاهی دارا میباشند، و به علت آنکه دارای اندازه‌ای قابل مقایسه با اندازه‌های آرایه‌های اتمی می‌باشند، حوزه عمل آنها بسیار محدود بوده و دارای پخش شدگی بسیار ناچیز می‌باشند.

به واسطه همین خصوصیات از یک طرف و امکان دست‌کاری (manipulation) آسان یون‌ها در میدآنهای الکتریکی و مغناطیسی، توجه به استفاده از یون‌ها در ساختارهای بسیار ریز در قرن جدید و آینده، که قرون ساختارهای بسیار ریز که اصطلاحا" فن‌آوری نانویی گفته می‌شود اهمیت می‌یابد.

با توجه به خصوصیات این فن‌آوری، سیستم تحویل دهنده پرتو یونی باید یون‌هایی را آماده سازد که به صورت بسیار بالایی متمرکز شده، و دارای هم‌راستایی بسیار خوبی بوده و در نتیجه دارای پراکندگی بسیار کم و تابندگی بالا باشند.

فضای فاز برطبق مکانیک آماری مشخصه اصلی حرکت هر توزیع یونی در فضای فاز (phase space) که فضای معرف حرکت یون‌ها می‌باشد، به وسیله مختصات اندازه حرکت (p) و جابه‌جایی (q) بیان می‌گردد.

برای سیستم‌های با سه درجه آزادی (x,y,z) این فضا، فضایی 6 بعدی را با مختصات (px,p y,p z) p iو (q x,q y,q z) q i تشکیل می‌دهد.در نتیجه برای یک حجم جزیی در فضای فاز داریم؛ dV6 = dq x dq y dq z dp x dp y dp z و برای تعداد ذرات در این فضا خواهیم داشت: d6N = f6(q, p, t)dV6 که Vحجم کلی در این فضا و f دانسیته مکانی در فضای فاز (local phase space density)می‌باشد.

اصل کلی در مکانیک آماری که بیانگر روابط مابین این مختصات و حرکت یون‌ها می‌باشد به قضیه لیوویل مشهور می‌باشد(1).

برطبق این قضیه دانسیته(f) فضای فاز (phase space density) در طول مسیر یون‌ها نسبت به زمان مقداری است ثابت و در نتیجه توسط شرایط اولیه توزیع یونی تعیین می‌گردد.

از طرفی بر طبق مکانیک آماری هر توزیع یونی را که در تعادل ترمودینامیکی قرار دارد می‌توان توسط مفهوم اساسی دما مشخص نمود (1).

در این صورت نتیجه کلی قضیه لیوویل و مفهوم دما، ارتباط دانسیته توزیع یون‌ها در فضای فاز و دمای توزیع یونی می‌باشد.

phase space density = Constant *exp(E/kT) به طور خلاصه می‌توان بیان داشت که هر چه دمای مجموعه‌ای از یون‌ها پایین تر باشد دانسیته توزیع یونی در فضای فاز بیشتر می‌گردد (شکل 1).

Px X X Px cooling (a) (b) x شکل 1.

تصویر توزیع یونی در فضای فاز x و px.

(a) توزیع یونی در شرایط اولیه (b) توزیع یونی پس از سرد شدن با توجه به ارتباط مابین دانسیته توزیع یونی و پراکندگی و تابندگی و قطر توزیع می‌توان اصل ارتباط این مفاهیم را با مفهوم دما به صورت ذیل بیان نمود, کاهش دما افزایش دانسیته توزیع کاهش پراکندگی افزایش تابندگی توزیع کاهش قطر توزیع با کاهش دمای توزیع یونی، دانسیته توزیع در فضای فاز افزایش یافته و در نتیجه این امر باعث کاهش پراکندگی (emittance) و افزایش تابندگی (brightness) و کاهش قطر توزیع(distribution diameter) یونی می‌گردد (نمودار 1).

نمودار 1.

بیان کننده جهت افزایش و کاهش پارامترهای مختلف.

حد نهایی این کاهش دما و در نتیجه کاهش پراکندگی و قطر توزیع و افزایش تابندگی را می‌توان میعان بوز - انیشتین(2(دانست.

برای ایجاد توزیع یون‌ها در دماهای پایین، ابتدا باید یون‌ها در محیطی که اصطلاحا" به آن تله (trap) می‌گویند، به دام انداخت.

تله‌های مغناطیسی که به تله‌های پنینگ مشهورند (3)، تله‌های رادیوفرکانسی (RFQ)، که تله‌های پایولی (Paul trap) نیز نامیده می‌شوند (4)، محیط‌های به دام انداختن یون‌ها را فراهم می‌سازند.

جزییات نحوه عملکرد این تله‌ها را می‌توان در مراجع اشاره شده جستجو نمود، اما به دلیل اهمیت و کاربرد آینده در تهیه پرتوهای نوری مورد استفاده در فن‌آوری نانویی توجه خاص به تله‌های رادیوفرکانسی و هدایت کننده‌های یونی رادیو فرکانسی (RFQ ion guide) (چهارقطبی رادیوفرکانسی) که نحوه عملکرد متشابهی با تله‌های رادیوفرکانسی دارند می‌نماییم.

اساسا" تله‌های یونی و هدایت کننده‌های چهارقطبی، محیط‌های ایده آل برای مشاهده و دست‌کاری (manipulation) یون‌ها را فراهم می‌سازند.

یک تله یونی دارای ساختاری متشکل از سه الکترود، (الکترود حلقه و دو الکترود انتهایی) به شکل هذلولی دوار می‌باشد که با به‌کارگیری پتانسیل‌های متغیر(AC) و ثابت (DC) یک میدان چهارقطبی را ایجاد می‌نماید که قادر است حرکات ذرات باردار در سه بعد محصور نماید (شکل 2).

شکل2.

مشخصات الکترودهای یک تله یونی رادیوفرکانسی هدایت کننده چهار قطبی، از چهار میله موازی بهره می‌جوید که با اعمال ترکیبی از پتانسیل‌های متغیر (AC) و ثابت (DC) یک میدان چهار قطبی ایجاد و قادر خواهد بود حرکات ذرات باردار را در دو بعد محصور و در بعد سوم باعث انتقال ذرات باردار گردد (شکل 3).

شکل 3.

مشخصات الکترودهای یک هدایت کننده چهار قطبی معادلات حاکم بر حرکات ذرات در چهارقطبی‌ها از نوع فرم عمومی معادلات مشهور به ماتیو(Mathieu equation) (1) بوده که دارای راه حل‌های استاندارد می‌باشند.

در این معادله U جایگزین مختصات z و یا r شده، و au و qu پارامترهای پایداری حرکت نامیده می‌شوند، و دارای مقادیر که در آنها، تابع فرکانس RF، U مقدار پتانسیل ثابت (DC) و V دامنه پتانسیل متغیر (AC) می‌باشد.

آنالیز ریاضی معادلات ماتیو (Mathieu)، نواحی از پایداری حرکت یون‌ها را در میدآنهای چهارقطبی مشخص می‌نماید، که به دیاگرام پایداری موسوم می‌باشد (شکل 4).

با قراردادن یون‌ها در نواحی پایدار می‌توان آنها را در تله‌ها و هدایت کننده‌های چهارقطبی به ترتیب در سه و دو بعد محصور نمود.

شکل 4.

دیاگرام پایداری سرد کردن یون‌ها در میدآنهای چهارقطبی عامل اصلی در پایداری حرکت یون‌ها در میدآنهای چهارقطبی وجود RF می‌باشد.

هرچند که وجود RF در این میدآنها خود عاملی است جهت افزایش دمای پرتوهای یونی و در نتیجه جلوگیری از ابقای طولانی این پرتوها(5).

در حقیقت هر چه دما پرتوها در این میدآنها کاهش یابد پایداری حرکت یون‌ها از یک طرف در این چهار قطبی‌ها افزایش یافته و از طرف دیگر با کاهش دما، دانسیته فضای فاز افزایش یافته و پرتوهایی با پراکندگی کمتر و تابندگی بیشتر حاصل می‌گردد.

روش‌های مختلفی برای کاهش دما پرتوهای یونی به‌کار می‌رود که مهم‌ترین آنها عبارتند از: 1- سرد کردن به روش تبخیری، 2- سرد کردن به وسیله برخورد با مولکول‌های خنثی یا سرد کردن بافری، 3- سرد کردن با لیزر، 1- در روش تبخیری، یون‌های با انرژی بالا به وسیله برخورد با الکترودهای چهارقطبی از بین رفته و در نتیجه متوسط انرژی یون‌ها در پرتو کاهش یافته نهایتا" باعث سرد شدن تدریجی پرتو می‌گردد.

2- در روش برخورد با مولکول‌های خنثی (برخورد یون - ذره خنثی)، متوسط انرژی پرتو و در نتیجه دمای پرتو بوسیله برخورد با مولکول‌هایی که جرم آنها به مراتب کوچک‌تر از جرم پرتوهای یونی است در پروسه‌ای که اصطلاحا" کشش جذبی (Viscous Drag) گفته می‌شود، کاهش می‌یابد.

در عمل وجود rf به همراه این برخوردها باعث می‌شود دمای تعادل نهایی حاصل از عمل سرد شدن کمی بالاتر از دمای گاز بافری باشد.

نهایتا" در این روش با کاهش دمای گاز بافری تا دمای نیتروژن مایع و یا حتی هلیوم مایع می‌توان پرتوهای یونی بسیار متمرکز با پراکندگی بسیار کم و تابندگی بالا ایجاد نمود که کاربردهای آینده این فن‌آوری را در نانوتکنولوژی فراهم می‌سازد.

3- در روش سرد کردن به وسیله نور لیزر که اصطلاحا" روش تبخیری لیزری نامیده می‌شود، اتم‌ها ابتدا با جذب فوتون پرتو لیزری به واسطه اثر داپلری، و سپس با تابش فوتونی در جهاتی که لزوما" همان جهات تابش پرتو اولیه نیست، آهسته می‌گردند و در نتیجه متوسط دمای پرتو کاهش می‌یابد.

آزمایشات چند ساله اخیر نشان داده که این روش کار آمد ترین روش برای کسب پرتوهایی با دماهای بسیار پایین می‌باشد.

میعان بوز - انیشتین، که در دماهای بسیار نزدیک به صفر مطلق (nK) حاصل می‌شود و امید اصلی فن‌آوری نانویی برای به‌کارگیری لیزرهای اتمی می‌باشد با این روش حاصل گردیده است.

مشخصات پرتوهای مورد نیاز فن‌آوری نانویی با توجه به کاربردهای متعدد به‌کارگیری یون‌ها در لایه گذاری در نانوتکنولوژی به طور مثال در ایجاد مقاومت‌های دقیق در تولید IC (نظیر مقاومت‌های کوچک‌تر از 100cm-2)، در کاربرد نیمه‌هادی‌های با فاصله انرژی پهن در الکترونیک قدرت و دمای بالا (نظیر آمورف کردن GaN به وسیله یون‌های Ar و C و Au)، در اصلاح سطوح پلیمری، درکنترل دقیق مقدار دز در لایه نشانی نسبی (ratio deposition) و ایجاد اتصال‌های بسیار کم عمق، (ultra shallow junction) می‌توان امید انقلابی نوین در نانوتکنولوژی را در صورت فراهم سازی پرتوهای یونی با قابلیت‌های کنترل شوندگی، پراکندگی کم و تابندگی بالا را داشت.

مشخصات مورد نیاز نانوتکنولوژی درخصوص استفاده از پرتوهای یونی در جدول 2 خلاصه شده است.

جدول 2.

مشخصات مورد نیاز این پرتوها را در یون نشانی در فن‌آوری نانویی بیان می‌دارد نتایج تجربی با توجه به مشخصات مورد نظر در فن‌آوری نانویی، نتایج یک مدل ریاضی جهت (4) یون‌های محصور شده در یک تله پایولی، که از گاز بافری برای سرد کردن یون‌ها بهره می‌جوید، را در یک سیستم زمان پرواز (T.O.F) بررسی می‌کنیم (شکل 5).

شبیه سازی برای دماهای به ترتیب 300، 500، 1000، 2000، 3000، 10000 درجه کلوین نشان می‌دهد که با افزایش دمای پرتو محصوری در تله پراکندگی زمانی پرتو خروجی به شدت افزایش می‌یابد.

این امر ناشی از افزایش پراکندگی فضایی پرتو و کاهش تابندگی در اثر افزایش دمای پرتو می‌باشد.

در مقایسه نتایج این شبیه سازی با نتایج تجربی برای یک تله پایولی بسیار بزرگ (4)، تطبیقی نسبتا" کامل از سیگنال آشکار ساز و شبیه ساز مشاهده می‌گردد (شکل 6).

شکل 5.

شبیه سازی پرتو خروجی از یک تله پایولی برای دماهای مختلف شکل 6.

مقایسه نتایج شبیه سازی و نتایج تجربی (نقاط) در دمای K 500 نتایج این آزمایش و مدل سازی اطلاعات دقیقی از دمای پرتو محصوری و در نتیجه مشخصات فیزیکی پرتو از قبیل پراکندگی فضایی (emittance)، و تابندگی به ما می‌دهد.

در این آزمایش در دمای K 500، پراکندگی فضایی حاصل برای 104 یون که به صورت پالس در حدود یک مایکروثانیه تحویل آشکار ساز می‌گردد حدودا" -mm-mard 25 می‌باشد.

ماکزیمم قطر پرتو یونی نیز در حدود mm 2، که قطر دهانه خروجی الکترود می‌باشد، اندازه گیری شده است.

در عمل با قراردادن یک کاهش دهنده پرتو، به اندازه m 2 می‌توان قطر پرتو خروجی با ضریب 1000 کاهش داد این عمل باعث کاهش جریان خروجی با ضریبی معادل 106 نسبت به جریان اولیه می‌گردد.

در این صورت محاسبات اولیه نشان می‌دهد که با قراردادن یک لنز یونی در مسیر حرکت یون‌ها و در نزدیکی هدف لایه گذاری، می‌توان قطر پرتو فرودی را تا میزان nm 20 کاهش داد این عمل باعث افزایش دز فرودی برروی هدف تا میزان ions/cm2-s 1016 می‌گردد (شکل 7).

تاثیر این روش در کاهش پراکندگی فضایی به وضوح روشن نیست اما می‌توان انتظار داشت با کاهش دمای گاز بافری به دمای نیتروژن مایع و پایینتر، پراکندگی فضایی در حدود مورد قبول در فن‌آوری نانوتکنولوژی بدست آید.

از طرفی آزمایشات انجام شده برروی سرد کردن جریآنهای پیوسته یونی در هدایت کننده‌های چهار قطبی (5و6)، نشان دهنده آن است که می‌توان توسط استفاده از گاز بافری دمای پرتو خروجی را تا حدود دمای گاز بافری کاهش داد.

این نتایج حکایت از وجود دمای پایین در پرتو یونی (K 300) با مقدار جریان 1 PA107 ion/s و پراکندگی به -m-mard 200 و قطر پرتو خروجی در حدودm 30 می‌نماید.

مجددا" با استفاده از محدود کننده جریان یونی می‌توان قطر پرتو را تا میزان m1کاهش داد این عمل سبب کاهش جریان یونی تا میزان ion/s 104 کاهش می‌گردد.

با قراردادن لنز یونی می‌توان این پرتو را در قطری در حدود nm 10 متمرکز نمود.

این عمل به طور تقریبی باعث کاهش پراکندگی تا میزان40/1 مقدار اولیه یعنی -m-mard5 می‌گردد.

میزان دز فرودی برروی هدف را می‌توان در حدود ions/cm2-s 1016 محاسبه نمود (شکل 7).

شکل 7.

دیاگرام های پیشنهادی ایجاد پرتوهای یونی قابل استفاده در نانوتکنولوژی خلاصه در این مقاله سعی شده است با استفاده از روش‌های سرد کردن یون‌ها در میدآنهای چهارقطبی، امکان به‌کارگیری آنها را با توجه به مشخصات مورد نظر در نانوتکنولوژی بررسی نمود.

نتایج و محاسبات انجام شده نشان می‌دهد که تله‌های پایولی و هدایت کننده‌های چهارقطبی را می‌توان با استفاده از روش سردکردن بافری جهت آماده سازی پرتوهای یونی مورد نظر در نانوتکنولوژی به‌کار برد.

کاهش پراکندگی فضایی و در نتیجه افزایش تابندگی، با به‌کارگیری گازهای بافری در دماهای نیتروژن مایع و حتی هلیوم مایع و همچنین استفاده از سرد کردن لیزری نوید بخش تحقیقات آینده در این زمینه خواهد بود.

منابع و مراجع: H.

Goldstein, “Classical Machanics”, Addison-Wesley, Reading (1980).

Eric A.

Cornell, Wolfgang Ketterle, Carl E.

Wiemen, “Bose-Einstein Condensation in dilute gases of Alkali atoms”, The 2001 Nobel Prize in Physics.

R.E.

March and J.F.J.

Todd, “Modern Mass Spectrometry-Practical Aspects of Ion Trap Mass Spectrometry, CRC Press series (1995).

A.M.

Ghalambor Dezfuli, “Injection, Cooling and Extraction of Ions from a Very Large Paul Trap”, Ph.D.

Thesis, McGill University (1996) A.M.

Ghalambor Dezfuli, “Ion Trap Nanotechnology?” Physical society, Physics Department McGill University, Montreal Quebec Canada (2001) T.

Kim.

“Buffer gas cooling of ions in a radio frequency Quadrupole ion guide”.

Ph.D.

Thesis, McGill University Montreal (Quebec), August (1997).

انرژی‌های مختلف E 0 (eV)انرژی‌های مختلف E 0 (eV)انرژی‌های مختلف E 0 (eV)انرژی‌های مختلف E 0 (eV)انرژی‌های مختلف E 0 (eV)انرژی‌های مختلف E 0 (eV)انرژی‌های مختلف E 0 (eV)طول موج ذره (m)106105104103102101طول موج ذره (m)6-10*24/15-10*24/14-10*24/13-10*24/12-10*24/16-10*24/124/1فوتون‌ها7-10*7/86-10*70/35-10*22/15-10*88/34-10*23/14-10*88/33-10*23/1الکترونها8-10*87/28-10*07/97-10*87/27-10*07/96-10*87/26-10*07/95-10*87/2پروتونها 100eV to MeVEnergy108-1017Dose (ions/cm2)Emittance (-m-mrad)Pulse-ContinousIons(10-100) 2Peneteration Area (nm) 2Depend on energyPeneteration depth (nm)UHVVacuum