La Retrodispersión de Rutherford (RBS) La Retrodispersión de Rutherford (RBS)

Javier Miranda Instituto de Física Universidad Nacional Autónoma de México

Javier Miranda Instituto de Física Universidad Nacional Autónoma de México

Escuela de Verano en Física 2001 Escuela de Verano en Física 2001

Historia de RBS Historia de RBS

• Experimentos de Rutherford, Geiger y Marsden (1911) • Contaminantes en blancos para Física Nuclear (Tollestrup,

1949) • Análisis de contaminación atmosférica (Rubin, 1950) • Elementos traza en blancos gruesos y delgados (Rubin,

1957; Mazari, 1959) • Medición de difusión Au­Cu (Sippel, 1959) • Análisis de suelo lunar por Surveyor V en 1967

(Turkevich, 1968) • Libro de Chu, Nicolet, Mayer (1978)

Retrodispersión de Rutherford (RBS)

Retrodispersión de Rutherford (RBS)

Cantidades Básicas en RBS Cantidades Básicas en RBS

• Factor Cinemático de dispersión K • Sección Eficaz de Dispersión dσ/dΩ • Poder de Frenado dE/dx • Fluctuaciones de Energía Ω B ²

• Factor Cinemático de dispersión K • Sección Eficaz de Dispersión dσ/dΩ • Poder de Frenado dE/dx • Fluctuaciones de Energía Ω B ²

Factor Cinemático de Dispersión Factor Cinemático de Dispersión

( ) [ ] ( ) ( ) K

E E

M M M M

M M = =

− +

+

' s e n c o s /

1

1 1 2

2 2 1 2

1 2

1 2

2

θ θ

Factor cinemático de dispersión Factor cinemático de dispersión

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

C S TiPd Au

K

θ

Sección eficaz de dispersión Sección eficaz de dispersión

Z 2 e M 2

θ

Z 1 e M 1

E

Sección Eficaz de Dispersión Sección Eficaz de Dispersión

• Calculada originalmente por Ernest Rutherford • Representa la probabilidad de que ocurra el fenómeno de la dispersión

• Cálculo clásico coincide con cálculo cuántico

• Calculada originalmente por Ernest Rutherford • Representa la probabilidad de que ocurra el fenómeno de la dispersión

• Cálculo clásico coincide con cálculo cuántico

( ) ( ) [ ] ( ) ( ) [ ]

d d

Z Z eE

M M

M M

σ θ

θ θ

θ Ω =

− +

−

1 2 2 2

4

1 2

2 1 2 2

1 2

2 1 2 4 4 1

1 sen

sen cos

sen

/

/

Sección eficaz de dispersión Sección eficaz de dispersión

0 1 2 3 4 5 6 10 ­3

10 ­2

10 ­1

10 0

10 1

10 2

10 3

10 4

He + 170°

C AlNiTePb

dσ Ru

th /d

Ω (b)

Energía de los Iones (MeV)

Efecto de K y dσ/dΩ ( 4 He + 2 MeV) Efecto de K y dσ/dΩ ( 4 He + 2 MeV)

0.01

0.1

1

10

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

Energía (MeV)

Sección Eficaz (b)

C O

Al

Fe

Cu Ag

Au Pb

Poder de frenado Poder de frenado

Poder de frenado Poder de frenado

10 ­2 10 ­1 10 0 10 1 10 ­2

10 ­1

10 0

10 1

10 2

10 3

1 H ­­> 26 Fe Electrónico Nuclear

Poder de Frenado (keV

/µm)

Energía de los Iones (MeV)

Poder de frenado para protones Poder de frenado para protones

0 1 2 3 4 5 0

50

100

150

200

250

300

C FePdPt

Poder de Frenado (keV

/µm)

Energía de los Iones (MeV)

Fluctuaciones de energía (Straggling) Fluctuaciones de energía (Straggling)

dx

2.0 4.0 6.0 8.0 Eo

Ion incidente Ion emergente

2.0 4.0 6.0 8.0 Eo ­ S(E)dx

Efecto del straggling en un espectro Efecto del straggling en un espectro

KE 0

Resolución del detector

Resolución del detector + straggling

Dispositivo experimental para RBS

Dispositivo experimental para RBS

Detector semiconductor Detector semiconductor

Cuanto de radiación incidente

Semiconductor

Contacto óhmico

Pares electrón­ hueco

Detector de barrera superficial Detector de barrera superficial

RBS en Películas Delgadas RBS en Películas Delgadas

Energía Cuentas

Haz de iones

RBS en Blancos Gruesos RBS en Blancos Gruesos

Energía Cuentas

Haz de iones

RBS en blancos gruesos compuestos RBS en blancos gruesos compuestos

Haz de iones

Blanco compuesto

Elemento ligero Elemento pesado

Espectro RBS Espectro RBS

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

H + 0.7 MeV Puré de Jitomate Japonés

Ca

Na

O

C

Núm

ero de Cuentas

Energ ía (keV)

Análisis Cuantitativo con RBS Análisis Cuantitativo con RBS

A Q d d

Nt = Ω Ω σ

Películas delgadas Películas delgadas

Análisis RBS de una película de Óxido de Cobalto

Otros efectos en RBS Otros efectos en RBS

• Desviaciones de la sección eficaz con respecto a la formulación de Rutherford

• Canalización

Desviaciones de la sección eficaz con respecto a la ecuación de Rutherford Desviaciones de la sección eficaz con respecto a la ecuación de Rutherford

1 .5 2 .0 2 .5 3 .0 3 .5 4 .0 4 .5 5 .0 5 .5 0

5

1 0

1 5

2 0

2 5

1 6 O (α , α ) 1 6 O θ L a b = 1 7 0 °

σ/σ R

uth

E n e r g ía d e lo s I o n e s (M e V )

Espectro de un superconductor Espectro de un superconductor

Canalización Canalización

Iones incidentes

Monocristal

Canalización Canalización

Espectro normal

Contribución aleatoria

Espectro con canalización

Método para canalización Método para canalización

Muestra monocristalina

Ion incidente

Espectro de películas de CoSi 2 en Si(111) con canalización Espectro de películas de CoSi 2 en Si(111) con canalización

Ventajas de RBS Ventajas de RBS

• Sensible para elementos pesados en una matriz ligera

• Útil cuando se requiere conocer la matriz de una muestra

• Proporciona información en profundidad • Combinado con canalización da información sobre la estructura cristalina

Desventajas de RBS Desventajas de RBS

• No tiene buena resolución para elementos parecidos en masa atómica

• La simulación de un espectro no tiene solución única

• Los límites de detección son altos