Línea UHV para Física de superficies
Líneas de Haz

Persona Responsable: José Emilio Prieto de Castro

Diffraction pattern

Figura de difracción producido por la dispersión de electrones de baja energía (220 eV) en Cu(100).


View of uhv beamline

Vista de la línea UHV para física de superficies.



La línea de haz para el análisis de superficies en Ultra alto vacío del CMAM contiene un poderoso conjunto de equipamientos para el crecimiento de películas delgadas epitaxiales y caracterización de muestras mediante varias técnicas experimentales. El sistema permite el crecimiento de películas delgadas por Epitaxia de haces moleculares (MBE) y su análisis mediante las técnicas estándar de espectroscopia que utilizan los iones de alta energía proporcionados por el acelerador del CMAM [Retrodifusión Rutherford (RBS), detección de iones retrodispersados elásticamente ( ERDA), etc], así como la caracterización de las muestras con técnicas de superficie de alta sensibilidad [tales como la dispersión de iones de baja energía (LEIS), difracción de electrones de baja energía (LEED) y espectroscopía de electrones Auger (AES)].

El equipo consiste básicamente en una cámara de preparación de muestras, una cámara principal de análisis y un sistema de carga y bloqueo para la introducción y transferencia de la muestra bajo constante ultra alto vacio. Un goniómetro con 3 ejes de rotación y y dos de translación será montado en la cámara principal y permitará  enfriar las muestras  alrededor de 100 K y el calentamiento calentarlas hasta 700 K. Para el crecimiento de muestras mediante MBE, el subsistema de preparación cuenta con seis células Knudsen que contienen diferentes elementos ultra puros. Es posible, además, incluir una fuente de plasma de radiofrecuencia para generar las especies atómicas (N, O, etc) con el fin de producir óxidos metalicos o nitruros mediante deposición de MBE en presencia de un flujo de N u O atómicos. En el subsistema de preparación también puede llevarse a cabo caracterización óptica in situ (mediciones de reflectancia, elipsometría). En una fase posterior pueden ser incluidos equipamientos para la caracterización magnética (efecto Kerr) y eléctrica (resistividad).  Además, gracias a una cámara de vacío móvil equipada con una bomba de absorción de zirconio, se pueden transportar e introducir en el sistema las muestras preparadas en instalaciones externas preservando un entorno de ultra alto vacío. Con el mismo sistema las muestras crecidas en esta instalación pueden ser transportadas a otros equipos dentro del CMAM, como al exterior en las otras instituciones colaboradoras (IMM-CSIC, ICMM-CSIC), para ser analizadas con distintos métodos.

Para la realización de RBS/canalización y experimentos ERDA en la instalación de superficies de ultra alto vacio, los iones de alta energía producidos por el acelerador tandem 5 MV son transportados a una distancia alrededor de 15 metros y enfocados en la muestra con un tamaño inferior de un punto a 1 mm a través de la linea de 0-grados y de la línea de haz de ultra alto vacío. Un detector barrera de superficie de Si montado a un ángulo de 150º con respecto al haz incidente se emplea para definir mediante RBS el perfil en profundidad de los elementos con una resolución de profundidad de 5 nm en los primeros 50 nm en condiciones favorables. Es posible, también, la modificación de la muestra in situ a temperatura controlada usando iones pesados del acelerador (por ejemplo, los iones Cu con energías de hasta 55 MeV).

Una instalación experimental muy singular es el nuevo sistema LEIS-TOF para la determinación  de la estructura de superficies. Aquí la muestra es bombardeada por un haz picado de iones de gases nobles (He, Ar, Ne ...) típicamente con energías en el rango 2-6 keV. Se registran los  espectros de tiempo de vuelo (TOF) tanto de partículas dispersadas como de partículas retrodifundidas. Rastreos azimutales o polares de la intensidad de las partículas dispersas o retrodifundidas pueden obtenerse a partir de los espectros rotando la muestra. El sistema está equipado con un detector de posición 1D  situado a 1 m de distancia de la muestra que permite realizar mediciones simultáneas en un cierto rango de ángulos de dispersión o retrodifusióon de manera eficiente para la determinación de la estructura superficial y usando flujos de iones de menos de 1012 iones/cm2. 

La línea de haz y el sistema de vacío se han construido, alineado y probado. En el período enero 2008-diciembre 2009, haces de iones de baja energía con energías en el intervalo de varios kilovoltios se han producido en la fuente de iones y se han guiado con éxito a través de la línea de haz en el sistema de UHV, dispersados y revelados con un detector de MCP. Se ha instalado provisionalmente un manipulador de muestras, que permite la limpieza de la muestra y la preparación de la superficie mediante calentamiento con haz de electrones y pulverización catódica esputtering con gases nobles. Las prestaciones del equipo óptico del LEED han sido controladas con éxito: figuras de difracción de superficies de cobre cristalino se han observado y se han registrado espectros de electrones Auger. Además, un evaporador de hierro enfriado por agua se ha instalado en la cámara principal y verificado con éxito mediante el depósito de películas delgadas de diferentes grosores.