Propuestas de Trabajos para la Carrera de Maestría en Física (2004)

Manejo y Detección de Haces de Iones, Electrones y Fotones

Referencias:
1. "Convoy electron emission in 20-100 keV grazing proton bombardment of Cu (100)", E.A. Sánchez, M.L. Martiarena, O. Grizzi and V.H. Ponce. Physical Review A 45, R1299 (1992).
2. "Surface ionization by ion impact at grazing incidence" M.L. Martiarena, E.A. Sánchez, O. Grizzi and V.H. Ponce, Nucl. Instr. & Meth. B 90, 300 (1994).
3. "Binary - electron production in grazing ion - surface collision", M.L. Martiarena, E.A. Sánchez, O. Grizzi and V.H. Ponce, Phys. Rev. A 53, 895 (1996)
4. "Forward Electron Emission in Grazing Ion-Surface Collisions" E.A. Sánchez, O. Grizzi, M.L. Martiarena, y V.H. Ponce, Physical Review Letters 71, 801 (1993).
5. "Electron emission in 10 - 100 keV H+ , H+2 and He+ grazing ion-surface collision, E.A. Sánchez, O. Grizzi, G. Nadal, G. Gomez, M.L.Martiarena, and V.H. Ponce, Nucl. Instr. & Meth. B 90, 161 (1994)
6. "Forward electron emission in grazing 15-110 keV H+ and He+ collisions with crystalline surfaces", G. Gómez, E.A. Sánchez, M.L. Martiarena, O. Grizzi y V.H. Ponce, Nucl. Instr. & Meth B 122, 171 (1997).
7. " Study of generalized spheroidal continuum wave functions applied to hydrogenic system in a half space. M.L. Martiarena y V. H. Ponce, aceptado Nucl. Instr. & Meth. B125, 228 (1997).
8. "TOF-ISS Investigation of the Dependence of the GaAs(110) Surface Derelaxtion with the Hydrogen Exposure, J.E. Gayone, R.G. Pregliasco, E.A. Sánchez, y O. Grizzi, Surface Science 377-379 (1997) 597.
9. "Topographic and Crystallographic Characterization of an Ar+ Grazing Bombarded GaAs(110) Surface by TOF-ISS", J.E. Gayone, R.G. Pregliasco, G. Gómez, E.A. Sánchez, y O. Grizzi, Phys. Rev. B 56 (1997) 4186.
10. "Atomic Structural Characterization of a H:GaAs(110) Surface by TOF-ISS", J.E. Gayone, R.G. Pregliasco, E.A. Sánchez, y O. Grizzi. Phys. Rev. B 56 (1997) 4194.



Estudio de superficies aislantes por espectroscopías de iones y de electrones.
Director: E.A. Sánchez.
Area de investigación: Física de superficies e interacciones ion-superficie.
Lugar de trabajo: Laboratorio de Colisiones Atómicas, Centro Atómico Bariloche.
Institución Académica: Instituto Balseiro, Universidad Nacional de Cuyo.
Orientación: Interacción Radiación-Materia.

Descripción del tema:
        Si bien una gran parte de las superficies que nos rodean son aislantes, el número de estudios experimentales de sus propiedades, realizados con las técnicas usuales de análisis de superficies, es muy bajo cuando se lo compara con el realizado en superficies metálicas y semiconductoras. Esto se debe principalmente a que las técnicas de análisis más utilizadas en física de superficies no son aplicables a aisladores. Estas técnicas emplean partículas cargadas (electrones o iones) para excitar alguna propiedad de la superficie, resultando, en el caso de aisladores, en una importante acumulación macroscópica de carga. Esta carga distorsiona tanto las distribuciones angulares de las partículas incidentes como las distribuciones en energía y ángulo de los electrones o iones emitidos de la superficie. En los casos donde la excitación se realiza con fotones también pueden aparecer efectos de acumulación de carga positiva debido a la emisión electrónica resultante de la interacción fotón-superficie. Por este motivo, fenómenos importantes que ocurren en superficies aislantes tales como reconstrucción de la estructura atómica, adsorción, emisión de electrones y respuesta a excitaciones externas han sido poco investigados hasta el presente y existe un gran interés en los mismos.
        El desarrollo de nuevas técnicas de detección multicanal para espectrometría de iones ha permitido recientemente estudiar diferentes aspectos de superficies aislantes. Actualmente, nuestro laboratorio está iniciando una línea de investigación donde se estudian propiedades de superficies aislantes (principalmente fluoruros tales como monocristales de LiF y películas delgadas de AlF3) mediante técnicas de espectrometría de iones reflejados y de emisión electrónica producida por bombardeo rasante de iones. Nos interesa estudiar los siguientes temas: 1) la estructura atómica de las últimas capas de las superficies puras monocristalinas, y 2) los mecanismos de emisión electrónica producida por bombardeo rasante de proyectiles livianos (H, He) a energías intermedias (3-100 keV). En este plan de trabajo se propone estudiar alguno de los dos temas que detallamos a continuación, el cual se elegirá de acuerdo a las inquietudes del estudiante.

Física de Superficies I y II (1)

Referencias:
       Para obtener una idea general del tipo de trabajo a realizar se recomienda leer las referencias 1 y 6, las otras referencias son más específicas.
1) J.E. Gayone, tesis doctoral, Instituto Balseiro (marzo de 2000).
2) H. Niehus, W. Heiland y E. Taglauer, Surf. Sci. Rep. 17,213 (1993).
3) Gayone et al, Phys. Rev. B 56, 4186 (1997) y Phys. Rev. B 56, 4194 (1997).
4) R. Pfandzelter y J. Landskron, Phys. Rev. Lett. 70, 1279 (1993) y E.A. Sánchez et al. Nucl. Instr. Meth. B90, 261 (1994).
5) G. Gómez, Tesis doctoral, Instituto Balseiro (1997); G.Gómez et al. Nucl. Instr. Meth. B125, 268 (1997), Phys. Rev. B 58,11 (1998) y Phys. Rev. B 57,19 (1998).



Transferencia de electrones en colisiones ion-superficie.
Director: Oscar Grizzi.
Lugar de trabajo: Laboratorio de Colisiones Atómicas, Centro Atómico Bariloche.
Institución Académica: Instituto Balseiro, Universidad Nacional de Cuyo.
Orientación: Interacción Radiación-Materia.

Descripción del tema:
        En el presente plan de maestría se propone estudiar los procesos de transferencia de electrones entre proyectiles atómicos energéticos y superficies. Se utilizarán proyectiles de iones de gases nobles incidiendo a algunos keV sobre superficies cristalinas puras, y sobre superficies con adsorbatos dispersos (menos de una monocapa) y eventualmente con películas delgadas depositadas sobre la misma. Durante la interacción de los proyectiles atómicos con la superficie se generan una variedad de fenómenos que dan lugar a la emisión de electrones, la emisión de fotones y la emisión de átomos del sustrato, y también a procesos de intercambio de electrones entre las partículas atómicas salientes (proyectiles y átomos del sustrato) y la superficie. La detección de las partículas emitidas da origen a varias técnicas de análisis que se utilizan para estudiar las propiedades físicas y químicas de superficies. En particular, la dispersión de iones por superficies se puede utilizar para estudiar las energías de ligadura de adsorbatos, la formación de estados precursores en fenómenos de adsorción y la cinética de ciertas reacciones en superficies.
        El objetivo del trabajo es estudiar los procesos de transferencia de electrones desde la superficie a los átomos del sustrato emitidos. Hasta el presente, los estudios experimentales y teóricos realizados tratan esencialmente el caso de transferencia de electrones al proyectil reflejado desde superficies metálicas puras y aislantes. El caso de transferencia de electrones hacia los mismos átomos del sustrato emitidos desde superficies semiconductoras y aislantes ha sido muy poco estudiado hasta el presente y tiene gran interés tanto desde el punto de vista práctico como del básico. El primero está relacionado con el hecho conocido que la reactividad de una superficie puede ser modificada fácilmente por adsorción de átomos y moléculas, y que depende de la naturaleza del adsorbato y del recubrimiento de la superficie. Estos efectos están relacionados con la modificación de la estructura electrónica local en torno del adsorbato. Una forma de obtener información sobre la estructura electrónica alrededor de los adsorbatos consiste en medir las probabilidades de intercambio de electrones y el estado final de carga del adsorbato cuando éste es emitido en una colisión directa con el proyectil.
        La medición del estado de carga del átomo blanco emitido, tanto sustrato como especie adsorbida, da información más directa sobre la estructura electrónica local que la misma medición en los proyectiles reflejados, ya que en este último caso la propia estructura electrónica del proyectil juega un papel muy importante que puede enmascarar los resultados. En mediciones preliminares realizadas en el laboratorio se ha mostrado que este método de medir las fracciones de carga en adsorbatos emitidos en colisiones ion-superficie puede relacionarse con las nanoestructuras ( unidimensionales) que se forman al adsorber álcalis en GaAs. En este trabajo se propone medir las fracciones de carga de átomos de F y Li emitidos durante el bombardeo con gases nobles de un monocristal de LiF y de una superficie semiconductora (GaAs) con LiF adsorbido.
        El trabajo comenzará con la lectura de bibliografía sobre propiedades atómicas y electrónicas de superficies (fenómenos de relajación, reconstrucción, adsorción, bandas, estados de superficie) y con un entrenamiento en el manejo de aceleradores de iones y de cámaras de ultra alto vacío (<5x10^-10 Torr). Luego se efectuarán mediciones de distribuciones de energía y de ángulo de átomos emitidos y proyectiles reflejados en las superficies a estudiar a fin de caracterizar la limpieza de las mismas y su estructura atómica (posición que ocupan los átomos en las últimas capas). Luego se medirán fracciones de carga en los adsorbatos y átomos del sustrato emitidos en colisiones con proyectiles de gases nobles (Ne, Ar, Kr) a energías comprendidas entre 2 y 10 keV. Los resultados se discutirán en base a cálculos de trayectorias de iones en superficies y de predicciones teóricas sobre los estados de carga. Para completar la formación se sugiere cursar materias optativas de física de sólidos, de física de superficies y de colisiones atómicas.
        Si bien el tema de trabajo está enfocado al estudio de transferencia de electrones en colisiones ion superficie, el desarrollo del mismo permitirá adquirir experiencia en los siguientes aspectos generales:

Física de Superficies I y II (1)
El plan de cursos está basado en la formación previa de un estudiante del Instituto Balseiro, éste podría ser modificado si el estudiante tiene una formación diferente.

Referencias más específicas:
1) J.E. Gayone, tesis doctoral, Instituto Balseiro (marzo de 2000).
2) H. Niehus, W. Heiland y E. Taglauer, Surf. Sci. Rep. 17,213 (1993).
3) Gayone et al, Phys. Rev. B 56, 4186 (1997) y Phys. Rev. B 56, 4194 (1997).



Estudio del crecimiento de películas orgánicas en superficies.
Director: J.E. Gayone, Colaborador: H.Ascolani.
Lugar de trabajo: Laboratorio de Colisiones Atómicas, Centro Atómico Bariloche.
Institución Académica: Instituto Balseiro, Universidad Nacional de Cuyo.
Orientación: Interacción Radiación-Materia.

Plan de trabajo.
        La adsorción de moléculas orgánicas sobre superficies juega un papel relevante en la fabricación de sensores con funciones específicas, para pasivar superficies, y como capa intermedia entre sistemas biológicos y sustratos metálicos o semiconductores. En este sentido, el autoensamblado de películas de alcanotioles sobre superficies de metales nobles (Au, Ag y Cu) ha sido largamente estudiado por métodos químicos desde hace dos décadas, sin embargo, los estudios en condiciones de ultra alto vacío y con las técnicas específicas de la física de superficies son escasos[1]. Para obtener una caracterización completa de una superficie, y en particular de películas delgadas adsorbidas en superficies, es necesario determinar la estructura atómica, la estructura electrónica y los detalles locales relacionados con la topografía de la misma. Esta es una tarea muy compleja, para la cual no existe una única técnica experimental capaz de dar una respuesta completa. El caso de películas orgánicas es aún más difícil porque involucran en general un número relativamente grande de átomos en cada molécula. En general, para estudiar un problema dado es muy conveniente aplicar varias técnicas experimentales que provean información complementaria.
        En este plan se propone estudiar la adsorción de cadenas cortas de alcanotioles sobre superficies de metales nobles (Au,Ag) y/o semiconductores (GaAs) en condiciones de ultra alto vacío. Se estudiará la adsorción de alcanotioles en función del recubrimiento, del largo de las cadenas y de la temperatura de la muestra. Se espera obtener información sobre la cinética de adsorción, la estabilidad de las películas con la temperatura, los sitios de adsorción, y sobre el mecanismo de formación de las películas orgánicas. Los estudios se llevarán a cabo utilizando las técnicas de análisis disponibles en el grupo de física de superficies del CAB: espectroscopía de fotoelectrones (XPS), espectroscopía de iones (SARS), espetroscopía de electrones Auger (AES), difracción de electrones lentos (LEED) y microscopía de fuerza atómica (AFM) y efecto túnel (STM).
        La técnica de fotoemisión permite obtener una amplia variedad de información que incluye propiedades químicas (composición, valencia, estado de oxidación etc.), propiedades cristalográficas (sitios de adsorción, distancias y dirección de los enlaces químicos etc.), y propiedades electrónicas (determinación experimental de la estructura de bandas) [2, 3]. Para esta clase de experimentos nuestro laboratorio cuenta con fuentes convencionales de fotones como un típico cañón de rayos X (líneas Mg Ka y Al Ka con energías de fotones de 1253.3 y 1486.6 eV, respectivamente) y una lámpara de descarga de Helio (hn= 21.2 eV) y, también, con amplia experiencia en el uso de radiación de sincrotrón.
        Las técnicas de espectroscopía de iones dispersados (ISS) y de átomos emitidos (DRS) proveen información de la superficie que resulta complementaria a la obtenida por otras técnicas, y en algunos casos única [4]. Estas técnicas permiten analizar la composición elemental, detectándose tanto las masas livianas (incluido el hidrógeno), como las pesadas, con una alta sensibilidad a las primeras capas atómicas [5]. Por otro lado, también da información sobre los sitios de adsorción de átomos y moléculas. Actualmente, el laboratorio cuenta con un acelerador (¨Kevatrito¨) que produce iones positivos en el rango de 2 a 100 keV. El acelerador está conectado a dos bocas de trabajo. En una de ellas se encuentran tres cámaras colocadas en serie y que trabajan a presiones de UHV. La cámara principal es donde actualmente se realizan los experimentos de ISS-DRS.
        El laboratorio cuenta además con un microscopio de fuerza atómica y efecto túnel los cuales proveen información topográfica y estructural a nivel local con resolución atómica [6]. Esta información complementa la obtenida con las técnicas de espectroscopias de iones y electrones donde la información que se obtiene es a nivel atómico pero promediada en grandes áreas (~1 mm²).
        A lo largo del desarrollo del trabajo de tesis el alumno adquirirá una formación en el área de física de superficies. Más específicamente, adquirirá experiencia en: procesos de adsorción en superficies, preparación de superficies ordenadas in situ, manejo de técnicas de ultra alto vacío (10^-9-10^-11 Torr) y análisis de superficies utilizando técnicas tales como espectroscopía de fotoelectrones (X-ray photoelectron spectroscopy, Ultra-violet photoelectron spectroscopy), espectroscopía de electrones Auger (AES) y espectroscopía de iones (ISS-DRS).
        La posibilidad de estudiar distintos sustratos con diferentes largos de cadenas de alcanotioles y la gran variedad de técnicas disponibles en el laboratorio da la posibilidad a que dos alumnos realicen esta propuesta: 1) Estudio del autoensamblado de películas delgadas en Ag(111) mediante espectroscopía de iones y de electrones, y 2) Estudio del autoensamblado de películas delgadas en Au(111) mediante STM y espectroscopía de electrones.

Plan tentativo de formación

Espectroscopía de electrones (1/2) y de iones (1/2) para el estudio de superficies.

Referencias:
[1] F. Schreiber, "Structure and growth of self assembling monolayers", Prog. In Surf. Sci. 65, 151 (2000).
[2] Stefan Hüfner, "Photoelectron Spectroscopy", Springer Series in Solid-State Sciences, Vol 82, Editado por Manuel Cardona.
[3] S. Bengió, "Estudio de la adsorción de átomos y moléculas sobre superficies de silicio: propiedades cristalográficas y electrónicas", Tesis doctoral, Instituto Balseiro, año 2003.
[4] H. Niehus, W. Heiland, and E. Taglauer, Surf. Sci. Rep. 17 (1993) 213. J.W. Rabalais, CRC Crit. Rev. Solid State Mater. Sci. 14 (1988) 319.
[5] J. E. Gayone, R.G. Pregliasco, E.A. Sánchez y O. Grizzi. Phys. Rev. B. 56(1997) 4186. [7]J.E. Gayone, E.A. Sánchez , O. Grizzi, R.Vidal, M.C.G. Passeggi (Jr.) and J. Ferrón. Surface Science. 519 (2002) 269.
[6] G. Gómez, Tesis Doctoral, Instituto Balseiro, año 1997.



Evolución Temporal de Electrones Emitidos en Colisiones Ion-Superficie.
Director: Dr. Víctor Hugo Ponce Colaboradores en el área experimental: Drs. O. Grizzi y E.A Sánchez.
Lugar de trabajo: Laboratorio de Colisiones Atómicas, Centro Atómico Bariloche.
Institución Académica: Instituto Balseiro, Universidad Nacional de Cuyo.
Orientación: Interacción Radiación-Materia.

Introducción:
        Los electrones emitidos en colisiones ion-superficie están sometidos a los potenciales del proyectil y de la polarización de carga de la superficie generada por dicho proyectil y por los electrones emitidos.
        En el caso de superficies metálicas la polarización debida a una carga ubicada en el vacío se describe en electrostática clásica por el método de la carga imagen; para cargas en movimiento rasante la descripción en la aproximación de respuesta lineal produce una polarización en la región de la superficie del tipo de estela o "wake", que depende de la velocidad del proyectil y describe la respuesta del material mediante la función dieléctrica del mismo. En el caso de superficies de aisladores, se agrega el potencial de los iones del material que han sufrido ionizaciones a lo largo de la trayectoria, llamado potencial del "track".
        Los electrones emitidos desde el proyectil o la superficie en colisiones rasantes presentan una distribución de velocidades modelada por los potenciales del ion y la superficie polarizada [1,2]. Una diferencia básica entre las distribuciones producidas por superficies de metales o aisladores es la del corrimiento del pico de electrones centrado en la velocidad del proyectil, el llamado "pico convoy". Para el caso de metales el potencial repulsivo del "wake" lo corre hacia velocidades mayores, en tanto que para aisladores el potencial atractivo del "track" lo corre hacia velocidades menores.

Plan de trabajo.
        La motivación de esta Tesis de Maestría es la descripción de la evolución dinámica de los electrones en el potencial conjunto ion-superficie, dependiente del tiempo a través de la trayectoria del proyectil en la colisión rasante con la superficie.
Primera Etapa: En el primer semestre (que corresponde al Trabajo Especial de la Licenciatura en el Instituto Balseiro) se realizará un estudio introductorio de los estados cuánticos de un electrón en un campo que presenta una dependencia temporal, analizándose en detalle los casos extremos de evolución adiabática y brusca del potencial actuante. Consideraremos en particular el caso de un ion hidrogénico en un campo eléctrico homogéneo cuya intensidad es variable en el tiempo, que podemos identificar como efecto Stark dinámico [3]. Estudiaremos en especial los estados del umbral del espectro continuo para investigar posibles anisotropías en la distribución asintótica de velocidades para electrones que evolucionan en este potencial dependiente del tiempo.
Al mismo tiempo, iniciaremos un estudio del potencial efectivo que actúa sobre un electrón emitido desde un aislador por un proyectil que ha dejado tras de sí la huella de ionizaciones previas ('track" de cargas superficiales). Incorporaremos tanto el potencial de los iones residuales en la superficie como de los electrones emitidos resultantes de dichas ionizaciones. Proponemos hacerlo mediante una descripción clásica de las interacciones entre el electrón en estudio y las cargas presentes (de proyectiles, "track'y electrones emitidos previamente). Usaremos el modelo de Método de Monte Carlo con Trayectorias Clásicas (CTMC), empleando descripciones clásicas para el estado inicial del electrón ligado al proyectil o a un átomo de la superficie [4,5].
Segunda Etapa: En el segundo y tercer semestre consideraremos en detalle los procesos de emisión electrónica en colisiones rasantes de proyectiles (en particular protones o átomos de hidrógeno) con superficies de materiales. Esta parte del plan de trabajo contempla el desarrollo de modelos teóricos y mediciones en el acelerador kevatrito.
Desde el punto de vista teórico, estudiaremos la evolución de un electrón emitido por el proyectil o el sólido en el potencial provisto por el proyectil y la superficie polarizada. La acción simultánea de ambos potenciales es requerida para conocer la correcta distribución asintótica de velocidades del electrón emitido.
Para una componente de velocidad del ion normal a la superficie lo suficientemente pequeña, la evolución del electrón en dicho potencial será adiabática, por lo que analizaremos la evolución adiabática de los estados del continuo pertenecientes al potencial actuante sobre el electrón. Con el resultado anterior podremos proyectar la densidad de estados del continuo poblada durante la colisión rasante sobre la distribución asintótica de velocidades adquirida por dichos estados a causa de la evolución adiabática propuesta.
Compararemos nuestros resultados con los obtenidos considerando solamente la acción del potencial de la superficie (modelado como un campo eléctrico homogéneo)[6].
Aplicaremos el análisis precedente para los casos de superficies metálicas (Al o Cu) y de superficies aislantes (LiF), comparando los resultados obtenidos con las mediciones previas realizadas en el Laboratorio de Superficies del Gupo de Colisiones Atómicas [1,2,7], y con mediciones nuevas a realizarse en superficies cristalinas de LiF. En particular, se medirán espectros de energía de electrones emitidos en colisiones rasantes de H⁺ y He⁺ (0.5 a 5 grados respecto del plano de la superficie) con la superficie LiF (100). Se estudiará la dependencia de la emisión electrónica con la energía y los ángulos de incidencia y azimutal del proyectil y con el ángulo de emisión de los electrones.

Plan de formación
El tesista deberá profundizar sus conocimientos en las áreas de Colisiones Atómicas, Física del Sólido y Física de Superficies. Esta formación podrá lograrse tomando los cursos que son ofrecidos habitualmente en el Instituto Balseiro, tales como: Teoría de Colisiones Atómicas, Sólidos I y II, Física de Superficies, Interacción de Partículas y Radiación con la Materia, Teoría de la Funcional Densidad, Detección y Manejo de haces de electrones, iones y fotones.

Biliografía:
1. "Forward Electron Emission in Grazing Ion-Surface Collisions", E.A. Sánchez, O. Grizzi, M.L. Martiarena, y V.H. Ponce, Physical Review Letters 71, 801 (1993).
2. "Interaction of KeV ions with insulator films at grazing incidence: growth characterization and electron emission", E.A. Sánchez, G. Otero, N. Tognalli, O. Grizzi and V.H. Ponce. Nuclear Instruments and Methods B 203, 41 (2003). 3. "Theory of the Stark Effect", David A. Harmin, Phys. Rev. A 26, 2656 (1982).
4. "Classical theory of Charge Transfer and Ionization of hydrogen Atoms by Protons". R. Abrines and I.C. Percival, Proceedings of the Physical Society (London) 88, 861 (1966).
5. "Charge transfer and Impact ionization Cross Sections for Fully and Partially Stripped Positive Ions Colliding with Atomic hydrogen", R.E. Olson and A. Salop. Phys. Rev. A 16, 531 (1977).
6. "Acceleration and decelaration of convoy electrons in grazing ion-surface collisions".M. S. Gravielle and J. E. Miraglia, Phys. Rev. A 67, 042901 (2003).
7. "Convoy electron emission in 20-100 keV grazing proton bombardmentof Cu (100)", E.A. Sánchez, M.L. Martiarena, O. Grizzi and V.H. Ponce, Physical Review A 45, R1299 (1992).

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