RBS는 Rutherford Backscattering Spectrometry를 의미한다.
간단히 He +를 Sample에 충돌시켜, Backscattering이 되어 다시 돌아온 He+의 에너지를 가지고 분광기로 사용한다.
RBS는 어떤 원리로 동작하는가?
위처럼 아래 Sample이 있다고 가정을 하고
0.5~4MeV에 해당하는 에너지로 He++ 이온을 샘플에 충돌시킨다.
충돌한 He 이온은 Sample에 존재하는 원자와 충돌하며 큰 각도를 갖고 Sample 밖으로 다시 튀어나오게 된다.
이때 He 이온이 충돌 후 갖고 있는 에너지를 가지고 Sample의 chemical composition을 확인 할 수 있다.
위 처럼 무거운 Element일 수록 He이온이 더 큰 에너지를 가지고 튀어나온다.
그리고 반대로, 가벼운 경원소일수록 He 이온이 더 작은 에너지를 갖고 튀어나온다.
He이온을 사용하기 때문에 만약 He보다 더 가벼운 H(Hydrogen)과 같은 매우 가벼운 원소는 측정이 어렵다.
사실상 신뢰도가 굉장히 낮고 RBS Yield도 너무 낮기 때문에 RBS가 아니라 ERD를 활용해야한다.
그래서 일반적으로 RBS + ToF-ERD의 조합으로 사용을 하기도 한다.
RBS의 Yield(σ)를 수식으로 나타내면 위와 같다.
여기서 알 수 있는 것은 RBS Yield는 atomic number(Z)의 제곱에 비례하는 것이다.
수식으로만 보더라도 가벼운 원소의 경우에는 Yield가 굉장히 작을 것이라고 유추할 수 있다.
RBS 장비는 어떻게 구성되어 있는가?
RBS 장비는 좌측 Figure와 같이 간단히 구성할 수 있다.
Ion Source에서 He- 이온이 발생하여 Tandem Accelerator로 들어간다.
Tandem Accelerator는 source의 부호를 전환함과 동시에 가속을 시키는 장치이다.
따라서 해당 Tandem Accelerator를 통해 He-는 He+ 또는 He++ 형태로 튀어나오게 된다.
Analysing Magnet을 통해서는 고출력의 He++만을 선별하여 결국 최종적으로 Sample에 때려준다.
He++이온을 Sample의 atom에 충돌시키는 것이기 때문에,
관련 수식을 통해 He++이온이 어느정도의 에너지를 가지고 튀어나올지도 계산할 수 있다.
RBS 분석 방법 - Random Spectrum & Channeling Specrum
RBS에는 2가지 분석 방법이 존재한다.
Random Spectrum 그리고 Channeling Spectrum이다.
Random Spectrum
Sample의 결정 구조와 관련 없이 최대한 큰 RBS Yield를 가지는 각도로 He++이온을 입사시킨다.
따라서, 상대적으로 후술할 Channeling Spectrum에 비해서 큰 RBS Yield를 가진다.
더 높은 Peak가 나타나고 그렇기 때문에 Chemical Composition을 확인하는데 용이하다.
Channling Spectrum은 결정 구조를 알 수 있는 방식이다.
Sample이 단결정인지, 비정질이라면 어느정도의 비정질성을 띄고 있는지를 판단 할 수 있다.
자세한 방식은 아래에서 설명을 하겠다.
Channeling Spectrum을 얻기 위해서는
단결정 기판의 결정면과 동일한 방향을 He+이온을 때려줘야한다.
단결정의 경우에는 규칙성을 가지고 격자들이 배열되어있는데,
해당 결정면과 동일하게 이온을 때려주게 되면, 충돌 없이 Channeling이 되는 He++이 대부분이다.
하지만, 만약 amorphous한 성분이 있다면 어떻게 될까?
단결정일 때는 Channeling이 발생하여 낮은 Yield(=낮은 Peak)였겠지만
amorphous한 랜덤한 격자구조에 의해서 backscattering이 훨씬 더 많이 발생하게 되고 Peak가 높아진다.
그럼 좌측의 figure를 보자.
a의 경우에는 단결정이고, b->d로 갈 수록 amorphous한 특성이 더욱 강한 film이다.
그리고 e는 입사되는 이온의 방위각에 대해 완전히 무작위적으로 배열되어있는 film이다.
실제로 결과 figure를 보면 알겠지만, 단결정의 경우에는 signal의 peak가 굉장히 낮다.
그리고 비정질의 특성이 강할 수록 peak의 높이가 훨씬 높아지기 때문에 결정구조를 알 수 있는 것이다.
여기서 단결정이더라도 peak가 도드라지게 나타나는 부분이 있다.
해당 영역은 surface영역이고 아무리 단결정이라고 하더라고 surface의 native oxide, contamination 그리고 RBS 과정 중에 발생하는 Damage로 인해 amorphous 성분이 존재하게 된다. 이때문에 bulk의 단결정보다 surface에는 상대적으로 높은 peak가 나타나게된다.
비정질의 경우에도 bulk보다 surface에서 더욱 비정질한 특성을 갖기 때문에 전체적으로 매우 높은 RBS Peak를 가진다.
RBS의 장점 그리고 단점
Advantages
- non-destructive analysis
- Fast Depth Profile
- No need Reference Material
Disadvantages
- LowZ element Low Sensitivity
결국, RBS는 H, He 등과 같은 경원소는 측정이 어렵다.
따라서, ERD(Elastic Recoil Detection) 방식을 사용해야한다.
정확히 RBS가 왜 경원소 측정이 어려운지, ERD의 원리는 무엇인지는 아래에 있다.
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ERD(Elastic Recoil Detection) 원리, 장점, 단점, RBS 차이
RBS(Rutherford Back Scattering Spectroscopy)는 경원소 측정은 어렵다.신뢰도가 매우 낮고 Yield 자체가 낮기 때문에 불가능하다고 봐도 된다.그래서 RBS와 ERD의 조합으로 사용을 많이 한다.ERD는 경원소의 측
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