Medida da dispersão atômica em nanopartículas de Ag decompostas por irradiação de Ne+ de 200 keV em experimentos de MEIS

Abstract

Os efeitos da irradiação com íons de Ne+ de 200 keV em nanopartículas (NPs) de Ag enterradas em Si3N4 foram investigados teórica e experimentalmente. Amostras produzidas por magnetron sputerring com a deposição de finas camadas com espessuras nominais de 3 e 10 nm de Ag e Si3N4, respectivamente, em wafers de Si3N4/Si foram irradiadas com um feixe de Ne+ de 200 keV inclinado 60° em relação à superfície em um sistema de espalhamento de íons em energias intermediárias (MEIS). A evolução microestrutural das amostras sob irradiação foi caracterizada no mesmo sistema através de um feixe de He+ de 200 keV. Os feixes para irradiação e caracterização foram intercalados em um procedimento passo a passo em tempo real. Os resultados de MEIS indicaram dois fenômenos dominantes: a coalescência, observada através da diminuição da cobertura areal de NPs, e a decomposição, diagnosticada através do alargamento do sinal de Ag nos mapas de MEIS. A decomposição foi causada pela interação feixe-amostra, onde átomos do sistema NPs-substrato foram movimentados através de colisões em uma mistura induzida pelo feixe de íons de Ne. Regiões adjacentes às NPs, inicialmente formadas somente por Si3N4, apresentaram um aumento progressivo da concentração de Ag em função da fluência. Resultados complementares, obtidos por microscopia eletrônica de transmissão por varredura (STEM), mostraram a formação de uma rede de partículas satélite na região de Ag disperso. Tal comportamento é previsto pela teoria da nucleação e crescimento em soluções sólidas supersaturadas. Esses últimos resultados reforçaram os modelos adotados e as hipóteses para explicar os comportamentos observados. Este estudo apresenta a quantificação da dispersão atômica em NPs e a avaliação da coalescência causadas pela irradiação iônica. Os resultados experimentais de MEIS foram analisados com o código PowerMEIS-3 e comparados com simulações dinâ Os resultados experimentais de MEIS foram analisados com o código PowerMEIS-3 e comparados com simulações dinâmicas do software TRI3DYN para o mesmo alvo e condições de irradiação. A combinação de simulações do TRI3DYN e resultados experimentais do MEIS sugeriram uma energia de ligação de até 60 eV em NPs de Ag embebidas em Si3N4. A combinação do MEIS, STEM e TRI3DYN mostrou-se uma abordagem confiável para observar e caracterizar a decomposição de NPs induzida por irradiação de íons.

The effects of 200 keV Ne+ ion irradiation on Ag nanoparticles (NPs) embedded in Si3N4 were investigated both theoretically and experimentally. Samples produced by magnetron sputtering with the deposition of thin layers with nominal thicknesses of 3 and 10 nm of Ag and Si3N4, respectively, on Si3N4/Si wafers were irradiated with a 200 keV Ne+ beam tilted 60° to the sample surface in a medium energy ion scattering (MEIS) system. The microstructural evolution of the samples under irradiation was characterized in the same system using a 200 keV He+ beam. The irradiation and characterization beams were alternated in a step-by-step procedure in real time. MEIS results revealed two predominant phenomena: coalescence, indicated by a decrease in the areal coverage of NPs, and decomposition, identified by the broadening of the Ag signal in MEIS maps. Decomposition was attributed to the beam-sample interaction, where atoms from the NP-substrate system were displaced through collisions in an ion-beam-induced mixing process. Adjacent regions, initially composed only of Si3N4, showed a progressive increase in Ag concentration with increasing fluence. Complementary scanning transmission electron microscopy (STEM) results revealed the formation of a network of satellite-like particles in the dispersed Ag region. Such behavior is predicted by the theory of nucleation and growth in supersaturated solid solutions. These latter results reinforced the models adopted and the hypotheses to explain the observed behaviors. This study quantifies atomic dispersion in NPs and evaluates coalescence caused by ion irradiation. The experimental MEIS results were analyzed with the PowerMEIS-3 code and compared with dynamic simulations from the TRI3DYN software for the same target and irradiation conditions. The combined TRI3DYN simulations and experimental MEIS results suggested a binding energy of up to 60 eV for Ag NPs embedded in Si3N4. Integrating MEIS, STEM, and TRI3DYN provided a reliable approach for observing and characterizing ion-beam-induced NP decomposition.