탄성반도측정법

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1. 개요

탄성반도측정법(ERDA)은 탄성 산란을 기반으로 시료 내 원자의 종류와 깊이 분포를 분석하는 기술이다. 1976년 처음 시연되었으며, 경입자 입사 이온 ERDA(LI-ERDA)와 중입자 입사 이온 ERDA(HI-ERDA)로 나뉜다. ERDA는 다양한 원소를 동시에 분석할 수 있고, 수소에서 희토류 원소까지 광범위한 원소의 깊이 프로파일링이 가능하다는 장점을 가진다. 이 기술은 고분자 과학, 반도체 재료, 전자 공학, 박막 분석 등 다양한 분야에 응용된다.

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탄성반도측정법
개요
분야	재료과학, 핵물리학, 표면 과학
분석 대상	표면 근처의 원소 조성 및 깊이별 농도
원리
기본 원리	입사 이온 빔을 사용하여 표본에서 원자를 튕겨내어 분석
입사 이온	경이온 (헬륨 이온, 양성자) 중이온 (탄소, 산소, 금 이온)
검출 입자	튕겨져 나온 이온
분석 깊이	수 나노미터에서 수 마이크로미터
특징
장점	비파괴 분석 가능 수소와 같은 가벼운 원소 검출에 용이 깊이별 농도 분석 가능
단점	무거운 원소 검출 민감도 낮음 데이터 해석 복잡
방법
직접 ERDA	튕겨 나온 입자를 정방향으로 검출
경사 ERDA	빔 방향에 대해 경사지게 검출기를 배치
활용
박막 분석	박막의 조성 및 두께 측정
표면 개질 연구	표면 처리 효과 분석
반도체 연구	반도체 재료의 불순물 분포 분석
관련 기술
RBS	러더퍼드 후방 산란 분광법
SIMS	이온빔 질량분석법

2. 역사

탄성반도측정법(ERDA)은 1976년 L'Ecuyer 외 연구진에 의해 처음 시연되었다. 그들은 시료 내 반동 입자를 검출하기 위해 25–40 MeV ³⁵Cl 이온을 사용했다.^[5] 이후, ERDA는 크게 두 가지 그룹으로 나뉘었다. 첫 번째는 경입자 입사 이온 ERDA(LI-ERDA)이고, 두 번째는 중입자 입사 이온 ERDA(HI-ERDA)이다. 이 기술들은 유사한 정보를 제공하며, 사용되는 이온 빔의 유형만 다르다.

LI-ERDA는 저전압 단일 종단 가속기를 사용하고, HI-ERDA는 대형 탠덤 가속기를 사용한다. 이러한 기술들은 주로 중이온 가속기가 재료 연구에 도입된 후 개발되었다. LI-ERDA는 또한 수소의 깊이 프로파일을 측정하기 위해 비교적 낮은 에너지(2 MeV)의 헬륨 빔을 사용하여 수행되는 경우가 많다. 이 기술에서는 여러 개의 검출기가 사용된다. 즉, 더 무거운 원소에 대한 후방 산란 검출기와 반동 수소를 동시에 검출하기 위한 전방(반동) 검출기이다. LI-ERDA의 반동 검출기는 일반적으로 "레인지 포일"을 갖는다. 이는 일반적으로 검출기 앞에 위치한 마일라 포일로, 산란된 입사 이온을 차단하지만, 더 가벼운 반동 표적 원자가 검출기를 통과하도록 허용한다.^[6] 일반적으로 10 μm 두께의 마일라 포일은 2.6 MeV 헬륨 이온을 완전히 막지만, 반동 양성자가 낮은 에너지 손실로 통과하도록 허용한다.

HI-ERDA는 더 많은 원소를 탐지할 수 있기 때문에 LI-ERDA보다 더 널리 사용된다. 이는 실리콘 다이오드 검출기, 비행 시간 검출기, 기체 이온화 검출기 등과 같은 여러 검출기를 사용하여 반동 표적 원자와 산란된 빔 이온을 검출하는 데 사용된다.^[3] HI-ERDA의 주요 장점은 한 번의 측정으로 모든 시료 원소의 정량적 깊이 프로파일 정보를 얻을 수 있다는 것이다. 1nm 미만의 깊이 분해능을 우수한 정량적 정확도로 얻을 수 있으므로, 다른 표면 분석 방법에 비해 이러한 기술은 상당한 이점을 갖는다.^[7] 또한, 이 기술을 사용하여 300 nm 깊이까지 접근할 수 있다.^[8] ³⁵Cl, ⁶³Cu, ¹²⁷I, ¹⁹⁷Au를 포함한 다양한 이온 빔과 다양한 에너지가 이 기술에 사용될 수 있다.

설정 및 실험 조건은 이 두 기술의 성능에 영향을 미친다. 이러한 과정이 데이터 해석, 정량화 및 연구 정확도에 영향을 미칠 수 있으므로, 데이터를 얻기 전에 다중 산란 및 이온 빔 유도 손상과 같은 요소를 고려해야 한다. 또한, 입사각 및 산란각은 시료 표면 지형을 결정하는 데 도움이 된다.

2. 1. 초기 개발

탄성반도측정법은 1976년 L'Ecuyer 외 연구진에 의해 처음 시연되었다.^[5] 이들은 시료 내 반동 입자를 검출하기 위해 25–40 MeV ³⁵Cl 이온을 사용했다.^[5]

이후, ERDA는 경입자 입사 이온 ERDA(LI-ERDA)와 중입자 입사 이온 ERDA(HI-ERDA)의 두 가지 그룹으로 나뉘었다.^[5] 이 두 기술은 사용되는 이온 빔의 유형만 다를 뿐, 유사한 정보를 제공한다.^[5] LI-ERDA는 저전압 단일 종단 가속기를 사용하는 반면, HI-ERDA는 대형 탠덤 가속기를 사용한다.^[6]

2. 2. 경이온 ERDA (LI-ERDA)

탄성반도측정법(ERDA)은 1976년 L'Ecuyer 외 연구진이 시료 내 반동 입자 검출에 25–40 MeV ³⁵Cl 이온을 사용하면서 처음 시연되었다.^[5] 경이온 ERDA(LI-ERDA)는 중입자 입사 이온 ERDA(HI-ERDA)와 함께 ERDA의 두 가지 주요 그룹 중 하나이다. 이 두 기술은 사용되는 이온 빔의 유형만 다를 뿐, 유사한 정보를 제공한다.

LI-ERDA는 저전압 단일 종단 가속기를 사용하며, 주로 수소의 깊이 프로파일을 측정하기 위해 비교적 낮은 에너지(2 MeV)의 헬륨 빔을 사용하는 경우가 많다. 여러 개의 검출기가 사용되는데, 더 무거운 원소에 대한 후방 산란 검출기와 반동 수소를 동시에 검출하기 위한 전방(반동) 검출기가 사용된다. LI-ERDA의 반동 검출기에는 일반적으로 산란된 입사 이온을 차단하고 더 가벼운 반동 표적 원자가 검출기를 통과하도록 하는 "레인지 포일" (마일라 포일)이 있다.^[6] 예를 들어, 10 μm 두께의 마일라 포일은 2.6 MeV 헬륨 이온을 완전히 막지만, 반동 양성자는 낮은 에너지 손실로 통과할 수 있다.

설정 및 실험 조건은 LI-ERDA의 성능에 영향을 미치며, 데이터 해석, 정량화 및 연구 정확도에 영향을 줄 수 있는 다중 산란 및 이온 빔 유도 손상과 같은 요소를 데이터 획득 전에 고려해야 한다. 입사각 및 산란각은 시료 표면 지형을 결정하는 데 도움이 된다.

2. 3. 중이온 ERDA (HI-ERDA)

탄성반도측정법(ERDA)은 1976년 L'Ecuyer 외 연구진이 시료 내 반동 입자 검출을 위해 25–40 MeV ³⁵Cl 이온을 사용하면서 처음 시연되었다.^[5] 이후 ERDA는 경입자 입사 이온 ERDA(LI-ERDA)와 중입자 입사 이온 ERDA(HI-ERDA)로 나뉜다. HI-ERDA는 대형 탠덤 가속기를 사용하며, LI-ERDA보다 더 많은 원소를 탐지할 수 있어 널리 사용된다.^[3]

HI-ERDA는 실리콘 다이오드 검출기, 비행 시간 검출기, 기체 이온화 검출기 등 다양한 검출기를 사용하여 반동 표적 원자와 산란된 빔 이온을 검출한다.^[3] 한 번의 측정으로 모든 시료 원소의 정량적 깊이 프로파일 정보를 얻을 수 있다는 것이 주요 장점이다. 1nm 미만의 깊이 분해능과 우수한 정량적 정확도를 얻을 수 있어 다른 표면 분석 방법에 비해 이점이 있으며, 300 nm 깊이까지 분석 가능하다.^[7]^[8] ³⁵Cl, ⁶³Cu, ¹²⁷I, ¹⁹⁷Au 등 다양한 이온 빔과 에너지가 사용될 수 있다.

설정 및 실험 조건은 데이터 해석, 정량화 및 연구 정확도에 영향을 미치므로, 다중 산란 및 이온 빔 유도 손상과 같은 요소를 고려해야 한다. 입사각 및 산란각은 시료 표면 지형을 결정하는 데 사용된다.

3. ERDA의 특징

탄성반도측정법(ERDA)은 다양한 원소를 동시에 분석할 수 있다는 장점을 가진다.^[1] 반발 이온의 원자 번호가 1차 이온의 원자 번호보다 작으면 분석이 가능하다.^[1] 이 기술의 감도는 주로 산란 단면적에 따라 달라지는데, 모든 경원소에 대해 거의 동일한 감도를 가진다.^[1]

깊이 분해능은 시료와의 상호 작용 후 운동 저지력에 영향을 받는다. 가벼운 원소로부터 산란되는 무거운 이온의 좁은 산란 콘으로 인해 산란된 1차 이온의 검출이 감소하는 특징이 있다.^[1] 기체 이온화 검출기는 효율적인 반발 검출을 제공하여 시료의 이온 빔 노출을 최소화하므로 비파괴 분석이 가능하다. 이는 빔 아래에서 불안정하고 종종 시료에서 제거되는 수소의 정확한 측정을 위해 중요하다.^[1]

ERDA는 러더퍼드 후방 산란 분광법(RBS)와 유사하지만, RBS와는 달리 전방 방향으로 반동 입자를 감지한다.^[9] 1979년 Doyle과 Peercey는 수소 깊이 프로파일링에 이 기술을 사용했다.^[9] 고에너지 중이온을 사용한 ERDA는 큰 반동 단면적으로 인해 좋은 감도를 제공하며, 수소를 포함한 모든 화학 원소를 유사한 감도와 깊이 분해능으로 동시에 감지할 수 있다.^[10]

0.1 원자 %의 농도를 쉽게 감지할 수 있고, 샘플 깊이는 재료에 따라 1.5–2.5 μm 정도이다. 표면 영역의 경우 10 nm의 깊이 분해능을 얻을 수 있다. 분해능은 깊이가 증가함에 따라 저하되는데, 이는 에너지 스트래글링과 샘플 내 이온의 다중 산란과 같은 물리적 프로세스 때문이다.^[10] 다양한 질량 범위의 표적 원자에 대해 동일한 반동 단면적을 가진다.^[1] 수소에서 희토류 원소까지 광범위한 원소의 깊이 프로파일링이 가능하다는 고유한 특징을 가진다.^[1] ERDA는 RBS의 몇 가지 제한 사항, 특히 수소와 같은 가벼운 원소에서 무거운 원소까지 높은 분해능으로 깊이 프로파일링을 가능하게 했다.^[11] 넓은 면적 위치 감지 망원경 검출기를 사용하기 때문에 매우 민감하며, 샘플 내 원소의 질량이 유사할 때 유용하다.^[1]

3. 1. 장점

탄성반도측정법(ERDA)은 다양한 원소를 동시에 분석할 수 있다는 장점을 가진다.^[1] 반발 이온의 원자 번호가 1차 이온의 원자 번호보다 작으면 분석이 가능하다.^[1] 이 기술의 감도는 주로 산란 단면적에 따라 달라지는데, 모든 경원소에 대해 거의 동일한 감도를 가진다.^[1]

깊이 분해능은 시료와의 상호 작용 후 운동 저지력에 영향을 받는다. 가벼운 원소로부터 산란되는 무거운 이온의 좁은 산란 콘으로 인해 산란된 1차 이온의 검출이 감소하는 특징이 있다.^[1] 기체 이온화 검출기는 효율적인 반발 검출을 제공하여 시료의 이온 빔 노출을 최소화하므로 비파괴 분석이 가능하다. 이는 빔 아래에서 불안정하고 종종 시료에서 제거되는 수소의 정확한 측정을 위해 중요하다.^[1]

ERDA는 러더퍼드 후방 산란 분광법(RBS)와 유사하지만, RBS와는 달리 전방 방향으로 반동 입자를 감지한다.^[9] 1979년 Doyle과 Peercey는 수소 깊이 프로파일링에 이 기술을 사용했다.^[9] 고에너지 중이온을 사용한 ERDA는 큰 반동 단면적으로 인해 좋은 감도를 제공하며, 수소를 포함한 모든 화학 원소를 유사한 감도와 깊이 분해능으로 동시에 감지할 수 있다.^[10]

0. 1 원자 %의 농도를 쉽게 감지할 수 있고, 샘플 깊이는 재료에 따라 1.5–2.5 μm 정도이다. 표면 영역의 경우 10 nm의 깊이 분해능을 얻을 수 있다. 분해능은 깊이가 증가함에 따라 저하되는데, 이는 에너지 스트래글링과 샘플 내 이온의 다중 산란과 같은 물리적 프로세스 때문이다.^[10] 다양한 질량 범위의 표적 원자에 대해 동일한 반동 단면적을 가진다.^[1] 수소에서 희토류 원소까지 광범위한 원소의 깊이 프로파일링이 가능하다는 고유한 특징을 가진다.^[1] ERDA는 RBS의 몇 가지 제한 사항, 특히 수소와 같은 가벼운 원소에서 무거운 원소까지 높은 분해능으로 깊이 프로파일링을 가능하게 했다.^[11] 넓은 면적 위치 감지 망원경 검출기를 사용하기 때문에 매우 민감하며, 샘플 내 원소의 질량이 유사할 때 유용하다.^[1]

3. 2. 한계

4. ERDA의 원리

ERDA의 개략도. ϕ, α 및 β는 각각 반동각, 입사각 및 출사각이다. x는 탐침 깊이이다.

탄성반도측정법(ERDA)은 탄성 산란을 기반으로 시료 내 원자들의 종류와 깊이 분포를 분석하는 방법이다.^[12]^[1]^[16] 이 과정은 입사 이온이 시료 원자와 충돌하여 운동 에너지를 전달하고, 반동하는 입자를 검출하는 방식으로 이루어진다.^[1]

질량 ''m₁'', 에너지 ''E₁''인 투사 이온이 질량 ''m₂''인 시료 원자와 충돌하여 ''ϕ'' 각도로 반동할 때 전달되는 에너지 ''E₂''는 다음과 같다.^[1]

:(1)

E_2 = \frac{(4m_1 m_2)}{(m_1 + m_2)^2}(E_1 \cos^2 \phi)

이 식은 입사 이온과 시료 원자 간의 에너지 전달을 나타낸다. 특히, 중이온을 사용하는 ERDA에서는 ''m₂''/''m₁'' << 1 인 경우 모든 반동 이온이 유사한 속도를 갖게 된다.^[12]

최대 산란각 ''θ^’_max''는 다음과 같이 계산된다.^[12]

:(2)

\theta_{max} = \arcsin \frac {m_2}{m_1}

미분 탄성 반동 단면 ''σ_ERD''는 다음과 같이 주어진다.^[1]

:(3)

\sigma_{ERD} = \left ( \frac{Z_1 Z_2 e^2}{2E_1} \right ) ^2 \left ( \frac{m_1+m_2}{m_2} \right ) ^2 \cos^{-3} \phi

여기서 ''Z₁''과 ''Z₂''는 각각 투사체와 시료 원자의 원자 번호이다.^[1] 이 식에서 ERDA의 감도는 모든 원소에 대해 거의 동일하며, 이온 투사체의 ''Z₁⁴''에 의존함을 알 수 있다.^[1]

깊이 해상도 ''δx''는 다음과 같이 표현된다.^[1]

:(4)

\delta x = \frac{\delta E_2}{E_2} S_{rel}^{-1}

여기서 ''S_rel''은 상대 에너지 손실 계수로, 다음과 같다.^[1]

:(5)

S_{rel} = \frac{\frac{d E_1}{dx}}{E_1} \frac{1}{\sin \alpha} + \frac{\frac{d E_2}{dx}}{E_2} \frac{1}{\sin \beta}

''α''와 ''β''는 각각 빔의 입사각과 반동 이온의 출사각을 나타내며, ''ϕ=α+β'' 관계를 갖는다. 깊이 해상도는 상대적인 에너지 해상도와 입사 및 출사 이온의 상대적인 제동력에 의존한다.^[1]

검출기 수용각과 빔 스폿 크기는 산란각 범위 ''δϕ''를 정의하며, 이는 운동학적 에너지 분산 ''δE_kin''을 유발한다.^[1]

:(6)

\delta E_{kin} = 2 E_2 \tan\phi \ \delta\phi

탄성 산란에서 반동 운동학적 인자 ''K''는 다음과 같이 표현된다.^[16]

:(7)

E \approx K E_0

:(8)

K_s = \left (\frac{\cos \theta \pm \sqrt{r^2 - \sin^2 \theta}}{(1+r)} \right )^2

:(9)

Kr = \frac{4r \, \cos^2 \phi}{(1+r)^2}

:(10)

r = \frac{M_1}{M_2}

여기서 ''K_s''는 산란 입자의 운동학적 인자, ''θ''는 산란각, ''Kr''은 반동 입자의 운동학적 인자, ''Φ''는 반동각, ''r''은 입사 핵과 표적 핵 질량의 비이다.^[16]

음극은 두 개의 절연된 반으로 나뉘어 입사 위치를 검출한다.^[1] 전하 ''l''과 ''r''을 이용하여 입자 위치의 ''x'' 좌표를 계산한다.^[1]

:(11)

x = \frac{l-r}{l+r}

''y'' 좌표는 양극 펄스의 위치 독립성을 이용하여 계산한다.^[1]

:(12)

y = \frac{l+r}{E_{tot}}

탄성 충돌에서는 운동 에너지 보존이 이루어지며, 비탄성 충돌에서는 운동 에너지와 내부 에너지가 모두 관여한다.^[46] 깊이(x)에서 산란이 발생할 때 입사 입자의 에너지 E₀(x)는 초기 에너지 E₀와 비교하여 다음과 같이 표시된다.^[46]

:

E_{0}(x) = E_{0}- \int_{0}^{(x/\cos\theta1)}S(E)\,dL_{1}-Equation(1)

마찬가지로, 산란 입자에 대한 에너지 표현식은 다음과 같다:^[46]

:

E_{1}(x) = KE_{0}(x)- \int_{0}^{(x/\cos\theta2)}S(E)\,dL_{2}-Equation(2)

그리고 반동 원자에 대해:^[46]

E_{2}(x) = K'E_{0}(x)- \int_{0}^{(x/\cos\theta3)}S_r(E)\,dL_{3}-Equation(3)

단위 경로당 에너지 손실은 일반적으로 제동능으로 정의되며 다음과 같이 표시된다. ^[46]

:

S = \frac{dE}{dx}

에너지 손실 계산의 시작점은 다음과 같은 식으로 설명된다.^[46]

:

\Delta E = \int_{0}^{\Delta x} \frac{dE}{dx}\,dx

위의 식과 에너지 보존을 적용하여 3가지 경우의 식을 설명한다.^[46]

:

L_{1} = \int_{E_0(x)}^{E_0} \frac{dE}{S(E)}

:

L_{2} = \int_{E_1(x)}^{E_{01}(x)} \frac{dE}{S(E)}

:

L_{3} = \int_{E_2(x)}^{E_{02}(x)} \frac{dE}{S_r(E)}

여기서,

E_{01}(x) = KE_0(x)

그리고

E_{02}(x) = K'E_0(x)

;

S(E)

와

S_r(E)

는 표적 물질 내에서 투사체 및 반동에 대한 제동능이다.

\frac{dL_1}{dE_2} = \frac{1}{\frac{S_r(E_2)}{S_r[K'E_0(x)]}{ R(\phi, \alpha) S_r[K'E_0(x)] + K'S[E_0(x)]}}

탄성 분광법에서, 용어

[S]

는 에너지 손실 인자라고 한다:^[46]

[S] = \frac{K'S(E(x))}{\cos \theta_1} + S_r(K'E(x)) 2 \cos \theta_2

마지막으로, 제동 단면적은

\varepsilon(E) \equiv S(E)/N

로 정의되며, 여기서 N은 표적 물질의 원자 밀도이다. 제동 단면적 계수는 다음과 같다.^[46]

[\varepsilon] = \frac{K'' \varepsilon(E(x))}{\cos \theta_1} + \frac{\varepsilon_r(K''E(x))}{\cos \theta_3}

탄성반도측정법에서 깊이 분해능은 분석 기법이 샘플 층의 깊이에 따른 원자 분포의 변화를 측정하는 능력을 정의한다.^[1] 이는 재료 특성 분석에 매우 중요한 요소로, 표면 아래 층에서 원소 농도를 정량화하여 화학적 특성에 대한 정보를 제공한다.^[1]

깊이 분해능은 반도체 반동 분광법을 특징짓는 핵심 매개변수이며, 작은 깊이 간격에서 발생하는 반동 시스템의 에너지 분리를 가능하게 한다.^[30] 깊이 분해능(δR_x)은 농도 프로파일을 결정하는 절대적인 한계로 해석되며, 이보다 더 나은 정확도로 깊이 프로파일을 할당하는 것은 불가능하다.^[46]

깊이 분해능의 수식은 다음과 같다.^[30]

:

\delta R_x = \frac{\delta E_T}{\left[ \frac{S_r(E_2)}{S_r(K'E_0(x))} \right] \left[ R(\phi, \alpha) S_r(K'E_0(x)) + K'S(E_0(x)) \right]}

여기서 δE_T는 시스템의 총 에너지 분해능이며, 분모의 식은 초기, 산란 및 반동 이온 빔의 경로 적분 합이다.

이론적 및 실험적 한계로 인해 발생하는 유한한 최종 깊이 분해능은 이상적인 상황을 고려할 때 정확한 결과와 벗어난다. 최종 분해능은 고전적인 깊이 분해능 δR_x와 정확히 일치하지 않는데, 이는 다음과 같은 요인들 때문이라고 추정된다.^[46]

분자 간 에너지 분포의 근사치로 인한 불확실성.
제동력 및 단면적 값에 대한 데이터의 불일치.
반동 수율의 통계적 변동(계수 노이즈).

또한, 이온 빔이 물질을 관통할 때 발생하는 에너지 스트래글링과 다중 산란 역시 깊이 분해능에 영향을 미친다.^[31]^[46]

에너지 스트래글링은 입자 밀집 매질 내에서 입자의 에너지 손실이 다수의 개별 충돌로 인해 통계적인 분포를 가지기 때문에 발생한다.^[31] 초기 단일 에너지 및 단일 방향 빔은 에너지와 방향의 분산을 겪게 되며, 이러한 에너지 분포의 편차를 에너지 스트래글링이라고 한다. 에너지 스트래글링은 에너지 손실 비율에 따라 세 가지 영역으로 나뉜다.^[31]

다중 산란은 이온이 물질을 통과하면서 연속적인 산란 현상을 겪어 원래 방향에서 벗어나는 현상이다.^[37] 초기에는 잘 정렬된 이온 빔도 무작위 매질을 통과하면서 진행 방향이 달라지고, 각도 및 측면 편차가 발생한다.^[46] 다중 산란은 1920년대 초부터 발터 보테와 그레고어 벤첼에 의해 연구되기 시작하여, 윌리엄스, 구스미트와 손더슨, 몰리에르 등 여러 과학자들에 의해 발전되었다.^[41]^[42]^[43]

탄성반도측정법에서 질량 분해능은 표적 내의 두 인접 원소에서 발생하는 두 신호를 분리하는 반도측정법의 능력을 특징짓는 매개변수이다.^[46] 두 종류의 원자가 질량에서 δM₂ 만큼 차이가 있을 때 충돌 후 반동 원자의 에너지 δE₂의 차이는 다음과 같다:^[46]

:

\frac{E_2}{\delta M_2} = E_0 \frac{dK'}{dM_2}

:

\frac{\delta E_2}{\delta M_2} = \frac{4 E_0 M_1 (M_1 - M_2) \cos^2 \phi}{(M_1 + M_2)^2}

질량 분해능 δMR (≡ δE₂/ δM₂).

낮은 빔 에너지를 사용하는 주요 제한 사항은 질량 분해능 감소이다. 실제로 서로 다른 질량의 에너지 분리는 입사 에너지에 정비례한다. 질량 분해능은 상대적인 E와 속도 v에 의해 제한된다.

질량 분해능의 식은 다음과 같다: ΔM = √(∂M/∂E.∆E)² + √(∂M/∂v.∆v)²

ΔM = M(√((∆E)/E)²+√(2.∆v/v)²)

여기서 E는 에너지, M은 질량, v는 입자 빔의 속도이며, ΔM은 감소된 질량 차이이다.

4. 1. 기본 원리

탄성반도측정법(ERDA)은 탄성 산란을 기반으로 시료 내 원자들의 종류와 깊이 분포를 분석하는 방법이다.^[12]^[1]^[16] 이 과정은 입사 이온이 시료 원자와 충돌하여 운동 에너지를 전달하고, 반동하는 입자를 검출하는 방식으로 이루어진다.^[1]

질량 ''m₁'', 에너지 ''E₁''인 투사 이온이 질량 ''m₂''인 시료 원자와 충돌하여 ''ϕ'' 각도로 반동할 때 전달되는 에너지 ''E₂''는 다음과 같다.^[1]

:(1)

E_2 = \frac{(4m_1 m_2)}{(m_1 + m_2)^2}(E_1 \cos^2 \phi)

이 식은 입사 이온과 시료 원자 간의 에너지 전달을 나타낸다. 특히, 중이온을 사용하는 ERDA에서는 ''m₂''/''m₁'' << 1 인 경우 모든 반동 이온이 유사한 속도를 갖게 된다.^[12]

최대 산란각 ''θ^’_max''는 다음과 같이 계산된다.^[12]

:(2)

\theta_{max} = \arcsin \frac {m_2}{m_1}

미분 탄성 반동 단면 ''σ_ERD''는 다음과 같이 주어진다.^[1]

:(3)

\sigma_{ERD} = \left ( \frac{Z_1 Z_2 e^2}{2E_1} \right ) ^2 \left ( \frac{m_1+m_2}{m_2} \right ) ^2 \cos^{-3} \phi

여기서 ''Z₁''과 ''Z₂''는 각각 투사체와 시료 원자의 원자 번호이다.^[1] 이 식에서 ERDA의 감도는 모든 원소에 대해 거의 동일하며, 이온 투사체의 ''Z₁⁴''에 의존함을 알 수 있다.^[1]

깊이 해상도 ''δx''는 다음과 같이 표현된다.^[1]

:(4)

\delta x = \frac{\delta E_2}{E_2} S_{rel}^{-1}

여기서 ''S_rel''은 상대 에너지 손실 계수로, 다음과 같다.^[1]

:(5)

S_{rel} = \frac{\frac{d E_1}{dx}}{E_1} \frac{1}{\sin \alpha} + \frac{\frac{d E_2}{dx}}{E_2} \frac{1}{\sin \beta}

''α''와 ''β''는 각각 빔의 입사각과 반동 이온의 출사각을 나타내며, ''ϕ=α+β'' 관계를 갖는다. 깊이 해상도는 상대적인 에너지 해상도와 입사 및 출사 이온의 상대적인 제동력에 의존한다.^[1]

검출기 수용각과 빔 스폿 크기는 산란각 범위 ''δϕ''를 정의하며, 이는 운동학적 에너지 분산 ''δE_kin''을 유발한다.^[1]

:(6)

\delta E_{kin} = 2 E_2 \tan\phi \ \delta\phi

탄성 산란에서 반동 운동학적 인자 ''K''는 다음과 같이 표현된다.^[16]

:(7)

E \approx K E_0

:(8)

K_s = \left (\frac{\cos \theta \pm \sqrt{r^2 - \sin^2 \theta}}{(1+r)} \right )^2

:(9)

Kr = \frac{4r \, \cos^2 \phi}{(1+r)^2}

:(10)

r = \frac{M_1}{M_2}

여기서 ''K_s''는 산란 입자의 운동학적 인자, ''θ''는 산란각, ''Kr''은 반동 입자의 운동학적 인자, ''Φ''는 반동각, ''r''은 입사 핵과 표적 핵 질량의 비이다.^[16]

음극은 두 개의 절연된 반으로 나뉘어 입사 위치를 검출한다.^[1] 전하 ''l''과 ''r''을 이용하여 입자 위치의 ''x'' 좌표를 계산한다.^[1]

:(11)

x = \frac{l-r}{l+r}

''y'' 좌표는 양극 펄스의 위치 독립성을 이용하여 계산한다.^[1]

:(12)

y = \frac{l+r}{E_{tot}}

탄성 충돌에서는 운동 에너지 보존이 이루어지며, 비탄성 충돌에서는 운동 에너지와 내부 에너지가 모두 관여한다.^[46] 깊이(x)에서 산란이 발생할 때 입사 입자의 에너지 E₀(x)는 초기 에너지 E₀와 비교하여 다음과 같이 표시된다.^[46]

:

E_{0}(x) = E_{0}- \int_{0}^{(x/\cos\theta1)}S(E)\,dL_{1}-Equation(1)

마찬가지로, 산란 입자에 대한 에너지 표현식은 다음과 같다:^[46]

:

E_{1}(x) = KE_{0}(x)- \int_{0}^{(x/\cos\theta2)}S(E)\,dL_{2}-Equation(2)

그리고 반동 원자에 대해:^[46]

E_{2}(x) = K'E_{0}(x)- \int_{0}^{(x/\cos\theta3)}S_r(E)\,dL_{3}-Equation(3)

단위 경로당 에너지 손실은 일반적으로 제동능으로 정의되며 다음과 같이 표시된다. ^[46]

:

S = \frac{dE}{dx}

에너지 손실 계산의 시작점은 다음과 같은 식으로 설명된다.^[46]

:

\Delta E = \int_{0}^{\Delta x} \frac{dE}{dx}\,dx

위의 식과 에너지 보존을 적용하여 3가지 경우의 식을 설명한다.^[46]

:

L_{1} = \int_{E_0(x)}^{E_0} \frac{dE}{S(E)}

:

L_{2} = \int_{E_1(x)}^{E_{01}(x)} \frac{dE}{S(E)}

:

L_{3} = \int_{E_2(x)}^{E_{02}(x)} \frac{dE}{S_r(E)}

여기서,

E_{01}(x) = KE_0(x)

그리고

E_{02}(x) = K'E_0(x)

;

S(E)

와

S_r(E)

는 표적 물질 내에서 투사체 및 반동에 대한 제동능이다.

\frac{dL_1}{dE_2} = \frac{1}{\frac{S_r(E_2)}{S_r[K'E_0(x)]}{ R(\phi, \alpha) S_r[K'E_0(x)] + K'S[E_0(x)]}}

탄성 분광법에서, 용어

[S]

는 에너지 손실 인자라고 한다:^[46]

[S] = \frac{K'S(E(x))}{\cos \theta_1} + S_r(K'E(x)) 2 \cos \theta_2

마지막으로, 제동 단면적은

\varepsilon(E) \equiv S(E)/N

로 정의되며, 여기서 N은 표적 물질의 원자 밀도이다. 제동 단면적 계수는 다음과 같다.^[46]

[\varepsilon] = \frac{K'' \varepsilon(E(x))}{\cos \theta_1} + \frac{\varepsilon_r(K''E(x))}{\cos \theta_3}

4. 2. 깊이 분해능

탄성반도측정법에서 깊이 분해능은 분석 기법이 샘플 층의 깊이에 따른 원자 분포의 변화를 측정하는 능력을 정의한다.^[1] 이는 재료 특성 분석에 매우 중요한 요소로, 표면 아래 층에서 원소 농도를 정량화하여 화학적 특성에 대한 정보를 제공한다.^[1]

깊이 분해능은 반도체 반동 분광법을 특징짓는 핵심 매개변수이며, 작은 깊이 간격에서 발생하는 반동 시스템의 에너지 분리를 가능하게 한다.^[30] 깊이 분해능(δR_x)은 농도 프로파일을 결정하는 절대적인 한계로 해석되며, 이보다 더 나은 정확도로 깊이 프로파일을 할당하는 것은 불가능하다.^[46]

깊이 분해능의 수식은 다음과 같다.^[30]

:

\delta R_x = \frac{\delta E_T}{\left[ \frac{S_r(E_2)}{S_r(K'E_0(x))} \right] \left[ R(\phi, \alpha) S_r(K'E_0(x)) + K'S(E_0(x)) \right]}

여기서 δE_T는 시스템의 총 에너지 분해능이며, 분모의 식은 초기, 산란 및 반동 이온 빔의 경로 적분 합이다.

이론적 및 실험적 한계로 인해 발생하는 유한한 최종 깊이 분해능은 이상적인 상황을 고려할 때 정확한 결과와 벗어난다. 최종 분해능은 고전적인 깊이 분해능 δR_x와 정확히 일치하지 않는데, 이는 다음과 같은 요인들 때문이라고 추정된다.^[46]

분자 간 에너지 분포의 근사치로 인한 불확실성.
제동력 및 단면적 값에 대한 데이터의 불일치.
반동 수율의 통계적 변동(계수 노이즈).

또한, 이온 빔이 물질을 관통할 때 발생하는 에너지 스트래글링과 다중 산란 역시 깊이 분해능에 영향을 미친다.^[31]^[46]

에너지 스트래글링은 입자 밀집 매질 내에서 입자의 에너지 손실이 다수의 개별 충돌로 인해 통계적인 분포를 가지기 때문에 발생한다.^[31] 초기 단일 에너지 및 단일 방향 빔은 에너지와 방향의 분산을 겪게 되며, 이러한 에너지 분포의 편차를 에너지 스트래글링이라고 한다. 에너지 스트래글링은 에너지 손실 비율에 따라 세 가지 영역으로 나뉜다.^[31]

다중 산란은 이온이 물질을 통과하면서 연속적인 산란 현상을 겪어 원래 방향에서 벗어나는 현상이다.^[37] 초기에는 잘 정렬된 이온 빔도 무작위 매질을 통과하면서 진행 방향이 달라지고, 각도 및 측면 편차가 발생한다.^[46] 다중 산란은 1920년대 초부터 발터 보테와 그레고어 벤첼에 의해 연구되기 시작하여, 윌리엄스, 구스미트와 손더슨, 몰리에르 등 여러 과학자들에 의해 발전되었다.^[41]^[42]^[43]

4. 3. 질량 분해능

탄성반도측정법에서 질량 분해능은 표적 내의 두 인접 원소에서 발생하는 두 신호를 분리하는 반도측정법의 능력을 특징짓는 매개변수이다.^[46] 두 종류의 원자가 질량에서 δM₂ 만큼 차이가 있을 때 충돌 후 반동 원자의 에너지 δE₂의 차이는 다음과 같다:^[46]

:

\frac{E_2}{\delta M_2} = E_0 \frac{dK'}{dM_2}

:

\frac{\delta E_2}{\delta M_2} = \frac{4 E_0 M_1 (M_1 - M_2) \cos^2 \phi}{(M_1 + M_2)^2}

질량 분해능 δMR (≡ δE₂/ δM₂).

낮은 빔 에너지를 사용하는 주요 제한 사항은 질량 분해능 감소이다. 실제로 서로 다른 질량의 에너지 분리는 입사 에너지에 정비례한다. 질량 분해능은 상대적인 E와 속도 v에 의해 제한된다.

질량 분해능의 식은 다음과 같다: ΔM = √(∂M/∂E.∆E)² + √(∂M/∂v.∆v)²

ΔM = M(√((∆E)/E)²+√(2.∆v/v)²)

여기서 E는 에너지, M은 질량, v는 입자 빔의 속도이며, ΔM은 감소된 질량 차이이다.

5. 장비 구성

입자 가속기는 공동 마그네트론, 사이클로트론과 같은 전자기장을 이용하여 원소를 가속하며, 가속 전 원자는 전기를 띠는 이온화 과정을 거친다.^[18] 이온화는 표적 원자에서 전자를 제거하는 과정이며, 수소 이온 생성에는 마그네트론이 사용될 수 있다. 반 데 그라프 발전기는 가벼운 이온 빔 생성을 위해 입자 가속기와 통합되기도 한다.

무거운 이온 생성을 위해서는 전자 사이클로트론 공명(ECR) 소스가 사용될 수 있다.^[18] 국립 초전도 사이클로트론 연구소에서는 ECR 이온 소스를 사용하여 중성 원자에서 전자를 제거한다.^[18] ECR은 염소와 아이오딘과 같은 원하는 원소의 증기를 이온화하여 작동하며, Au, Ag 등 금속도 작은 오븐을 사용하여 증기 상태를 얻어 이온화할 수 있다.^[18]

원자 증기는 "자기 병" 또는 자기장으로 직접 주입을 통해 도입된다. 원형 코일은 자기 병의 형태를 제공하며, 챔버 상단과 하단에 위치하고 측면에는 육극자 자석이 있다. 플라즈마는 챔버 측면에 위치한 솔레노이드에 흐르는 전류로 형성된 자기 트랩 내에 포함되며, 육극자 자석에 의한 방사형 자기장도 플라즈마를 가두는 데 사용된다.^[18]

전자의 가속은 공명을 통해 이루어지는데, 전자가 공명 영역을 통과할 때 전자의 사이클로트론 주파수가 플라즈마 챔버에 주입된 마이크로파의 주파수와 같아진다.^[18] 사이클로트론 주파수(''ω'')는 균일한 자기장 ''B''의 방향에 수직으로 움직이는 하전 입자의 주파수로, 다음 방정식으로 설명된다.^[19]

: |q|B/m = ''ω''

여기서 ''m''은 입자의 질량, ''q''는 전하, ''v''는 속도이다. 이온화는 가속된 전자와 원하는 증기 원자의 충돌을 통해 단계적으로 이루어진다. 전자의 자이로 주파수는 1.76x10⁷ 브래드/초로 계산된다.^[20]

증기가 이온화된 후에는 육극자 사이에 고전압을 가하여 이온을 자기장에서 끌어낸다.^[18] 챔버에서 이온 추출은 양극성 플라즈마 챔버의 구멍을 통해 전극 시스템을 사용하여 수행된다. 추출된 이온은 가속을 위해 사이클로트론으로 보내진다.^[18]

ERDA 실험에서는 이온 빔 소스를 시료에 접선 각도로 배치하여 입사 이온이 시료에서 산란되어 감지기와 접촉하지 않도록 한다. 이 방법은 시료 표면에서 입사 이온의 탄성 산란과 반동 시료 원자를 감지하는 데 기반하며, 주로 반사 기하학에서 이루어진다.^[1]

입사 이온이 감지기와 접촉하는 것을 방지하기 위해 흡수체 호일을 사용하기도 한다. 흡수체 호일은 무거운 반동 및 빔 이온이 감지기에 도달하는 것을 막아 배경 잡음을 줄인다.^[21] 흡수체를 사용하면 큰 빔 ''Z₁''이 큰 러더퍼드 단면적을 생성하고, ''M₁>> M₂''이고 ''M ~2Z''인 경우 무거운 충돌 대 가벼운 충돌의 역학으로 인해 이 단면적은 표적에 거의 독립적이어서 배경을 줄이는 데 도움이 된다.^[21] 또한, 더 높은 제동력은 ~300 옹스트롬의 좋은 깊이 분해능을 제공한다.^[21]

ERDA에 사용되는 흡수체 호일의 주요 기준은 반동 불순물 원자가 무거운 입자를 멈추는 동안, 바람직하게는 상업적으로 이용 가능한 금속 호일을 통해 전달될 수 있는지 여부이다.^[21]

5. 1. 이온원

입자 가속기는 공동 마그네트론, 사이클로트론과 같은 전자기장을 구현하여 원소를 가속하며, 가속 전 원자는 전기를 띠는 이온화 과정을 거친다.^[18] 이온화는 표적 원자에서 전자를 제거하는 과정이며, 수소 이온 생성에는 마그네트론이 사용될 수 있다. 반 데 그라프 발전기는 가벼운 이온 빔 생성을 위해 입자 가속기와 통합되기도 한다.

무거운 이온 생성을 위해서는 전자 사이클로트론 공명(ECR) 소스가 사용될 수 있다.^[18] 국립 초전도 사이클로트론 연구소에서는 ECR 이온 소스를 사용하여 중성 원자에서 전자를 제거한다.^[18] ECR은 염소와 아이오딘과 같은 원하는 원소의 증기를 이온화하여 작동하며, Au, Ag 등 금속도 작은 오븐을 사용하여 증기 상태를 얻어 이온화할 수 있다.^[18]

원자 증기는 "자기 병" 또는 자기장으로 직접 주입을 통해 도입된다. 원형 코일은 자기 병의 형태를 제공하며, 챔버 상단과 하단에 위치하고 측면에는 육극자 자석이 있다. 플라즈마는 챔버 측면에 위치한 솔레노이드에 흐르는 전류로 형성된 자기 트랩 내에 포함되며, 육극자 자석에 의한 방사형 자기장도 플라즈마를 가두는 데 사용된다.^[18]

전자의 가속은 공명을 통해 이루어지는데, 전자가 공명 영역을 통과할 때 전자의 사이클로트론 주파수가 플라즈마 챔버에 주입된 마이크로파의 주파수와 같아진다.^[18] 사이클로트론 주파수(''ω'')는 균일한 자기장 ''B''의 방향에 수직으로 움직이는 하전 입자의 주파수로, 다음 방정식으로 설명된다.^[19]

:(13)

\frac

5. 2. 가속기

5. 3. 검출기

탄성반도측정법(ERDA)에서 이온 빔이 표적 시료 원자를 이온화하면, 시료 이온은 검출기를 향해 반동한다. 이때 빔 이온은 검출기에 도달하지 못하도록 특정 각도로 산란된다.^[1] 시료 이온은 검출기의 입구 창을 통과하며, 사용된 검출기 유형에 따라 신호는 스펙트럼으로 변환된다.

탄성 반도체 검출 분석에서 가장 흔한 검출기는 실리콘 다이오드이다.^[1] 이 검출기는 단순하다는 장점이 있지만, 무거운 반동 이온을 검출할 때 에너지 분해능이 감소하고 방사선 손상에 취약하며, 중이온 분석 시 작동 수명이 짧다(5–10년)는 단점이 있다.^[1] 또한, 전방 산란된 무거운 빔 이온을 제거하기 위해 "범위 포일"을 함께 사용해야 하는데, 이는 에너지 스트래글링 및 범위 포일 두께 불균일성으로 인해 에너지 분해능을 저하시키고, 다양한 반동 표적 원소에 대한 신호를 구별하기 어렵게 만든다.^[22]^[16]

기체 이온화 챔버, 여기서 양전하는 음극으로 이동하고 음전하는 프리쉬 그리드를 통해 분할된 양극으로 이동한다.

비행 시간(TOF)-ERD 방법은 실리콘 검출기의 문제점을 해결할 수 있지만, 처리량이 제한적이고 직렬 방식으로 검출이 수행된다는 단점이 있다.^[16] TOF 검출기의 시간 분해능(및 에너지 분해능)은 이온의 TOF가 길수록 좋아진다.^[16] 고체 상태 검출기가 통합된 TOF 분광기는 작은 입체각으로 제한되어야 한다. HI-ERDA를 수행할 때 TOF 검출기나 전리함과 같은 ''∆E/E'' 검출기가 종종 사용되며, 이러한 검출기는 일반적으로 더 높은 깊이 분해능을 위해 작은 입체각을 구현한다.^[23] 현대 비행 시간 기기의 검출기는 감도, 시간 및 공간 분해능, 수명이 향상되었다.^[24]

기체 이온화 검출기는 빔 손상에 영향을 받지 않고, 기체를 지속적으로 보충할 수 있다는 장점이 있다.^[16] 대면적 이온화 챔버를 사용한 핵 실험은 입자 및 위치 분해능을 향상시켜 수년 동안 사용되어 왔으며, 특정 기하학적 구조에 쉽게 적용될 수 있다.^[1] 에너지 분해능을 제한하는 요인은 입구 창으로, 기체의 대기압(20–90 밀리바)을 견딜 수 있을 만큼 튼튼해야 한다.^[16] 초박형 질화 규소 창이 도입되면서 설계가 단순화되었고, 저에너지 ERD에서 좋은 성능을 보인다.^[25] 이 검출기는 중이온 러더퍼드 후방 산란 분광법에도 사용된다.

일반적인 기체 이온화 검출기는 양극과 음극 전극 사이에 프리쉬 그리드가 있는 횡단장 이온화 챔버로 구성된다. 양극은 특정 거리에 의해 분리된 두 개의 플레이트로 세분화된다.^[26] 양극에서 신호 ''∆E''(에너지 손실), ''E_rest''(손실 후 잔여 에너지),^[27] ''E_tot'' (총 에너지) 및 원자 번호 ''Z''를 추론할 수 있다.^[1] 사용되는 기체는 전자적으로 제어되는 유량으로 20–90 mbar의 압력에서 아이소부탄이며, 폴리프로필렌 포일이 입구 창으로 사용되었다. 포일 두께의 균질성이 절대 두께보다 검출기 에너지 분해능에 더 중요하다.^[1] 음극 전극은 절연된 두 개의 반으로 나뉘어져 있어 입자 진입 위치 정보를 얻을 수 있다.^[1] 헬륨 이온보다 무거운 이온 빔을 사용할 때 기체 이온화 검출기의 에너지 분해능은 실리콘 검출기보다 더 우수하다.

6. 응용 분야

탄성반도측정법(ERDA)은 고분자 과학, 반도체 재료, 전자 공학 및 박막 특성 분석 분야에 적용된다.^[46] ERDA는 고분자 과학에서 널리 사용된다.^[47] 이는 고분자가 LI-ERDA로 쉽게 연구할 수 있는 수소 함유량이 높은 물질이기 때문이다. 고분자의 표면 특성, 고분자 블렌드 및 방사선 조사에 의한 고분자 조성 변화를 조사할 수 있다. HI-ERDA는 또한 마이크로 전자 공학 및 광전자 응용 분야에 사용되는 신소재 분야에서도 사용될 수 있다. 또한 ERDA를 사용하여 박막의 원소 분석 및 깊이 프로파일링을 수행할 수도 있다.

ERDA는 또한 부식 및 마모에 의해 유도된 계면 근처의 수소 수송을 특성화하는 데 사용된다.^[46]

고분자 분자가 호환되지 않는 고분자 사이의 계면과 무기 고체 물질과의 계면에서 어떻게 거동하는지 특성화하는 것은 기본적인 이해와 응용 분야에서 고분자의 성능을 향상시키는 데 매우 중요하다. 예를 들어, 두 고분자의 접착력은 고분자 세그먼트 사이의 계면에서 발생하는 상호 작용에 크게 의존한다. LI-ERDA는 고분자 과학의 이러한 측면을 정량적으로 조사하는 가장 매력적인 방법 중 하나이다.^[48]

전자 장치는 일반적으로 단결정 기판(Si, Ge 또는 GaAs)에 코팅된 산화물, 질화물, 규화물, 금속, 고분자 또는 도핑된 반도체 기반 매체로 구성된 순차적인 얇은 층으로 구성된다.^[46] 이러한 구조는 HI-ERDA로 연구할 수 있다. 이 기술은 다른 방법에 비해 한 가지 주요 장점이 있다. 불순물의 프로파일을 일정한 입사 에너지에서 한 번의 측정으로 찾을 수 있다.^[49] 또한 이 기술은 다양한 재료의 수소, 탄소 및 산소의 밀도 프로파일뿐만 아니라 절대 수소, 탄소 및 산소 함량을 연구할 수 있는 기회를 제공한다.

6. 1. 반도체

탄성반도측정법(ERDA)은 고분자 과학, 반도체 재료, 전자 공학 및 박막 특성 분석 분야에 적용된다.^[46] ERDA는 박막의 원소 분석 및 깊이 프로파일링을 수행하는 데 사용될 수 있다.

전자 장치는 일반적으로 단결정 기판(Si, Ge 또는 GaAs)에 코팅된 산화물, 질화물, 규화물, 금속, 고분자 또는 도핑된 반도체 기반 매체로 구성된 순차적인 얇은 층으로 구성된다.^[46] 이러한 구조는 HI-ERDA로 연구할 수 있으며, 불순물의 프로파일을 일정한 입사 에너지에서 한 번의 측정으로 찾을 수 있다는 장점이 있다.^[49] 이 기술은 다양한 재료의 수소, 탄소 및 산소의 밀도 프로파일뿐만 아니라 절대 수소, 탄소 및 산소 함량을 연구할 수 있는 기회를 제공한다.

6. 2. 고분자 과학

탄성반도측정법(ERDA)은 고분자 과학, 반도체 재료, 전자 공학 및 박막 특성 분석 분야에 적용된다.^[46] 특히 고분자는 수소 함유량이 높아 LI-ERDA로 쉽게 연구할 수 있기 때문에 고분자 과학에서 널리 사용된다.^[47]

고분자 표면 특성, 고분자 블렌드 및 방사선 조사에 의한 고분자 조성 변화를 조사할 수 있다. 호환되지 않는 고분자 사이의 계면과 무기 고체 물질과의 계면에서 고분자 분자의 거동을 특성화하는 것은 기본적인 이해와 응용 분야에서 고분자의 성능을 향상시키는 데 매우 중요하다. 예를 들어, 두 고분자의 접착력은 고분자 세그먼트 사이의 계면에서 발생하는 상호 작용에 크게 의존하며, LI-ERDA는 이러한 측면을 정량적으로 조사하는 데 유용하다.^[48]

HI-ERDA는 마이크로 전자 공학 및 광전자 응용 분야에 사용되는 신소재 분야에서도 사용될 수 있다.^[46] 전자 장치는 일반적으로 단결정 기판(Si, Ge 또는 GaAs)에 코팅된 산화물, 질화물, 규화물, 금속, 고분자 또는 도핑된 반도체 기반 매체로 구성된 순차적인 얇은 층으로 구성되는데,^[46] HI-ERDA는 이러한 구조를 연구하는데 유용하다. 이 기술은 불순물의 프로파일을 일정한 입사 에너지에서 한 번의 측정으로 찾을 수 있다는 장점이 있다.^[49] 또한 다양한 재료의 수소, 탄소 및 산소의 밀도 프로파일뿐만 아니라 절대 수소, 탄소 및 산소 함량을 연구할 수 있다. ERDA는 부식 및 마모에 의해 유도된 계면 근처의 수소 수송을 특성화하는 데에도 사용된다.^[46]

6. 3. 박막 분석

탄성반도측정법(ERDA)은 박막 분석에 유용하게 사용된다. 뮌헨 대학교에서 개발된 TiN_xO_y-Cu 필름은 태양광 탠덤 흡수체로 사용되는데, ERDA를 통해 구리 코팅과 유리 기판을 식별할 수 있었다.^[1] 이 분석에서는 러더퍼드 후방 산란 분광법과 결합하여 사용되었으며, 7.5 mrad의 입체각을 사용하여 반동 입자를 감지했다.^[1]

BaBiKO 박막의 경우, 중이온 ERDA를 사용하여 원소 성분(Bi, K, Mg, O 및 탄소 오염)을 분석했다.^[1] 칼륨을 제외한 가벼운 원소들은 매트릭스에서 명확하게 분리되었으며, 필름 내에서 강한 탄소 오염이 발견되었다.^[1] 일부 필름에서는 K와 탄소 오염의 비율이 1:1로 나타났으며, 오일 확산 펌프가 오염의 원인으로 추적되어 오일이 없는 펌핑 시스템으로 교체되었다.^[1]

ERDA는 고분자 과학, 반도체 재료, 전자 공학 및 박막 특성 분석 분야에 응용된다.^[46] 특히 고분자 과학에서 널리 사용되는데, 수소 함유량이 높은 고분자의 표면 특성, 고분자 블렌드 및 방사선 조사에 의한 조성 변화를 연구하는 데 유용하다.^[47] HI-ERDA는 마이크로 전자 공학 및 광전자 응용 분야의 신소재 연구에도 활용된다.^[48] 또한, ERDA는 박막의 원소 분석 및 깊이 프로파일링을 수행하는 데 사용될 수 있다.

ERDA는 부식 및 마모에 의해 유도된 계면 근처의 수소 수송을 특성화하는 데에도 사용된다.^[46] 전자 장치는 일반적으로 단결정 기판(Si, Ge 또는 GaAs)에 코팅된 산화물, 질화물, 규화물, 금속, 고분자 또는 도핑된 반도체 기반 매체로 구성된 얇은 층으로 구성되는데,^[46] HI-ERDA를 통해 이러한 구조를 연구할 수 있다. 이 기술은 불순물 프로파일을 한 번의 측정으로 찾을 수 있고,^[49] 다양한 재료의 수소, 탄소, 산소의 밀도 프로파일과 절대 함량을 연구할 수 있다는 장점이 있다.

6. 4. 기타 응용 분야

탄성반도측정법(ERDA)은 고분자 과학, 반도체 재료, 전자 공학 및 박막 특성 분석 분야에 적용된다.^[46] 특히 고분자 과학에서 널리 사용되는데,^[47] 이는 고분자가 LI-ERDA로 쉽게 연구할 수 있는 수소 함유량이 높은 물질이기 때문이다. 고분자의 표면 특성, 고분자 블렌드 및 방사선 조사에 의한 고분자 조성 변화를 조사할 수 있다. HI-ERDA는 마이크로 전자 공학 및 광전자 응용 분야에 사용되는 신소재 분야에서도 사용될 수 있다. 또한 ERDA를 사용하여 박막의 원소 분석 및 깊이 프로파일링을 수행할 수도 있다.

ERDA는 부식 및 마모에 의해 유도된 계면 근처의 수소 수송을 특성화하는 데 사용된다.^[46]

호환되지 않는 고분자 사이의 계면과 무기 고체 물질과의 계면에서 고분자 분자가 어떻게 거동하는지 특성화하는 것은 기본적인 이해와 응용 분야에서 고분자의 성능을 향상시키는 데 매우 중요하다. 예를 들어, 두 고분자의 접착력은 고분자 세그먼트 사이의 계면에서 발생하는 상호 작용에 크게 의존한다. LI-ERDA는 고분자 과학의 이러한 측면을 정량적으로 조사하는 가장 매력적인 방법 중 하나이다.^[48]

전자 장치는 일반적으로 단결정 기판(Si, Ge 또는 GaAs)에 코팅된 산화물, 질화물, 규화물, 금속, 고분자 또는 도핑된 반도체 기반 매체로 구성된 순차적인 얇은 층으로 구성된다.^[46] 이러한 구조는 HI-ERDA로 연구할 수 있다. 이 기술은 다른 방법에 비해 한 가지 주요 장점이 있는데, 불순물의 프로파일을 일정한 입사 에너지에서 한 번의 측정으로 찾을 수 있다는 점이다.^[49] 또한 이 기술은 다양한 재료의 수소, 탄소 및 산소의 밀도 프로파일뿐만 아니라 절대 수소, 탄소 및 산소 함량을 연구할 수 있는 기회를 제공한다.

7. 한국의 ERDA 연구 현황

8. 전망

참조

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