La mezcla por haz de iones es la mezcla y aleación atómica que puede ocurrir en la interfaz que separa dos materiales diferentes durante la irradiación de iones. [1] Se aplica como un proceso para adherir dos multicapas, especialmente un sustrato y una capa superficial depositada . El proceso implica bombardear muestras en capas con dosis de radiación iónica para promover la mezcla en la interfaz y generalmente sirve como un medio para preparar uniones eléctricas, especialmente entre aleaciones metaestables o en desequilibrio y compuestos intermetálicos . Se puede utilizar equipo de implantación de iones para lograr la mezcla del haz de iones.
Los efectos únicos que se derivan de la mezcla de haces de iones son principalmente el resultado de efectos balísticos ; es decir, los iones que chocan tienen altas energías cinéticas que se transfieren a los átomos objetivo en caso de colisión. Las energías de los iones se pueden ver del orden de 1 k eV a 200 keV. Cuando se aceleran, dichas energías iónicas son lo suficientemente altas como para romper enlaces intramoleculares y especialmente intermoleculares e iniciar reubicaciones dentro de una red atómica . La secuencia de colisiones se conoce como cascada de colisiones . Durante este proceso balístico, las energías de los iones que inciden desplazan los átomos y electrones del material objetivo a varios sitios de la red, lo que resulta en reubicaciones allí y mezclas de interfaz en la capa límite. (Tenga en cuenta que las energías deben ser lo suficientemente altas para que los reordenamientos de la red sean permanentes en lugar de manifestarse como meras respuestas vibratorias a la radiación incidente, es decir, las energías cinéticas deben estar por encima del umbral de energía de desplazamiento del material). alto en estas colisiones nucleares, entonces, en comparación con los procesos tradicionales de implantación de dosis altas, la implantación de iones balísticos produce concentraciones de aleación intrapelícula más altas a dosis más bajas de irradiación en comparación con los procesos de implantación convencionales.
El grado de mezcla de una película aumenta con la masa de iones, con la intensidad de cualquier haz de iones incidente dado y con la duración del impacto del haz de iones sobre un objetivo. La cantidad de mezcla es proporcional a las raíces cuadradas del tiempo, la masa y la dosis de iones. [2]
A temperaturas inferiores a 100 °C para la mayoría de los materiales implantados, la mezcla del haz de iones es esencialmente independiente de la temperatura pero, a medida que la temperatura aumenta más allá de ese punto, la mezcla aumenta exponencialmente con la temperatura. Esta dependencia de la temperatura es una manifestación de los haces de iones incidentes que imparten efectivamente la energía de activación dependiente de la especie objetivo a la capa de barrera. [3]
La mezcla por haz de iones balísticos se puede clasificar en dos subtipos básicos, mezcla por retroceso y mezcla en cascada, que tienen lugar simultáneamente como resultado del bombardeo de iones. En la mezcla por retroceso, los átomos se reubican mediante eventos de colisión única . La mezcla de retroceso se observa predominantemente en ángulos grandes como resultado de colisiones suaves, y el número de átomos sometidos a implantación de retroceso varía linealmente con la dosis de iones. La implantación de retroceso, sin embargo, no es el proceso dominante en la mezcla de haces de iones. La mayoría de los átomos reubicados son parte de una cascada de colisiones en la que los átomos retrocedidos inician una serie de desplazamientos de la red de menor energía, lo que se conoce como mezcla en cascada. [3] La mezcla de haces de iones se puede mejorar aún más mediante efectos de picos de calor [4]
La mezcla de iones (IM) tiene un resultado esencialmente similar a la interdifusión, por lo que la mayoría de los modelos de mezcla de iones implican un coeficiente de difusión efectivo que se utiliza para caracterizar el espesor de la capa que reacciona en función de la implantación del haz de iones durante un período de tiempo. [3]
El modelo de difusión no tiene en cuenta la miscibilidad del sustrato y la capa, por lo que para sistemas inmiscibles o de baja miscibilidad sobreestimará el grado de mezcla, mientras que para sistemas altamente miscibles el modelo subestimará el grado de mezcla. Los efectos termodinámicos tampoco se consideran en esta ecuación básica de interdifusión, pero pueden modelarse mediante ecuaciones que consideran las entalpías de mezcla y las fracciones molares de las especies objetivo, y de ese modo se puede desarrollar un coeficiente de difusión termodinámica efectiva que refleje los efectos de la temperatura (que se vuelven pronunciados). a altas temperaturas).
Las ventajas de la mezcla de haces de iones como medio de síntesis sobre los modos tradicionales de implantación incluyen la capacidad del proceso para producir materiales con altas concentraciones de soluto utilizando menores cantidades de irradiación y un mejor control de la variación de la banda prohibida y la difusión entre capas. [3] [5] El costo de IM también es menos prohibitivo que el de otros modos de preparación de películas sobre sustratos, como la deposición química de vapor (CVD) y la epitaxia de haz molecular (MBE).
Las desventajas incluyen la incapacidad de dirigir y controlar completamente los desplazamientos de la red iniciados en el proceso, lo que puede resultar en un grado indeseable de desorden en las muestras mezcladas de iones, haciéndolas inadecuadas para aplicaciones en las que los ordenamientos precisos de la red son primordiales. Los haces de iones no se pueden dirigir perfectamente ni controlar la cascada de colisiones una vez que se propagan los efectos IM, lo que puede provocar fugas, difracción de electrones , difusión mejorada por radiación (RED), migración química y desajustes. [6] Además, todas las muestras de mezcla de iones deben recocerse.