Energetické ztráty a rozptyl těžkých iontů v látce a degradace polymerů po ozáření těžkými ionty

Mgr. Romana MIKŠOVÁ

Doctoral thesis

Energy loss and straggling of heavy ions in matter and polymer degradation by heavy ion irradiation

Abstract:

In this thesis, the stopping power, energy straggling and irradiation effects of heavy ions in polymers and silicon nitride are studied. The main goal of this work was a systematic study of the heavy ion stopping power and energy straggling in polymers in connection to compositional and structural changes after ion irradiation. The work is divided into two main parts: the stopping power and energy straggling of heavy ions in matter and characterization of the structural, compositional, and optical changes of polymer irradiated by energetic heavy ions. For the stopping power and energy straggling measurement was used an indirect transmission method. The energy stopping and energy straggling extraction from RBS spectrum was realized using the ITAP code, which was developed in the frame of this theses. The experimental stopping powers were compared with the predictions obtained from semiempirical models implemented in the present codes SRIM-2013 and MSTAR. The analytical calculation of the energy stopping powers using the CasP code was also provided. The energy-straggling data were compared with those calculated using Bohr's, BetheLivingston theories and Yang model.Compositional and structural changes related to the ion species, ion irradiation fluence and the type of irradiated polymer were studied and discussed in connection to energy-loss measurement. Rutherford back-scattering (RBS) and elastic recoil detection analysis (ERDA) were used for the elemental composition study and the results were compared with the TRIDYN simulation. The atomic force microscopy (AFM) for the detection of the changes in surface roughness, UV Visible spectral study (UV Vis) for variation in the absorbance and the optical band gap and Fourier transformation infrared spectroscopy (FTIR) were utilised to follow the structural changes (polymeric functional group appearance, double bonds, carbon-cluster creation etc.) of the irradiated polymers.

Abstract:

V této práci byly studovány energetické ztráty a rozptyl těžkých iontu v polymerech a nitridu křemičitém, kde hlavním cílem bylo předvést systematickou studii energetických ztrát a energetického rozptylu těžkých iontu v polymerech a lepší pochopení změn v polymerní struktuře po ozáření. Práce je rozdělena na dvě části: první část se věnuje ztrátám a energetickému rozptylu samotnému, druhá část se zaměřuje na určení strukturálních, kompozičních a optických změn v polymerech po ozáření těžkými ionty. Pro měření energetických ztrát a rozptylu iontu byla použita nepřímá průletová metoda. Stanovení těchto hodnot z RBS spektra bylo realizováno pomocí programu ITAP, který byl vyvinut v rámci této dizertační práce. Experimentálně určené hodnoty energetických brzdných ztrát byly srovnávány s hodnotami získanými ze semi-empirických modelů v programech SRIM-2013 a MSTAR. Dále byl proveden analytický výpočet energetických brzdných ztrát pomocí programu CasP. Experimentální hodnoty energetického rozptylu byly srovnávány s hodnotami vypočítanými podle teoretického modelu Bohra a BetheLivingstona a s empirickým modelem Yang. Byly studovány kompoziční a strukturální změny v závislosti na typu použitého iontu, ozařovací fluenci a typu polymeru a diskutovány ve spojení s energetickými ztrátami. Metody analýza Rutherfordova zpětného rozptylu (RBS) a analýza zpětné odražených částic (ERDA) byly použity pro zjištění změn v prvkovém složení v polymeru po ozáření a hloubkové profily prvku v modifikované vrstvě byly srovnávány se simulacemi TRIDYN. Mikroskopie atomárních sil (AFM) byla použita k stanovení změn v povrchové drsnosti po ozáření, ultrafialovo-viditelná spektroskopie (UVVis spektroskopie) pro zjištění rozdílu v absorbanci a změně optického zakázaného pásu po ozáření. Spektroskopie infračerveného záření s Fourierovou transformací (FTIR) byla použita k zjištění strukturálních změn po ozáření, jakým jsou změny funkčních uhlíkových klasteru aj.

Keywords

Brzdné ztráty, Energetický rozptyl, Ozarování polymeru, RBS, ERDA, AFM

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 26. 4. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 6. 10. 2017
• Supervisor: doc. RNDr. Anna Macková, Ph.D.

JAN EVANGELISTA PURKYNĚ UNIVERSITY IN ÚSTÍ NAD LABEM

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Computer Methods in Science and Technology