Pokrywanie materiałów jonami, czyli tzw. implementacja jonowa polega na "wbijaniu" jonów w powierzchnię materiału. Może ona sprawić, że materiał zmieni swoje właściwości fizyczne, np. mechaniczne lub elektryczne.

Urządzenie już wykorzystano do produkcji próbek półprzewodnika nowej generacji: warstwy krzemionki z uformowanymi nanokryształami germanu. Półprzewodniki tego typu mogą znaleźć nowe zastosowania w elektronice, np. generować światło lub posłużyć do dalszej miniaturyzacji układów pamięciowych.

Obecnie do implementacji jonowej najczęściej stosuje się akceleratory. Od akceleratorów prostsze, tańsze i bardziej uniwersalne okazują się jednak laserowe źródła jonów (Laser Ion Source - LIS). LIS to proste urządzenia, wytwarzające jony wskutek oddziaływania skupionej wiązki laserowej z tarczą umieszczoną w komorze próżniowej. Dzięki urządzeniu tego typu, w przeciwieństwie do akceleratora, można np. wytwarzać jony z materiałów trudnotopliwych - np. z tantalu czy wolframu.

Laserowe źródła jonów mają niestety pewne wady: znajdujące się w tarczy zanieczyszczenia często stwarzają problemy - ich jony mogą wraz z właściwymi jonami wpływać na próbkę. Dodatkowo impuls laserowy wyrywa z tarczy drobiny materiału, które osadzają się na próbce i zaburzają jej powierzchnię. Obecność zanieczyszczeń uniemożliwia zastosowanie LIS w przemyśle. "Aby zapobiec takim efektom, zaprojektowaliśmy i zbudowaliśmy urządzenie do implementacji jonowej z bardzo oryginalnym elektrostatycznym układem przyspieszania jonów" - mówi doktorant Marcin Rosiński z IFPiLM.

W urządzeniu zbudowanym w IFPiLM impuls laserowy trwa 3,5 nanosekundy i niesie mało energii. W początkowej fazie oddziaływania z materią energia ta zwiększa energię swobodnych elektronów w tarczy i to one zaczynają jonizować atomy tarczy i jej zanieczyszczeń. Pozostała energia impulsu laserowego grzeje bezpośrednio zjonizowaną materię, co powoduje jej szybką ekspansję. Natura procesu sprawia, że wyrzucane z plazmy jony nie unoszą jednakowej energii, a więc mają szeroki rozkład energetyczny.

W polskim urządzeniu drobiny materiału wyrwane z tarczy pod wpływem impulsu laserowego są obojętne elektrycznie. Ekspandują bez odchylania i trafiają w przegrodę ustawioną na osi układu, przed próbką. Z kolei część jonów tarczy i zanieczyszczeń omijających przegrodę jest przyspieszana i skupiana przez pole elektryczne na osi układu za przegrodą. "Parametry pola dobraliśmy w taki sposób, że do próbki dolatują tylko cięższe jony tarczy, o mniej więcej tej samej energii" - wyjaśnia Rosiński.

Zastosowany w urządzeniu niskoenergetyczny laser nie grzeje się i w kilkadziesiąt minut może wygenerować 10 tys. i więcej impulsów świetlnych. Naukowcy mogą więc precyzyjnie kontrolować liczbę jonów docierających do próbki.

Jak poinformowano w komunikacie, rozwiązanie zaproponowane przez naukowców z IFPiLM zostało zastosowane do badań implantacji jonów germanu w warstwie krzemionki, aby wytworzyć w niej nanokryształy germanu. Powstaje w ten sposób zmodyfikowany półprzewodnik dla nowych zastosowań w elektronice. "Nasze zaimplantowane próbki, po wygrzaniu, przebadaliśmy różnymi metodami w specjalistycznych laboratoriach, głównie na Uniwersytetach w Mesynie i Katanii na Sycylii. Obserwowaliśmy zarówno skutki implementacji jonów, jak i strukturę nanokrystaliczną próbek" - mówi Rosiński.

"Prace nad optymalizacją naszego urządzenia pod kątem zastosowań przemysłowych zakończymy w dwa lata, ale już teraz zaczynamy szukać firm zainteresowanych wdrożeniem tej technologii" - podsumowuje prof. Jerzy Wołowski, szef zespołu zajmującego się w IFPiLM badaniami i zastosowaniami oddziaływań laserów z materią.

Budowę urządzenia do implantacji laserowej rozpoczęto w IFPiLM kilka lat temu w ramach europejskiego programu SEMINANO. Obecnie głównym źródłem finansowania badań jest Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego.