Implantacja jonowa

Technika implantacji jonowej umożliwia wprowadzenie dowolnego pierwiastka do podpowierzchniowych obszarów substratu. Można powiedzieć, że przetwarzanie wiązki jonów jest procesem, w którym jony energetyczne wprowadza się do warstwy wierzchniej podłoża stałego, poprzez bombardowanie.

39 Jest to metoda, której początki sięgają już początku XX stulecia. Pierwsze postulaty dotyczące implantacji jonowej pojawiły się już w 1906 roku i od tego czasu metoda ta stale jest rozwijana. W latach 90-tych i na początku XXI-stulecia metodę tą zaczęto stosować w aplikacjach biomedycznych (przy modyfikacjach implantów stosowanych w stomatologii oraz ortopedii) [43].

W konwencjonalnej implantacji jonowej jony są pobierane ze źródła i przyspieszane przy użyciu wysokiej energii, a następnie bombardują obrabiany materiał. Energia jonów mieści się z reguły w zakresie od kilku keV do kilku MeV w zależności od pożądanej głębokości implantacji. Z takim poziomem energii jony penetrują substrat i przyczyniają się do znacznych zmian. Jednakże energia jonów jest tak dobierana, że implantowane jony nie powodują głębokiej penetracji wewnątrz substratu. Dlatego modyfikacja jest ograniczona do podpowierzchniowych obszarów substratu i może zostać osiągnięta głębokość do 1 mikrometra. Energia implantacji w szczególnych przypadkach może być zwiększona lub obniżona w wyniku zastosowania postakceleracji.

Wiązka jonów jest zazwyczaj mała i zarówno ona jak i próbka są skanowane rastrowo w celu osiągnięcia jednolitej implantacji na dużej powierzchni. Jeśli próbka nie jest płaska to należy ją obracać tak, aby implantować wszystkie strony. Obracanie próbki powoduje konieczność stosowania radiatorów w celu zahamowania wzrostu temperatury podczas implantacji. Kiedy energetyczne jony przechodzą przez substrat różne procesy zachodzą w wyniku interakcji jon-ciało stałe. Jeśli jony włączają się do substratu po wytraceniu swojej energii proces nazywamy implantacją jonową.

Implantacja jonów jest procesem nie równowagowym i dlatego w metodzie tej nie ma rygorystycznych limitów dotyczących rozpuszczalności. Z wykorzystaniem tej metody można wytwarzać materiały o składzie i strukturze nieosiągalnej przy innych konwencjonalnych metodach równowagowych (takich jak termiczna dyfuzja czy stapianie).

Systemy wiązek jonowych charakteryzuje określona lokalizacja, np. kierunek rozchodzenia się wiązki jonów. W metodzie implantacji jonów wiązka o wysokiej energii (>10 keV) jonów pozwala jonom na dotarcie do celu w komorze z próżnią. Przypadkowe jony tracą swoja energię podczas zderzenia z atomami materiału docelowego i przechodzą do regionów przypowierzchniowych.

40 Implantacja jonów jest procesem prowadzonym w próżni i dlatego jest procesem o podwyższonej czystości, w związku z czym można otrzymywać warstwy o wysokiej czystości. Koncentracja i rozkład głębokościowy zanieczyszczeń jest łatwo określany i kontrolowany. Dodatkowo pomiędzy implantowaną warstwą a substratem występuje niezwykła adhezja. Sam proces jest prowadzony przy niskiej temperaturze substratów i z tego powodu nie ma znaczących zmian w rozmiarze substratu. Proces ten jest również wysoce kontrolowalny i powtarzalny i może zostać tak dopasowany, aby otrzymać różne powierzchnie na pożądanej drodze.

Wśród zalet tej metody wyróżnić możemy:

• Możliwość dokładnego dozowania oraz kontroli głębokości,

• Możliwość zastosowanie dużej gamy jonów,

• Możliwość dodania wielu domieszek,

• Możliwość prowadzenia procesu w temperaturze pokojowej.

Zastosowanie implantacji jonowej pozwala na polepszenie wielu właściwości, w których możemy wyróżnić właściwości:

• Mechaniczne, takie jak: mikrotwardość, tarcie i zużycie,

• Chemiczne, takie jak: korozja, pasywacja, reaktywność,

• Elektryczne, takie jak: rezystywność i semikonduktywność,

• Optyczne, takie jak: kolor, odbicie.

Mimo tych zalet trzeba wspomnieć, że implantacja jonowa jest procesem gwałtownym i prowadzi do zniszczeń na powierzchni. Zniszczenia te mogą pogorszyć właściwości trybologiczne lub odporność korozyjną substratu. Jeśli zniszczenia podczas implantacji nie są wymagane mogą zostać usunięte poprzez spiekania poprocesowe. [23]

W pierwszym etapie procesu elektrony są odłączane od atomów tak, żeby doszło do uformowania jonów, które następnie są wyłapywane przez przeciwnie naładowane regiony. Poprzez utworzenie silnie zgradientowanego potencjału w zbiorniku akceleratora jony są przyspieszane. Następnie przechodzą one przez magnes, który pozwala na selekcję

41 jonów o pożądanym ładunku. Serie elektrostatycznych i magnetycznych soczewek kształtują wiązkę jonów i skanują ją tak, żeby pozostawić odpowiednie cząstki. Cały proces jest prowadzony w wysokiej próżni.

Do najważniejszych parametrów implantacji jonowej należą: rodzaj jonów, energia wiązki i gęstość jonów. Ważną zaletą jest możliwość kontrolowania ostatecznego efektu poprzez kontrolę tych parametrów.

Kiedy energetyczne jony penetrują wnętrze substratu ich energia jest wytracana na skutek sprężystych i niesprężystych zderzeń. Zderzenia sprężyste mają miejsce z nukleonami atomów substratu w ciele stałym. W procesie tym część energii jonów jest przenoszona na atomy substratu w taki sposób, że całkowita energia kinetyczna pozostaje stała. Takie zderzenia powodują delokalizację atomów z ich położenia równowagowego. Taki mechanizm występuje głównie dla wolnych jonów (o niskiej energii).

Niesprężyste zderzenia jonów z atomami powodują wzbudzenie elektronów w stałym substracie. Taki mechanizm dominuje w przypadku szybkich jonów. Wewnątrz substratu jony tracą energię na oba z tych sposobów. Innymi słowy, energia jonów maleje wraz z ich penetracją wewnątrz substratu. Dla wysokoenergetycznych jonów niesprężysta strata jest dominująca podczas początkowego etapu ich drogi a sprężysta podczas końcowego etapu.

Atomy w ciele stałym wykazują stałe lub tymczasowe przesunięcie z ich oryginalnego położenia w sieci krystalicznej co prowadzi do akumulacji defektów (wakantów i międzywęzłów) powodując transformację strukturalną.

Urządzenia stosowane do implantacji jonów mogą być urządzeniami o niskiej lub średniej energii. W ogólnej budowie akceleratorów do implantacji jonowej wyróżnić można stalowy cylinder wypełniony gazem „izolującym” – SF₆, który zapobiega powstawaniu iskier podczas przepływu elektronów. Dodatkowo występuje również wewnętrzna kolumna, która jest doprowadzana do głównego cylindra w celu wsparcia pracy innych elementów akceleratora. W celu konwersji negatywnie naładowanych jonów w dodatnio naładowane cząstki stosowany jest system gazowy. Próżnia wykorzystywana w procesie i utrzymywana

|w tubie akceleratora jest podtrzymywana z wykorzystaniem kriogenicznych, turbomolekularnych pomp.[48]

42 Na rys. 8 przedstawiono schemat typowego implantatora jonów:

Rysunek 8 Schemat typowego implantatora jonów. 1. Źródło ujemnie naładowanych jonów, 2/5/7/19/21 szczelina, 3/26 elektrostatyczny analizator, 4 sterownik, 6 – magnes, 8/22/27 – klatka Faradaya, 9 – sterownik XY, 10 – soczewki, 11 – główna komora akceleratora, 12 - kolumna nisko

energetyczna, 13 – wysoko napięciowy tunel, 14 – kolumna wysokiej energii, 15 – pierścienie eqipotencjalne, 16 – wysoko napięciowy stabilizator, 17 – układ ładowania peletronu, 18 – quadropolowy triplet, 20 – analizator magnetyczny, 23/25 – magnetyczny kwadrupolowy dublet, 24 –

magnes przełączający, 28 – komora implantacyjna, 29 – wiązka jonów [43]

Metoda implantacji jonów może być użyta do wytworzenia warstwy HA poprzez implantację jonów Ca²⁺ w celu umożliwienia wzrostu fosforanu wapnia, a następnie zanurzenie (przez ok. 30 dni) substratu tytanowego w roztworze Hanka. Oprócz tradycyjnej implantacji jonowej wyróżniamy również tzw. IBAD (ang. Ion beam assisted deposition) oraz IBSD (ang. Ion beam sputtered deposition), a także jonowe mieszanie.

Jinno i współprac. [44] w swoich badaniach przedstawili sposób wytwarzania powłok HA z wykorzystaniem jonowego mieszania oraz porównali skuteczność jonowego osadzania z metodą biomimetyczną polegająca na wytworzeniu powłoki hydroksyapatytowej w sposób zbliżony do naturalnego, czyli poprzez zanurzenie w roztworze SBF. W pierwszej kolejności

43 na powierzchni tytanowego substratu osadzano jony wapnia, które następnie poprzez implantację jonów argonu były implantowane pod powierzchnię modyfikowanego materiału.

Tak zmodyfikowany materiał umieszczali w roztworze SBF. Implantacja jonów wapnia poprawiła znacznie osadzanie fosforanów wapnia na powierzchni Ti w porównaniu do metody biomimetycznej. Powierzchnia z zaimplantowanymi jonami wapnia wykazuje większy ładunek dodatni. Wykazali oni, że implantacja jonów wapnia zwiększa osseointegrację w początkowym okresie tworzenia powłoki HA, jednakże brak jest tego efektu w odniesieniu do długoterminowych aplikacji.

Krupa i współprac. [45] badali wpływ implantacji jonów wapnia na odporność korozyjną i bioaktywność stopów tytanowych. Jony wapnia zostały wprowadzone pod powierzchnię z odpowiednią energią. Następnie stopy Ti zanurzano w roztworze SBF na maks. 30 dni. Taki czas pozwalał na osiągnięcie na powierzchni stopu Ti warstwy HA.

Wykazali oni, że implantacja jonów wapnia zwiększa odporność korozyjną podczas krótkoterminowej ekspozycji w roztworze SBF, niestety podczas polaryzacji anodowej dochodzi do zjawiska korozji wżerowej.

4.3. Przegląd metod chemicznej