Differenze tra le versioni di "Channeling (fisica)"

m
aggiunta link e miglioramento testo
m (Bot: accenti; Bot: niente spazi dopo l'apostrofo e modifiche minori)
m (aggiunta link e miglioramento testo)
In [[fisica]] il '''channelling''' o '''channeling''' (in dall'inglese ''incanalamento'') è un fenomeno che consiste nella modifica delle traiettorie di [[Fascio ionico|fasci ionici]] in un materiale cristallino solido, detto anche incanalamento di fasci, che avviene quando un fascio di ioni è accuratamente allineato con una direzione ad alta simmetria di un cristallo<ref name=":0">{{Cita libro|titolo=L.C. Feldman & J.W. Mayer, Fundamentals of Modern Surface Analysys , North Holland, 1986}}</ref>.
 
L'interazione di un fascio di [[Particella (fisica)|particelle]] cariche o di ioni con un materiale può dar luogo ad un'ampia varietà di fenomeni fisici, come lo [[scattering elastico]], anelastico, processi di perdita di energia, [[Reazione nucleare|reazioni nucleari]], emissione di elettroni secondari ed altri fenomeni. Ognuno di essi è caratterizzato da una [[sezione d'urto]] ([[Cross section (fisica)|cross section]]) che esprime la probabilità che quello specifico fenomeno accada, dato uno specifico materiale e uno specifico fascio. Le sezioni d'urto sono in genere espresse per un [[Isotropia|materiale isotropo]] e omogeneo, dove gli atomi del materiale sono da considerarsi disposti casualmente, o possono presentare solo un ordine locale. In queste condizioni, la sezione d'urto è indipendente dalla direzione del vettore quantità di moto del fascio, ovvero al variare dell'angolo di entrata del fascio ionico in un materiale, la sezione d'urto non è si modifica.
Nel caso di [[Monocristallo|materiali monocristallini]], gli atomi sono disposti ordinatamente in una struttura e la sezione d'urto dei fenomeni derivanti dall'interazione del fascio con il materiale diventa fortemente dipendente dall'orientazione reciproca tra il cristallo e il fascio incidente<ref name=":1">{{Cita libro|titolo=D.V. Morgan, Channeling, Wiley, 1973}}</ref>.
 
In generale, l'interazione fra ione incidente e il materiale può essere divisa in due grandi categorie: l'interazionele interazioni ione-nucleielettroni e l'interazione ione-elettroninuclei. Le interazioni ione-elettroni danno origine ai principali meccanismi di perdite di energia degli ioni incidenti e di quelli diffusi nei materiali, mentre le interazioni ione-nuclei sono alla base di diversi fenomeni fisici su cui si basano le tecniche di [[Analisi con fascio ionico|analisi con fasci ionici]], tra i quali anche il fenomeno del channelling.
[[File:Si110 channeling4 zoom800.png|miniatura|Fig.1 Rappresentazione di un cristallo di silicio spesso circa 12nm visto dalla direzione cristallografica 110.]]
Il fenomeno del channelling è facilmente riscontrabile durante l'uso di tecniche di [[Analisi con fascio ionico|analisi a fascio ionici]] (ion beam analysis) con materiali cristallini, prima tra tutte la tecnica [[:en:Rutherford_backscattering_spectrometry|Rutherford backscattering spectrometry]] (RBS), dove fasci di ioni (come H<sup>+</sup> o <sup>4</sup>He<sup>+</sup>) sono utilizzati ad energie in genere tra 100keV100 keV - 5 MeV per analizzare materiali, sfruttando le interazioni ione-nucleo per ricavare informazioni composizionali o strutturali. Tuttavia fenomeni di channelling sono comunemente riscontrati anche in fasci altamente energetici dell'ordine di GeV - TeV<ref>{{Cita pubblicazione|autore=Redaelli|autore2=Butcher|autore3=Barreto|titolo=First observation of ion beam channeling in bent crystals at multi-TeV energies|rivista=The European Physical Journal C|volume=81|numero=142}}</ref>.
 
== Meccanismo ==
In generale, si può sempre assumere che la distribuzione di flusso di ioni incidenti su un materiale sia uniforme in tutti i siti atomici del materiale bersaglio. Questa condizione diventa non vera qualora il campione sia un materiale monocristallino, a causa dell'interazione che il fascio ionico ha con il materiale:. In particolare, il fenomeno del channelling ègenera allauna basevariazione della probabilità dell'interazione tra un fascio ionico e i nuclei di ciòun materiale cristallino, dovuto alla periodicità del potenziale nucleare, rendendo le traiettorie del fascio ionico all'interno del materiale localizzate principalmente tra i filari atomici anziché omogeneamente distribuite all'interno del solido.
[[File:Si110 random3 zoom800.png|miniatura|Fig.2 Rappresentazione grafica di un cristallo di silicio (come in Fig.1) con vista non allineata a nessuno direzione cristallografica.]]
Una immagine geometrica del fenomeno può essere data dall'incanalamento degli ioni incidenti in un materiale che espone una faccia a bassi [[indici di Miller]]. Il fascio incide in un materiale monocristallino e la struttura che il fascio "vede" può essere immaginata come una sequenza di atomi allineati e coperti con ampi spazi vuoti tra i filari di atomi (vedi Fig.1). Occorre pertanto che vi sia un allineamento tra la traiettoria del fascio e il cristallo per poter avere il fenomeno di channelling; infatti, nel caso non vi sia un allineamento, la disposizione degli atomi può essere non efficace per avere degli effetti di incanalamento (vedi Fig.2). Gli ioni che attraversano il materiale possono essere visti come delle cariche positive in moto in un potenziale repulsivo, dato dai nuclei dei singoli atomi che compongono il materiale. Il fascio di ioni incide inizialmente con distribuzione uniforme sulla superficie del campione. Di conseguenza il primo atomo di ogni riga presenta una probabilità di interazione analoga a quella tipica di un materiale amorfo. Esso però è la sorgente di un potenziale repulsivo per le cariche positive incidenti che genera un “volume proibito” noto come “cono d’ombra” che impedisce (o riduce fortemente) la probabilità di interazione del fascio con gli atomi immediatamente retrostanti. Solo se, a seguito di vibrazione termica o di un difetto cristallografico, gli atomi retrostanti si trovano spostati dalla loro posizione reticolare regolare fino ad uscire dal cono d'ombra, l’interazione diventa possibile<ref>Dispense di Lezione, "TECNICHE NUCLEARI PER LA CARATTERIZZAZIONE CHIMICA E STRUTTURALE DI CAMPIONI SOLIDI" prof. ''Alberto Carnera'', Università degli Studi di Padova, Italia. </ref>. A seguito dell’azione del potenziale repulsivo delle righe (o piani) atomici gli ioni incidenti subiscono delle deflessioni che li portano su delle traiettorie oscillanti all’ interno del “canale”. Gli ioni che hanno attraversato la superficie del cristallo in una posizione centrale nel canale subiranno piccole deflessioni e proseguiranno con traiettorie che si discostano poco dal centro del canale. La loro probabilità di interazione sarà quindi particolarmente bassa. Gli ioni più “periferici” descriveranno invece oscillazioni all'interno del canale dato dalla disposizione ordinata dei nuclei.
 
È dunque possibile incanalare degli ioni in un cristallo lungo direzioni diverse, ed in particolare tra piani cristallografici o lungo assi cristallografici. Da qui ne deriva che, a seconda del piano o dell'asseallineamento allineatoscelto, alsi fascio, possiamopossa parlare di due tipi di incanalamento: channelling assiale eo channelling planare.
 
Il fenomeno del channelling provoca una diminuzione della probabilità dell'interazione tra gli ioni del fascio incidente e i nuclei ordinati del materiale a causa del potenziale periodico nucleare che confina le traiettorie degli ioni lontano dai filari nucleari. È bene specificare che questo fenomeno interessa solo una porzione di materiale cristallino, in genere individuabile tra qualche nanometro sotto la superficie del cristallo (i primi atomi "vedono" ancora un fascio uniforme e non incanalato) fino a qualche centinaio di nanometri di profondità, a causa dell'effetto di fenomeni che deteriorano l'incanalamento del fascio via via che si procede verso la profondità del materiale. È utile ricordare che qualsiasiQualsiasi imperfezione del cristallo, sia essa un difetto puntuale, una dislocazione, dei precipitati, dello strain, causa launa rottura della simmetria cristallina e quindi una modifica del potenziale periodico; pertanto, a sua volta modifica le traiettorie incanalate degli ioni possono essere modificate da questi difetti, facendo sì che il fascio si possa anche de-incanaliincanalare.
 
Anche supponendo di avere un cristallo perfetto, vi sono comunque fenomeni che degradano l'incanalamento degli ioni via via che il fascio penetra in un materiale, dando luogo al fenomeno del de-channelling. Il primo è dovuto alla perdita di energia degli ioni che si ha all'aumentare della penetrazione degli ioni nel cristallo, ementre il secondo è dovuto all'aumento dell'energia trasversa degli ioni dovuta alle collisioni multiple con gli elettroni e con gli atomi leggermente fuori sito. Quest'ultimo caso può essere dato anche dal semplice moto termico dei nuclei, il quale contribuisce significativamente alla probabilità di scattering degli ioni incanalati con i nuclei e nequindi causaanche ilal de-channeling<ref>{{Cita libro|titolo=J. Tesmer, M. Nastasi: "Handbook of Modern Ion Beam Material Analysis" Material Research Society}}</ref>.
 
La trattazione classica coulombiana del fenomeno, in parte qui presentata, oltre ad essere di più facile trattazione, può essere giustificata dal fatto che le particelle che in genere vengono utilizzate per esperimenti di channelling o di ion beam analysis presentano energie comprese tra le centinaia di keV e fino a qualche MeV, e riguardano particelle- o ioni relativamente pesanti come <sup>4</sup>He<sup>+</sup>. In questi casi si possono trascurare effetti di diffrazione nell'interazione ione-cristallo ed ammettere una trattazione classica del problema. È inoltre utile sottolineare che la trattazione fin qui riportata si è focalizzata sul fenomeno di channelling di fasci carichi positivamente, ma in linea generale sono possibili fenomeni di channelling anche con fasci negativi<ref>{{Cita pubblicazione|autore=Guidi Vincenzo|autore2=De Salvador Davide|autore3=Carnera Alberto|titolo=Silicon crystal for channelling of negatively charged particles|rivista=Journal of Physics D: Applied Physics|volume=49|numero=182005}}</ref>.
 
== Applicazioni ==
117

contributi