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Analisi di superfici

Il Laboratorio Analisi di Superfici presso l’IFP  è dedicato principalmente allo studio dell’interazione del plasma con i materiali di prima parete dei reattori nucleari.

In questo ambito i fenomeni più comuni sono l’erosione, la ri-deposizione , la variazione morfologica  e la variazione dello stato chimico della superficie della prima parete.

Attraverso l’analisi XPS e SIMS è possibile eseguire una indagine sulla superficie e nel bulk degli elementi presenti sulla superficie e del loro stato chimico (ossidazione, idrurazione, boronizzazione, litizzazione etc...

XPS
Impianto per la spettroscopia di foto-elettroni. Caratteristiche tecniche: dual anode (Al, Mg), risoluzione 0.8 ev, range di temperature da 100 K to 1300 K.Diagnostiche installate: AES, EELS, LEIS (A, Ne, He), UPS, LEED.<br />

SIMS
Impianto per la spettrometira di massa di ioni secondari. Caratteristiche tecniche: AMU 1-300, 1-50 AMU ad alta sensibilità, risoluzione 1 AMU. Diagnostiche installate: Secondary Ion Mass Spettrometry (SIMS) e spettroscopia per desorbimento termico (TDS) fino a T=1300 K.<br />

Il laboratorio fornisce anche attività di supporto agli altri laboratori per analisi di campioni, quali ad esempio film sottili depositati per conferire funzionalità alla superfici, oppure nanostrutturazioni di superfici.

Nelle figure seguenti, vengono presentati esempi di analisi effettuate mediante XPS e SIMS.

XPS Spectra
Spettri ad alta risoluzione ottenuti da misure con XPS su un campione di mattonella della parete del reattore RFX.
SIMS_Profiles
SIMS depth profiles of C, O, BO, B, BH and H ions of a tile of RFX Reactor.

Pubblicazioni recenti:
  • F. Ghezzi et al. “XPS, SIMS and FTIR-ATR characterization of boronized graphite from the thermonuclear plasma device RFX-mod”, Applied Surface Science 354 (2015) 408-419.
  • E. Vassallo, F. Ghezzi et al., “Characterization of Poly(3-Methylthiophene)-like Films Produced by Plasma Polymerization”, Plasma Processes and Polymers” 2007, 4, S801–S805.
  • R. Caniello F. Ghezzi et al., “Erosion yield and W surface enrichment of Fe-W model system exposed to low flux deuterium plasma in the linear device GyM“, Nuclear Material and Energy 10 (2017) 9-16.
  • A. Hakkola, F. Ghezzi et al., “Plasma-wall interaction studies in the full W ASDEX upgrade during helium plasma discharges”, Nuclear Fusion 57 (2017) 066015.

Spettroscopia

Un’altra tecnica di superficie  molto utile è la spettroscopia di riflessione di ioni a bassa energia (LEIS). Al presente può essere considerate la tecnica più sensibile alla superficie in quanto sensibile al monostrato superficiale. Pertanto, ad esempio, essa viene impiegata  negli studi di catalisi, indagini su eventuali ri-deposizioni superficiali non volute indotte da erosioni o arricchimenti superficiali come nel caso riportato sotto.

LEIS_Spectra
LEIS spectra on two different FeW layers. The spectra were acquired using 1 keV Ne with 45 deg incidence angle and 90 deg scattering angle.

Una tecnica molto utilizzata per lo studio dell’intrappolamento di gas in vacanze atomiche e trappole indotte da irragiamento nei campioni esposti a plasmi fusionistici è la spettroscopia di desorbimento programmato (TDS). L’esempio illustrato nella figura seguente riporta il caso di He intrappolato in strutture porose di W formatesi sulla superficie di un campione di W stesso dovute a esposizioni di alto flusso di plasma di He. Il desorbimento di He è stato eseguito con la TDS implementata nell’impiantio SIMS del laboratorio IFP.

TDS Data
Misura del rilascio di elio (He) da un campione di tungsteno (W), ottenuta tramite diagnostica TDS.

Nel laboratorio è presente anche un piccolo impianto PCVD dedicato allo studio della crescita di diamanti e strutture ordinate del carbonio orientato allo sviluppo di sensori per neutroni. 

Diamond structure 1
Diamond structures deposition at 1020 °C and 200 Torr.
Diamond structures 2
Diamond structures deposition at 1020 °C and 200 Torr (detail).
 
HOPG vs CVD
Misura della perdita di energia per HOPG e CVD. L'energia del fascio di e;ettroni primari è pari a 2070.5 eV.
 

Pubblicazioni recenti:

  • F.Ghezzi, et al., “Carbon Structures Grown by Direct Current Microplasma: Diamonds, Single-Wall Nanotubes, and Graphene”, Journal of Physical Chemistry. C, 2014, 118 (42), pp 24714–24722.

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