Title Modifikacije grafena i galijeva nitrida snopovima brzih teških iona Title (english) Modifications of graphene and gallium nitride by swift heavy ions Author Kristina Tomić Luketić Mentor Marko Karlušić (mentor)Committee member Ivan Kupčić (predsjednik povjerenstva)Committee member Mario Novak (član povjerenstva)Committee member Marko Karlušić (član povjerenstva)Granter University of Zagreb Defense date and country 2023-11-06, Croatia Scientific / art field, NATURAL SCIENCES Universal decimal classificationUDC ) 53 - Physics Abstract Istraživanje interakcija između ionskih snopova i čvrste tvari bogato je i rastuće područje u fizici materijala. Ono doprinosi poznavanju temeljnih značajki spomenute interakcije i svojstava materijala u ekstremnim uvjetima zračenja, no, ozračivanje materijala ionskim snopovima također je svestrani alat za modifikaciju i nanostrukturiranje materijala putem uvođenja defekata. Parametri snopa pri ozračivanju, kao što su vrsta iona, energija, doza, kut ozračivanja i nabojno stanje iona mogu se varirati pa se u velikoj mjeri može istraživati i, u konačnici, upravljati efektima ozračivanja.
Korištenje snopova iona visokih energija (~MeV-GeV), koji se često nazivaju brzim teškim ionima, (eng. swift heavy ions, SHI) pruža različite mogućnosti za nanostruktruriranje materijala. Svojom pravocrtnom trajektorijom i dugim dosegom u materijalu mogu stvoriti trajno cilindrično oštećenje, tzv. ionski trag (eng. ion track). Osim mogućnosti za stvaranje nanostruktura u samom volumenu materijala, ionima ove vrste mogu se stvarati jedinstvene strukture i na površini materijala, te u 2D materijalima. Kako bi se procesi proizvodnje ovako nanostrukturiranih defekata mogli predvidjeti i kontrolirati, nužno je razumijevanje procesa nastanka defekata pri ozračivanju. U tu svrhu, u ovoj tezi predstavljene su interakcije ionskih snopova s dva materijala: grafenom i galijevim nitridom.
Prvi dio istraživanja fokusiran je na interakciju dvodimenzionalnog materijala, samostojećeg grafena i grafena na podlozi s ionskim snopovima energija u rasponu 1-23 MeV. Opisana je morfologija defekata u grafenu i povezana je s parametrima ozračivanja. Također je dano objašnjenje podrijetla tih defekata, odnosno određen je doprinos dvaju glavnih kanala depozicije energije snopa u materijal, te je istražen utjecaj podloge. Drugi dio istraživanja tiče se galijevog nitrida koji, kao materijal otporan na efekte zračenja, karakterizira visoki prag za nastanak ionskog traga. Opisani su uvjeti potrebni za uvođenje defekata i nastanak tragova, u prvom koraku snopovima energija u rasponu od 2-900 MeV, a na temelju sekvencijalnog ozračivanja dvama snopovima, opisana su dva oprečna efekta: povećanje i smanjenje broja postojećih defekata, te su također opisani uvjeti u kojima ih je moguće ostvariti. Također je kvantificirana količina defekata prisutna u materijalu po završetku ozračivanja.
Abstract (english) The interaction of ion beams and solids is a rich and growing field in materials physics. By delving deeper into some of its traits and peculiarities, we can contribute to the current understanding of a material’s behavior under irradiation. Moreover, ion beams are also a versatile tool for materials modification and nanostructuring. Ion beam parameters like ion species, ion charge states, beam energy (velocity), fluence, and angle of irradiation can be controlled, consequently opening the possibility of defects engineering. Using high-energy ion beams in the ~MeV-GeV range, often called swift heavy ions (SHI), offers additional opportunities for materials nanostructuring. With its linear trajectories and long ranges, SHI can create permanent cylindrical damage around the trajectory, called an ion track. Besides the possibility of damage creation in the bulk of the material, SHI can also create unique structures on the materials’ surfaces and in 2D materials. To predict and control the production of nanostructures this way, it is necessary to thoroughly understand the processes of defect creation during ion beam irradiation. For this purpose, in this thesis, we explore the interactions of various ion beams with two materials: graphene and gallium nitride. The first part of our research focuses on the interaction of a 2D material, graphene (suspended and supported) with ion beams in the energy ranges from 1-23 MeV. We describe the morphology of defects and connect it to the beam parameters. We explain the origin of defects by deconvoluting the contribution of the ion beam's two main energy deposition channels to the material and discuss the role of the substrate. The other part of our research presented here pertains to gallium nitride, a bulk material characterized by its radiation hardness, represented by the high energy threshold for the ion track formation. We describe the conditions for the introduction of defects despite this threshold, irradiating this material by ion beams in the energy range of 2-900 MeV. In the second step, we turn to sequential irradiation using two beams, finally reaching two contrary effects: an increase and a decrease in the number of previously introduced defects. We describe the conditions where these effects are reachable, and for all the above cases, we quantify the number of defects that are permanently present in the material after the irradiations.
Keywords
ionski snopovi
interakcija ion-materija
nanostrukture
defekti
ionski tragovi
grafen
nanoporozni grafen
galijev nitrid
Keywords (english)
ion beams
swift heavy ions
nanostructures
defects
ion tracks
graphene
nanoporous graphene
gallium nitride
Language croatian URN:NBN urn:nbn:hr:217:446796 Promotion 2024 Project Number: IP-2018-01-2786 Study programme Title: Doctoral study Type of resource Text File origin Born digital Access conditions Embargoed access Terms of use Created on 2024-02-16 13:26:43
