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Propuesta a CONACyT


Adquisición bidimensional de espectros para el análisis de plasmas


Resumen del proyecto

Antecedentes.- El estudio de plasmas es de suma importancia, tanto por la física fundamental involucrada como por sus implicaciones tecnológicas. Mediante plasmas es posible producir películas delgadas utilizando diferentes técnicas. Estos plasmas de laboratorio pueden ser estudiados diseñando experimentos dedicados a explorar algunas de sus propiedades específicas. Asimismo, el estudio de plasmas astronómicos permite revelar las propiedades físicas de nebulosas gaseosas y galaxias. En la ciudad de Ensenada hay dos instituciones de la UNAM con grupos interesados en estos temas. Esta propuesta pretende aprovechar la suma de sus experiencias e intereses con el fin de desarrollar la instrumentación no comercial y las herramientas de diagnóstico requeridas para estudiar las propiedades de estos plasmas y lograr mejores resultados en el depósito de películas delgadas.

Objetivos.- Optimizar las condiciones del plasma con el fin de lograr mejores resultados en la deposición de capas delgadas con las técnicas de ablación láser y debastamiento iónico. Estudio de plasmas en laboratorio, controlando las circunstancias en que se producen y las características del medio en que se expanden. Inspeccionar las condiciones en que se produce y propaga una onda de choque y determinar el resultado de la interaccion entre dos ondas de choque. Realizar experimentos que emulen las condiciones propuestas en modelos teóricos de objetos astronómicos (nebulosas planetarias, regiones de formación estelar, nebulosas asociadas a estrellas tipo WR o LBV, restos de supernova, etc.) con el fin de evaluar estos modelos. Observaciones espectroscópicas bidimensionales de los plasmas astronómicos mencionados para determinar variaciones en su composición química, densidad, temperatura, excitación, mecanismo excitador y cinemática y establecer relaciones con la fuente excitadora y con la morfología del objecto con el fin de esclarecer su naturaleza.

Metas.- Diseñar y construir dos espectrógrafos acoplados a fibras ópticas (espectrógrafo de campo) para obtener espectros bidimensionales de mediana y alta resolución de plasmas en el laboratorio y en el espacio. Diseñar y construir dos sistemas de adquisición basados en sensores CCD de gran formato para estos espectrógrafos. Analizar las propiedades de estos plasmas (densidad, temperatura, abundancias iónicas, campos de velocidad, etc.) en diferentes puntos del mismo utilizando el equipo descrito anteriormente y herramientas de diagnóstico disponibles en la literatura o desarrolladas por el grupo de trabajo. Graduar al menos tres estudiantes de postgrado y tres de licenciatura.

Metodologia.- Primer año: diseño y desarrollo de instrumentación (espectrógrafos, electrónica, programas de control y adquisición), y adquisición de las componentes más importantes. Segundo año: construcción e integración de la instrumentación, calibración y pruebas de funcionalidad. Primeras pruebas en laboratorio. Tercer año: aplicación de la instrumentación al estudio de plasmas astronómicos y de laboratorio.


Protocolo del proyecto

Objetivos

Existen dos contribuciones a este proyecto, una está orientada al campo de astrofísica, la otra al de física de materiales. La intersección de ambas es el estudio de plasmas por métodos ópticos, para caracterizar su densidad, temperatura, composición química, entre otras cosas. Para lograr los objetivos y metas particulares, trabajaremos hacia una meta común, la construcción de dos espectrógrafos de alta tecnología con camaras con un sensor tipo CCD, herramienta fundamental para el proyecto. Podemos mencionar los objetivos siguientes:

General

  1. Análisis bidimensional de plasmas espaciales y de laboratorio mediante el estudio de sus características espectrales.

Física de Materiales

  1. Desarrollo de las herramientas de diagnóstico in-situ para medir la temperatura, densidad y composición de plasmas utlizados en la deposicion de películas delgadas procesadas.

  2. A partir de los parámetros del plasma, construir una figura de mérito, que nos sirva como varible de control para preservar o modificar la estequiometría de los materiales depositados, bajo pedido.

  3. Aplicación del sistema de control para construir sistemas con estructura artificialmente creada.

Astrofísica

  1. Estudio de plasmas en el laboratorio con la finalidad de explorar la generación, propagación e interacción de ondas de choque y la formación de flujos bipolares y colimados variando las condiciones del medio. Comparación con modelos de objetos astronómicos en donde ocurren estos fenómenos.

  2. Estudio espectral bidimensional de diversos objetos astronómicos (regiones de formación estelar, nebulosas planetarias, galaxias, etc.) acoplando uno de los espectrógrafos a alguno de los telescopios del Observatorio Astronomico Nacional de la UNAM.


Metas

  1. Diseñar y construir dos espectrógrafos acoplados a un tacón de fibras ópticas (espectrógrafos de campo) para obtener espectros bidimensionales de mediana y alta resolución de plasmas en el laboratorio y en el espacio.

  2. Diseñar y construir dos sistemas de adquisición basados en sensores CCD de gran formato para estos espectrógrafos.

  3. Analizar las propiedades de estos plasmas (densidad, temperatura, abundancias iónicas, campos de velocidad, etc.) en diferentes puntos del mismo utilizando el equipo descrito anteriormente y herramientas de diagnóstico disponibles en la literatura o desarrolladas por el grupo de trabajo.

  4. Graduar al menos tres estudiantes de postgrado y tres de licenciatura.


Antecedentes

El método de depósito por ablación láser, o PLD por sus siglas en inglés, se ha utilizado exitosamente en polímeros, aislantes, semiconductores y metales (Chrisey y Hubler 1994). Inicialmente esta técnica era poco utilizada para el crecimiento de películas delgadas debido a su tendencia a depositar macropartículas junto con átomos y moléculas. Sin embargo, el depósito de capas finas de cerámicas superconductoras de alta temperatura crítica por este medio, despertó gran interés en el perfeccionamiento de la técnica, utilizándose hoy ya a escala industrial (Smith 1995). La ventaja del uso de PLD es que, por involucrar fenómenos fuera de equilibrio, puede dar origen a la formación de fases metaestables con propiedades singulares, que no pueden ser logradas por métodos de depósito convencionales, como debastamiento con radio frecuencia (RF) o deposicón por vapores químicos (CVD).

Conceptualmente la técnica PLD es extremadamente simple, como se ilustra en forma esquemática en la Figura 1. La configuración experimental básica consiste en un portasustrato y un portablanco. Un haz de láser de alta intensidad incide sobre el blanco, vaporizándolo y depositando una película delgada sobre el sustrato.


Figura 1.- Esquema de un sistema de ablación láser.


En contraste con la simplicidad conceptual del PLD, está la complejidad de los procesos físicos que rigen el depósito en las tres regiones de intercambio de energía: (a) interacción láser-blanco; (b) interacción de las partículas erosionadas entre sí y el ambiente (generación y propagación del plasma); (c) interacción plasma-sustrato. Cada uno de estos aspectos es complicado en sí mismo, y se puede decir que las técnicas de crecimiento de capas delgadas que emplean un plasma como elemento portador del material a depositar, funcionan frecuentemente sin un claro entendimiento de los procesos físicos involucrados. Es posible conocer bien las características del blanco, del láser y de la película depositada. No así las del plasma (densidad, temperatura, estequiometría, etc.), pues las herramientas experimentales y analíticas disponibles son aún insuficientes.

El conocimiento de los parámetros físicos y químicos del plasma resulta ser especialmente importante en el caso de la ablación láser reactiva. Se ha observado que el papel que desempeña el gas de fondo en las propiedades del material depositado es fundamental, ya que dispersa, atenúa y termaliza al plasma, cambiando parámetros importantes en el crecimiento de películas, tales como distribución espacial y energética de las especies (Geohegan, 1992). De las observaciones espectroscópicas realizadas por Geohegan y otros (Singh et al. 1990; Kelly 1992) es posible inferir que la naturaleza y calidad del material depositado puede ser afectado, y en cierta manera controlado, contando con algún recurso para modificar los parámetros propios del plasma. Nuestra experiencia indica que esto es posible controlando la presión y composición del gas de fondo y la energía del haz del láser (Samano et al. 1998; Machorro et al. 2000; Soto et al. 1998). De esta forma hemos logrado manejar algunos parámetros importantes de los materiales. Hasta hace poco nuestro único sistema de control ha sido el espectro elipsómetro in-situ, que a partir de una curva esperada en el plano de los parámetros elipsométricos nos indica cual es la trayectoria real que sigue el experimento (ver la Figura 2, tomada de Samano et al. 1998).


Text Box1

Fig. 2.- Trayectorias de parámetros eliptsométricos,

para diferentes tipos de depósitos


Recientemente habilitamos un sistema de control basado en observaciones espectroscópicas. Usualmente se supone que el plasma está en equilibrio termodinámico, y la temperatura se determina aplicando la ecuación de Boltzmann a líneas de emisión provenientes de niveles conocidos del ión (ver Lenk, Witke y Granse 1996). La densidad se encuentra suponiendo que las líneas se ensanchan debido al efecto Stark (Harlilal et al. 1997), para lo que es necesario determinar el parámetro de impacto correspondiente como función de la temperatura. El grupo que presenta esta propuesta inició su colaboración desarrollando otras herramientas de diagnóstico para el análisis de las observaciones espectroscópicas de estos plasmas. Resolviendo las ecuaciones de equilibrio estadístico hemos encontrado cocientes de líneas dependientes de la densidad y/o la temperatura en el rango de condiciones y con los iones que se encuentran usualmente en PLD (Pérez-Tijerina, Bohigas y Machorro 2001). Este acercamiento no presupone equilibrio termodinámico, por lo que puede aplicarse en cualquier región del plasma. Continuaremos aplicando este procedimiento en plasmas de distintas características y composiciones.

Usualmente las observaciones espectroscópicas se realizan con una rendija larga sobre la cual se proyecta directamente la imagen del objeto, en este caso el plasma. Con este arreglo experimental sólo se tiene información espectral unidimensional, con una cobertura espacial limitada y no necesariamente representativa. Ocasionalmente estas observaciones se complementan con imágenes de gran campo con filtros de interferencia centrados en regiones espectrales de interés o en líneas de emisión sensibles a un parámetro físico, siendo calibradas con datos espectroscópicos para rescatar el comportamiento global del plasma. Esto se ha hecho tanto en plasmas de laboratorio (p.ej. Neogi y Thareja 1999) como astrofísicos (p.ej., Bohigas 1994 y 1998). El procedimiento es laborioso y costoso por el número de filtros necesarios para hacer una evaluación completa del plasma. En los plasmas de laboratorio depende de la posibilidad de repetir sus condiciones de generación así como de obtener imágenes y espectros en el mismo instante de su evolución.

Instrumentos capaces de obtener información espectral bidimensional, a los que de ahora en adelante llamaremos espectrógrafos de campo, han sido construidos desde hace más de 10 años para astronomía (Kontizas et al. 1996; Arribas, Mediavilla y Watson 1998). En estos instrumentos la imagen de una región amplia del cielo, que puede contener un solo objeto extendido o varios objetos extendidos o puntuales, se enfoca en un conjunto de fibras ópticas pre-diseñadas. Estas son conducidas físicamente a la rendija larga de un espectrógrafo convencial. El espectro de cada una de las regiones muestreadas por el arreglo de fibras se proyecta en una de las columnas o renglones del sensor, usualmente un CCD, sin que se sobreponga con otro. Este instrumento no tiene la resolución espacial de una imagen directa, pero a cambio de ello produce un conjunto extraordinariamiente amplio de imagenes en distintos colores o líneas de emisión, así como de imágenes o mapas de parámetros físicos (densidad, temperatura, composición química, etc.) y cinemáticos del o los objetos en idénticas condiciones experimentales. Las ventajas sobre un espectrógrafo convencial son obvias, no sólo por el volumen de información capturado sino también porque no se hace ninguna suposición a priori sobre el posicionamiento más apropiado de la rendija sobre el objeto. Con espectrógrafos de este tipo ha sido posible descubrir galaxias enanas (Ibata, Gilmore e Irwin 1995), investigar un gran número de galaxias y cuasares para explorar la evolución de su función de luminosidad (Boyle Shanks y Peterson 1988; Ellis et al. 1996), determinar la fracción de binarias en cúmulos globulares (Hamilton et al. 1993), explorar las variaciones bidimensionales en la cinemática y condiciones de excitación en galaxias activas (Mediavilla et al. 1998), deducir la presencia de conos rotantes alrededor de pulsares asociados a restos de supernova (Zharikov et al. 2001), producir imágenes espectroscópicas de superficies planetarias (Pinet 1995), etc. Los resultados obtenidos han tenido un impacto profundo, y se puede afirmar que los espectrógrafos acoplados a fibras ópticas son instrumentos de frontera en las investigaciones que hoy se realizan en astronomía observacional del óptico al infrarrojo cercano.

En la actualidad el Observatorio Astronómico Nacional (OAN) carece de un instrumento de este tipo. Nuevas y excitantes posibilidades observacionales en los campos de astronomía galáctica y extragaláctica se le presentarían a la comunidad astronómica nacional con este instrumento de frontera. También es claro que un instrumento de esta naturaleza, hasta hoy inédito en el estudio y manejo de plasmas de laboratorio, puede rendir enormes beneficios en las técnicas de deposición de películas delgadas, por su capacidad de cubrir extensas regiones del plasma en idénticas condiciones experimentales. Esta es una ventaja considerable respecto a los procedimientos actuales, en los que se comparan resultados entre eventos de nula o baja repetibilidad. Finalmente, existen numerosas posibilidades adicionales en investigación básica y aplicada (p.ej. tratamiento químico de superficies, propulsión de vehículos espaciales o generadores magnetohidrodinámicos). En particular, miembros de este grupo tenemos interés en estudiar las condiciones de generación, propagación e interacción de ondas de choque, y en desarrollar experimentos de laboratorio que puedan ser representativos de fenómenos astronómicos (véase Raga, Navarro-González y Villagrán-Muñiz 2000; Velázquez et al. 2001), y que conduzcan a mejores modelos teóricos de plasmas en la naturaleza.

El grupo que presenta esta propuesta tiene interés en construir dos espectrógrafos de campo para apoyar sus investigaciones en deposición de películas delgadas, propiedades generales de plasmas de laboratorio (p.ej. ondas de choque con y sin campo magnetico) y astronomía (nebulosas gaseosas y galaxias). Ya hemos realizado experimentos de laboratorio acoplando conjuntos de fibras ópticas a un espectrógrafo convencional que no fue diseñado para el fin planteado en este proyecto (Machorro, Pérez-Tijerina y Bohigas, en preparación). Un esquema del arreglo experimental, que ilustra las propiedades generales de un espectrógrafo de campo, se muestra en las Figuras 3a y 3b. La rendija del espectrógrafo es de 10 mm y la cámara de detección tiene 512x256 pixeles. Estos números limitan el número de fibras que pueden ser usadas (aproximadamente 25) así como el rango espectral que puede cubrirse.




Fig. 3a.- Esquema del experimento para obtener espectros

del plasma en dos dimensiones.


Fig. 3b.- Detalle del arreglo de fibras ópticas.





Fig.4.- Espectros obtenidos en el depósito de AlN con erosión iónica (arriba) y Al2O3 con ablación láser (abajo).


Descodificando el arreglo de espectros, para así recuperar la imagen de la pluma, queda algo como la figura 5, donde se muestra el avance de la misma para dos longitudes de onda, adquiridas en el mismo disparo del láser, y la imagen del orden cero de la rejilla, esto es, usándola como espejo plano.Puede apreciarse, aún a esta baja resolución, que la velocidad de propagación de la especie Al I es menor que la de Al II. Hemos podido obtener, al registrar el orden cero de la rejilla de difracción, la onda de choque cuando se produce la pluma en presencia de gas de fondo en altas presiones (100mTorr). Note que en este experimento se usaron 25 fibras para muestrear la imagen con un arreglo de 5x5 fibras de 125 micras cada una.


394nm Al I

693nm Al II

Imagen en orden cero de rejilla


Fig.5.- Propagación de la pluma al hacer ablación sobre blanco de Al


Fig.6.- Especies viajando a diferentes velocidades; La foto superior muestra el conjunto de espectros, eje horizontal es longitud de onda, el vertical la posición de las fibras ópticas. Las dos graficas inferiores corresponden a una traza para dos longitudes de onda, l=394 y 693 nm.


Si nos planteamos incrementar la cobertura espacial sin sacrificar resolución, es evidente que es necesario tener un mayor número de fibras que producirán una mayor cantidad de espectros. Para registrar estos espectros debemos usar un sensor con un mayor número de pixeles, cosa que se puede obtener reduciendo el tamaño del pixel o aumentando las dimensiones del sensor. La propuesta que hacemos es...

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Punto aparte merecen otros experimentos de laboratorio para los cuales requeriremos diseñar y construir nuestras propias campanas de vacío, aprovechando la amplia experiencia que ya tenemos en ello. En un conjunto de experimentos evaluaremos el efecto que distintas configuraciones de campos magnéticos tienen sobre la propagación del plasma y la deposición del material en la película delgada. Entre otras cosas, desde el punto de vista teórico interesa saber cuando y en que condiciones se forma una onda de choque. Desde el punto de vista experimental deseamos explorar que cantidad y con que grado de uniformidad se logra el depósito en presencia de un campo magnético ambiental. Un segundo conjunto de experimentos es inédito en plasmas de laboratorio, y consiste en combinar técnicas tomográficas con datos espectroscópicos, y que hemos llamado espectrotomografía de plasmas. Existe un grupo de trabajo que realizando

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Es evidente que para este experimento necesitamos una campana de vacío transparente a la luz producida por el plasma.

Para terminar queremos abordar el punto de factibilidad del proyecto. Las características de los instrumentos se fueron definiendo a partir de las metas científicas que resultaron de la experiencia y actividad de algunos de los integrantes investigadores del proyecto. Es por ello que se pueden esperar resultados exitosos en lo que toca a los experimentos derivados del mismo, sobre todo porque ambos instrumentos podrán ser eventualmente utilizados por otros investigadores. El grupo que integra el proyecto también tiene una sólida experiencia en lo tocante a investigación y desarrollo tecnológico en las áreas de óptica, electrónica y mecánica. Entre nosotros hay quienes han sido responsables o colaboradores de la construcción de numerosos instrumentos, por ejemplo: consolas de los telescopios del OAN (Zazueta 1995), guiadores excéntricos para estos telescopios (Pedrayes et al. 1993; Valdez et al. 1997), ruedas de filtros y reductores focales (Zazueta et. al. 2000), control y adquisición de imágenes con CCD's (Zazueta et al. 2001), cámaras infrarojas, pruebas ópticas, estructuras de grandes telescopios, cúmulos de computadoras (Velázquez y Aguilar 2002) etc. Por último, los experimentos que ya hemos realizado modificando un espectrógrafo convencional (Machorro, Pérez-Tijerina y Bohigas, en preparación) nos han adentrado en los problemas que deben resolverse y demuestran que este grupo tiene el profesionalismo y la capacidad necesaria para concluir exitosamente este proyecto.

Los detalles de la cámara de vacío son los siguientes:

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Bibliografía


Metodología

1.- Instrumentación

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a) Espectrógrafo

i. Búsqueda de la mejor solución al siguiente problema

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b) CCD

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c) Intensificador

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d) Fibras ópticas

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  1. Preparación de tacones

Para el desarrollo de los tacones actuales hemos logrado un procedimiento con el cual la separación, en una y dos dimensiones, es altamente controlable y repetible. Probaremos recubrir el tacón en un material que lo haga robusto mecánicamente y al mismo tiempo evite la comunicación entre fibras.

Tenemos pensado que esta fase del proyecto será una constante a todo lo largo del mismo, ya que diseñaremos tacones para muchos experimentos: mayor y menor separación entre fibras, distribución lineal en ambos extremos, para aumentar la resolución espacial (podriamos tener 200 muestreos del plasma en una distancia de 50mm, que separa el blanco del sustrato, 4 muestras/mm!) a costa de aplicar diferentes pulsos en cada barrido.

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  1. Calibración de tacones

La técnica de razón de intensidades entre líneas espectrales es aplicable sólo si las intensidades son representativas del plasma, eliminando el efecto del instrumento. No precisa que todas la fibras sean idénticas, sino que la luz que pasa por la lente (o sistema óptico del telescopio), cruza cada fibra, el espectrógrafo y es detectada por el CCD, tenga una respuesta conocida. Hemos realizado pruebas preliminares de uniformidad, como se muestra en las figuras siguientes. Probablemente, cuando se apruebe este proyecto, tengamos un procedimiento semiautomatizado para esta tarea.


Fig. 6.- Iluminación "uniforme con un cuerpo negro"


Fig. 7.- Traza de uno de los espectros de la figura 6


  1. Evaluar la modificación del f/#

Está reportado en la literatura que el empleo de fibras ópticas en sistemas ópticos modifica el parámetro conocido como f/# (razón entre distancia focal y diámetro de apertura de entrada), indicador la "rapidez" del instrumento, en términos de tiempos de exposición de luz al detector.

Por otro lado, el lóbulo que emana de la salida de la fibra puede ser tal que invada la información de la (las) fibras vecinas. Requerimos de evaluar este fenómeno, de ser posible eliminarlo, y si no lo es caracterizarlo de tal manera que sea compensado por programación, durante el proceso de señales. En parte esto se pretende eliminar al introducir una separación entre las fibras (ver apartado ii de esta sección).


e) Campana de depósito

  1. Diseño de una campana de ultra alto vacío para experimentos en laboratorio.

    Capaz de obtener un vacío de hasta 10^9 torr. Tendrá una ventana para elipsómetro/reflectómetro, entrada para láser de excímero, soportes para muestra y blanco, acceso para cañón de desbastamiento iónico y dispositivos para generar campos magnéticos y eléctricos en su interior. Una válvula regulada para la admisión de gas. También tendrá dos ventanas grandes colocadas ortogonalmente, una para observar el plasma con el espectrógrafo y la otra para registrar su comportamiento con otras cámaras (video, digital, 35 mm, etc).

  2. Construcción de la cámara de vacío y/o adaptación de una comercial.

    El CCMC cuenta con basta experiencia elaborando este tipo de cámaras de ultra alto vacío, todas ellas en funciones.

  3. Prueba de vacío y funcionalidad

    Adaptarle la instrumentación de medidores, bombas, bridas, sellos, empaques, etc.

    Corregir en su caso.

2.- Física de materiales

a) Preparación de capas delgadas

Crecer capas delgadas modificando cuidadósamente los puntos que se describen a continuación. Insitimos que lo propuesto a lo largo del presente proyecto puede aplicarse a cualquier técnica de depósito que involucre un plasma como portador de material del blanco al sustrato, ya sea PECVD, debastamiento iónico, ablación láser, u otros.

  1. Estudio del efecto de la presión y tipo de gas de fondo

  2. Estudio del efecto de tipo de blanco

  3. Estudio del efecto de la potencia y frecuencia del láser

  4. Estudiar la evolución del plasma con el tiempo

  5. Seguimiento de la trayectoria de parámetros elipsométricos

    La intención es calcular de antemano la evolución de los parámetros elipsométricos (Y,D), que cambian a medida que crece la película (ver figura 2), bajo ciertas condiciones de depósito. Si estos cambian, por ejemplo, la presión de uno de los gases, un sistema de control de válvulas ajustará estas para que las condiciones deseadas sean restauradas. El lazo de control podrá cerrarse de dos maneras, una es con el elipsómetro mismo, que tiene el inconveniente de que la lectura es sobre una capa ya depositada, cuando el error ya está hecho. La otra manera la proporcionará el espectrógrafo de campo, al analizar el espectro del plama, indicando variaciones de la intensidad de las líneas. Con ello el error sobre el creciemiento es mínimo, ya que con cada pulso la película crece una fracción de amstrong, y la adquisición de espectros es pulso a pulso.

    Es probable que se introduzca una cámara de premezcla, donde los gases que se van a introducir a la cámara de crecimiento sean verificados en calidad antes de hacerlo. Quizá también se efectúe espectroscopía, ya sea de emisión estimulando un plasma, o de absorción, con una fuente de luz auxiliar. La enorme ventaja del espectrógrafo de campo es que podemos introducir un tacón especial que monitoree ambas cámaras, la de premezcla y la de crecimiento.

    Con esta técnica esperamos obtener películas delgadas inhomogéneas, donde el índice de refracción cambia con el espesor de la capa.

b) Caracterización del depósito

El CCMC cuenta con una amplia gama de técnicas de caracterización, siendo esto una de sus especialidades. Afortunadamente contamos con colegas expertos en cada una las espectroscopías que a continuación se enumeran. Así, al terminar un depósito o durante él, podremos caracterízar casi por completo al resultado. Queda la tarea de establecer la o las correpondencias entre la caracterización de la película y las condiciones de crecimiento.


Caracterización in-situ

Son técnicas que realizan en tanto la muestra se encuentra en el régimen de vacío, evitando contaminaciones, reacciones con el medio ambiente, etc. Las tres primeras que a continuación se enumeran pueden ser efectuadas en tiempo real, mientras crece el depósito.

  1. Espectroscopía de campo (con instrumentación hecha con este proyecto).

  2. Espectro Elipsometría, en 40 longitudes de onda simultáneamente, de 185 a 700 nm. Además de monitorear el crecimiento, permite estimar el índice de refracción complejo, coeficiente de absorción, brecha e energía, etc. de la capa terminada.

  3. RHEED, Difracción de electrones de alta energía por reflexión, para estudio de estructura cristalina de las películas y sustratos.

  4. XPS, Espectrosopía por fotoemisón con rayos X, para estimar la composición química de la película.

  5. AES, Espectrosopía electrónica Auger, que estima la composición química de la película.


Caracterización ex-situ

  1. SAM, Espectrosopía electrónica Auger de barrido, para estimar la composición química de la película. Permite hacer perfiles de composición.

  2. TEM, Microscopía electrónica de transmisión de alta resolución, para estudiar la microstructura de las capas.

  3. EELS, Espectroscopía de pérdidas de energía electrónica, caracterización química con alta resolución espacial.

  4. SEM, Microscopio electrónico de barrido, verá la morfología de los depósitos.

  5. RDX, Difracción de rayos X, para determinar la estrudctura cristalográfica.

  6. AFM, Microscopio de fuerza atómica, para ver la morfología de los depósitos.

  7. Reflectometría, tanto especular como difusa, para estimar el índice de refracción complejo, coeficiente de absorción, brecha de energía, etc. Podremos comparar con las medidas hechas in-situ.

  8. Nanoindentación, estudiando la dureza de las películas delgadas.

3.- Astronomía

Las pruebas finales del espectrógrafo de campo se realizarán en uno de los telescopios del OAN. Hacemos notar que estamos considerando la posibilidad de poder utilizar este instrumento en cualquiera de los tres telescopios, puesto que la razón focal de los espejos secundarios de los telescopios de 0.84 y 1.5 m es muy semejante a la razón focal de uno de los secundarios del telescopio de 2.1 m de este observatorio (f/15, f/13.5 y f/13.5 respectivamente). La definición final se dará en el transcurso de las primeras semanas.

Una vez que el espectrógrafo haya pasado por las pruebas de laboratorio, someteremos a este instrumento a pruebas en el telescopio, entre las que incluímos la depuración de la montura mecánica, de la electrónica y de la interfaz de usuario. Asimismo se realizarán pruebas de flexión tanto en los laboratorios del IA-UNAM en Ensenada como en el telescopio, y se analizará la rigidez de los tacones de fibras ópticas. Finalmente se realizarán varias pruebas para obtener campos planos de calidad y para determinar la calibración en flujo haciendo pasar la luz de una estrella estandard por más de una fibra. El instrumento será de uso restringido durante sus primeros dos años de operación en el OAN. Durante este tiempo diseñaremos procesos sencillos para fabricar tacones de fibras para adecuarse a los requerimientos del proyecto observacional, un conjunto de procedimientos para llevar a cabo las observaciones y programas para realizar un primer tratamiento de los datos (en el caso óptimo, que den como resultado final los 200 espectros del objeto debidamente calibrados en longitud de onda y flujo, y codificados según la posición a la que apunta cada fibra). Una vez concluído y documentado todo esto, el espectrógrafo de campo se pondrá a la disposición de cualquier astrónomo.


4.- Recursos humanos

Realizaremos una campaña de reclutamiento, tomando como eje los congresos nacionales de la SMF y de SMCSV, además de realizar seminarios sobre el tema en algunas escuelas de física en el país y de América Latina.

Relevancia, impacto y originalidad

Consideramos que hay varios aspectos relevantes en la presente propuesta. En primer lugar está el desarrollo de instrumentación profesional de alta calidad, que incorpora nueva tecnología. Otro punto importante es el estudio de la física básica involucrada, en sus dos ramas, la de materiales y la de astrofísica.


Instrumentación

Cada elemento de la instrumentación que compone este proyecto no es, por sí misma, original. Como ya se mencionó, espectrógrafos acoplados a fibras ópticas llevan varios años de ser usados en astronomía. No así en plasmas de laboratorio, campo en el que este proyecto es de vanguardia desde el punto de vista experimental. Creemos que el instrumento propuesto crea un nicho donde podemos competir muy favorablemente en el estudio de plasmas de laboratorio en general y en su aplicación a la deposición de películas delgadas.

Hay muchos espectrógrafos para aplicaciones de laboratorio en el mercado, pero ninguno con las características que requerimos. Por otra parte, aunque en astronomia se han estado usando espectrógrafos basados en fibras ópticas desde hace varios años, su desarrollo y construcción siempre ha corrido a cargo de las propias instituciones de investigación. Esto tiene grandes ventajas. La principal es que el instrumento se diseña a la medida del proyecto científico. En segundo lugar, es posible modificar el instrumento conforme surgen distintas interrogantes a lo largo del proceso de investigación, de tal suerte que se produce una rica interacción entre investigación científica y desarrollo tecnológico, que potencia enormemente nuestros laboratorios de instrumentación. Finalmente, las labores de mantenimiento, mejoramiento y modernización del equipo se simplifican y los costos ascociados a estas tareas se reducen drásticamente.


Física de materiales

Poder controlar y modificar las propiedades de los materiales tiene un impacto enorme en la tecnología actual. Nuestro país tiene poca capacidad de asimilar algún desarrollo en este sentido, y no pretendemos afirmar que este proyecto lo hará. Nuestra intención es apoyar la física básica: proporcionar una herramienta para el diagnóstico que permita comprender un poco mejor como es la interacción láser-blanco, el efecto que el gas ambiental provoca en las técnicas que emplean plasmas (con láser, con radio frecuencia), el conocer los parámetros importantes en el crecimiento de películas, tales como distribución espacial y energética de las especies.


Astrofísica

En esta disciplina pretendemos utilizar la instrumentación propuesta tanto en uno de los telescopios del OAN como en el laboratorio del CCMC. La mayor parte del trabajo observacional realizado con espectrógrafos acoplados a fibras ópticas ha sido realizado en astronomía extragaláctica, ya sea midiendo las propiedades globales de grandes muestras de galaxias, o realizando estudios sobre variaciones cinemáticas, químicas, energéticas, etc. de objetos individuales. Ha sido menos frecuente aplicar este tipo de instrumentos al estudio de objetos nebulares galácticos, como regiones HII, nebulosas planetarias o regiones de formación estelar, a pesar de que en los mismos se observan importantes variaciones en sus condiciones físicas debidas a la presencia de más de una fuente excitadora, a la existencia de campos magnéticos, a la rotación y precesión de la fuente central o a la distribución de material circundante.

La información que se pueda obtener de este tipo de objetos mediante un espectrógrafo de campo será de gran utilidad para poder determinar, entre otras cosas, variaciones en las composición química debidas a eyecciones sucesivas de material por parte de una estrella central, importancia relativa de las ondas de choque en la la inyección de energía, formación de chorros de material, deflección de flujos, interacción entre vientos estelares o formación de flujos bipolares. El campo de investigación más vigoroso en el IA-UNAM es el que se refiere a todo este tipo de problemas, por lo que un número importante de investigadores se beneficiará con este instrumento. Hay también muchos astrónomos observacionales del IA-UNAM en el área de astronomía extragaláctica que han expresado su interés por contar con un espectrógrafo de campo. En el IA-UNAM también hay varios investigadores dedicados a producir modelos numéricos de plasmas astronómicos. Algunos han confrontado sus modelos con experimentos de laboratorio, oportunidad que muy rara vez se ofrece a investigadores abocados a estudios numéricos.

La posibilidad de realizar estos experimentos en los laboratorios del CCMC, en conjunción con las observaciones que se realicen en el telescopio con un instrumento de características semejantes, es una oportunidad única para validar los modelos teóricos y sugerir nuevos tipos de observaciones y experimentos de laboratorio.


Recursos humanos

Se realizará una labor importante en la formación e recursos humanos, apoyando a las instituciones locales con licenciatura y posgrado. Tarea que hemos venido haciendo regularmente. En este momento inician su posgrado, con temas afines a los mencionado en este proyecto, los estudiantes Víctor García, estudiante de maestría del CICESE, Adriana Nava, estudiante de doctorado del INAOE, y recientemente se graduó Eduardo Pérez, por parte de la maestría en Física de Materiales de UNAM-CICESE. Otros estudiantes ya han mostrado su interés por usar esta técnica, sin estar direcamente involucrados con el proyecto, quienes utilizan actualmente desbastamientos con plasmas.

Distribución de los recursos entre las entidades participantes

Hay dos instituciones participantes, el CCMC-UNAM y el IA-UNAM. Entre ellos quedará sendos espectrógrafos, con un detector CCD. Por lo tanto los recursos quedan distribuidos equitativamente.

Infraestructura y apoyo técnico disponible

CCMC-UNAM

Sistema de ablación láser que incluye

Caracterización in-situ

Caracterización ex-situ


Apoyo técnico de nuestros laboratorios consiste en siete técnicos académicos de tiempo completo.

Taller de máquinas y herramientas, taller de fotograía, sala de cómputo, enlace a red, biblioteca.


IA-UNAM, subsede en Ensenada

Instalaciones

Laboratorio de electrónica

Laboratorio de pruebas ópticas

Taller mecánico de precisión

Telescopios en el Observatorio Astronómico Nacional en la sierra de San Pedro Martir, B.C. (OAN)

Herramientas avanzadas para el analisis de los resultados espectroscopicos y para realizar modelos numéricos de plasmas. Estos últimos utilizan una computadora Silicon Graphics Origin 2000 con 8 procesadores y por lo general el código Zeus. Para lo primero se utilizán computadoras personales que operan bajo el ambiente LINUX y los paquetes de tratamiento y análisis de datos son IRAF y MIDAS.


Apoyo técnico

Los grupos de diseño y construcción en las áreas de electrónica, óptica y mecánica tienen una amplia experiencia en el desarrollo de instrumentos. En los últimos 10 años han realizado cerca de 50 proyectos de gran o mediana envergadura para el OAN, lo cual ha redituado en un notable incremento en el uso y eficiencia de este observatorio.

Existe un amplio soporte técnico (asistentes de telescopio, electrónicos y mecánicos) para adaptar y utilizar este instrumento en uno de los telescopios del OAN. Este soporte técnico cuenta con una experiencia de más de 30 años.

El análisis de los resultados se realizará en las instalaciones del IA-UNAM en Ensenada o C.U., en donde existen las computadoras y programas necesarios para llevarlo a cabo. El personal técnico encargado de mantener y desarrollar ambas cosas es de excelente calidad y gran experiencia.

Taller de máquinas y herramientas, taller de fotograía, sala de cómputo, enlace a red, biblioteca.


Con todo lo anterior, optimizando la inversión que ya ha sido realizada y el apoyo que se logre con este proyecto, consideramos que tendremos los elementos para consituir uno de los mejores laboratorios de crecimiento y caracterización de películas delgadas en América Latina.

Calendario de trabajo

Estrategia general

Primer año.- Desarrollo de instrumentación

Segundo año.- Integración de la instrumentación y pruebas de funcionalidad. Primeras pruebas en laboratorio.

Tercer año.- Estudios de plasmas astrofisicos y de laboratorio.



Desglose de cada punto, por cuatrimestres

Cuatrimestre 1

Óptica.


Cámara CCD


Campana de ultra alto vacío

Construcción de la campana de vacío.


Fibras ópticas


Estudio de plasmas

Cuatrimestre 2

Óptica


Cámara CCD


Campana de ultra alto vacio


Fibras ópticas


Estudio de plasmas

Cuatrimestre 3

Óptica


Cámara CCD


Campana de ultra alto vacío


Fibras ópticas


Estudio de plasmas

a) Crecimiento de peliculas delgadas.


b) Analisis de plasmas de laboratorio.


Cuatrimestre 4

Óptica


Cámara CCD


Campana de ultra alto vacío


Fibras ópticas


Estudio de plasmas


Cuatrimestre 5

Óptica


Cámara CCD


Fibras ópticas


Estudio de plasmas


Cuatrimestre 6


Óptica


Fibras ópticas


Estudio de plasmas

a) Crecimiento de peliculas delgadas.

b) Analisis de plasmas de laboratorio.

c) Análisis de plasmas astronómicos.


Cuatrimestre 6, 8 y 9

Fibras ópticas


Estudio de plasmas

a) Crecimiento de peliculas delgadas.

b) Analisis de plasmas de laboratorio.

c) Análisis de plasmas astronómicos.


Calendario de actividades



Primer año

Instrumen-

tación

Segundo año

Pruebas de laboratorio

Estudios de plasmas

Tercer año

Estudios de plasmas


Cuatrimestre

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Espectrógrafo











Define

Prediseño

Diseño










Fabricación

Pruebas

En uso





Cámara CCD











Define

Impresos


Pruebas

2a cámara

Pruebas

En uso 2a cámara





Control

Mecánica

Programas

Intensificado

En uso 1a




Arreglo fibras











Tacones

Tacones

Tacones

Tacones

Tacones

Tacones

Tacones

Tacones




Proceso de calibración








Campana vacío

Define

Construye

Pruebas

En uso






Estudio plasmas

Calibra

sistema actual


Crecimiento

de capas

delgadas

Superposición plasmas

Aplica campo Mag




Análisis de plasmas

idem

Ondas choque

Espectro- Tomografía

Nebulosas planetarias

Análisis de campos

Cúmulos estelares

idem

Tesis












Grad. Lic.


Grad. Lic.


Grad. Lic.








Grad. Post.


Grad. Post.


Grad. Post.


Reportes avance



1er reporte



2o reporte



3er reporte

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