Conclusiones y perspectivas

Transcripción

1 Capítulo 5 Conclusiones y perspectivas De los resultados experimentales obtenidos de la exposición a la radiación gamma en las películas delgadas de diamante crecidas mediante el método de DVQ asistido por plasma de microondas y filamento caliente, podemos concluir varias situaciones críticas: Las muestras de diamante exhiben comportamiento luminiscente térmicamente estimulado distinto, dependiendo de sitios de nucleación de diamante sp 3, carbón sp 2, fronteras de grano, impurezas, y defectos adheridos al substrato; el espesor de la película de diamante, el substrato sobre el cual se deposita la película de diamante, y si el substrato fue removido posterior al depósito de diamante así como si es diamante sin nitrógeno o le fue incorporado el mismo durante la mezcla de gases precursores en el reactor de DVQ. Las propiedades termoluminiscentes y dosimétricas dependen de la dosis de exposición a la radiación y la razón de dosis gamma usada para excitar la termoluminiscencia. Esta dependencia de la TL con la razón de dosis en el diamante fue frecuentemente un incremento en la respuesta TL con el aumento a baja y alta razón de dosis. Sin embargo, las muestras de diamante, pueden ser adecuados dosímetros TL en un rango de dosis y razón de dosis bien definido y son apropiadas para detectar radiación gamma. El diamante sintético crecido mediante DVQ presento alta sensibilidad y prometedora respuesta lineal termoluminiscente comparables a los materiales dosimétricos tradicionales. 254

2 En particular, las muestras de diamante de 6 y 12 micras de espesor crecidas mediante DVQMO presentaron las siguientes propiedades termoluminiscentes y dosimétricas bajo la exposición a la radiación gamma. De la exposición a la razón de dosis más baja (0.67 Gy/min), las diferencias encontradas en las propiedades TL y dosimétricas son debido a los distintos sitios de nucleación de diamante, grafito y carbón y a los espesores de las muestras. En particular, la muestra de menor espesor exhibió una respuesta TL más alta respecto a la de mayor espesor, quizás debido a su menor espesor es más sensible a la radiación gamma. A dosis bajas ( 150 Gy) un pico TL de primer orden y a dosis altas (150, 200, 250 y 300 Gy) dos picos TL de primer orden. En relación con razones de dosis bajas, la respuesta TL depende de la razón de dosis usada para excitar la TL, a baja dosis de irradiación y a baja razón de dosis hay un aumento en la respuesta TL con el incremento de la razón de dosis ( Gy/min). Los picos TL no exhiben corrimientos significativos a una dosis fija y al aumentar la razón de dosis, sin embargo, las curvas de brillo obedecen una cinética de primer orden. Del cálculo de los parámetros de atrapamiento por el método de CGCD a 20, 50 y 90 Gy a baja razón de dosis no hay cambios en los valores de la energía de activación y el factor de frecuencia, además, a bajas dosis y bajas razones de dosis las curvas de brillo experimentales fueron aproximadas a picos TL únicos. Los resultados difieren con altas dosis y razones de dosis altas, en donde, los parámetros de atrapamiento dependen de la dosis y razón de dosis usada para excitar la TL. El mecanismo de atrapamiento de los portadores de carga en los niveles localizados se ve afectado con dosis y razones de dosis altas y sus parámetros cinéticos pueden variar considerablemente a baja y alta razón de dosis. Mediante el método de CGCD no es posible ajustar un pico TL único de primer orden a Gy y con distintas razones de dosis 20.67, 43.4 y Gy/min. La energía de activación y el factor de frecuencia dependen de la dosis y la alta razón de dosis. En particular, para la muestra PS22 de menor espesor, a las dosis de 20, 50 y 90 Gy a Gy, los curvas de brillo son ajustadas a sólo un pico TL de primer orden. Sin embargo, para dosis > 300 Gy con 43.4 y Gy/min, el mejor ajuste a las curvas de brillo son dos picos TL con cinética de primer orden. Sin embargo, para la muestra PS24 de mayor espesor, aún a altas dosis y altas razones de dosis, las curvas de 255

3 brillo fueron aproximadas a sólo un pico TL con cinética de primer orden. Sin embargo, contraste con los resultados encontrados a 0.67 Gy/min, en donde, a altas dosis > 150 Gy, las curvas de brillo son ajustadas a dos picos TL de primer orden. Las muestras de diamante de 500 y 180 micras, crecidas mediante DVQFC exhibieron las siguientes propiedades TL y dosimétricas ante la exposición a la radiación gamma. De la exposición a la razón de dosis más baja (0.67 Gy/min) para excitar la TL, las diferencias reportadas en las propiedades TL y dosimétricas son debido posiblemente a la contaminación del depósito de las películas por el filamento metálico de tungsteno, por el espesor, el depósito de la película sobre substrato de silicio y la remoción del substrato por el procedimiento de etching. Las curvas de brillo de la muestra HF01 de 500 m (libre de substrato) exhibió picos TL en alrededor de 289 o C y la muestra HF02 de 180 m (sobre substrato de silicio) presento picos TL en cerca de 145 o C. Los picos TL en las películas de diamante están separados en alrededor de 145 o C, debido principalmente al efecto del substrato y remoción del mismo. La muestra HF01 exhibe un comportamiento adecuado para dosimetría TL porque exhibe mayor intensidad en la señal TL, por su pico TL de alta temperatura y bajo desvanecimiento en la señal TL (30%) respecto a la muestra HF02. Por otro lado, en ambas muestras de diamante, el rango de linealidad es Gy de radiación ionizante gamma. Finalmente, del cálculo de los parámetros de atrapamiento mediante el método de minimización de Levenberg-Marquart se encontró un pico TL a alta temperatura en 290 o C con cinética de primer orden (E 0.7 ev) para la muestra de diamante HF01 y dos picos TL de baja temperatura para HF02, el primer pico TL en 120 o C con cinética de primer orden (E 0.5 ev) y el segundo pico TL en 157 o C con cinética de segundo orden (E 0.8 ev). Posiblemente, un pico TL aislado para la muestra HF01 es consecuencia de que la película de diamante no tiene substrato de silicio. La respuesta TL depende de la razón de dosis bajas usadas para excitar la TL, a dosis fijas de 20, 50 y 90 Gy, la respuesta TL aumenta al incrementarse la razón de dosis ( Gy/min). Sin embargo, la respuesta TL disminuyo independientemente de la dosis de radiación gamma ( kgy) al aumentar la razón de dosis (43.4 a Gy/min). Es interesante observar que al aumentar la razón de dosis (43.4 a Gy/min) 256

4 el rango de linealidad es más amplio, llegando a alcanzar Gy para HF01 y Gy para HF02 ambos con Gy/min. De los resultados encontrados de los parámetros cinéticos por el método de CGCD a 50 Gy y variando la razón de dosis en el rango Gy/min, podemos observar que las distintas razones de dosis mencionadas no cambian los valores de la energía de activación, factor de frecuencia y el orden de cinética. En particular, con la razones de dosis altas, para la muestra HF01 libre de substrato la energía de activación E 0.8 ev) con un pico TL con cinética de primer orden, y para la muestra HF02 depositada sobre substrato de silicio la energía de activación E 0.5 ev con un pico TL con cinética de orden general. Por supuesto, los parámetros de atrapamiento de la muestra HF02 de menor espesor difieren de los reportados con la razón de dosis más baja (0.67 Gy/min). Posiblemente, la existencia para la muestra HF02 de un pico TL único de orden general (b = 1.5) pudiera asociarse a la dosis muy baja (50 Gy) y el rango de razón de dosis ( Gy/min). Lamentablemente, no tenemos hasta el momento, los valores de los parámetros cinéticos para dosis > 50 Gy con el método de CGCD. Finalmente, para las muestras de 10 micras crecidas mediante DVQMO sin impureza y con nitrógeno, se obtuvieron las siguientes propiedades TL y dosimétricas con la radiación gamma. Las curvas de brillo de las muestras de diamante son afectadas considerablemente por la incorporación del nitrógeno, además del carbón amorfo sp 2, grafito y diamante sp 3. La muestra con nitrógeno exhibió una respuesta TL más alta respecto a la muestra sin nitrógeno, picos TL a baja temperatura (130 o C) y a alta temperatura (264 o C), y con un corrimiento del pico de TL de la banda de TL principal a alta temperatura en cerca de 50 o C respecto al pico de TL (320 o C) de la muestra sin impureza. A la razón de dosis baja (0.67 Gy/min), el efecto de la incorporación de nitrógeno fue disminuir el régimen de linealidad a Gy, con respecto a Gy de la muestra sin impureza. Sin embargo, la muestra sin impureza, parece que exhibe una segunda región lineal en Gy, sin exhibir saturación aún a 500 Gy de radiación gamma. En relación con el efecto de razones de dosis bajas usadas para excitar la TL, podemos afirmar que hay un aumento en la TL al incrementarse la razón de dosis en el rango Gy/min. Sin embargo, a 20 Gy, los efectos del aumento en la razón de dosis sobre la respuesta TL son más evidentes para la muestra con nitrógeno. Mediante el 257

5 método de minimización de Levenberg-Marquart, se encontraron que las curvas de brillo de las muestras de diamante están compuestas de tres picos TL, uno con cinética de segundo orden y dos con cinética de primer orden. Respecto al efecto de altas razones de dosis (43.4, y 87.3 Gy/min) sobre la respuesta TL de la muestra sin impureza, podemos concluir que a dosis 5 kgy, no hay efectos en la respuesta TL al aumentar la razón de dosis de 43.4 a Gy/min, sin embargo, a dosis > 5 kgy, la respuesta TL aumenta al incrementarse la razón de dosis en el rango mencionado. Al aumentar la dosis de radiación ionizante gamma, los picos TL de las curvas de brillo leídas a las distintas razones de dosis se recorren a la región de baja temperatura, al parecer siguen una cinética de segundo orden. Sin embargo, la muestra sin impureza, pudiera contener algunas trazas de nitrógeno (del orden de 10 ppm), lo cual, es evidente en las curvas de brillo, al irradiar con Gy/min y al aumentar la dosis de radiación, es posible observar ligeros levantamientos de la banda TL asociada al nitrógeno ( 130 o C). Por otro lado, es muy interesante que el régimen de linealidad aumento con las altas razones de dosis. En específico, el comportamiento lineal de la señal TL total integrada en función de la dosis de radiación a 43.4 Gy/min se extiende en distintos intervalos 50-90, y Gy, y la saturación son con dosis > 2500 Gy. En contraste, a Gy/min, el intervalo de linealidad se reduce a Gy, y la saturación puede observarse con dosis muy altas por arriba de 7 k Gy. Adicionalmente, la muestra sin impureza presento un cambio o variación en la respuesta TL del 5 % en función del número de ciclos de lectura TL, a una dosis alta (500 Gy) a 43.4 Gy/min. Por otro lado, los efectos de la razón de dosis deben precisarse en la muestra con nitrógeno. No hay aumento o disminución en la respuesta TL debido al aumento en la razón de dosis a 0.67, 43.4, y 87.3 Gy/min. Sin embargo, si encontramos un aumento en la respuesta TL al incrementarse la razón de dosis de 43.4 a Gy/min. En particular, es de especial cuidado observar a Gy/min y con altas dosis de radiación como cambian las bandas de TL a baja y alta temperatura. Al parecer, hay un efecto de saturación con dosis superiores a 600 Gy en la respuesta TL en el pico de TL a alta temperatura, y en contraste el pico TL de baja temperatura asociado al nitrógeno sigue sin exhibir saturación en la respuesta TL. Posiblemente, podría existir más de un centro de recombinación a baja temperatura asociado a las altas dosis de radiación gamma con Gy/min. Recordemos que con bajas razones de dosis en el rango Gy/min se encontraron tres picos TL, 258

6 a Gy/min posiblemente se haya provocado la estimulación o generado más defectos debido a las altas dosis de radiación ionizante gamma. El comportamiento lineal de la TL total integrada es a 43.4 Gy/min y Gy a y 87.3 Gy/min, y la saturación en la señal TL son con dosis de irradiación > 300 Gy (43.4, y 87.3 Gy/min. Sin embargo, a Gy/min, la muestra con nitrógeno exhibe una segunda región de linealidad en el rango de 1 a 2 kgy. Para proseguir con este trabajo de investigación lo que se tendría que realizar posiblemente es lo siguiente: Por otro lado, en las muestras de diamante por DVQ sería de gran importancia a futuro, estudiar los defectos o centros de recombinación responsables de las emisiones de luz TL. Posiblemente, sería necesario obtener los espectros de absorción y de emisión para correlacionarlos con los posibles centros de recombinación o defectos debido a la variación de la razón de dosis. Es importante seguir con un trabajo inmediato sobre cómo influyen las distintas concentraciones de nitrógeno en las propiedades TL y dosimétricas de las películas de diamante. En especial, la impureza nitrógeno, porque aún en bajas concentraciones y sin agregar intencionalmente en el proceso habitual de crecimiento en el reactor por DVQ, siempre formará parte de la película aún en algunas ppm. Eventualmente, conocer si las emisiones de luz TL son debido a las trampas de electrón, en donde, la probabilidad de recombinación es más alta que la probabilidad de reatrapamiento y las trampas de electrón son centros de recombinación cercanos a la BC. O en el caso usual, en donde, las emisiones de luz TL son debido a las trampas de huecos que son centros de recombinación. Por lo anterior, sería útil hacer conductividad estimulada térmicamente (TSC, siglas en inglés) o emisión de exoelectrones estimulada térmicamente (TSEE, siglas en inglés) para conocer la naturaleza de las trampas, si los picos de TL tienen origen desde trampas de electrones o trampas de huecos. En particular, en la muestra con 750 ppm de nitrógeno irradiada a Gy/min y altas dosis por arriba de 600 Gy de radiación ionizante gamma, en donde, al parecer se vuelven significativos los picos de TL a baja temperatura asociados a complejos de [N-V], [N-N] y [N-V-N], y además el pico de TL a alta temperatura sufre saturación con dosis superiores a 600 Gy. 259

7 Es de especial interés, observar que posiblemente debido a las altas dosis de radiación gamma se hayan provocado la generación de más defectos relacionados con el nitrógeno. Por lo que sería conveniente estudiar éstos defectos, posiblemente con la resonancia de spin electrónica (ESR; siglas en inglés) podría ayudarnos a entender tal efecto producido con la alta razón de dosis de radiación gamma. Posiblemente, durante la irradiación con la alta razón de dosis existe una transferencia de portadores de carga desde las trampas profundas hacia las trampas poco profundas producidas por la radiación gamma. Un experimento interesante sería hacer borrados térmicos hasta 200 o C para eliminar los picos de TL a baja temperatura debido al nitrógeno y estudiar qué sucede con el pico estable a alta temperatura con dosis superiores a 600 Gy. Un trabajo pendiente por realizar sería además, encontrar los parámetros cinéticos de los picos TL a baja y alta temperatura sin y con el tratamiento térmico. Podría discutirse un modelo teórico y experimental en el diamante por DVQ, que explicará adecuadamente los efectos observados en la respuesta TL debido a la variación de la razón de dosis. Sin duda, sería importante considerar bajas y altas razones de dosis así como dosis bajas y altas, pues como encontramos en algunas muestras de diamante por DVQ la respuesta TL puede depender de la razón de dosis (baja y alta) usada para excitar la TL así como la dosis de exposición a la radiación gamma. Potencialmente se podría iniciar con un modelo de TL que considere dos trampas de electrón y dos centros de recombinación y tomar en cuenta el llenado de los niveles localizados durante la irradiación y posteriormente el vaciado de los niveles localizados por la estimulación térmica. Aunque, de los resultados experimentales encontramos que en algunas muestras de diamante por DVQ, pueden existir más de dos centros de recombinación responsables de las emisiones de luz TL. Por otro lado, en la muestra de diamante por DVQFC, es interesante observar el efecto de la razón de calentamiento en 2-30 o C/s en la forma del pico de TL y en la respuesta TL de las curvas de brillo. Existe una disminución en la emisión de luz TL, corrimiento del pico TL hacia alta temperatura, y la reducción en el intervalo de linealidad de respuesta TL con la dosis al aumentar la razón de calentamiento. Sin embargo, un trabajo pendiente es hacer el cálculo de corrección en los pico TL debido al retraso de 260

8 temperatura T lag entre la muestra de diamante y el elemento de calentamiento. Por lo que deben corregirse los valores de los parámetros de atrapamiento como la energía de activación, factor de frecuencia y el orden de cinética determinados por los métodos de CGCD y la forma del pico de Chen. En este punto, posiblemente podría ser interesante modelar la influencia de las razones de calentamiento sobre el comportamiento de la TL de las películas de diamante, y la posible variación de sus parámetros cinéticos y además indagar en la sensibilidad TL. Un trabajo de investigación muy interesante sería establecer si la muestra de diamante exhibe el thermal quenching effect. Tanto los efectos de la razón de calentamiento así como el thermal quenching effect deben precisarse en el diamante sintético crecido por DVQ, porque podría traer dificultades para determinar con exactitud la dosis de radiación gamma absorbida. Finalmente, se podría hacer el diseño de un detector de radiación gamma o dosímetro TL pasivo de diamante para personal ocupacionalmente expuesto (POE) a la radiación gamma, calibrar fuentes de radiación gamma y su uso en medicina. El logro más importante es que generalmente se asume que en los materiales, la TL depende sólo de la dosis total aplicada y no de la razón de dosis usada para excitar la TL. Encontramos que en las muestras de diamante por DVQ, la respuesta TL puede depender de la razón de dosis usada para excitar la emisión de luz TL, por supuesto, en ciertos rangos de dosis y razones de dosis muy específicos. 261