Введение к работе
Актуальность темы. Бомбардировка поверхности твердых тел пуч-сами ускоренных ионов инициирует разнообразные вторично-эмиссионные -процессы, закономерности которых тщательно изучаются в настоящее іремя в связи с целым рядом фундаментальных и, особенно, прикладных іадвч.
С общефизической точки зрения в этой области, пограничной как ! хорошо изученными разделами: физикой твердого тела, атомной физи-:ой, оптикой, так и с быстро развивающимися: физикой плазмы, физи-:ой и химией поверхности - могут иметь место новые нетривиальные акономерности.
С точки зрения прикладной физики без ясного понимания природы влений, сопутствующих ионной бомбардировке, невозможно корректное ешение таких актуальных задач, как'создание количественных методов иагностики поверхности твердых тел с помощью ионных пучков, конст-уирование НГД-генераторов, создание новых материалов с заданными войствами, изготовление сильноточных эмиттеров, выбор оптималь-ых материалов для первой стенки управляемого термоядерного аактора.
Одна из самых сложных проблем, возникающая при исследовании заимодействия ионных пучков с поверхностью твердого тела, связана измерением и расчетом вероятностей возбуждения и ионизации частиц, глетающих от его поверхности. Имевшиеся здесь до последнего време-* немногочисленные результаты измерений плохо согласуются между >бой и резко противоречат предсказаниям существующих теорий. Между ім, без знания фундаментальных закономерностей зарядообразования возбуждения невозможен прогресс в большой совокупности важных »дач.
Так, отсутствие надежных сведений о вероятности ионизации
существенно снижает информационную ценность измерений энергетических спектров рассеянных, выбитых и распыленных ионов, проводимых в целях диагностики состава и структуры поверхностей. Действительно, получение количественных характеристик из таких измерений невозможно в принципе, и даже качественные выводы в некоторых случаях могут оказаться неверными. Пусть, например, некоторая поверхностная структура ( А ) дает четкий сигнал в ионном спектре, а другая ( В ) в этом спектре не проявляется. Это не обязательно означает, что А. доминирует на поверхности, а В отсутствует, так как частицы, взаимодействовавшие с А могут отлетать преимущественно в виде ионов, а от В - в виде нейтралей. Аналогичные трудности испытывает и ионно-фотонная спектроскопия ( И$С ). Так, при бомбардировке загрязненных поверхностей
с.
в плохих вакуумных условиях (остаточное давление Р ** 10 Торр) в спектрах ионно-фотонной эмиссии ( ИФЭ ) наблюдаются линии частиц бомбардирующего пучка и вещества мишени, а линии атомов адсорбированных газов отсутствуют, что вовсе не означает отсут-' ствие их на поверхности мишени. .' '
Не менее важную роль играют эти закономерности и в процессах взаимодействия горячей плазмы с первой, стенкой термоядерного реактора. Здесь, в дополнение к масс- и энергообмену плазмы со стенкой, с учетом как кинетической энергии частиц, так и потенциальной энергии ионизации и возбуждения - можно ввести и понятие зарядообмена. От количества частиц, возвратившихся в плазму в виде нейтралей в основном, либо возбужденном состоянии будет зависеть ее дальнейшее поведение в электромагнитных полях и состояние поверхности стенки реактора.
Отметим также, что прогресс в данном направлении ценен и потому, что существенным элементом процессов формирования зарядовых и возбужденных состояний рассеянных частиц является их
ектронный обмен с поверхностью твердого тела. В этом смысле и аналогичны процессам вторичной ионной и ионно-электронной иссии, а также ионно- и электронно-стимулированной десорбции, едовательно,'по мере преодоления трудностей данной задачи в рспективе возможно создание единой теории вторично-эмиссионных яений.
Целью работы является установление механизмов формирования рядовых и возбужденных состояний атомных частиц средних энергий 100 эВ^Е ^Ер, Ер» mVF/2, VF - скорость электронов на овне Ферми металла, т - масса частицы ), отлетающих от поверх-сти металла, вычисление степеней ионизации и возбуждения таких стиц, их угловых и энергетических распределений в зависимости параметров бомбардирующего пучка, состояния поверхности мишени, рмы траектории движения, а также приложение полученных резуль-гов к задачам диагностики химического состава и структуры реаль-t поверхностей на атомном уровне.
Научная новизна работы заключается в следующих основных зультатах, полученных впервые:
Предложен единый простой механизм формирования зарядовых и збужденных состояний частиц, отлетающих от поверхности металла, сонкурирующих процессах захватов и потерь электронов, позволив-\ непротиворечиво интерпретировать широкую совокупность экспе-іентальньк данных по угловым и энергетическим распределениям эяженных и возбуждённых атомных частиц и их зависимостям от змы траектории движения, состава, атомарной и электронной струк-зы поверхности мишени в условиях ионной бомбардировки.
Установлены закономерности образования характеристических сов радужного рассеяния и получены аналитические формулы для інки критических энергий их появления. Показано, что такие пики ут наблюдаться как при кваэиоднократном рассеянии от чистых
поверхностей за счет конкуренции упругих и неупругих потерь энергии, так и при кратном рассеянии от поверхности с субмонослой ним атомным и молекулярным покрытием и в спектрах атомов отдачи. В последнем случае радужные пики формируются либо за счет сгущени траекторий вблизи предельного утла рассеяния, когда первое столкновение налетающего иона массы n\i происходит с атомом поверхнос ти массы \№г, а второе - с адсорбированным атомом массы піл , если выполняется неравенство гмг> w< > уп ^ , либо за счет явле-ния фокусировки.
-
Разработана методика расчета ориентационных эффектов в степей ионизации рассеянных частиц, учитывающая вклад в процессы электро ного обмена отлетающей частицы с поверхностью от отдельных ее атомов.
-
Показано, что хотя коэффициент ионно-электронной эмиссии в целом является аддитивной величиной,' форма энергетических спектро характеристических оке-электронов, наблюдаемых пі ^ бомбардировке поверхностей молекулярными ионами, является неаддитивной. Физичес кая причина неаддитивности заключается в том, что оже-релаксация вакансии во внутренней оболочке атома мишени, образованной при жестком столкновении с одним из атомов молекулы, происходит в электрическом поле другого, частично ионизированного ее атома.
-
Проведены расчеты допплеровских профилей спектральных линий рассеянных возбужденных легких атомов путем свертки вероятности возбуждения с достаточно точной функцией углового и энергетического распределения рассеянных частиц, полученной нами в модели двукратного рассеяния с учетом ослабления потока частиц в веществе. Показано, что проведенные в 70-е годы в ряде работ такого рода расчеты с грубо приближенной функцией рассеяния приводят к неверному выводу о справедливости общепринятой в то время двух-этапной модели формирования возбужденных состояний рассеянных
частиц. Предложен способ восстановления вида функции вероятности возбуждения по форме допплеровских профилей спектральных линий путем решения обратной задачи рассеяния.
э.1 Предложен механизм формирования возбужденных состояний клас
терных и молекулярных-ионов за счет неадиабатических переходов
гипа Ландау - Зинера, посредством которых кинетическая энергия
вдерной подсистемы комплексной частицы передается в ее электрон
но подсистему. Данный механизм позволяет получить правильный
юрядок величины для аномально высокой интенсивности квазинепре-
швного излучения и пенять причину этой аномалии, заключающейся
і том, что формирование возбужденных состояний комплексных час-
иц в отличие от атомных происходит на отлете вне области эффек
тивного электронного обмена с поверхностью, где процессы безыз-
учательного довозбуждення маловероятны. '
Научная и практическая ценность полученных результатов.Раз-аботанные представления о механизме формирования зарядовых и озбужденных состояний позволяют, исходя из достаточно простых редполояений о процессах электронного обмена отлетающих частиц поверхностью металла, с единой точки зрения объяснить разнооб-азные и противоречивые на первый взгляд экспериментальные данные.
С другой стороны, очевидная аналогия между предложенным еханизмом и тем, который имеет место при формировании засоленно-тей электронных оболочек.частиц, движущихся в разовой среде, значает, что для электронных переходов с участием электронов їталла, происходящих за время, сравнимое со временем туннелиро-їния электрона твердого тела от узла к узлу кристаллической ре-ітки, делокализация электронов внешних оболочек, по-видимому, з успевает произойти. Исходя из этих представлений, нами была іедсказвна ориентационная чувствительность степени ионизации, ^следствии обнаруженная экспериментально. Ориентационно-чувст-
вителышми оказались и характеристики спектров излучения.
Установленная неаддитивность формы энергетических спектров характеристических оже-электронов дает уникальную возможность экспериментального исследования быстропротекащих процессов алеї тронного обмена за счет наличия естественного и контролируемого масштаба времени того же порядка - равного промежутку времени между столкновениями с поверхностью первого и второго атома дву атомной молекулы.
Предложенный новый механизм формирования возбужденных состояний комплексных частиц позволил получить ответ на вопрос, обсуждавшийся в литературе в течение пятнадцати лет: почему столь резко различны свойства дискретных и непрерывных компонент в спектрах ИФЭ. Основная физическая причина - в разных способах возбуждения: за счет электронного обмена с поверхностьо в случа* линий и за счет внутренней энергии комплекса при излучении непрерывной компоненты.
Практическая ценность ряда полученных результатов состоит і том, что они представляют собой физическую основу для создания новых методов диагностики поверхности. Непосредственно диагностическими являются следующие результаты, также полученные вперві
-
Показано, что ориентационно-чувствительные спектры степени ионизации позволяют определить характер расположения на поверхности кристалла двухатомных адсорбированных молекул, определить расстояния между атомами адсорбированной молекулы и между молекулой и поверхностью.
-
Установлено, что по измеряемым характеристикам пиков двукратного радужного рассеяния, наблюдаемых в спектрах отраженных и выбитьа частиц при ионной бомбардировке поверхностей с субмон< слойным покрытием, можно определить ел едущие параметры адсорбционных состояний:
-в
координаты адсорбированных атомов относительно ближайшего атома поверхности с точностью до 10 см;
полное число адсорбированных состояний;
сечение ионно- и электронно-стимулированных десорбций, а также коэффициенты прилипания для каждого адсорбированного состояния.
Кроме того, метод позволяет исследовать кинетику перехода і одних адсорбированных состояний в другие при изменении условий і поверхности мишени.
Предложен способ исследования вторично-эмиссионных процессов условиях контролируемого покрытия поверхности внедренными час-цами бомбардирующего пучка, позволяющий производить диагности- быстрораспыляемых компонент субмонослойных покрытий.
На защиту выносятся:
-
Механизм и модель формирования заселенностей основных и збужденных уровней атомов и ионов за счет конкурирупцих процес-в захватов и потерь электронов, происходящих как внутри, так и е металла, позволяющий с одной точки зрения описать широкую вокупность экспериментальных данных.
-
Методы расчета энергетических и угловых распределений ряженных и возбужденных частиц, отлетающих от чистых металли-ских поверхностей и от поверхностей с субмонослойными покрыти-и, содержащих характеристические пики.
-
Методы расчета ориентационно- и струхтурно-чувствитель-й степени ионизации частиц, отраженных от монокристаллических верхностей.
-
Механизм формирования неадцитивнщ спектров характерис-ческих оже-электронов, позволивший установить связь между из-эяемыми характеристиками этих спектров и эффективным зарядом нов в приповерхностной области.
-
Методические основы способов определения ряда констант, характеризующих адсорбционные состояния атомов и двухатомных молекул по измеряемым параметрам характеристических пиков в спектрах отлетающих частиц.
-
Методы расчета допплеровских профилей спектральных линий и способ восстановления вида функции вероятности возбуждения по форме таких контуров.
V. Механизм и модель формирования возбужденных состояний кластерных и молекулярных частиц за счет обмена онергией между их ядерными и электронными подсистемами.
Исследования, нашедшие отражение в диссертационной работе, внесли определенный вклад в развитие теоретических представлений о процессах формирования зарядовых и возбужденных состояний частиц отлетающих от поверхности твердого тела. По нашему мнении этот вклад дает основание для следующей формулировки развитого нового направления': "Исследование алектроннооб'менных ирсі хсов в системе "отлетающая частица - поверхность металла" в газоподобной модели твердого тела". Даішое направление позволяет с единой точки зрения дать качественную интерпретацию широкой совокупности экспериментальных данных, стимулировать новые эксперименты, создать методические основы ряда новых способов диагностики поверхности.
Апробация работы. Основные результаты исследований, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуждались на: ХУП, XIX, XX и XXI Всесоюзных конференциях по эмиссионной электронике ( Ленинград, 1979; Ташкент, 1984; Киев 1987; Ленинград, 1991 ) ; УІІ, УІІІ, IX и X Всесоюзных конференциях по взаимодействию атомных частиц с твердым телом ( Ыинск, 1984; Москва, 1987, Москва,1989; Москва, 1991 ) ; Всесоюзных совещаниях-семинарах по диагностике поверхности ионными пучками ( Донецк, 1980; Ужгород, 1985, Донецк 1988;.Одесса, 1990 ) ; Всесоюзной конференции по диагностике по-
ерхности (Каунас, 1966) ; УІІ Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы (Ташкент, 1987)
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в тезисах и сборниках трудов перечисленных конференций, а также в написанной в соавторстве монографии, в двух монографических сборниках і 18 статьях. Разработанные способы диагностики поверхности іащищеньї двумя авторскими свидетельствами.
Использованные в диссертации результаты теоретических работ, )ыполненных в соавторстве с коллегами, получены при непосредст- іенном участии автора на всех этапах исследований или выполнены юд его руководством. Положения, выносимые на защиту, пркнадле-іат лично автору.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введе-іия, пяти глав , заключения и списка цитируемой литературы. Она . юдериит 218 страниц машинописного текста, 70 рисунков, 2 таб-ицы и список литературы, включающий 235 наименований.
