Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 1 4
ГЛАВА I. РАСПЫЛЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ИОННОЙ БОМБАРДИРОВКИ
Введение II
§1.1 Основные закономерности распыления поликристаллических мишеней 13
§1.2 Основные закономерности распыления монокристаллов 21
§1.3 Теоретическое описание распыления поли кристаллических и аморфных твердых тел 26
§1.4 Теоретическое описание распыления монокристаллов.39
§1.5 Численное моделирование процессов взаимодействия ускоренных частиц с веществом
при помощи ЭВМ. 50
§1.6 Взаимодействие ускоренных частиц с поверхностями твердых тел при скользящих углах падения. 53
Постановка задачи.
ГЛАВА П. ОПИСАНИЕ АППАРАТУРЫ И МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
§2.1 Требования, предъявляемые к экспериментальным
установкам 65
§2.2 Масс-монохроматор 65
§2.3 Камера столкновений и анализатор заряженных частиц в экспериментах по отражению ионов 67
§2.4 Камера столкновений в экспериментах по распылению 71
§2.5 Подготовка мишеней к эксперименту 77
§2.6 Измерение коэффициента распыления, регистрация направлений преимущественного выхода распыленных частиц 81
§2.7 Измерение интенсивности ионно-фотонной
эмиссии распыленных атомов 82
ГЛАВАІП. ИССЛЕДОВАНИЕ ОЇРАЖЕНИЯ ИОНОВ ОТ МОНОКРИСТАЛЛОВ ПРИ СКОЛЬЗЯЩЕМ ПАДЕНИИ
Введение 89
§3.1 Закономерности отражения ионов от грани (001).
Угловые зависимости интенсивности отраженных ионов 90
§3.2 Закономерности отражения ионов от грани (ОН).
Угловые зависимости интенсивности отраженных ионов 99
§3.3 Исследование энергетических распределений ионов при мало угловом отражении от поверхности монокристаллов 104
§3.4 Обсуждение результатов. 114
ГЛАВАІУ. ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПЫЛЕНИЯ ПРИ БОМБАРДИРОВКЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ ПОД СКОЛЬЗЯЩИМИ УГЛАМИ
Введение. 129
§4.1 Исследование угловой зависимости коэффициента распыления грани (001) монокристалла меди.. 130
§4.2 Исследование угловой зависимости коэффициента распыления грани (ОН) монокристалла меди 135
§4.3 Исследование пространственных распределений распыленных частиц 137
§4.4 Исследование угловых зависимостей интенсивности фотонной эмиссии распыленных атомов 140
§4.5 Обсуждение результатов 144
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 160
ЛИТЕРАТУРА 1
Введение к работе
Изучению процессов взаимодействия ускоренных атомных частиц с поверхностью твердого тела в настоящее время уделяется большое внимание. Успешное развитие ряда современных отраслей науки и техники в значительной степени обусловлено достижениями в этой области физических исследований. Поскольку материалы взаимодействуют с внешней средой через поверхность, то именно поверхностные слои в большинстве случаев определяют поведение всего материала, его эксплуатационные характеристики.
Изучение явлений, происходящих при столкновениях ускоренных частиц с твердыми телами представляет интерес с научной точки зрения, поскольку позволяет глубже понять процессы, протекающие на поверхности, а также в объеме твердых тел. Успехи этого раздела физики определяют возможность успешного развития прикладных исследований по разработке новых материалов, созданию новых машин и механизмов, важнейших технологических процессов. Увеличение прочности металлических изделий, их коррозийной стойкости, разработка новых эффективных покрытий и физических методов обработки поверхности, повышение надежности микроэлектронных схем, ионно-лучевое легирование полупроводников и ионное упрочнение металлов уже нашли широкое применение в промышленности. Знание закономерностей взаимодействия ускоренных атомных частиц с твердым телом необходимо при конструировании ядерных реакторов, установок для управляемого термоядерного синтеза, космической техники.
Физические принципы взаимодействия частиц с поверхностью твердого тела лежат в основе современных методов корпускулярной диагностики поверхностей и пленок. Научной основой этих методов является экспериментальное и теоретическое изучение процессов, происходящих при бомбардировке твердого тела атомными частицами.
Одним из явлений, наиболее чувствительных к состоянию поверхности твердых тел, является распыление. Несмотря на то, что проблемы распыления твердых тел под воздействием ионной бомбардировки изучаются уже десятки лет, многие вопросы изучены еще недостаточно. Распыление монокристаллов в области скользящих углов падения частиц на мишень практически не исследовано ни в экспериментальном, ни в теоретическом плане, в то время как при скользящих углах разрушение поверхностей твердых тел протекает наиболее интенсивно.
Основная цель диссертационной работы заключается в экспериментальном изучении закономерностей распыления поверхностей монокристаллов под воздействием ионной бомбардировки под скользящими углами. Основное внимание при этом уделялось исследованию ориента-ционных эффектов распыления монокристаллов в условиях, когда плоскость падения ионного пучка была параллельна полуканалам, образованным поверхностными плотноупакованными атомными рядами и сравнительному анализу угловых зависимостей распыления и отражения в области скользящих углов.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1. Впервые экспериментально исследованы угловые зависимости коэффициента распыления монокристаллов в области скользящих углов падения ускоренных частиц.
2. Впервые обнаружено, что для монокристаллов угловая зависимость коэффициента распыления проходит через максимум в области скользящих углов падения ионов на мишень.
3. Впервые в области скользящих углов падения ионов на поверхность монокристаллов проведено сравнение угловых зависимостей коэффициента распыления и ионно-фотонной эмиссии распыленных атомов.
4. На основании результатов экспериментального исследования процессов взаимодействия ионов с монокристаллическими мишенями выявлены корреляции между ориентационными эффектами распыления и отражения.
5. Экспериментально показано, что эффекты фокусировки частиц в поверхностных полуканалах могут существенно влиять на распыление монокристаллов под скользящими углами.
Научная и практическая ценность работы. Результаты, полученные в диссертационной работе позволяют исследовать вопрос о взаимосвязи распыления и отражения и проследить влияние структуры поверхности на процессы передачи энергии от налетающей частицы атомам среды. Экспериментальные данные, представленные в диссертации, могут быть использованы в машинных расчетах для количественного определения характеристик атомных столкновений, а также для проверки областей применимости расчетных программ, использующих те, либо иные физические приближения. Результаты исследований могут быть использованы при анализе структуры поверхности твердого тела методами ионно-рассеивательной спектроскопии.
С практической точки зрения результаты выполненных экспериментов представляют интерес для решения проблемы первой стенки термоядерного реактора, а также для исследования возможности использования монокристаллов для изменения направления пучков ускоренных атомных частиц /98/.
На защиту выносятся следующие положения.
1. Результаты экспериментального исследования коэффициента распыления в области скользящих углов падения ионов на монокрис-галлические мишени, позволившие исследовать закономерности разрушения поверхностей монокристаллов в области максимума коэффициента распыления.
2. Результаты исследования пространственных и энергетических характеристик отраженных ионов при бомбардировке монокристаллов под скользящими углами.
3. Результаты экспериментального исследования фотонной эмиссии распыленных атомов, показавшие, что при скользящих углах падения ионов на монокристаллы угловые зависимости интенсивности ионно-фотонной эмиссии отражают основные закономерности ориента-ционных эффектов распыления.
4. Методы экспериментального определения энергии фокусировки, оптимальной энергии поверхностного каналирования и критической энергии поверхностного каналирования.
5. Результаты сравнительных исследований закономерностей распыления и отражения при скользящем падении ионов на монокристаллы.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах.
1. Балашова Л.Л., Гарин Ш.Н., Додонов А.И., Машкова Е.С., Молчанов В.А., Флёров В.Б. Экспериментальное определение предельной энергии поверхностного каналирования. - Письма в ЖТФ, 1982г., т.8, с.840-844.
2. Машкова Е.С., Флёров В.Б. Отражение ионов от монокристаллов при скользящем падении. - Поверхность. Физика, химия, механика, 1983г., № 3, с.41-46.
3. Машкова Е.С., Флёров В.Б. Отражение ионов неона от медяк мишеней при скользящем падении. - В сб. "Вторичная ионная и ионно-фотонная эмиссиия", Харьков: изд. ХГУ, 1983г., с.233-235.
4. Mashkova E.S., Fleurov V.B. Small-angle ion reflection from singles-crystals. - Radiation Effects, 1984, v. 80, p.227-239.
5. Машкова Б.С, Флёров В.Б. Ориентационные зависимости шергетичееких распределений отраженных ионов в поверхностном каналировании. - Поверхность. Физика, химия, механика, 1984 г., № 4, с.40-43.
6. Mashko-va E.S., Pleurov V.B. Effects of surfase semi channeling on the energy distributions of reflected ions. Radiation Effects Letters, 1984, v. 86, p. 115-120.
7. Машкова E.C., Молчанов В.А., Флёров В.Б. Угловые завсимости коэффициентов распыления и ионно-электронной эмиссии при скользящем падении ионов на монокристаллы. - Письма в ЖІФ, 1984 г., т.Ю, с.1006-1010.
8. Машкова Е.С., Молчанов В.А., Флёров В.Б. Угловые зависимости коэффициента распыления и интенсивности ионно-фотонной эмиссии при скользящем падении ионов на кристалл. -Тезисы докладов на XIX Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике, в сб. секций 1У,У1, Ташкент, институт электроники им. У.А.Арифова, 1984г., с.47.
9. Машкова Е.С., Флёров В.Б., Чубисов М.А. Особенности распыления монокристаллов при их бомбардировке под скользящими углами. - В сб. "У II Всесоюзная конференция по взаимодействию атомных частиц с твердым телом". Минск, издательство МРТИ, 1984г., часть I, с.88.
10. Балашова Л.Л., Борисов A.M., Гарин Ш.Н., Молчанов В.А., Снисарь В.А., Флёров В.Б. Изучение угловых зависимостей распыления по оптическому излучению атомов мишени. - В сб. "УII Все союзная конференция по взаимодействию атомных частиц с твердым телом". Минск, издательство МРТИ, 1984г., часть I, с.246.
Результаты диссертации докладывались на: - Всесоюзных семинарах по поверхностному рассеянию атомных частиц ( Ташкент, 1982г., Ангрен 1983г.);
- XIX Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике (Ташкент, 1984г.);
- УІІ Всесоюзной конференции по взаимодействию атомных частиц с твердым телом ( Минск, 1984г.).
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.
Первая глава представляет собой обзор литературы по вопросам экспериментального и теоретическоро исследования распыления твердых тел, а также по вопросам машинного моделирования процессов взаимодействия частиц с упорядоченными структурами. В конце главы содержится постановка задачи диссертации.
Вторая глава посвящена описанию экспериментальной установки, методик измерения коэффициента распыления, ионно-фотонной эмиссии, энергетических и угловых распределений отраженных частиц.
Третья глава содержит результаты экспериментальных исследований проствранственных и энергетических характеристик отраженных ионов в диапазоне скользящих углов падения частиц на мишень. Исследуются случаи различных азимутальных ориентации монокристаллических мишеней. В конце главы содержится обсуждение полученных результатов. Для объяснения закономерностей отражения частиц проведен анализ рассеяния частиц на поверхностных атомных рядах в рамках модели непрерывного атомного ряда, приведены результаты расчета траекторий движения частиц в проекции на поперечную плоскость в геометрии полуканалов.
Четвертая глава содержит результаты экспериментальных исследований угловых зависимостей коэффициента распыления, направлений эмиссии распыленных частиц, угловых зависимостей интенсивности фотонной эмиссии распыленных атомов в случае ионной бомбардировки монокристаллов под скользящими углами. Характеристики распыления сравниваются с пространственными и энергетическими характе - 10 ристиками потоков отраженных ионов. Полученные результаты обсуждаются в рамках современных моделей распыления и сравниваются с результатами машинных расчетов, взятыми из литературы.
В заключении приведены основные результаты, полученные в диссертационной работе.
