Введение к работе
актуальность темы. Электронный обмен между атомной частицей и поверхностью твердого тела является одним из фундаментальных аспектов взаимодействия "атом-поверхность". Этот процесс лежит в основе многих физических явлений, происходящих на поверхности, имеющих помимо чисто научного большое прикладное значение. Благодаря этому в последние годы наблюдается повышенный интерес к всестороннему рассмотрении проблемы перезарядки.
Несмотря на большое число работ в этой области исследований, до сих пор нет общепризнанной точки зрения на физические процессы формирования зарядового состояния атомной частицы при ее взаимодействии с поверхностью. Современное понимание механизмов формирования вторичных ионов при ионном облучении различных материалов является далеко еще неполным: ряд закономерностей вторичной ионной эмиссии (ВИЭ) остается необьясненным, различные модели ВИЭ часто противоречат друг другу. Следует отметить, что даже для самой простой ситуации (эмиссия вторичных ионов в основном состоянии с чистой поверхности обыкновенных металлов) проблема создания единого подхода, описывающего различные аспекты ВИЭ, до сих пор остается неразрешенной. Адекватное описание процесса ВИЭ актуально и для практических приложений, прежде всего, потому что вторичная ионная эмиссия лежит в основе одного из самых чувствительных методов анализа поверхности - вторичной ионной масс-спектрометрии.
Большинство вторичных ионов составляют однократно заряженные положительные или отрицательные ионы, хотя их доля в общем потоке вторичных атомных частиц весьма незначительна. Для чистой поверхности металла или полупроводника доля частиц, покидающих поверхность в виде однократно заряженных положительных ионов, составляет io~s - 10~3, Экспериментальные трудности при исследовании ВИЭ связаны с проведением экспериментов в сверхвысоком вакууме с хорошо контролируемыми условиями. Наиболее важным, но неясным является вопрос о локальном состоянии поверхности в области эмиссии вторичного иона. Прямые экспериментальные исследования области распыления в течение достаточно короткого временного интервала эмиссии (порядка ю-13 с) в настоящее время практически неосуществимы. Поэтому
для описания ВИЭ прежде всего нужны определенные приближения, касающиеся электронных свойств возмущенной области твердого тела, из которой происходит эмиссия. В связи с этим модели перезарядки между распыленной частицей и поверхностью твердого тела развиваются по мере развития таких приближений.
Современные модельные представления о формировании вторичных ионов в основном состоянии связаны с туннелированием электронов между распыленным атомом и поверхностью твердого тела. Кроме того, в последнее время активно исследуется роль возбуждений электронной подсистемы распыляемой области твердого тела в формировании зарядового состояния эмитируемой частицы. Представляемая работа является дальнейшим развитием этих вопросов в теории ВИЭ.
цель работы состояла в теоретическом исследовании физических процессов, ответственных за формирование однократно заряженных вторичных ионов в основном состоянии при эмиссии с чистой поверхности твердого тела.
научная новизна. В работе впервые получены следующие научные результаты:
Получено аналитическое решение задачи перезарядки между электронным уровнем атомной частицы и зоной электронных состояний твердого тела в рамках нестационарной модели Андерсона-Ньюнса с равновесньши начальными условиями для суммарной системы "гибридизованный атом + поверхность". Полученное решение исследовано для двух частных случаев: слабого и сильного изменения положения атомного уровня в зависимости от расстояния до поверхности. Проанализированы основные механизмы, ответственные за формирование вторичных ионов.
Исследована динамика локальной электронной температуры в области каскада столкновений при вторичной ионной эмиссии. Изучено влияние остывания электронной подсистемы в каскадной области на вероятность ионизации и формирование энергетических распределений вторичных ионов.
- В рамках предложенной теории объяснены зависимость
вероятности ионизации распыленного атома металла от скорости
отлета от поверхности и сдвиг положения максимума
энергетического распределения вторичных ионов при увеличении
угла эмиссии. Продемонстрировано количественное соответствие теоретических и экспериментальных результатов, что не удавалось ранее при использовании других моделей ВИЗ.
- Предложен способ определения степени локального разогрева
электронной подсистемы твердого тела в области взаимодействия с
падающим на поверхность пучком атомных частиц.
Полученное в диссертации решение задачи перезарядки в случае отлета атомной частицы от поверхности твердого тела дало возможность объяснить в рамках единого подхода совокупность экспериментальных закономерностей при вторичной ионной эмиссии.
Полученные результаты можно рассматривать как еще один шаг на пути создания количественного метода вторично-ионной масс спектрометрии (БИМС), которая на данный момент является самым чувствительным методом анализа состава поверхности.
Исследование роли локального электронного разогрева в формировании вторичных ионов может быть использовано при экспериментальном изучении свойств электронной подсистемы в области распыления.
Квантовомеханический подход к описанию вторичной ионной эмиссии с поверхности металлов, выявляющий два основных механизма формирования вторичных ионов: туннельный и механизм термализации, с возможностью преобладания одного из них.
Объяснение совокупности экспериментальных закономерностей ВИЗ (абсолютное значение вероятности ионизации, поведение вероятности ионизации от скорости эмитируемой частицы, сдвиг энергетических распределений вторичных ионов при изменениии угла эмиссии) в рамках предложенного модельного подхода.
Анализ влияния динамики локальной электронной температуры в области каскада столкновений в твердом теле на процесс образования вторичных ионов.
Способ определения степени локального разогрева электронной подсистемы твердого тела в области распыления.
апробация работы. Результаты исследований, которые вошли в диссертацию, были доложены на xv и xvi Международных
конференциях по атомным столкновениям с твердым телом (Лондон, Канада, 1993; Линз, Австрия, 1995), на х Международном симпозиуме по неупругому взаимодействию ионов с поверхностью (Вайоминг, США, 1994), на хп Конференции по взаимодействию атомных частиц с твердым телом (Звенигород, Россия, 1995).
публикации. Теме диссертации посвящено 16 публикаций, список которых приведен в конце автореферата.
структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 134 страницы, включая 16 рисунков и список литературы из 173 наименований.
