Введение к работе
актуальность темы. Электронный обмен между атомной частицей и поверхностью твердого тела является одним из наиболее фундаментальных процессов, характеризующих взаимодействие атомных частиц с твердым телом. Перезарядка играет решающую роль во многих явлениях на поверхности, включая вторичную ионную эмиссию, ионно-электронную и ионно-фотонную эмиссии, рассеяние ионов на поверхности, адсорбцию, десорбцию и т. д.
Несмотря на большое количество экспериментальных и теоретических работ в этой области исследований, к настоящему времени нет общепризнанной точки зрения на физические механизмы, ответственные за формирование зарядовых и возбужденных состояний атомных частиц при их взаимодействии с поверхностью твердого тела. Что касается вторичной ионной эмиссии (ВИЗ), существующие теории дают только качественное описание особенностей эмиссии. Ряд закономерностей ВИЗ остается необъясненным. Различные подходы к ВИЗ часто противоречат друг другу. Создание адекватной физической модели ВИЗ, позволяющей количественно описать это явление, чрезвычайно важно не только с фундаментальной точки зрения, но и с точки зрения разработки количественных методов анализа поверхности. ВИЗ, как известно, лежит в основе одного из самых чувствительных методов анализа поверхности - масс-спектрометрии вторичных ионов.
Недостаточно исследованы также механизмы и закономерности, связанные с эмиссией вторичных ионов в возбужденном состоянии, ионно-фотонной эмиссией, нейтрализацией ионов у поверхности и ионно-электронной эмиссией.
Процессы перезарядки могут быть обусловлены как резонансными переходами между атомной частицей и поверхностью, так и переходами типа Оже, которые определяют, например, нейтрализацию ионов инертных газов у поверхности металла и сопровождаются эмиссией электронов. Для понимания механизма перезарядки необходимо исследовать динамику изменения зарядовых и возбужденных состояний, скорость переходов между ними в зависимости от расстояния до поверхности, энергетический спектр эмитируемых электронов, вклад в спектр конкретных переходов типа Оже и т. д.
Изучение явлений нейтрализации ионов у поверхности и связан-
ной с ней эмиссии электронов представляет особый интерес для развития ионно-нейтрализационной спектроскопии - метода, позволявшего исследовать электронную структуру поверхностного слоя твердого тела.
цель работы состояла в экспериментальном и теоретическом исследовании физических процессов, определяющих зарядовые и возбужденные состояния атомных частиц при их рассеянии от поверхности и при вторичной ионной эмиссии, а также в развитии представлений о динамике процессов, приводящих к эмиссии электронов при рассеянии ионов.
научная новизна. В работе впервые получены следующие научные результаты:
- проведено экспериментальное исследование закономерностей
ионно-электронной эмиссии для системы Ar++- РЬ; построена физи
ческая модель процесса нейтрализации одно- и двукратно заряженных
ионов у поверхности металла, описывающая динамику изменения
зарядовых и возбужденных состояний, скорости переходов между ними
в зависимости от расстояния до поверхности, энергетический спектр
эмитируемых электронов, вклад в спектр конкретных переходов типа
Оже и т. д.;
- экспериментально обнаружены осцилляции в выходе однократно
рассеянных ионов не+ при изменении энергии облучающих поверхность
РЬ ионов Не++ для малых углов падения. Появление и исчезновение
осцилляции с изменением угла падения хорошо описывается созданной
моделью и связано с блокированием канала квазирезонансного
электронного обмена за счет конкуренции различных
электронно-обменных процессов (захват в автоионизационное состо
яние и Оже- нейтрализация);
- установлено явление интерференции различных электронных
состояний при эмиссии вторичных атомных частиц, что проявилось в
обнаруженном экспериментально осциллирующем характере энергети
ческого спектра вторичных возбужденных ионов кремния si+ при
ионной бомбардировке поверхности монокристалла кремния;
- теоретически и экспериментально показана возможность осцил
ляции в энегетическом спектре si в случае электронного обмена
между изолированным уровнем и узкой зоной поверхностных состоя
ний. Предсказано и экспериментально подтверждено отсутствие
осцилляции в спектре для некоторых возбужденных состояний si ,
также чувствительность к изменению плотности поверхностных остояний для si+ , имеющих осциллирующий характер спектра;
объяснен известный более 2 0 лет эффект резкого, на 2 - 5 орядков, увеличения эмиссии положительных или отрицательных торичных ионов при адсорбции на поверхности металлов и лолупро-одников электроотрицательных или электроположительных элементов ^ответственно;
теоретически изучена проблема формирования зарядового состояния атомной частицы при вторичной ионной эмиссии из металла, [оказано, что в общем случае присутствуют два механизма формиро-,ания зарядового состояния ионов - туннельный и механизм термали-іации, причем при определенных условиях один из них может домини-ювать;
аналитически решена задача перезарядки между изолированным ілектронньїм уровнем атомной частицы и произвольной зоной элек-ронных состояний твердого тела. Полученное в рамках нестационар-юй модели Андерсона-Ныонса решение, представляемое посредством іункций Грина, позволило наглядно проанализировать характер ізаимодействия.
В работе продемонстрирована чувствительность энергетических :пектров возбужденных вторичных частиц к изменению плотности юверхностных состояний твердого тела, что может быть использо-іано для диагностики поверхности.
Развитая в работе модель нейтрализации ионов у поверхности іеталла позволяет рассчитать спектр электронов, эмитируемых при >ассеянии ионов на поверхности твердого тела, в зависимости от іараметров эксперимента. Эта модель дает возможность точнее эешать основную задачу для ионно-нейтрализационной спектроскопии - исследовать электронную структуру поверхностного слоя твердых гел. Предложенная модель позволила, в частности, из анализа экспериментальных электронных спектров определить время пере-пройки наведенного заряда изображения при изменении заряда иона j поверхности. Эта перестройка относится к очень "быстрым" провесам изменения локальных свойств поверхности и чрезвычайно :ложна для регистрации.
Решение задачи перезарядки между изолированным атомным уров-іем и произвольной зоной электронных состояний твердого тела дало
возможность объяснить ряд экспериментальных результатов по рассеянию ионов, характеризующихся сложным энергетическим спектром рассеяния.
Выявленный в работе механизм резкого увеличения вторичной ионной эмиссии при адсорбции на поверхности металлов и полупроводников электроотрицательных или электроположительных элементов может быть использован при разработке количественных методов анализа состава поверхности в режиме, обеспечивающем максимальную чувствительность.
физическая модель процесса нейтрализации одно- и двукратно заряженных ионов у поверхности металла, которая описывает динамику изменения зарядовых и возбужденных состояний, скорости переходов между ними в зависимости от расстояния до поверхности, позволяет оценить вклад в энергетический спектр эмитируемых электронов конкретных переходов типа Оже и т. д.;
явление квантовой интерференции во вторичной ионной эмиссии, что выразилось в осциллирующем характере энергетических спектров некоторых возбужденных состояний ионов кремния si+ при ионном облучении поверхности монокристалла и объясняется квазирезонансной перезарядкой между si+ и поверхностными состояниями;
механизм резкого увеличения положительной вторичной ионной эмиссии при адсорбции на поверхности металлов и полупроводников электроотрицательных элементов, объясняемый сдвигом уровня валентного электрона электростатическим потенциалом, наведенным адсорбатом, что увеличивает эффективное расстояние нейтрализации отлетающего иона, т. е. увеличивается потенциальный барьер для туннелирования электронов и экспоненциально уменьшается вероятность нейтрализации;
предложенный квантовомеханический подход к описанию вторичной ионной эмиссии с поверхности металлов, выявляющий два механизма в формировании зарядового состояния частицы у поверхности: туннельный и механизм термализации, с возможностью преобладания одного из них. Подход позволяет количественно объяснить поведение вероятности ионизации от скорости эмитируемой частицы;
аналитическое решение задачи перезарядки между изолированным атомным уровнем и произвольной зоной электронных состояний твердого тела, показывающее, что зарядовое состояние атомной
эстицы есть результат интерференции возникающих при взаимодейст-ш эффективных (отвечающих краям зоны), квазистационарных и жализованных состояний. В общем случае эта интерференция приво--іт к осциллирующей зависимости зарядового состояния рассеиваемой гомной частицы от ее энергии.
Совокупность полученных в работе результатов позволяет формулировать суть разработанного направления - физические :новы влияния локальной электронной структуры поверхности на юктронный обмен с атомной частицей.
апробация работы. Результаты исследований, которые вошли в іссертацию, были доложены на XII, хш, XIV и XV Международных тференциях по атомным столкновениям с твердым телом (Окаяма, юния, 1987; Орхус, Дания, 1989; Сэлфорд, Англия, 1991; Лондон, інада, 1993), xvn Международной конференции по физике элект->нных и атомных столкновений (Брисбан, Австралия, 1991), VII, IX х Международных симпозиумах по неупругому взаимодействию ионов поверхностью (Краков, Польша, 1988; Оссуа, Франция, 1992; Аоминг, США, 1994), х Международной конференции по анализу інньїми пучками (Эйндховен, Нидерланды, 1991) , хи Европейской
іНфереНЦИИ ПО фИЗИКе ПОВерХНОСТИ (СТОТГОЛЬМ, ШвеЦИЯ, 1991),
:іі-хі Конференциях по взаимодействию атомных частиц с твердым лом (Москва 1987, 1989; Звенигород 1991, 1993), хх Всесоюзной нференции по эмиссионной электронике (Киев 1987), Всесоюзном вещании по вторичной ионной и ионно-фотонной эмиссии (Харьков 88), Всесоюзном совещании по диагностике поверхности ионными чками (Донецк 1988), vii Всесоюзной конференции по физике низ-температурной плазмы (Ташкент 1987), хш симпозиуме рнера-Брандта по взаимодействию заряженных частиц с веществом ара, Япония, 1990), научной конференции "Ломоносовские чтения"
МОСКОВСКОМ государственном университете (1993).
Обобщение результатов работы приведено в пленарных (обзорных) иглашенных докладах на їх Международном симпозиуме по неупру-му взаимодействию ионов с поверхностью (Оссуа, Франция, 1992) и
конференции СНГ по взаимодействию ионов с поверхностью
ЗеНИГОроД 1993).
публикации. Теме диссертации посвящено более 70 публикаций, яовное содержание ее изложено в статьях, приведенных в конце гореферата.
структура и объем диссертации. Диссертация состоит и введения, шести глав и заключения. Работа содержит 24о страниц включая 55 рисунков, список литературы из 185 наименований.
