Содержание к диссертации
Введение 3
Глава 1. Модели и методы теоретического изучения рассеяния ионов
поверхностью твердых тел 11
Глава 2. Модель рассеяния ионов поверхностью кристаллов методом
молекулярной динамики 19
-
Физические основы создания модели 19
-
Информационная структура программной модели 21
Глава 3. Рассеяние щелочных ионов низких энергий поверхностными
гранями монокристаллов тугоплавких металлов 36
-
Рассеяние ионов Cs+ монокристаллами W и Мо 37
-
Сравнение результатов моделирования рассеяния
Cs+—> W для двух потенциалов взаимодействия 48
Выводы 63
Глава 4. Рассеяние металлических ионов кристаллическими
поверхностями собственных металлов (Ме+-> Me) 65
-
Рассеяние Ме+—> Me с ОЦК - решеткой 66
-
Рассеяние Ме+—> Me с ГЦК - решеткой 79
-
Сравнительное изучение рассеяния металлических ионов низких энергий с большим и малым атомными номерами поверхностью. 86
-
О методе анализа наноразмерных металлических пленок 91
Выводы 93
Заключение 96
Список литературы 98
Приложение А. Программа компьютерного моделирования
рассеяния ионов поверхностью кристаллов методом
молекулярной динамики 109
Введение к работе
В последние 20-30 лет особенно возрос интерес к исследованиям явлений и процессов, происходящих при взаимодействии атомных частиц с поверхностью твердого тела [1-4]. Актуальность таких исследований обусловлена развитием и внедрением в практику новых прогрессивных технологий, использующих методы ионного и ионно-плазменного напыления, ионной имплантации и молекулярной эпитаксии [5,6]. Необходимость изучения поверхностных явлений связана с проблемой «первой стенки» в управляемых термоядерных реакторах и ионных двигателях, а также с получением новых материалов с заданными свойствами [7,8], что требует применения эффективных методов контроля и, в частности, методов, основанных на диагностике поверхности ионными пучками [9-11]. Помимо уникальных физических экспериментов, проводимых учеными с целью изучения явлений, наблюдаемых на поверхности твердого тела при ионной бомбардировке, используются численные методы, приобретающие все более широкое распространение в связи с совершенствованием компьютерной техники [12,13].
Одним из наблюдаемых явлений является рассеяние атомных частиц поверхностью твердых тел. Наиболее полно изученными являются область сверхнизких или тепловых энергий (Ео^О^-Ю0 эВ), где отражение налетающих частиц от поверхности рассматривается как «от стенки» и учитывается эффект аккомодации, и область средних энергий (Е0= 103-105 эВ), где отражение объясняется в рамках известной бинарной модели, в которой рассеяние интерпретируют как акт упругих столкновений бомбардирующего иона с отдельными несвязанными между собой атомами кристаллической решетки.
Менее изученной оказалась область энергий бомбардирующих частиц Е0, лежащих в диапазоне десятков и сотен эВ. Для этой области не существует однозначного подхода к механизму рассеяния ионов поверхностью. Одни исследователи стоят на позиции бинарных столкновений иона с атомами мишени [14,15], другие - на позиции многочастичных (групповых) взаимодействий [16,17].
В связи с этим цель настоящей диссертационной работы состоит в установлении механизма взаимодействия ионов с поверхностью твердого тела в области низких энергий бомбардировки и определении границ его применимости; создании методических основ анализа поверхности твердых тел и пленочных структур ионными пучками низкой энергии.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
Развит метод численного моделирования рассеяния ионов упорядоченными структурами на основе молекулярной динамики с использованием дальнодействующих потенциалов взаимодействия.
Проведено компьютерное моделирование рассеяния щелочных ионов низких энергий поверхностными гранями монокристаллов тугоплавких металлов с применением дальнодеиствующего потенциала взаимодействия Циглера-Бирзака-Литтмарка. Изучены дифференциальные энергетические и угловые распределения ионов Cs+, рассеянных монокристаллами W и Мо.
Проведено компьютерное моделирование рассеяния металлических ионов кристаллическими поверхностями тех же металлов (Ме+-»Ме) в области низких энергий бомбардирующих частиц (Ео=40-г500 эВ). Изучены дифференциальные энергетические распределения, угловые распределения интенсивности и угловые распределения по энергиям и интенсивности металлических ионов,
5 рассеянных теми же металлами с ОЦК- и ПЛК-решеткой, а также проведено сравнительное изучение рассеяния одно- и двухзарядных ионов ванадия на ванадиевой мишени.
4. Изучена зависимость энергии рассеянных ионов от величины постоянной решетки и рассмотрен вопрос о возможности использования полученных результатов в прикладных аспектах.
Научная новизна
1. Впервые методом молекулярной динамики в процессе численного моделирования рассеяния ионов металлов поверхностью твердого тела (Ме+—>Ме) в области низких энергий бомбардирующих частиц (Ео=40-ї-500 эВ) выявлены факты, устанавливающие многочастичный характер взаимодействия тяжелых ионов с поверхностными атомами твердых тел: а) одновременное взаимодействие налетающего иона с несколькими атомами бомбардируемой мишени; б) увеличение доли энергии, сохраняемой рассеянным ионом, и рост числа атомов, участвующих во взаимодействии, с уменьшением энергии бомбардировки; в) отсутствие рассеяния «вперед», т.е. отсутствие проникновения ионов вглубь мишени; г) рассеяние в ограниченном интервале углов рассеяния щ д) эффект «зеркального отражения» ионов от поверхности мишени.
2. На основе полученных результатов моделирования выявлена сущность эффекта «зеркального отражения», заключающаяся в том, что при равенстве углов скольжения и вылета отражается от поверхности наибольшее количество ионов с наибольшей энергией. Этот эффект аналогичен отражению молекул с тепловыми энергиями от стенки при абсолютно упругом ударе и служит реальным подтверждением механизма А многочастичного взаимодействия. Определены границы применимости механизма многочастичного взаимодействия по факту перехода рассеяния от зеркального к изотропному при скоростях налетающих частиц v0> 16800 м/с.
3. На основе результатов компьютерного эксперимента установлено, что малое изменение расстояния между поверхностными атомами мишени ведет к существенному изменению доли сохраняемой
Ф рассеянными ионами энергии и формы энергетических спектров. С использованием выявленной зависимости разработаны методические основы определения межатомных расстояний на толщинах в единицы атомных слоев в диапазоне энергий бомбардировки Ео=40-ь500 эВ.
Достоверность полученных результатов базируется на согласии рассчитанных на ЭВМ характеристик рассеяния и экспериментальных ф данных [16,18], а также результатов других исследований, где возможно проведение таких сравнений [19,20].
Научная и практическая значимость
1) Установленные закономерности рассеяния служат основой для понимания других процессов взаимодействия ионов с поверхностью. В
,ф частности, учет многочастичных эффектов существенно изменит интегральные характеристики распыления твердого тела ионной бомбардировкой вне зависимости от начальной энергии бомбардирующих частиц при описании процессов, предшествующих их остановке (Ео<100 эВ).
2) Полученные результаты служат основой для создания совершенно новых методов исследования поверхностей. Например, низкоэнергетическое рассеяние тяжелых ионов можно использовать как метод контроля плотности пленок нанометровой толщины и определения
7 кристаллической структуры пленки в производстве пленочных изделий в микроэлектронике.
На защиту выносятся следующие положения:
Гипотеза о механизме многочастичного взаимодействия тяжелых низкоэнергетических ионов, имеющих кинетические энергии в области десятков и сотен эВ, с поверхностью твердого тела подтверждена результатами компьютерного моделирования процесса рассеяния ионов металлов упорядоченными структурами, согласующимися с экспериментальными данными и полученными на основе метода молекулярной динамики с использованием дальнодействующего потенциала взаимодействия Циглера-Бирзака-Литтмарка.
Границы применимости механизма группового взаимодействия определяются по факту перехода рассеяния от зеркального к изотропному при скоростях бомбардирующих частиц, превышающих 16800 м/с.
Новый способ определения межатомных расстояний пленочных структур на толщинах в единицы атомных слоев в диапазоне энергий бомбардировки от нескольких десятков до сотен эВ по виду энергетических спектров и значениям энергии рассеянных частиц в максимуме их энергетических распределений разработан на основе выявленной в процессе компьютерного эксперимента зависимости энергии отраженных ионов от постоянной решетки, заключающейся в том, что малое изменение расстояния между поверхностными атомами приводит к существенному изменению доли сохраняемой рассеянными ионами энергии и формы энергетических спектров.
Апробация работы: основные результаты данной работы докладывались на симпозиуме по эмиссионной электронике: термоэлектронная, вторично-электронная, фотоэлектронная эмиссии и
8 спектроскопия поверхности твердого тела (Рязань, 1996), на межотраслевом семинаре «Взаимодействие плазмы с поверхностью» (Москва, 1999), на XIV международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью ВИП-1999» (Звенигород, 1999), на международной конференции молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2000), на IX международном семинаре «Диагностика поверхности ионными пучками» (Запорожье, Украина, 2000), на II международной конференции «Фундаментальные проблемы физики» (Саратов, 2000), на 7й Всероссийской конференции студентов-физиков и молодых ученых (Екатеринбург - Санкт-Петербург, 2001), на XV международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью ВИП-2001» (Звенигород, 2001).
Публикации: по теме диссертации опубликовано 4 научные статьи, 8 тезисов и кратких содержаний докладов в сборниках материалов международных конференций, семинаров и симпозиумов.
Объем и структура диссертационной работы: диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы и одного приложения. Работа содержит 140 страниц машинописного текста, 40 рисунков и одну таблицу. Список литературы включает 104 наименования.
В первой главе описаны модели и методы теоретического изучения взаимодействия ионов с поверхностью твердых тел; выявлены их достоинства и недостатки, а также оценена возможность их применения для исследования низкоэнергетического рассеяния. На основе приведенных данных сделаны выводы и осуществлена постановка задачи исследований.
9 Во второй главе приведено описание программы компьютерного моделирования рассеяния ионов поверхностью кристаллов методом молекулярной динамики. Представлено описание построения модели мишени, геометрии бомбардировки мишени ионным пучком, системы взаимодействующих частиц, а также описан метод решения системы дифференциальных уравнений движения падающих на мишень частиц.
Проведен выбор потенциала взаимодействия. Указан способ проверки достоверности результатов моделирования.
В третьей главе приводятся результаты компьютерного моделирования рассеяния щелочных ионов (Cs*) низких энергий поверхностными гранями монокристаллов тугоплавких металлов (W и Мо). Проводится обсуждение результатов для двух потенциалов взаимодействия: Циглера-Бирзака-Литтмарка (ЦБЛ) и Борна-Майера (БМ). Осуществляется сравнение расчетов с подобными данными, полученными другими исследователями. Показано, что полученные результаты свидетельствуют о многочастичном характере взаимодействия низкоэнергетических ионов с поверхностными атомами кристаллической решетки, а также прослежена динамика перехода от бинарных столкновений к многочастичным взаимодействиям с уменьшением энергии бомбардировки и применением более дальнодействующего потенциала взаимодействия.
Четвертая глава посвящена изучению рассеяния металлических ионов (V*-, W*, ІҐ", Ве+, Ni+, Al+, Pt+, Pb+) кристаллическими поверхностями тех же металлов (Ме+—>Ме). Приведены результаты компьютерного моделирования рассеяния Ме+—>Ме с ОЦК- и ГЦК-решеткой, а также результаты сравнительного изучения рассеяния одно- и двухзарядных ионов ванадия ванадиевой мишенью. Обнаружен эффект «зеркального отражения» ионов со скоростями vo<2-104 м/с от поверхности как реальное подтверждение механизма многочастичного взаимодействия, а
10 также исследовано его проявление для мишеней с разным атомным номером (для тяжелых мишеней эффект продолжает наблюдаться при больших значениях энергии бомбардировки, чем для легких). Установлена зависимость энергии рассеянных ионов от величины постоянной решетки и на ее основе обсуждается вопрос определения межатомных расстояний тонких пленок по положению максимума энергетических распределений или по максимальным значениям энергии рассеянных частиц.
В заключении приводится перечень наиболее важных результатов работы.
