Исследование изменения состава поверхности двухкомпонентных систем при ионной бомбардировке Степанова, Мария Георгиевна

Введение к работе

Актуальность темы. Бомбардировка поверхности твердого тела- быстрыми ионами широко применяется при микроанализе для очистки по5эрп::сста образца от загрязнен::!? и для послойного исследования состава. Однако ионная бомбардировка может существенно повлиять на свойства исследуемого^ материала. В частности, состав многокомпонентных материалов вблизи поверхности обычно изменяется, или, как принято говорить, образуется измененный слой. Прикладная значимость исследования свойств вещества в измененном слое способствует бурному развитии этой" области науки. Установлено, что для формирования измененного слоя cyRecTESHHH по крайней мерз два физических процесса - каскады столкновений атомов, инициированные нонами, и релаксация изменения^ плотности твердого тела.

Возможность предсказания изменения состава твердого тела под действием каскадов столкновения в последнее время" активно обсуждалась Сем.,- например, IW. Eckstein', .199113. В настоящее врег^я для исследования изменения состава используется главным образом моделирование методом Монте-Карло. Более высокую степень обобщения-представляет собой подход, основанный ка решении кинетического.. уравнения Больцмана для функции распределения частиц каскада Ш. Posselt, 1989]. Однако обоснованность применения простой пространственно-однородной модификации уравнения Больцмана в теории распыления вызывает сомнения, так как предположение о статистической независимости частиц перед столкновением вступает в противоречие с фактом корреляции положений атомов в твердом теле 13.

Вторая проблема - релаксация изменений плотности твердого тела - обсуждается незаслуженно редко. В то же время известно, что каскады столкновений изменяет не только состав твердого тела, но.и его плотность, лричем возможна как уменьшение плотности, так и образование уплотнения ['J. Littmark, W.O. Hofer, 1980]. При отсутствии эффективного г. гханизма релаксаций плотности ее изменение при моделирова-к я может достигать 50-100 и более. Чтобы избежать нефизи-ч ского изменения платности, предлагался механизм гомогенной р лаксации Ш. Litimark, W.O. Kofer, 1980], который і насто-

ящее время используется в динамических программах Монте-Карло. В случае появлення избыточных вакансий где-либо в глубине твердого тела этот механизм состоит в мгновенном переносе вакансии на поверхность твердого тела; в случае появления избыточных атоиов.^внедрениа - в^'г-дгновенкок "разбухании" уплотненной области..' Таким образом, плотность твердого тела всегда остается равновесной.-а поверхность сдвигается. . Несомненными' достоинствами механизма .гомогенной релаксации являются его простота и практичность. В то же время обоснования основных предположений - о том, что дефекты переносятся только по направление к.поверхности и о том, что скорость этого-переноса можно считать бесконечно большой - в литературе не имеется, Отсутствует также анализ' ограничений, к которым могут приводить указанные предположения.

ЦельЬ настоящей работы было исследование состава в измененном слое бинарных систем в рамках такого подхода, в котором, во-первых, использовались бы кинетические уравнения, учитывающие корреляцию последовательных столкновений частиц в твердом теле,-и, во-вторых, механизм релаксации плотности был бы основан на менее жестких предположениях по сравнение с известным"механизмом гомогенной релаксации.

Научная'новизна работы.

1. Получена система кинетических уравнений, соответствуицих жидкостной- кодеяй каскадов столкновений атомов, неявно учитывавшей корреляцию положения рассеивающих центров. Полученная система уравнений была использована для расче- . та состава и плотности в измененных слоях двухкомпонент-кых скстем при ионной бомбардировке в стационарном.режиме, . - .

2. В качестве механизма релаксации, плотности впервые исполь- -зована радиационно-етимуяировавная диффузия. -Исследованы характерные особенности профилей состава при различных, отношениях коэффициентов диффузии компонентов.

3. Прове, єно сравнение результатов расчета отношения коэффициенте < распыления компонентов /v7^ для не соторых бинар^ ных систем с аналитической теорией IN. Але Tseri, P. Sig-mund, .974], Показано, что аналитически зависимость

/vy⁰ от отношения поверхностных энергий связи близка к - .зависимости результатов расчета от отношения 'объемных энергий связи. Выявлено существенное расхождение результатов расчета с аналитической зависимостью У⁰//* от отношения масс компонентов. Показано, что расхождение объясняется различием моделей связи атомов в твердом теле.

Практическая ценность работы.

4. Создана высокоэффективная программа для расчета профилей'' состава вблизи поверхности двухкомпонентных систем при ионной бомбардировке в стационарном режиме. Программа может быть использована для анализа закономерностей образования измененных слоев' под действием каскадов столкновений атомов и радиационно-стимулированной диффузии. На компьютере с быстродействием 1 млн. операций с плавающей точкой в секунду расчет профиля занимает около 2 часов.

5. Уточнены пределы применимости аналитической теории CN. Andersen, P. Sigmund; 1974], которая в настоящее время часто используется для оценки изменения состава на поверхности при ионной бомбардировке.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на і1-Й Европейской конференции по изучений поверхности (Сала-манка, Испания, 19903 и на 10-й Всесоюзной конференции по взаимодействии ионов с поверхностью (Звенигород, 1991).

Публикации. По теме диссертации имеется 7 печатных работ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит $5" -страниц текста, 16 рисунков, 4.таблицы и библиографв из ?6 названий.