Содержание к диссертации
Введение 5
Глава 1. Метод инвариантного погружения в задачах рассеяния атомных частиц в плоскопараллельных мишенях 14
1.1. Отражение электронов от полубесконечных мишеней 26
1.2. Отражение мегаэлектронВольтных электронов от поверхности твердого тела 44
Глава 2. Потери энергии электронов и легких ионов в твердых телах 54
2.1 Потери энергии электронов при их движении в твердом теле 54
2.1.1. Введение 54
2.1.2 Метод инвариантного погружения в неупругих задачах 57
2.1.3 Односкоростное приближение в задачах расчета электронных потерь энергии 64
2.2. Функция пропускания: т~1 65
2.3. Функция пропускания: т>1 и т»1 70
2.4. О потерях энергии легкими ионами 77
Глава 3. Упругая задача, распределение рассеянных плоскопараллельными слоями электронов и легких ионов по длинам пробегов 83
Глава 4. Рассеяние легких ионов в однородных мишенях и слоисто-неоднородных средах 106
4.1 Рассеяние легких ионов в однородных средах 106
4.1.1 Нормальное падение ионов на мишень 111
4.1.2. Рассеяние ионов под скользящими углами 113
4.1.3. Рассеяние атомных частиц, учитывающее зависимость сечений от энергии 113
4.1.4. Результаты расчета энергетических спектров легких ионов рассеянных в однородных средах 121
4.1.5. Энергетические спектры легких ионов рассеянных в однородных средах, связь с существующими теориями 132
4.1.6 Энергетические спектры легких ионов рассеянных в однородных средах, область малых потерь энергии. «Пик упруго отраженных ионов» или «поверхностный пик», как правильно? 139
4.2 Рассеяние легких ионов в слоистых средах 147
4.2.1. Полные коэффициенты отражения энергии и частиц от слоистых мишеней 147
4.2.2. Энергетические спектры ионов, отраженных от мишеней с островковым покрытием 156
Глава 5. Распыление слоисто-неоднородных поверхностей легкими ионами. Эффект "зеркала" 160
Глава 6. Рассеяние электронов в слоисто-неоднородных средах. Область малых потерь энергии. Спектроскопия Характеристических Потерь Энергии 170
6.1 Электронная спектроскопия характеристических потерь энергии (на прострел) 171
6.2 Электронная спектроскопия характеристических потерь энергии (на отражение) 184
6.3. Спектры ОХПЭ. Влияние угла рассеяния на форму распределения отраженных электронов по длинам пробега в мишени 190
6.3. Спектроскопия характеристических потерь энергии электронов, рассеянных под скользящими углами 202
Глава 7. Спектроскопия отраженных электронов для послойного и компонентного анализа мишеней 207
7.1. Спектроскопия электронов отраженных от многослойных мишеней 207
7.1.1. Отражение от слоев конечной толщины 208
7.1.2. Отражение электронов от двухслойных мишеней 216
7.2. Спектроскопия электронов отраженных от многослойных поверхностей, Низкое разрешение энергоанализатора, плохой вакуум 223
7.2.1. Экспериментальное определение послойного состава мишеней путем расшифровки ДД СЭ 227
7.3. Отражение электронов килоэлектронВольтных энергий от многослойных поверхностей, высокий безмаслянный вакуум 232
7.3.1. Экспериментальные данные по энергетическим спектрам электронов, отраженных от однородных и многослойных мишеней. Теоретическая интерпретация 234
Заключение 249
Литература 251
Труды Афанасьева В.П 261
Введение к работе
Явления, возникающие при взаимодействии электронных и ионных пучков с поверхностью твердого тела находят все более широкое применение, как в процессах позволяющих обрабатывать материалы с целью получения искомых свойств, так и методиках, используемых для анализа компонентного и послойного состава исследуемых образцов. Детальные знания о процессах взаимодействия электронов и легких ионов с поверхностями необходимы для анализа процессов происходящих на "стенках" перспективных энергетических установок таких, как, например, токамаки, МГД установки. Процессы, возникающие при взаимодействии атомных частиц с твердыми телами весьма разнообразны: это радиационное дефектообразование и вторичная электронная эмиссия, имплантация и распыление, электромагнитное излучение, химические и фазовые превращения в образцах и.т.д. Первопричиной отмеченных процессов является движение атомной частицы в мишени, сопровождающееся передачей энергии и импульса компонентам мишени. Решение задачи о многократном рассеянии атомных частиц позволяющее определить энергетическое и угловое распределение, как отраженных частиц зондирующего пучка, так и их угловой и энергетический спектр на различных глубинах образца формирует базис для понимания и количественного описания отмеченных выше вторичных процессов. Основной целью настоящей работы является исследование взаимодействия широкого пучка атомных частиц со слоисто-неоднородными плоскопараллельными мишенями. Адекватное аналитическое решение данной задачи было известно лишь в крайне ограниченном числе ситуаций: 1. взаимодействия легких ионов мегавольтных энергий, когда справедливо приближение одного отклонения [2,12,55,78,128], позволяющее вычислить энергетические спектры отраженных а-частиц и протонов и количественно интерпретировать эксперименты по обратному резерфордовскому рассеянию[128]; 2. взаимодействия мегаэлектронвольтных электронов с двухслойными мишенями с резким интерфейсом, что используется в альбедном методе (З-толщинометрии [98]. В отмеченной ситуации возникла необходимость создания теории отражения от неоднородных поверхностей электронов с энергией от сотен электронвольт до единиц мегаэлектронвольт и легких ионов с энергией от сотен электронвольт до сотен килоэлектронвольт. Возможность теоретической интерпретации была крайне осложнена отсутствием надежных экспериментальных данных по энергетическим спектрам электронов киловольтных энергий отраженных в данный элемент телесного угла от слоисто-неоднородных мишеней, что продиктовало задачу создания экспериментального стенда [А48,А54,А55,А60,А69,А71,А72, А74,А77,А78]. Экспериментальные исследования по исследованию взаимодействия ионов с твердыми телами были сосредоточены на исследовании процесса распыления двухслойных мишеней [А31,А32,А34,А56]. Достаточно полный обзор аналитических теорий отражения электронов и легких ионов содержится в монографиях [2,10,12,129], что позволяет нам дать только конспективное описание ситуации. Из существовавших аналитических подходов выделим: 1. Модель одного отклонения в которой полагается, что частица движется по прямолинейной траектории теряя энергию на неупругие соударения до единственного сильного упругого столкновения, которое переводит нисходящее движение частицы в восходящее. Приближение одного столкновения применимо, если транспортная длина /,,. [9] значительно превышает остаточный пробег частицы R [9]. Отметим, что это условие весьма жесткое: неравенство ltr » R нарушается с уменьшением энергии зондирующего пучка и выполняется для ионов Не мегаэлектронвольтных энергий, для протонов с энергией в сотни кэВ [12]. Для электронов ltr R даже в мега-электронВольтном диапазоне [А62]. 2.
Диффузионное приближение. В этой модели атомные частицы отражаются от мишени за счет серии рассеяний на малые углы [2,76,115] . Здесь полностью исключены процессы, в которых частица может покинуть мишень за счет одного рассеяния на большой угол, в силу этого данная модель неадекватно описывает частицы отраженные в области малых потерь энергии. 3. Модели, основанные на методе инвариантного погружения. В данном подходе на первом этапе, на основе принципов инвариантности решается граничная задача для уравнения переноса, приводящая к системе нелинейных уравнений для функций отражения и пропускания [3-7]. Решение полученной системы уравнений можно построить на основе итерационной процедуры, как это было сделано Амбарцумяном [3,4] создавшим метод инвариантного погружения. Итерационная процедура весьма эффективна, если индикатриса элементарного акта упругого рассеяния сферическая или близка к сферической (разложение индикатрисы в ряд содержит малое число слагаемых ), в этом случае удается получить и точное аналитическое решение задачи [6]. Для решения задач электронного рассеяния в твердом теле метод инвариантного погружения впервые использовал Дашен [7]. Проделанная в [7] итерационная процедура позволила оценить вклад электронов с малыми потерями энергии, получение более подробной информации на основе использованного в [7] метода оказалось весьма неэффективной задачей, поскольку упругое сечение электронного рассеяния "сильно вытянуто вперед" и и его разложение в ряд по полиномам Лежандра содержит сотни слагаемых. В работе [16] Тилинин использовал метод инвариантного погружения в рамках транспортного приближения каковое свело задачу к случаю сферически симметричной индикатрисы, при этом был потерян вклад в отражение электронов с малыми кратностями рассеяния по упругому каналу. 4. Pt аппроксимация. Данный подход, как и отмеченные выше в пунктах 2,3 методы дает адекватные результаты для индикатрис близких к сферическим и совершенно неприменим к описанию частиц отраженных с малыми потерями энергии. 5. Методы основанные на Монте-Карловском моделировании [19,123,130]. Отметим, что эффективность процедуры имитационного моделирования процессов взаимодействия легких ионов с твердым телом весьма высока, в первую очередь благодаря наличию серии таких хорошо апробированных программ, как, например "TRIM" [130]. К сожалению, статистическое моделирование процесса электронного рассеяния не дает удовлетворительных результатов для широкого интервала энергий зондирующего пучка. Трудности электронного моделирования определяются, в основном, двумя причинами: 1. необходимостью последовательного учета флуктуации энергетических потерь, которая заставляет включать в программу процедуру рандомизации как по упругому так и по неупругому каналам, что резко снижает эффективность моделирования по сравнению с ионами и мэВными электронами, где допустимо в основном, приближение непрерывного замедления в неупругом канале рассеяния; 2. упругое рассеяние электронов происходит на фоне незначительной (по сравнению с легкими ионами) деградации энергии, в силу чего число актов рассеяния приводящих к остановке или выходу электронов из мишени на порядки больше, чем в случае легких ионов. В силу отмеченных причин адекватные результаты удается получить при моделировании рассеяния мегаВольтных электронов [19] (допустимо приближение непрерывного замедления) и электронов с энергией порядка одного кэВа [19] в силу приемлемо малого числа актов рассеяния (и соответственно циклов в моделирующей программе). Из приведенного выше конспективного обзора ситуации существовавшей в области теоретических и экспериментальных исследований проблемы электронного и ионного рассеяния в слоистых твердотельных мишенях следуют задачи решаемые в настоящей диссертации:
А. Электронное рассеяние. АЛ. Получение надежных экспериментальных результатов по энергетическим спектрам электронов отраженных в данный элемент телесного угла в энергетическом интервале 2-40 кэВ как для однородных так и для слоисто-неоднородных мишеней. А.2. Создание аналитической теории последовательно учитывающей флуктуации энергетических потерь при формировании спектра электронов, прошедших фиксированный путь в мишени. А.З. Создание аналитической теории, дающей детальное описание потока электронов отраженных от однородных, в общем случае многокомпонентных плоскопараллельных мишеней, на основе адекватных сечений упругого рассеяния и последовательно учитывающей флуктуации энергетических потерь. А.4. Создание аналитической теории дающей детальное описание потока электронов, отраженных от слоисто-неоднородных плоскопараллельных мишеней. А.5. Создание методик, позволяющих неразрушающим образом определять послойные профили исследуемых образцов. Б. Взаимодействие потоков легких ионов с твердыми телами. Б.1. Создание аналитической теории, дающей детальное описание потока (суммарного по зарядовым фракциям) отраженных атомных частиц. Б.2. Создание аналитической теории, описывающей рассеяние легких ионов слоисто-неоднородными мишенями. Б.З. Создание аналитической теории распыления слоисто-неоднороднымых поверхностей легкими ионами и ее экспериментальная апробация.
