Введение к работе
Диссертация обобщает исследование различных аспектов проблемы электронного обмена при рассеянии атомной частицы на поверхности твердого тела.
Актуальность работы. Проблема электронного обмена является одной из фундаментальных проблем теоретической физики. Процесс электронного обмена лежит в основе таких физических явлений, как перезарядка при атомных столкновениях, образование молекул из отдельных атомов, адсорбция, взаимодействие заряженных частиц с поверхностью и т.д. Кроме того, проблема электронного обмена непосредственно связана с проблемой локализованных и квазилокализованных электронных состояний в твердых телах. Интерес к этой проблеме обязан, в частности, и наиболее актуальным на сегодняшний день проблемам микроэлектроники, а именно созданию поверхности с заданными свойствами и контроль получаемых результатов.
История теоретического исследования процессов зарядового обмена насчитывает около шестидесяти лет, начиная с работ Ландау, Розена и Зеннера (1932 год). До семидесятых годов проблема рассматривалась в рамках задачи электронного обмена при атомных столкновениях. Последние двадцать лет активно исследовалась проблема электронного обмена при взаимодействии атомных частиц с поверхностью твердого тела. Это связано с особым интересом к поверхности и процессам на ней происходящим.
Несмотря на большое внимание к этой проблеме, имеется ряд важных вопросов, не получивших до настоящего времени адекватного теоретического описания.
К таким вопросам, прежде всего следует отнести проблему электронного обмена с ограниченной зоной электронных состояний поверхности. Действительно, последовательное рассмотрение процесса зарядового обмена проведено' к настоящему времени лишь в двух предельных случаях, а именно, в предположениях, что электронные состояния непрерывного спектра поверхности, участвующей в электронном обмене с атомной частицей, образуют либо бесконечно узкую, либо бесконечно широкую энергетическую зону. В первом случае рассмотрение сводится к исследованию перезарядки в двухуровневой системе. Свойства этой модели подробно изучались в теории атомных столкновений. Было показано, что для резонансной и квазирезонансной перезарядки характерна осциллирующая зависимость вероятности электронного обмена от энергии налетающих частиц. Однако, следует заметить, что область применимости приближения, в котором зона конечной ширины заменяется бесконечно узкой, весьма ограничена. Область применимости другого приближения, согласно которому состояния непрерывного спектра образуют бесконечно широкую зону, также весьма ограничена. В частности, оно не описывает ситуацию, когда электронный уровень атома расположен вблизи дна или потолка валентной зоны, либо вообще находится в зоне запрещенных состояний. Поэтому ряд известных экспериментальных результатов по перезарядке атомов на поверхности не находит объяснения в рамках этого приближения. Таким образом, большой интерес представляет исследование проблемы перезарядки в общем случае, т.е. без каких-либо ограничений на вид зонного спектра и положение "атомного" уровня энергии.
Другим важным аспектом теории зарядового обмена при рассеянии атомной частицы на поверхности твердого тела является
проблема перезарядки при скользящем рассеянии. Суть проблемы состоит в том, что при описании зарядового обмена при скользящем рассеянии возникает необходимость учитывать действие различных факторов способных существенным образом изменить картину зарядового обмена. Одним из таких факторов является изменение заселенности зонного спектра поверхности в системе координат, связанной с движущейся атомной частицей, что фактически является следствием преобразований Галилея. Вторым важным фактором является воздействие периодической атомной структуры поверхности на перезарядку при скользящем рассеянии. Это приводит к возникновению периодического во времени возмущения, следствием чего является возможность нерезонансных электронных переходов. К настоящему времени не было предложено теории, которая бы последовательно учитывала эти эффекты с единой точки зрения.
Следующий актуальный вопрос, возникающий в связи с
рассматриваемой проблематикой, - применимость кинетического
уравнения для описания процессов зарядового обмена. Обычно
возможность использования кинетического уравнения связывается с
возможностью квазиклассического описания. Это приводит либо к
требованию высокой температуры зонных электронов, либо к
требованию быстрого изменения положения электронного уровня
атомной частицы в процессе зарядового обмена. Данные условия
ведут к отсутствию интерференционных эффектов и, как следствие, к
возможности квазиклассігческого описания посредством
кинетического уравнения. Однако, эти требования очень сильно ограничивают область применимости кинетического уравнения. Вплоть до настоящего времени не было предложено метода, который бы позволил снять данные ограничения с области применимости
кинетического уравнения. В связи с этим предлагаемый в настоящей работе подход к данной проблеме представляет большой интерес.
Еще один важный вопрос, слабо изученный к настоящему времени, - влияние локального электрон-электронного взаимодействия на электронный обмен атомной частицы с поверхностью.
Большой научный интерес, который представляет описанный круг задач, незавершенность теоретических представлений и известная дискуссионность различных сторон проблемы зарядового обмена и явились основой постановки настоящей работы.
Целью работы является теоретическое исследование влияния на зарядовый обмен при рассеянии атомной частицы на поверхности твердого тела следующих факторов:
а) особенностей электронного спектра твердого тела (и, в первую
очередь, его ограниченности),
б) параллельного к поверхности компонента скорости атомной
частицы,
в) локального межэлектронного взаимодействия;
а также разработка методов расчета процессов резонансного электронного обмена при рассеянии атомной частицы на поверхности металла.
На защиту выносятся следующие основные положения, определяющие научную новизну полученных в диссертации результатов:
- Ограниченность зонного спектра может приводить к неэкспоненциальному характеру распада электронного состояния атомной частицы и, как следствие, немонотонной (осцшглирующей) зависимости вероятности перезарядки как функции обратной скорости атомной частицы.
- Эффект параллельного поверхности компонента скорости
атомной частицы при скользящем рассеянии может быть сведен к
использованию новых эффективных параметров в картине
резонансной перезарядки (эффективной плотности и заселенности
электронных состояний поверхности). При этом, в большинстве
ситуаций, реализуемых в экспериментах по скользящему рассеянию,
эффективные параметры таковы, что зарядовый обмен может быть
описан с хорошей точностью в рамках кинетического уравнения.
- Внутриатомное кулоновское взаимодействие электронов может
привести к существенному изменению скорости электронного обмена.
Предложенная диаграмная техника для расчета коэффициентов кинетического уравнения позволяет описать перезарядку на широких металлических зонах в рамках кинетического уравнения во всех случаях с любой заданной точностью.
Научная и практическая ценность. Полученные результаты позволили объяснить ряд экспериментальных данных по рассеянию ионов на поверхности кристаллов, характеризующихся сложным энергетическим спектром. Данные результаты могут оказаться важными и с точки зрения разработки перспективных методов диагностики поверхности пучками атомных частиц, т.к. позволяют связать результаты зарядового обмена с особенностями зонного спектра поверхности. Кроме того, проведенный анализ процессов перезарядки открывает перспективы прогнозирования оптимальных условий для ионной стимуляции процессов на поверхности, которая лежит в основе современных перспективных технологий. Разработаны методы расчета электронного обмена при перезарядке атомной частицы на широкій металлических зонах и при скользящем рассеянии. Ряд результатов может быть также полезен для
дальнейшего развития теории релаксации в сильно коррелированных системах.
Апробация работы. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ. Результаты исследований, которые вошли в диссертационную работу, были доложены на XV и XIV Международных конференциях по атомным столкновениям с твердым телом (Лондон, Канада, 1993; Линз, Австрия, 1995), на XI Международном симпозиуме по неупругому взаимодействию ионов с поверхностью (Вангеруг, Германия, 1996), на X и XII Конференциях по взаимодействию атомных частиц с твердым телом (Звенигород, Россия, 1991, 1995).
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Она содержит 150 страниц машинописного текста, включая 25 рисунков и список литературы из 101 наименований,
