Введение к работе
Актуальность темы
Пучки заряженных и нейтральных частиц представляют собой эффективный инструмент для исследования состава и структуры твердых тел и модификации их поверхностей, поэтому широко применяются в науке и технике. Исследования многообразных физических процессов, сопровождающих взаимодействие быстрых заряженных частиц с веществом, приобретают все большую научную и практическую значимость, а их исследование далеко не завершено.
Начиная с 60-х годов прошлого столетия был открыт целый ряд, так называемых, ориентационных эффектов, возникающих при прохождении быстрых заряженных частиц через кристаллы [1-2] (каналирование, эффект теней и блокировки). Эти эффекты уже нашли широкое применение в физике конденсированного состояния, радиационной физике твердого тела и ядерной физике. За последние годы появилось несколько экспериментальных работ [3 - 7], в которых обнаружены необычные особенности в рассеянии ионов и нейтральных атомов от кристаллических поверхностей. В частности, были обнаружены новые эффекты в радужном рассеянии нейтральных атомов при отражении от ориентированной кристаллической поверхности. Результаты измерений зависимости угла радужного рассеяния нейтральных атомов от полной и поперечной (нормальной к поверхности кристалла компоненты) энергии показали существенное различие эффекта для атомов благородных газов и атомов некоторых металлов, что нуждается в теоретической интерпретации. Наиболее надежным способом количественного описания рассеяния ионов от кристаллической поверхности является метод математического моделирования процессов ион - атомных соударений.
В связи с повышенным интересом к проблеме модификации и анализа приповерхностных слоев кристаллов, развитие теоретического описания
процессов рассеяния атомных частиц кристаллической поверхностью,
представляется актуальным и своевременным, поэтому тема диссертации является актуальной.
Цель работы: теоретически описать процессы рассеяния ускоренных атомных частиц поверхностью кристаллов и дать физическую интерпретацию обнаруженным ориентационным эффектам.
В соответствии с поставленной целью в диссертации решались следующие задачи.
Построить модель взаимодействия атомных частиц с поверхностью кристалла и разработать алгоритмы для моделирования процессов их рассеяния.
Определить роль поляризационных эффектов в рассеянии атомных частиц от поверхности кристаллов при скользящих падениях.
3. Дать интерпретацию динамическим эффектам в азимутальных
угловых распределениях атомных частиц, рассеиваемых поверхностью
кристаллов металлов.
Научная новизна основных результатов
С использованием методов математического моделирования дана теоретическая интерпретация экспериментально обнаруженным особенностям радужного рассеяния при отражении атомных частиц от поверхности кристаллов при скользящих углах падениях. Установлено, что существенную роль в описании процессов отражения атомов от поверхности играют поляризационные эффекты и правильный выбор потенциала взаимодействия ионов с атомными цепочками и плоскостями. Дана интерпретация обнаруженным динамическим эффектам в радужном рассеянии при скользящих углах падения нейтральных атомов на поверхность металлических кристаллов. Указанные особенности объясняются электронным торможением рассеиваемых атомных частиц вблизи поверхности кристалла. Предсказан новый эффект, заключающийся в том, что поляризация ускоренных нейтральных атомов при скользящих
падениях на поверхность кристалла может приводить к образованию связанных поверхностных состояний. Получено пороговое условие для угла подлета атомов к поверхности кристалла, при котором возможен захват в такие состояния.
Практическая значимость основных результатов
Проведенные в диссертации исследования позволяют, во-первых, по-иному взглянуть на традиционные задачи физики каналирования, а во-вторых, могут существенно расширить возможности метода каналирования для получения уникальной информации не только о структурных особенностях кристаллов, но и о физике ион - атомных столкновений. Дальнейшее изучение радужного рассеяния атомных частиц от поверхности кристаллов позволит реализовать идею экспериментального разделения ядерных и электронных потерь энергии, что не удается сделать в экспериментах на прохождение.
Основные научные положения, выносимые на защиту
Причиной немонотонной зависимости угла радужного рассеяния от начальной поперечной энергии является поляризация падающих на поверхность кристалла ускоренных атомных частиц.
При скользящих падениях на поверхность кристалла поляризация ускоренных нейтральных атомов может приводить к образованию связанных поверхностных состояний. Захваченные в такие состояния атомы будут двигаться вдоль поверхности на расстоянии нескольких атомных единиц от нее, совершая небольшие осцилляции в поперечном направлении.
Наблюдаемые экспериментально динамические эффекты в рассеянии нейтральных атомов при их скользящих углах падения на поверхность кристаллов объясняются электронным торможением рассеиваемых атомных частиц вблизи поверхности металлических кристаллов. Физическая причина этого явления заключается в том, что в исследуемом энергетическом
диапазоне 1..100 кэВ увеличение скорости сопровождается возрастанием потерь, как полной энергии, так и ее поперечной составляющей.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на 39-ой, 40-ой и 41-ой
Международных конференциях по "Физике взаимодействия заряженных
частиц с кристаллами" (Москва, Россия, 2009, 2010 и 2011
( conf.htm); Международной конференции
«Charged and Neutral Particles Channeling Phenomena» (Феррара, Италия, 2010) ( /conference/channeling2010/home.html). Результаты работы обсуждались на семинарах кафедры теоретической и вычислительной физики физического факультета ЮФУ.
Публикации
Основные научные результаты опубликованы в 2 статьях журналах: «Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования», «Письма в «Журнал технической физики»», а также в 3 тезисах докладов на международных конференциях. Список основных публикаций автора приводится в конце автореферата.
Личный вклад автора
Автором разработаны алгоритмы для компьютерного моделирования и выполнены все численные расчеты. Автор принимал непосредственное участие в постановке целей, задач и формулировании основных научных положений, результатов и выводов, обсуждении полученных результатов и подготовке публикаций.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения и списка цитируемой литературы из 35 наименований; изложена на 69 страницах, включая 28 рисунков.
