Введение к работе
Актуальность темы. Интенсивное развитие лазерных методов анализа и модификации поверхности, таких как лазерный гетерогенный катализ, лазерная масс-опектрометрия, поверхностная селективная фотоиокизация, вызывает необходимость в проведении исследований динамики электронных переходов в приповерхностной области и, п особенности, динаміки электронного обмена в системе поверхность -атом-поле. Влияние поля лазерного излучения на характер электронного обмена вблизи поверхности реализуется в виде изменения кван-товомеханической структуры системы и неравновесности функции распределения электронов. Ввиду сложности и малоизученности взаимодействия в системе поверхность-атом-поле, отсутствия значительных экспериментальных результатов и недостаточности проведенных к началу работы теоретических исследований существует необходимость разработки модели, объясняющей механизм ионизации распыленного ионной бомбардировкой атома при его взаимодействии с поверхностью и электромагнитным полем лазерного излучения, и проведения экспериментов, подтверждающих еЭ. Увеличение выхода ионов, обусловленное резонансным лазерным возбуждением атомов и последующей туннельной резонансной ионизацией, открывает возможность построения нового метода исследования поверхности и управления поверхностными явлениями, представляющую практический интерес.
Изучение процессов иов-ионной и ион-атомной эмиссии методами селективной лазерной ионизации позволяет получить информацию об энергетических и пространственных характеристиках распыленных атомов в основном и возбужденных состояниях, что имеет научное значение.
Исследования аналитических возможностей лазерного атомно-ио-визационного спектрометра приводят к потребности совершенствовать элементы системы регистрации, такие как система рскриминации неселективного ионного фона и время пролетный масс-спектрометр.
Актуальность решения перечисленных выше проблем непосредственно вытекает из рассмотрения некоторых важных областей применения селективной лазерной ионизации атомов поверхности, так: і как элементный анализ твердого тела и лазерная стимуляция поверхностных явлений. Для указанных областей применения актуальными задачами являются изучение лазерио-стимулироврчной вторичной ионной эмиссии и разработка нового метода анализа поверхности, исполъзу-
ющего этот эффект. -
Целью диссертационной работы является исследование ионизации атомов на поверхности, распыленных ионной бомбардировкой, при взаимодействии с резонансным лазерным излучением, выхода ионов при лазерно- ттимулированной вторичной ионной эмиссии , а также энергетических распределений атомов, распыленных с поверхности твердого тела методом селективной лазерной ионизации. Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Создана экспериментальная установка резонансной лазерной ионизации для проведения комплекса исследований характеристик ионного распыления атомов поверхности, процесса лазерной поверхностной ионизации, позволяющая проводить элементный анализ поверхности. . .
-
Предложен принцип фокусировки ионных пакетов во время-пролетном масс-спектрометре типа масс-рефлектрон, позволяющий повысить разрешение при значительных начальных разбросах энергии распыленных частиц.
-
Предложен и реализован метод дискриминации ионов неселективного происхождения при элементном анализе поверхности методом селективной лазерной ионизации.
-
Исследованы зависимости выхода вторичных иолов при воздействии на распыляемую ионным пучком поверхность лазерного излучения от мощности и частоты излучения. Наличие резонансных пиков в опек-тре обусловлено когерентными эффектами. Установлена возможность увеличения выхода ионов при ионном распылении поверхности в поле лазерного излучения.
-
Предложена модель ионизации распыленного атома при его взаимодействии с электромагнитным полем лазерного излучения и поверхностью металла, позволяющая описать резонансный характер этого взаимодействия, оценить вероятности процессов ионизации и нейтрализации, рассмотреть кинетику образования ионов и возбужденных . атомов, объяснить частотную селективность выхода вторичных ионов.
-
Проведены экспериментальные исследования энергетических распределений атомных частиц в основном, метастабильном и заряженном состояниях методами селективной лазерной ионизации.
Достоверность и обоснованность научных результатов подтверждается: согласием :еоретических выводов и экспериментальных результатов, проведением комплекса исследований характеристик ионного распыления атомов поверхности и лазерной поверхностной иони-
зации, практическим использованием ряда результатов и выводов,изложенных в работе, апробацией материалов диссертационной работы путем обсуждения на международных и всесоюзных конференциях и опубликования статей в журналах.
Практическая ценность работы. Предложены и реализованы методы дискриминации ионного фона неселективного происхождения, вследствие применения которых осуществляется снижение предела обнаружения примеси. Разработаны метод калибровки лазерного атомно-ионизационного спектрометра и метод проведения измерения концентраций примеси в диапазоне 10 - 10 %. Предложен и реализован способ приготовления образцов с нормированным содержанием примеси. Предложен метод анализа поверхности, сочетающий возможности,обусловленные резонансным лазерным возбуждением распыленных атомов, с высокой степеньп ионизации за счет резонансного туннелирования в поверхность. Преимуществом такого метода является высокий коэффициент использования вещества пробы 100 % . Данный метод позволяет также определять электроннув структуру поверхности и атома вблизи неё на основе анализа частотной селективности выхода образующихся ионов. Полученные результаты могут быть использованы для создания приборов, позволяющих проводить высокочувствительный элементный анализ поверхности твердого тела, принцип работы которых основан на селективной лазерной ионизации распыленных ионным пучком атомов. Предложенные технические решения опубликованы и содержатся в описаниях к 6 авторским свидетельствам на изобретения.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Одним из основных механизмов образования вторичных ионов
при воздействии резонансного лазерного излучения на распыляемую
первичными ионами область поверхности является резонансное возбуж
дение с последующей резонансной туннельной ионизацией при
Е,К) ' F , где 1[t) - возбужденный уровень атома, Ер - уровень энергии Ферми.
2. Возникновение резонансных структур в спектре вероятности
ионизации атома на поверхности в поле лазерного излучения зависит
от соотношения частот колебаний высоты потенциального барьера меж
ду атомом и поверхностью с частотой соударения электрона на воз
бужденном уровне со стенкой барьера и частотой колебания населен
ности возбужденного уровня атома. Ширина резонансных пиков опреде
ляется скоростью удаления атома от поверхности.
-
Выход вторичных ионов с поверхности в поле лазерного излучения обладает частотной селективностью, зависящей от электронной структуры поверхности и атома, а также скорости распыленных частиц. При высоких энергиях частиц (более I кэВ ) селективность отсутствует. Нелинейная зависимость выхода ионов от плотности мощ-ности лазергого излучения определяется когерентными эффектами.
-
Энергетические распределения фотоионов представляют собой линейную комбинацию функций распределения частиц, продуцируемых в результате различных процессов новообразования с весовыми коэффициентами, характеризующими их эффективности.
-
Метод резонансного воздействия лазерного излучения на распыляемую область поверхности позволяет увеличить более чем на порядок выход вторичных ионов. . ,
Апробация работа. Материалы работа докладывались на ХІУ Международной конференции "Когерентная и нелинейная оптика" ( г.Ленинград, 1991 г. ), на Всесоюзных конференциях по эмиссионной электронике ( г.Киев, 1987 г., г.Ленинград, 1990 г.) , П Всесоюзной конференции "Взаимодействие атомных частиц с твердым телом" ( г.Москва, 1989 г. ), УІІІ Всесоюзной конференции по методам получения и анализа высокочистых веществ ( г.Горький, 1988 г.), III Всесоюзной конференции "Применение лазеров в народном хозяйстве" ( г.Шатура, 1989 г.) , У Всесоюзном семинаре по вторичной ионной и ионно-фотонной эмиссии (г.Харьков, 1988 г.), Всесоюзном совещании-семинаре молодых ученых по диагностике поверхности ионными пучками ( г.Донецк, 1988 г.).
Публикации. Основные результаты, вошедшие в диссертацию , отражены в 23 печатных работах, 6 изобретениях и опубликованы в журналах "Письма в Журнал технической физики", "Письма в Дурная экспериментальной и теоретической физики", "Приборы и техника , эксперимента ", "Электронная промышленность ", "Измерительная техника" и трудах конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения,
пяти глав, заключения и библиографического списка. Содержит 122
страницы основного текста, 54 страницы с рисунками и таблицами ,
15 страниц библиографического списка. '
