Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ: В диссертации привод-теп теоретические исследования ряда эффектов, сопровоздавщих столкновения ионов, с атомами и поверхностью твердого тела которые,исполь-оуются, главным образом в прикладных целях d физике атомных столкновений, оже-спектроскоппа п диагностике поверхности.
Измерения энергетических спектров осколков деления ядер, спектроскопия плазма, интерпретация данных с<5 ультратгеяшіг космических лучах, процессы ионной имплантации п распыление твердых тел под действиом ионной бомбардировгаї, пучково-пленочнал спектроскопия, ронтгоновская встрэнокия, остро-физика, а такта проектироваппэ и использование ускорзтолэД тяжелых ионов високих анергий стимулировали цнтонсишюо акспримэнталыюа и теоретическое изучение столкпешша с участием быстрых шгагозарядпых ионов. Обычно пепользуэтея мпогозарлдные ионы заряда Z>>t двикущевел со скоростями V>>1 (атомные единица)'тагами, что часто оказывается &»' "І» т.е. когда нарушено условие примэнямости борновского приблтавния (Z/V«1). Существупцив :кз в настоящее прзмл метода расчета таких столкновений, как правило, громоздки . требуют выполнения большого объема численных расчетов, к тому :аэ не позволяет проделать простак оценок сечений нэупру гих столкновений с участием быстрых иногозорядннх попов..Поэтому представляется актуальным разработка простых катодов расчета сечений неупругих процессов, сопрогеддзицпз: стояксо-вения быстрых мпогозарядаых попов'с атомами. _ "
&>Ьекта происходкидае на границах раздала фаз часто оказывается опрэделящкки для ряда технологических процессов, что и определяет,-необходимость исследования структуры п состава
, о
ПОЕЗрХНОСТИ На ТОЛЩИНО - 10-20 А'.' К ЧИСЛУ ЗффеКТЕЕНИХ етто-
дов чувствительных к .структуре и составу поверхности следует отнести ионную спектроскопии поверхности, сводяпіупся А* пяб-лэденго спектров электронов и фотонов исі.ускае№Х при к.мшои бомбардировке поверхности твердого тела. Существующие :ш методи рзечетов огрЕКПЧиваптся аффоктегаї происходясщглл при рассеянии простейших тонов. Тогда как в эксперименте, как правило, используются ионы сложных атомов. Поэтому
прздсгаплявїся актуальними расчет: процессов ота- и ра-понапспоі! нойтрэлшацни ионов сложных атомов при столкновениях с поворхпостьв шталлз.
ЩЛЬ PAEOTil-.' 1) Разработка вффэкт: таого метода расчета и проЕэдзиио расчетов сочетй иоупрупк процессов при столкло-Boni^s атомов с Оистрагяі многозарядниш ионами гдэ неприменимо борнезсксо приОлихэниа, а таюко распространение этого катоде на область релятивистских скоростей. 2) Разработка мзханизма і рмирования звредового состава и расчет степени ионизации при бомбардировке полшфисталлов kg и Pel модлошш-ии копами Ко* п Лг'.
НДУЧНДЯ НОВИЗНА. В диссертации впервые:
- На основе простого механизма внезапной дародача импульса,
опясивак^его нрупругио столкновения атома с быстрым многоза-
рядннм ионом, рассчитани: лороятяоеть ионизации атома водоро
да в зависимости от передаваемого импульса и параметра удара,
рзспредолвішз по углам вилатавшого электрона, сечения дани-',
зации и возбуздеаия атома водорода, сечения одноэлектрошшшх
в двухзлектрошшх возбуэд&иий атомг гелия, сечения однократ
ной ц двойной ионизации атома гелия, полное неупругов сече
ние, аффективное тормояэшю и пробеги быстрых многозарядных
коков в газовой среда.
-Рассчитано сечение Многократной ионизации (до восьми) атома неона, предложено обобщение на олуши.релятивистских столкновений, а твюш разработан метод получения" оценочных сеча- ний для многоіфзтнои ионизации атома аргона, согласующиеся с гадавддася вксгоршентальныш данными. .
- Рассчитан процесс ojks нейтрализации иона сложного атома
при столкновении с поверхностью металла . При расчетах веро
ятности ига-эффекта учитевалось .искаие :іе волновьх функций
обусловленное потенциалами изображения иона и злзктрона. Лри
расчетах учитывались только два канала формирования конеч
ного зарядового состояния - one процесс и ре., ояансная нейт
рализация. На основа предлоікзнной выше модели расчитаны
степень нейтрализации ионов на поверхности металлов.
НАУЧНАЯ ЗНАЧИМОСТЬ й ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ: Разработанные
в диссертации модели и методы расчетов, а таюаэ расчеты конкретных аффектов представляют интерес в прикладной части физшси атомных столкновений, диагностика плазмы, спектроскопии, оже-спектроскопии, диагностика поверхности, астрофизике. Проведенные в диссертации исследования могут быть отнесены к теоретическим основам этих пряклздзнх дисциплин.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАШИТУ: 1. Расчеты полных и дифференциальных сечений возбувделия и ионизации атома водорода, однократного п двойного возбуя-деня и ионизации атома гелия, аффективного тормотанил, полного пвупругого торможения я пробегов быстрых многозарпдпых ионов в газовой среде.
Z. Расчеты сечений ионизации атома гелия ударом быстрого роі...тїївистского многозврядного иона, о так>59 расчеты сэчоний (нерелятивистских) многократной ионизации атома неона. Катод получения оценок сочений многократной ионизация атома іри его столкновении с быстрым многозаряддшм КОПОЯ. 3. Расчет степени ионизации при боі-ібардировко поликрястад-лов Ag и Pd медленными ионами N9* и &г* с учетом двут каналов формирования конечного зарядового состояния - вффокта 0н8 и резонансной нейтрализации.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работа докладывались и обсуздались на: X и XI Всесоюзных конференциях (Уггго-род 1583, Чебоксары 1991) по физике электронных и атомных стойжовений;" V Всесоюзной 'конференции, повг-пидадействив гяактромапттных излучокиЯ с плазмой (Ташкент'1%^); 1 Республиканской конференции моло.^х ученых-физиков ВУЗов (Ташкент 1988); X Всесоюзной конференция "Взаимодействие ионов с поверхностьп - 1991" (Звенигород - 1991), XI Конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью - 1993" (Звенигород -1993), Й5 квящуняродноЛ. конференции "25-th EGAS" JCaen, Prance - 1993), XXII КоИюренции ш омиссионной электронике (Москва - 1994), я таюш на научных семинарах в ИЭ АН І.Уз.. Кафедрах теоретической и общей физики физического факультета 'ГчгаРУ.
ПУБЛИКАЦИИ. По темп диссертации опубликовано 12 печатных работ.
СТРУКТУРА И ОВЬЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, трах глав, заключения и списка литературы. Она содеркит 100 страниц машинописного текста, включает 14 таблиц, 9 рисунков. Список литературц содерзшт 58 иакмоноь.дпй.
СОДЕРВДИЕ РАБОТЫ Во взвдонии обоснована актуальность исследуемой теш, сформулирована цель работа и постановка задачи исследования, излоявны нвііная новизна и практическая ценность результатов получении*: в работе. По ходу излояения материала приведен литературный обзор по тема. Литературный обзор го первым двум главам приведен в начале первой глави, так как, ати глави шано рассматривать с единой точки зрения. Литературный обзор по 3 главо приведен в ео начале.
Глава 1 посвящена рассмотрению нбупругих процессов при столкновении Состриг кного^ьрядннх, ионов с простыми отома>~1, содвршт 9 параграфов в которых, в частности, рассматршаїотая:
В 5 1.1 - 1.3 приведен литературный обзор.
В 1.4 показывается что, при столкновения атома с быстрым многозарядким ионом сечение і э упругих процессов , в интересующей нас области, нельзя рассматривать в Оорновском приближении. Другие !se приближения . (айкональвое, приближение внезапных возмущений и их модификации),'обычно приводят к громоздкому численному счету, тогда как представляется необходимым клеть простой метод рвечета сечений для акспери'->н-. таторов с участием быстрых многозарядных -ионов. В настоящем' параграфа показано что результат неупругого столкновения бистрого многозарядного иона с атомом сводится (при Z/V -1,.Z -заряд частицы, V - относительная скорость стблкновения; ат. ед.) к внезапной передача импульса атомным электронам. Поэтому сечение перехода атома из сосіояния |0> в состояние |п> при его столкновении с быстрым жогозврядаым иином имеет вад {11
ч« - о-апсГ |4* |-^-|<щехр[|і^а)|о>Г (і)
"о
где ?а- координаты втоиаых электронов, придала интегрирования с^ и qt, по переданному импульсу $ находятся из границ применимости подхода.
В 1.5 приведэи'расчеты зашютостой дпффоропдаалышг сэчэний ноупругнх процессов при столкновении атома с бистрам шогозарядпым ионом от; 1) угла вылета ионизированного элек-тропа, 2) от импульса вылетевшего влактроно It, 3) от переданного импульса q. Приведены таюаз графики этот распределений.
В 5 1.6 Рассмотрена ионизация атома водорода ударом бистрого многозарядного попа. В рэзультато сравнения с точныкн численными расчета по формуле (1) показано, что сочошго иоясо неплохо описать формулой
а=8гс РМ*0.3 ln(2V).- ' (2)
В этом зге параграфа приведена таблица, в которой сравнивается экспериментальные сочошія ионизации этока водорода с рао-чвтами по формуле (2) и с расчетами в боряовском приблетта ней. Из таблицы видно что расчеты по формула (2) поплозго описывает эксперимент^ тогда кап, расчеты в боряопском прио-лгохэкип существенно отличатся от эксперимента.
В 5 1.7 рассмотрено двойная ионизация атома гелия.,Атом голяя в основном и возбужденных состояниях описываем кок два независимых элоктропвп поле ядра' с эффективным зарядом Z*. Фуътщни основного состояния определяем как '_
Ф„(г,,г1)^0(г,)ф0(г2). где Фо(г)=-1-в-в*'
а функции конечных состоянии как
здесь, ({(?) одноэлектропяая волновая функция электрона я непрерывной спектре. Оечоинэ двойной ионизации имеет вид
^-^ (^1-^.1^^^4)1
«4)
здесь производится интегрирование по углам вылетевшего електрона і\. А для |Aj(q)|2 имеем
В шрашшии (4) произведены замены &=&/Z*, c}=q7z*, r^f Z* a
продали интегрирования соответственно равны а^гг'/У и qt=2Z/y.
В 5 1.8 рассмотрена однократная ионизация атома гелия ударом быстрого многозарядаого иона. Показано что сечение однмсрвтной ионизации атома голия описывается формулой
CD ' .
W = J йк k*|\(qH* '
вероятность ионизоваться одному электрону, а .выражение (1-И) соответствует тому что второй алектрон остался в дискретной сшктрэ. В атом параграфе такжз обоспот.' поется выйср эффективного варяда Z* как для однократной ионизации, так и „,ля двойной. В таблице 1 приведены экспериментальные данные 21 для однократно.. ионизации атома гелия ударе-- быстрого много-зарядного иона, а также теоретические результаты полученные по формуле (б): стлб.1 - энергия иалетащего иона, отнесенная к единице отоїшзй'массы,' стлб.2 - заряд иона, стлб.З - акс-
цэримзнт, стлб.4 ноши результата. В аналогичной гослэдоза-тэльности привэдэнн данные а в таблица 2 для двойной ионизации атома гелия, с той разницей, что теоретические результата получена по формул» (4). Ез этих таблиц видно, что наша результати годтварздэют вывод работы' {21 о прокмущао'твэнноп (при Z/V 25) прямом мэхвнизш возбуждения сложїого атома полам многозарядного иона.
. В втоя параграфа тагспэ показано, что сочзнпо двойной ионизации атома гелия ударом быстрого кногоззряддого поза гаяно неплохо шшроксЕмировать формулой
(6)
С *2я0.15б^|-Ан в Е
гдэ &,B,C,D,E - покйв константа.
В 1.9 рассмотрело возбуждение двухзлеістронЕого втсмэ в дгскрэтшй спектр, кглзчая возбувдзннз звтогэЕззациошн"* еостояниа. Проведано сравнение нашит рузультатсз с шсспори-квнтальными данными. '
Глава 2 посвящена рассмотрению и рассэтвм неупругпх процессов при столкновении бистрах (вкличая рэлятавистклэ) нзогозарядных.гонов со слохными атомами. Она содержат 4 'параграфа в которых, в частности; рассматривается:
В 2.1 рассмотрены полныо неупрутиэ'сечения, зффэктшзясэ торяетнио и пробеги быстрых многозэрядннЯ понов в газовоз срэдо. Наупругкэ .процессы, происходящие при столкновении бастри їларгозарядннз ионов .с атомами, характеризуйся довольно большими сечениями' и их расче'. і представляет интерес прецде всего с прикладной точки зрэпил. Сильное поле иона часто не позволяет использовать, борновское приблизьние, что существенно услояпяэт расчеты. Поэтому в настоящем параграфе предложены простев оценки полках неупругих свчений, аффективного тор.ю>гония и пробегов в газовой среде бастрих многозарялннх ионов в случаях, ктдз Z/V -1. В 2.2 рассмотрена многократная ионизация слошшзг атсов
, 10
ударом быстрого каогозарадюго шло і приОлккэнш независимых аюстроЕоо. В иаотояцал параграфе юдучош формули, модели zszsbmcezix ехактроноз и рассчитаны многократная (до восьми) шшзацзя атоглз яаона, иривадапо ерг чвшіа с вкспаршмзптон. 5с;с^' прішздпна зависимость езшнопвя р,ффоктавного заряда атома ііаона от іфатаости понизацш- На расушю 1 гршэдэпо сраішангз расчатішх еочониЗ шогократдой ионизации атома еооіі!« врз стоилшовапиа о биотрыы шогозарядшм ионом (7=1.4 ЇІоУ/а-ш, .. :4Д, ст.од.) с з;сспорш:онтом в зависимости от кратності: ионизация. Тсюдо па риоунко 1 привэдзна зависимость квьащоннл еффзктшяого заряда втома нвопа от кратности иопи-зацші.'1Ш: шдза ю раоутсв, продажшішй простой подход шюлно замонлзт сложит числошшо расчета сочэшй! ионизации ;; возбуздонея атсков быстрыми ьзшгозаряднш.и ионпкл в слу-чоо, когда нвпри-.аїшш Сорновскоо прпбліканЕЗ.
В J 2.3 праыдон отж. лащийся от продыдущэго изтод для
СЦЗЯ1СД сечепнй іяогоіфотаой шнгоацан сиоашых атокоз ударом
бистрого щогозаряднего. копа. Для опрадбЛйішя сэчошй
многократной юпизацаа кевшіьзуетег. приблгзїошіз незавйсЕмах
олактроноз. Дзд рцзілш взроятност" однократной ионизации
иешльзустел духзвзй дорядок пр^йякшіЕШ шезашшх
псзмугршіії. Протои, поскольку дшольнііо штричкыэ влокзвты шрахода ги зопоазого состоялся сложного отома в континуум цо кзвзстды, .вороятность вцрашвтся интегральным образом чорзп езчопко фотошїшз'аціш. Используя вкспероззнтрпышо дэшшэ -дня сочагшя фотоаоякзацнз _ различных атоіио, получала просто оцэвочнно форазулн '-для сэчвниа. понизати 3T2S отоша удзрои бистрого ьаогозарядного дана, удовлотйар.лифю закону подобия. Для атомов с звіюлнвнноіі шиаіаз обахачхіой ез восьма апоктроноз Eiips:»Hsa для сэчений <іли пшу.чэш в ецдэ
о.1 =l6sp [~|-]г Г ІП7 + 3.5/f- 1.3 1 для одиокрптной ионизации, где
Tft*
-r= » \
2 -F
и .
a." «Zup f-f-} an 2 * n * 7
для многократной ианпзацш. Для an ш нмзом: 0^=2, a3=2/3, 0,=1/3, ov=1/5, a„=2/15, 0(,=2/21. Разлнчішз птсш различаются значащими параметров |) п т\. Расчат сэчашй аил ирозодоп для атомов аргона (р=1.5, т|=2). Срзвнонса расочитвшах приводрп-пым формулам сочэний п-кратпсй иоішзвцап.о-вксігарпяп7Вяьіп::л данными дает пошгахоЗ результат.
Г 5 2.4 содержат формальное oOoceoddhct подхода, изотканного d предыдущей глвпе,- па оспопо прполкгзплд Езэзсшяг возмущении, что позволяет продавать пвдаорэдстеонпоо обпбідз-ниэ на случаи релятивистских столгаговзпий. Иослздав'э пообходило по том причинам, что часто попользуется тякэхко еоеи « настолько большого заряда, дая которазс область пргкэппзсстн боряовского приближения S/7<<1 по достегеотсл дай прп-раот-тавистских скоростях. 1М> 137 (ат.од.). Доказано, что розуль-тат столкновения быстрого релятивистского гаюгозорядаого попа с неролятквистскт» атомом, как и п случаэ перэллтгазист-ских'столкновения прп Z/1M, сводится К пнсззпиоа порадвчз кшульса отокны» электронам. -Д. вез .отлично от пэрэлятансст- . ского случая сводится к израоерздэлзиия- прэдодав пптогркре— сэпЕя по переданному'пмпульсу. Поиску всэ результата, полученные в прэдаду^ей и в настоящая глаёэ, допускает пепос-рэдетвеззое обобщение на случай родятииистских столкновений. В данном параграфе приводится рпссчот сочония однократной а дво&юіг Еонгаапиа . втома гелия ударом релятивистского глпогозерядного '.юна. Ишшфюся акспориивпти, ерзвпгазойтеп с расчетом в обласга близісоВ к релятивистской.
Глава 3 посвящена апории формирования зарядового состава ионов рпесоянгаї поверхностью кэтэдгэ и состоит из й параграфов. В 55 З.1-1З.2 пргоэдчн литературный'обзор.
В S 3.3 дана основные определения .,. лзичоских величин харак-таризунцш зарядовое состояние частиц при их рассеянии па поверхности поликристаллов. Принято, что основными шханиз-tistsi рокамбипацаи при рассеянии явллэтся эффакт fee и розо-канснвя нейтрализация. Провэдони общие вырадання для опредв-лэпия степени Еошззациа при столішоваїши заря:шншх частиц с попархвс-стьв.
В 3.4 расскзтрэн ьэганкил Ода при столкновении заряавнной частицы с . JBaprnociba поликристалла. Вероятность ожэ-про-цассо-їГ* шазт определяться по формула
«Л(Е)-2ї|" d\cr\a3p |1|2 б(Е- Е,) (8)
гда Й4 и 3*^- шлпульсы алактропов в зона проводимости
гаталла, р-ікпульс елек.рона в континууме,|І|- ішад^ат модуля амплитуда Ojzq процесса, просуммироввпный по вевы конечным состояниям, 0(Ev- Ь )- закон сохранения анергии
система "иоя-ыэталл", где BL - начальная внергия системы, а
Е,- коночная. В вырананип (Ь) ,цля вычисления амплитуды '
пвроюда А использованы: для функций начальных состояний-
каталлячэскио болновыо функции элэктронов в модели. Зомкор-
фельда, а для конечных - волновые функции електрона в дискрет
ное спэктро налетаицого.шнв и волновые функции электрона
в непрерывном спектра. В результате вероятность оже вф.,экта
шжко пршости к виду
%cv -
^> ff= JK^^^«p|-*jrP(j^+ ^ )Л.
% v оо |Ер+ --} * ' J
где eF - внергия Ферми металла, є - впертая електрона в неп-
перинном сшктрэ, А. - параметр экранирования, ? - висота потенциального барьера, е4,б2 - начальные анергии злектроіьв
D зонч проводимости, p(s) -плотность распределения электро- . нов в зоне проводимось мэталла, 3?nlm(p) - всдрродоподрбпно
функции аяширона в дискретной спектре нона, р - постоянный
KOSlK ЦИОНТ, 6(2)=0, 2X0 П 0(2)=1, Х>0.
В 3.5 рассмотрен второй механизм рекомбинации - рззонанс-зап нейтрализация. Если при иргблзшпвз иона к поверхности существует нос элысо возбуздошшх ypoBL.fl дискретного спектра, лежащих ншхо опертой Ферми металла, то возможна резонансная перезарядна. Вероятность такой перезарядки т рассчитывали по из вэстной фореле (Jane? 1974)
где А и 7 некие множителя, I -расстояние до поверхности К9-
твллз, г - аффективный заряд.
В 3.6 приведеш выражения для нодородоподобных функций электрона в импульсном представлении, а таїсгв приведень.' сравнение теоретически расчетов с аксгорялепталышип даянн-
. га-для степени ионизации э'тсмов Ат и Не рассеянных говерх-ностьи поликристаллов Ag п М. Результата расчетов находятся в качественном (а иногда и з количостпоепсм) согласия с зкс-
, юрикоптом нто подтвсрадпот верность принятого коханизиа нейтрализации понов при их рассоянпн на поверхности металлов.
