Введение к работе
Актуальность темы. Дифракционные методы анализа, использующие лучки быстрых иереляткяистскнх электронов с энергией от нескольких КЗ В до сотен кэВ (Е < 0.511 МэВ), в дальнейшем - электронов высокой анергии, являются в настоящее время одним из основных источников информации о локальной структуре п элементном составе твердого тела. С одной стороны, это объясняется относительной лёгкостью фокусировки электронного пучка па выбранном объекте и малостью размера освещенной области (которая может иметь площадь порядки нескольких квадратных ангстрем), с другой - возможностью реализации соответствующих дифракционных методов в лабораторных условиях. Оборудование, необходимое для проведения экспериментальных наблюдений, является компактным и относительно дешёвым в изготовлении, а получение дифракционных картин при наличии опыта не требует долгого времени. Аналитические методы, использующие дифракцию электронов средних и высоких энергий, нашли широкое применение для диагностики поверхности твёрдого' тела (Гомоюнова М. В., УФН, 1982, 136, 105). Использование дифракции электронов высокой энергии в экспериментах па прохождение частиц через тонкие плёнки впервые позволило определить структуру одной из самых сложных из известных в настоящее время рекопегруированных поверхностей - поверхности Si (7х7) (Talayanagi К., Tanishiro Y., Takahashi М., Takahashi S., Joum.- Vac. ScL TechnoL, 1985, A3(3), 1502). Интересным и технологически важным приложением дифракции электронов высокой энергии, развитие которого пришлось на последнее десятилетне, стало открытие и разработка метода изучения динамики молскулярпо-лучевого роста кристаллов по осцилляциям брэгговекпх рефлексов, наблюдаемых в геометрии дифракции "на отражение " (Hcnis J. J., Joyce В. A., Dobson P. J., Surf. Sci, 1981, 103, L90). Суммируя сказанное, можно сделать вывод, что совокупность экспериментальных методов, использующих дифракцию быстрых нерелятквпетских электронов, составляет один из надежных способов получения информации о строении вещества. В то же время, сравнивая эти методы с методами рентгеноструктур-' пого и нейтропографнческого анализа, можно заметил:, один общий и весьма серьёзный недостаток подхода, использующего дифракцию электронов: относительно простая интерпретация результатов'экспериментальных наблюдений во многих случаях оказывается невозможной. Основная трудность, возникающая при попытке сформулировать и решить обратную задачу рзесеяния для быстрых электронов, состоит в необходимости адекватного учёта процессов многократных упругих и нсупругих взаимодействий частиц п твёрдом теле ,тля, вообще говоря, произвольной геометрии эксперимента. Таким образом, важной для приложений
оказывается задача построения общего теоретического метода, который бы позволил расчитывать сечения многократного рассеяния быстрых электронов, принимая во внимание как упругие, так и неупругие взаимодействия, а также учитывая рассеяние на локальных нарушениях периодичности в расположении атомов кристалла.
Целью настоящей диссертации является формулировка основных уравнений, описывающих (многократное) псупругое рассеяние быстрых нерелятивистских элек-тронов в средах с частично разупорядоченным расположением атомов, п разлитие приближённых методов решения этих уравнений.
Научная новизна. В диссертации сформулирован метод расчёта сечений пе-уііруїтіх взаимодействий быстрых электронов в кристалле, использующий стационарное кинетическое уравнение для одночастичлой матрицы плотности, которое единым образом описывает как эффекты упругой дифракции частиц на периодическом потенциале, так и их неупругис взаимодействия с возбуждением электронной и фононной подсистем кристалла, а также рассеяние на локальных нарушениях периодичности в расположении атомов. В работе впервые получены следующие результаты.
Сформулирован самосогласованный теоретический подход к описанию рассеяния быстрого электрона в кристаллическом веществе, основанный на решении квантового кинетического уравнения для одночастичлой матрицы плотности. Доказано, что в широком диапазоне энергий электронов дифференциальное и полное сечепия многократного рассеяния являются функционалами двух величин: периодического потенциала, усреднённого по термодинамическому равновесному состоянию кристалла, и динамического структурного фактора неупругкх возбуждений среды.
Найдено точное аналитическое решение задачи о многократном иекогерент-иом рассеянии в периодической системе флуктуирующих потенциальных центров малого радиуса. Произведена классификация решений в зависимости от геометрии дифракции и рассчитаны профили особенностей Коссгля, возникающих в угловом распределении рассеянных частиц.
Определены поправки к решению кинетического уравнения, связанные с локализацией воли в периодической системе флуктуирующих рассеивающих центров. Обнаружен новый эффект 'вырождения траекторий' и предсказано существование дополнительных пиков когерентного обратного рассеяния.
В модели рассеивающих центров малого радиуса найдено решение кинетического уравнения, учитывающее взаимное влияние потерь энергии и квазиупругого
рассеяния, п дано объяснение наблюдавшемуся ранее эффекту обращения контраста Кнкучи-картин вдоль энергетического спектра обратнораессянпых электронов.
Построена теория объёмного резонансного рассеяния быстрых электронов,
и дано теоретическое объяснение природы кольцевых дифракционных картин в
. геометрии прохождения и обратного рассеяния быстрых электронов кристаллами.
Сформулирован метод расчёта сечений теплового диффузного рассеяния быстрых электронов для случая скользящего падения частиц на поверхность кристалла. Доказано, что возбуждение поверхностных фононов даёт преобладающий вклад в наблюдаемое сечение рассеяния."
Проведён количественный анализ эффекта разрушения когерентности волнового поля быстрых электропов при рассеяния на коллективных возбуждениях электронной подсистемы кристалла. Доказано, что кинетическое уравнение для матрицы плотности позвояет получить количественное огнеанне дифракционных картин в геометрии дифракции "на прохождение".
Сформулирован метод расчёта сечений генерации оже-электропов в кристаллах, учитывающий как эффекты дифракции падающих частиц, так и вклад потока обратнорассеянных электронов, н доказана возможность количественного описания данных эксперимента.
В модели сильной связи найдено точное решение задачи о резонансном отражении быстрых электронов от ноперхноеги кристалла и объяснён механизм возникновения параболических дифракцноных картин.
Научная и практическая значимость работы. Описанный в диссертации метод расчёта сечений (многократного) нсупругого рассеяния быстрых электронов в кристаллах составляет основу для исследования статической структуры и динамических свойств кристаллическігх тпёрдых тел по рассеянию бысгрых электропов. Этот подход позволяет рассчитывать сечения рассеяния для различных геометрий дифракции, и составляет основу для интерпретации соответствующих экспериментальных данных. Развитые в диссертации представления были использованы для описания результатов экспериментальных наблюдений по неупругому рассеянию электропов в тонких кристаллах и по оже-эмиссни с кристаллических поверхностей. В этих случаях была продемонстрирована возможность приложения указанных методов для количественного описания наблюдаемых запнсимостей. Использование развитых в диссертации представлений для описания данных экспериментов по резонансному рассеянию электронов позволило впервые объяснить природу кольцевых и параболических дифракционных картин, первые экспериментальные наблюдения ко-
торых относятся к 1933 - 1934 годам. Найденное в диссертации решение задачи о поверхностном резонансном рассеянии быстрых электронов создаёт основу для интерпретации результатов электронно-микроскопических наблюдений, проводимых в геометрии дифракции 'на отражение', где использование условия резонанса стало уже обычной техникой получения изображений. Одним из самых важных практических приложений теории может стать развитие метода описания дифракции электронов от шероховатой поверхности кристалла для интерпретации результатов экспериментов, в области исследования динамики молекулярно-лучевого эпптаксиального роста кристаллов.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Теоретическое описание многократного нсупругого и диффузного рас
сеяния быстрых нерелятивистских электронов в кристаллах, основанное не ис
пользовании кинетического уравнения для спектральной одночастичпой матрицы
плотности.
-
Теория объёмного резонансного рассеяния быстрых электронов в тонких кристаллах и объяснение природы возникновения кольцевых дифракционных картин. ,
-
Модель и результаты расчёта сечений многократного рассеяния волн в решётке центров малого радиуса и описание эффекта слабой локализации волн в периодической системе флуктуирующих раессивателей.
-
Метод расчёта сечений обратного рассеяния электронов, контраста картин капалирования электронов и сечений генерации оже-электропов.
5. Теория' резонанспого рассеяния и неупругих взаимодействий электронов
для геометрии скользящего падения частиц па поверхность кристалла. .
Апробация работы. Материал, изложенный в диссертации, опубликован в печати в 80 работах. Он неоднократно докладывался на научных конференциях: на XIV - XXI Совещаниях по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, Москва, МГУ, 1985 - 1991 гг., ГХ Симпозиуме по дифракции и распространению волн, Тбилиси, 1985 г., VI Симпозиуме по вторично-электронной, фотоэлектронной эмиссии н спектроскопии поверхности твёрдого тела, Рязань, 1986 г., XX Конференции по эмиссионной электронике, Киев, 1987 г., I Школе 'Взаимодействие злеет ропов малых и средних энергий с-твёрдьш телом', Ростов-иа-Дслу, 1988 г., IV Совещании по когерентному взаимодействию излучения с веществом, Юрмала, 1988 г., VI Симпозиуме по РЭМ и аналитическим методам исследования твёрдого тела, Звенигород, 1989 г., XII Европейском кристаллоїрафнческом совещании, Москва, 1989 г., Симпозиуме по электронной эмиссии с поверхпо-
сти полупроводников, Львов, 1989 г., Семинаре 'Математическое моделирова
ние и приложения явлений дифракции', Москва, МГУ, 1990 п, VII Всесоюзном
симпозиуме по пторично-электронноп, фотоэлектронной эмиссии и спектроско
пии поверхности твёрдого тела, Ташкент, 19^0 г., V Совещании по когерентному
взаимодейстппю излучения с веществом, Москва, 1990 г., XIV Конференции по
электронной микроскопии, Суздаль, 1990 г., XXI Конференции по эмиссионной
электронике, Ленинград, 1991 г., I Симпозиуме 'Методы дифракции электронов
в исследовании структуры вещества', Звенигород, 1991 г., Electron Microscopy and
Analysis Group Conference, EMAG-91, Bristol, UK, 1991; Condensed Matter and Materials
Physics Conference CMMP-92, Sheffield, UK, 1992; Simposium on Electron Diffraction,
Tempe, Arizona, USA, 1993; Electron Microscopy and Analysis Group Conference, EMAG-
93, Liverpool, UK, 1993; International Summer Institute on Surface Science, Milwaukee,
USA, 1994; International Congress on Electron Microscopy, ICEM-13, Paris, France, 1994.-
Помимо этого, по материалам диссертации были сделаг'ы доклады па научных
семинарах Отделения Теории Твёрдого Тела, ИАЭ им. И. В. Курчатова (1985),
Института Кристаллографии РАН (1985, 1989), семинаре кафедры Физической
Электроники ЛПИ (1985), Межведомственном семинаре по физике поверхности
твердого тела, ФТИ им. А. Ф. Иоффе (1987), семинаре кафедры Физики Твёрдого
Тела, МГУ (19S8), семинаре Института Электроники АН Узбекистана, Ташкег.т
(1989), семинаре ВНИЦПВ (1989), а так-же семинарах, проведённых в Fachbereich
Pliysik, Universitiil Osnabrtlck, Germany (1991), Solid State Physics Group, University of
Leicester, UK (1992), Department of Physics, University of Sussex, Brighton, UK (1993),
Department of Materials, University of Oxford, UK (1993), Blackett Laboratory, Imperial
College, UK (1994). '
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы из 260 наименований. Общий объём составляет 204 страницы и включает 26 рисункрв и одну таблицу. Основные оригинальные результаты изложены в соответствующих параграфах.
