-1-
ОГЛАВЛЕНИЕ
стр.
Введение ................................................. S'
Глава I. Экспериментальные и теоретические представления об эмиссии вторичных частиц при ионной бомбардировке твердого тела................................... 9
§ I. Некоторые закономерности рассеяния ионов
поверхностями моно- и поликристаллов ........... 10
§ 2. Экспериментальные данные и некоторые теоретические представления вторичной ионной
эмиссии (ВИЭ) металлов.......................... 18
§ 3. Энергетические спектры распыленных ионов
3d - переходных металлов........................ 31
§ 4. Ионно-электронная эмиссия (ИЭЭ). Автоиони-
зационный механизм образования электронов ..39
§ 5. Постановка задачи и цель работы.................5в
Глава II. Экспериментальная установка и методика
проведения эксперимента.........................5$
§ I. Общая схема установки ........................... 5%
§ 2. Источник ионов и устройства формирования
ионного пучка .................................61
§ 3. Анализаторы энергии и массы распыленных и
рассеянных ионов ............................... СЪ
§ 4. Канальные электронные умножители и особенности их применения ................................... Ц
§ 5. Электронные измерительные устройства в
каналах регистрации рассеянных и распыленных
ионов и электронов ............................. %
§ 6. Юстировка системы регистрации заряженных
-z-
частиц.............................................. 32
§ 7. Приготовление поверхностей исследуемых
металлов.......................................... ££
§ 8. Методика получения экспериментальных данных при взаимодействии ионов с твердым телом двухканальным методом и методом совпадений .................................................. 33
Глава III. Одновременные исследования рассеяния и
ИЭЗ кобальта...................................................... в£
§ I. Энергетические распределения ионов Ме+ рассеянных поликристаллом Со в oi и - фазе для разных углов падения первичного пучка............................................ f??
§ 2. Энергетические спектры ИЭЭ поликристалла
Со вблизи точки сИ - ji перехода ................................. 100
§ 3. Температурная зависимость интегрального выхода рассеянных ионов и электронов при бомбардировке ионами № поликристалла Со ................................................ 10Z
§ 4. Выводы.............................................................
Глава 1У. Одновременное исследование рассеяния и
ИЭЭ никеля........................................................111
§ I. Энергетические распределения электронов при ИЭЭ пары Ме+~> Nl для ферро- и парамагнитного состояния мишени ................111
§ 2. Влияние магнитного фазового перехода в
NL на рассеяние ионов Ne+......................................US'
§ 3. ИЭЭ и влияние на нее магнитного фазового
перехода в Ml ...................................................ид
-ъ-
§ 4. Угловое распределение электронов ИЭЭ
пары Nt-^n)......................... ^2,4
§ 5, Выводы к главе 17 ............................. /26
Глава У. Исследование автоионизационного механизма образования ионов двухканальной методикой
со схемой совпадений..............'..........................
Введение ..............................................................................
§ I. Энергетические распределения ионов и
электронов ИЭЭ (5 кэВ Ne+Ni ) .......... /5q
1.1 Поликристалл Ni. ........................... /3о
1.2 Монокристалл ................................ /32
§ 2. Пространственное распределение рассеянных
ионов и электронов ИЭЭ (5 кэВ Ne+-»Ni.) .... ^4
2.1 Поликристалл Ni ............................. /34
2.2 Монокристалл Ni (И 0......................../34
§ 3. Изменение пространственного распределения
рассеянных ионов Ne+ и электронов при
магнитном фазовом переходе в Ni ............ /4/
§ 4. Применение схеглы совпадений для исследования
рассеяния и ИЭЭ для Ni ......................../43
4.1 Геометрия опыта ............................443
4.2 Определение отношения сигнал/шум в
схеме совпадений............................///3
4.3.1.Угловые корреляционные зависимости
( L-ie ) для поликристалла Ni .../4£
4.3.2.Угловые корреляционные зависимости
( i-i-e ) для монокристалла Ni ((И) ..../43
4.4. Расчет неупругих потерь при взаимодействии двух атомных частиц......................../3"/
-У-
4.5. Изменение угловой корреляционной зависимости ( £ - ) при изменении энергии
первичных ионов ..............................
4.6. Изменение угловой корреляционной зависимости ( I- ) дрИ магнитном фазовом переходе в монокристаллеьИ[1М) .... /уг
§ 5. Выводы к главе У.................................... /59
Заключение .............................................. •. 160
Литература................................................ • /63
-У-
ВВВДЕНЙЕ
В настоящее время большое внимание уделяется изучению взаимодействия ионов с поверхностью твердого тела. При таком взаимодействии происходят самые разнообразные процессы, которые ведут к эмиссии заряженных и нейтральных частиц и к изменению свойств бомбардируемой поверхности за счет радиационных нарушений и имплантации первичных ионов. Исследование этих процессов приобрело в последнее время большое значение в связи с решением ряда новых научно-технических задач. К таким задачам относятся, например, проблема создания радиационно-стойких материалов с заданными свойствами для технологии ядерной и термоядерной энергетики; получение тонкопленочных упрочняющих и антикоррозионных покрытий; разработка методов анализа структуры и состава поверхности с помощью ионных пучков и др.
Несмотря на то, что накоплен большой экспериментальный материал по процессам, сопровождающим ионную бомбардировку поверхности твердого тела, многие вопросы остаются нерешенными. Так, не вполне ясно, каким образом влияют на эмиссию вторичных заряженных частиц переходы ферромагнетлк-парамагнетик, а также изменение структуры при полиморфном превращении; практически нет работ, в которых бы исследовалось одновременно в одних и тех же условиях несколько видов эмиссии при ионной бомбардировке твердого тела. В связи с этим не установлена четкая связь между процессами, определяющими эмиссию заряженных атомных частиц и электронов при ионной бомбардировке образца.
В настоящей диссертации проведено одновременное исследование процессов рассеяния ионов и ионко-электронной эмиссии
-6-
(ИЭЭ) никеля и кобальта с применением в ряде случаев техники совпадений.
Пель работы. С помощью двухканальной установки провести одновременное исследование характеристик рассеяния ионов и ИЭЭ 3 с/ - переходных металлов Со и N1 в области фазовых переходов I и II рода.
Используя схему совпадений, исследовать угловую корреляцию между рассеянием ионов поверхностью поликристалла и ионно-электронной эмиссией, (I -1е), возникающими вследствие ав-тоионизационного механизма распада отраженного возбужденного атома N2°**. Проследить за изменением корреляционной зависимости I - £ € при магнитном фазовом переходе в .
Научная новизна. I. Впервые создана установка для изучения элементарных актов взаимодействия атомных частиц с твердым телом, в которой используется двухканальный метод регистрации эмиссии вторичных частиц со схемой совпадений.
2. Исследованы энергетические и пространственные распределения отраженных ионов и электронов, образующихся при бомбардировке кобальта и никеля ионами неона с энергией 5 кэВ. Установлена анизотропия в пространственном распределении отраженных ионов и электронов, возникающих при ионной бомбардировке поликристаллического никеля и кобальта. Обнаружены осцилляции температурной зависимости интегрального по энергии выхода рассеянных ионов, отраженных от никеля и кобальта при температурах фазового перехода.
3. С помощью схемы совпадений установлена угловая корреляция между электронами и отраженными ионами ( с - 1е ), обра-
зущимися б результате автоионизацин возбужденного атома неона отраженного от поверхности поли- и монокристалла МС Обнаружено изменение корреляционной зависимости * - ^ при переходе лЛ из ферромагнитного в парамагнитное состояние.
Научная и практическая пенность работы .Разработан новый в радиационной физике твердого тела двухканальный метод со схемой совпадения для одновременного исследования процессов эмиссии частиц при ионной бомбардировке твердого тела. Ранее такая методика применялась только для газовых мишений. Двухканальная методика позволяет исследовать одновременно эмиссию двух типов частиц из одного участка бомбардируемой поверхности, а использование схемы совпадений дает возможность установить корреляцию между различными видами эмиссии.
Использованные в установке сферические электростатические анализаторы с большим средним радиусом (100 мм) позволяют исследовать тонкую структуру энергетических спектров вторичных частиц.
С помощью разработанной и изготовленной установки изучено энергетическое и пространственное распределение рассеянных ионов неона и электронов, образующихся при бомбардировке мишеней из никеля и кобальта. Исследовано влияние фазовых переходов I и II рода на эти характеристики. Применение схемы совпадения позволило установить угловую корреляцию между компонентами ИЭЭ и рассеяния, образующимися в результате автоиони-зационного механизма распада возбужденного состояния атомов неона, отраженных от поликристалла и монокристалла никеля.
Полученные результаты важны как для понимания физики процессов, сопровождающих взаимодействие ионов с твердотельной
мишенью, так и для практического применения. Они открывают новые возможности анализа состава и структуры поверхности по рассеянию ионов и ИЭЭ, для применения методов ионной бомбардировки при изучении физики твердого тела, эмиссионных явлений и др.
Защищаемые положения.
1. Двухканальная установка с масс-энерго-анализатораш заряженных частиц в каждом канале, сопряженная со схемой совпадений, позволяет получать качественно новую информацию о процессах взаимодействия заряженных частиц с твердым телом.
2. Вблизи температуры фазовых переходов I и II рода для никеля и кобальта наблюдаются осцилляции температурной зависимости выхода рассеянных ионов неона с начальной энергией
5 кэВ.
3. Корреляционные зависимости между электронами и рассеянными ионами, возникающими при бомбардировке мишени из никеля ионами неона с энергией 3-8 кэВ, позволяют выделить авто-ионизационный механизм рождения этих частиц, связанный с распадом перевозбужденного состояния рассеянного атома неона.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы.
-9-
I
ГЛАВА I ЭКСЯЕШЕНТАЛЬНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ ЭМИССИИ ВТОРИЧНЫХ ЧАСТИЦ ПРИ ИОННОЙ БОМБАРДИРОВКЕ
ТВЕРДОГО ТЕЛА
За последние 10-15 лет в связи с успехами, достигнутыми в технике проведения физического эксперимента, были начаты и успешно выполнялись работы по масс-спектрометрическому исследованию рассеяния ионов, вторичной эмиссии (ВИЗ) и ионно-
♦
электронной эмиссии (ИЭЭ) - процессов рождения ионов и электронов, возникающих в результате бомбардировки поверхности твердого тела ускоренными ионами.
Изучение процессов возникновения вторичных ионов и электронов представляет немалые трудности, поскольку оно осуществляется посредством связанных конкурирующих процессов.
Разработка физических основ эмиссии заряженных частиц должна способствовать более успешному применению рассматриваемых явлений на практике. В ряде работ предпринимались попытки теоретического осмысления полученных экспериментальных результатов. Однако часто они оказывались противоречивыми, так же как и экспериментальный материал, с помощью которого пытались строить теорию.
В настоящей главе будут кратко проанализированы имеющиеся экспериментальные данные по рассеянию, ВИЗ и ИЭЭ и приведены некоторые теоретические модели. Будут показаны недостатки методик исследования, в основе которых лежит одноканальный принцип анализа заряженных частиц по массам и энергиям, и преимущества многоканального принципа анализа заря-
-10-
женных частиц по массам и энергиям со схемой совпадений.
§ I. Некоторые закономерности рассеяния ионов поверхностями моно- и поликристаллов
Рассеяние медленных ионов поверхностью твердого тела интенсивно исследуется несколько десятилетий. Энергетический спектр рассеянных ионов изучался, например, в 1957 году Брун-ни / I /, который сообщил, что ионы щелочных металлов, падающие на поверхность Мо с энергией 0,4-4 кэВ и рассеиваемые в пределах большого телесного угла, имеют максимальные энергии, соответствующие однократным парным упругим столкновениям, а также более низкие энергии, обусловленные, по-видимому, многократными столкновениями. Б.В.Панин / 2 / провел эксперименты при облучении мишений из Ио и Бг пучками различных ионов ( Н+ , Ие+ , Ы+ , СУ\ Аг+ ) с энергиями 7,5*80 кэВ,
ч .»
используя анализатор с меньшим углом захвата. Он также установил, что многие закономерности в наблюдаемых энергетических спектрах можно объяснить, предполагая, что падающие ионы взаимодействуют с атомами мишени в твердом теле точно так же, как и при упругом рассеяншш на свободных частицах, и что для описания максимумов в спектрах применимы законы классической механики.
Для заданной комбинации ион-атом мишени пики в энергетическом спектре рассеянных ионов наблюдаются при фиксированных значениях Ej/Eq, не зависящих от начальной энергии (Е0 - энергия падающего иона, Ej - энергия того же иона после рассеяния).
Ток ионов, оти.
Рис.1. Энергетические распределения рассеянных медленных ионов /8/. Ионы Не рассеивались на пленке А 1г0л толщиной 50 А и на образце чистого при Е0= 1,8 кэВ, рост = г-Ю^торр.
Флшт и другие / 3 /, измеряя скорости ионов Аг+ , рассеянных на меди, подтвердили существование в спектре максимумов при энергиях, соответствующих однократным парным упругим столкновениям. Датц и Снук / 4 / получили более детальные
энергетические спектры ионов и Сл-1 с зарядом до +5,
*
эмиттированных из монокристалла меди, применив электростатический анализатор с высоким разрешением.
Впервые рассеяние медленных ионов как метод анализа поверхности было применено в работе Смита / 5 /, который использовал пучки ионов Не+ , Не* и Аг+ с энергиями Е0 = 0,543 кэВ и мишени из поликристаллических № и Но . Он получил резкие пики, соответствующие однократному рассеянию на атомах материала мишени, а также на адсорбированных атомах кислорода и углерода (см.также рис.1) / 6 / по относительной высоте пиков С и 0 в случае адсорбированного на никеле СО он смог сделать выводы о структуре поверхностного слоя. Позже Стрех-лов и Смит / 7 / таким же способом различили грани СУ и £ монокристалла Сс| Б . тем самым было показано, что рассеяние медленных ионов может быть использовано для анализа как химического состава, так и структуры поверхности, что привлекло к этому внимание многих исследователей.
В работах Е.С.Машковой и В.Н.Молчанова проведено детальное исследование рассеяния ионов поверхностью твердого тела, приведенные, например, в монографии / 8 /.
Как показано на рис.2 / 10 / энергетический спектр рассеяния медленных ионов с четким пиком однократного рассеяния резко отличается от спектров при высоких энергиях, в которых, как правило, наблюдается значительный фон при менышх
-)Ъ-
п>
V
а
£
Рис. 2. Энергетические распределения ионов И £ ,
рассеянных поверхностью поликристаллического золота (Аи), полученные для различных энергии первичного пучка. Угол рассеяния равен 120°/10/.
энергиях. Чтобы выяснить закономерность, показанную на рис.2, приходиться предположить, что ионы, проникшие в глубь мишени, либо более эффективно нейтрализуются, либо что полный выход рассеяния из-под поверхности неожиданно сильно уменьшается.
В работе / II / было показано, что изменение вида спектра рассеянных медленных ионов возможно за счет эффекта преимущественной нейтрализации, при которой нейтральные атомы исключаются из части энергетического распределения.
Детально процесс нейтрализации как внутри, так и вне твердого тела еще до конца не выяснен.
Для нейтрализации иона вне твердого тела при выходе с поверхности рассматривались такие механизмы, как оже-переходы и резонансные переходы / 12,13 /. Оба эти механизма приводят к экспоненциальной зависимости ионной доли от скорости выходящей частицы:
(ГЛ) = ехр (I)
% . %
где У - выход ионов, У - выход ионов + нейтральных ато-мов, т50 - некая характерная скорость, 7^ - нормальная составляющая скорости частицы (т.е. предполагается зависимость от угла выхода / 14 /).
Интересные данные о рассеянии медленных ионов получены в работе / 13 /. В этой работе наблюдались осцилляции выхода рассеянных ионов в зависимости от энергии первичных ионов Не и Не+ при рассеянии на Мо| , Рб , бс/Г^ и Си (рис.З).
Качественное объяснение этих осцилляций таково: происходит резонансная или квазирезонансная перезарядка частиц и по-
- Київ+380960830922