Файл: Арифов У.А. Угловые закономерности взаимодействия атомных частиц с твердым телом.pdf

нии (3 с энергией Е после многократных столкновений определя­ ется величиной

(1.40)

Суммирование производится по всем комбинациям промежуточных

роятностью реализуется любое промежуточное направление рас­ сеяния, суммирование заменяется интегрированием, а энергетичес­ кий спектр имеет плавный характер [188— 190].

Значения функции К (Е, р, Ф ), вычисленные для случая Rb+ на Та хорошо согласуются с экспериментальными данными, полу­ ченными для этого же случая. Угловое распределение вторичных ионов, выведенное путем решения интеграла

(1.41)

для случая Cs+ на Мо (кривая 1 на рис. 27) тоже удовлетвори­ тельно согласуется с экспериментально полученным угловым рас­ пределением в случае бомбардировки накаленной до 1500°К Момишени ионами Cs+ с энергией 700 эв.

Для сравнения на этом же рисунке приведены кривые, соответ­

монотонно убывающей функцией от (5, а экспериментально полу­ ченное угловое распределение ионов, рассеянных поликристалла­ ми, как мы видели (§ 4 гл. I), представляет собой полярную диаг­ рамму, круто спадающую от максимума в сторону как больших, так и малых углов (спад в сторону больших углов не так крут, как в сторону меньших углов). Последнее, как известно [190], свя­ зывается с наложением на функцию 7С(р,Ф) ряда побочных фак­ торов, обусловленных реальными условиями поверхности мишени.

В физическом смысле к этим побочным факторам, по-видимо­ му, можно отнести следующее. В случае поликристаллической поверхности спад углового распределения в сторону меньших углов а главным образом зависит от шероховатости, препятствую­

щей рассеянию ионов под скользящим углом. В случае монокри­ сталла, т. е. на гладкой поверхности грани, к такому спаду может приводить экранирующее действие цепочек атомов, расположен­ ных по направлению рассеяния. Однако экспериментальное обна­ ружение смещения нижнего граничного угла pmin распределения в сторону больших углов с уменьшением энергии первичных ионов даже в случае полпкристаллпческой поверхности (см. § 3 гл. I) свидетельствует о наличии влияния экранирующего действия це­ почек атомов и в этом случае. Удовлетворительное совпадение углового распределения, полученное нами при углах Ф =Ф _ 80°, с

теоретическим, рассчитанным по формуле (1.32), показывает, что нижняя граница углового распределения может быть обусловлена удлинением пути движения заряженных частиц в приповерхност­ ном слое вдоль выхода рассеянных ионов, вылетающих под малы­ ми углами.

Близкое к закону косинуса cos0 угловое распределение вторич­ ных ионов при углах падения <45° хорошо объясняется глубин­ ным характером взаимодействия бомбардирующих ионов с атома­ ми мишени. При проникновении первичных ионов в приповерхно­ стные слон мишени выход рассеянных ионов в направлении нор­ мали к поверхности мишени максимальный. С увеличением угла вылета вследствие удлинения пути движения рассеянных ионов

вприповерхностном слое выход их уменьшается.

Врезультате исследований угловых закономерностей рассея­ ния ионов поликристаллами нами установлены следующие основ­

дения изменяется по закону l/coscp, что связано с возрастанием дифференциального сечения рассеяния и уменьшением глубины проникновения бомбардирующих ионов в твердое тело;

б) угловое распределение вторичных ионов при угле падения

<45° близко к косинусоидальному, а с дальнейшим увеличением

Фрассеяние ионов преобладает вперед п, начиная с Ф >70°, мак­

симум углового распределения наблюдается в направлении, сов­

щей ветви углового распределения рассеянных ионов удовлетво­ рительно совпадает с ходом изменения дифференциального сече­ ния рассеяния в поле потенциала взаимодействия типа экраниро­ ванного кулоновского, а спадающая ветвь обусловлена главным образом шероховатостью поверхности, удлинением пути движения ионов в приповерхностном слое и частично экранирующим дейст­

ных ионов максимум углового распределения сужается около зер­ кального угла отражения;

82

Г л а в а II

УГЛОВЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАССЕЯНИЯ ИОНОВ МОНОКРИСТАЛЛАМИ

Первые эксперименты по бомбардировке монокристал­ лов ионами показали, что упорядоченное расположение атомов в кристаллической решетке образца (мишени) при определенных условиях может играть существенную роль во взаимодействии ионов с твердым телом. При бомбардировке кристаллов легкими частицами больших энергий [207, 262] были обнаружены так на­ зываемые «ориентационные» эффекты: каналирование налетаю­ щих частиц в кристаллической решетке, эффект теней, т. е. блоки­ ровка выхода атомных частиц из кристаллической решетки и т. д.

'Изучение ориентационных и нм подобных эффектов представ­ ляет как научный, так и большой практический интерес. Напри­ мер, в настоящее время явление каналирования широко исполь­ зуется при легировании полупроводников, с помощью эффекта те­ ней изучается структура кристаллической решетки и т. д.

Кроме указанных процессов, в последние годы все больше вни­ мания уделяется исследованию рассеяния ионов, позволяющего получать много новых сведений об элементарных актах взаимодей­ ствия тяжелых частиц, проявляющихся во всех ориентационных эффектах.

Поэтому за последние годы (1964— 1972) нами проведены ис­ следования угловых закономерностей рассеяния тяжелых ионов монокристаллами [18, 27, 31, 35, 58, 246 и др.], результаты кото­ рых описываются в настоящей главе.

§1. КРАТККИЙ ОБЗОР ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ УГЛОВЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ РАССЕЯНИЯ ИОНОВ КРИСТАЛЛАМИ

Флайт [286] и Виньярд [383] впервые указали па своеоб­ разное поведение рассеяния частиц на монокрисгаллических об­ разцах. При бомбардировке монокристаллической мишени часть ионов проникает в глубь вещества и вызывает цепь соударений между атомами кристаллической решетки, а остальные ионы после

84

двух, трех столкновений с поверхностными атомами мишени рас­ сеиваются анизотропно.

Количественное исследование угловой зависимости вторичной ионной эмиссии с монокристаллических медных поверхностей впер­ вые было проведено Нельсоном и Томпсоном [298, 299]. Бомбарди­ ровалась грань (ПО) Си ионами Н+, Не+, Ne+ и X ef с энергией 50 кэв при различных углах Ф. Изменение угла Ф осуществлялось поворотом мишени вокруг оси [001]. Количество ионов, рассеян­ ных монокристаллом, зависело от расположения кристаллографи­ ческих осей относительно направления падения ионного пучка и было минимальным, когда направление пучка первичных ионов совпадало с низкоиндицированной осью кристалла (например, осью [100] или [ПО]). Наличие ряда минимумов на угловой зави­ симости тока вторичных ионов авторы объясняли эффектом кана­ лирования налетающих ионов между плотно упакованными плос­ костями кристалла.

Предполагая, что при фиксированном направлении падения ионного пучка на поверхность монокристалла интенсивность ионов, рассеянных в некоторых кристаллографических направлениях, должна иметь максимумы, аналогичные до некоторой степени «пятнам Венера» для распыленных частиц [387, 388], В. Е. Юрасо­ ва и другие [235] исследовали пространственное распределение ионов, рассеянных монокристаллом. Бомбардировалась грань (100j монокристалла Си ионами Аг+ с энергией 1,5 кэв. Поскольку ми­ шень очищалась ионной бомбардировкой (скорость распыления была больше, чем скорость загрязнения образца), осадок распы­ ленного вещества собирался на слюдяном экране, и полученная картина пятен сравнивалась затем с угловым распределением рассеянных ионов. Направления максимального выхода распылен­ ных частиц, соответствующие кристаллографическим направлени­ ям [ПО], [100], совпадали с направлениями минимального рассея­ ния ионов. В промежутках между этими направлениями наблюда­ лось максимальное количество рассеянных ионов. Полеченные ре­ зультаты были объяснены на основании предположения о про­ никновении ионов в открытые каналы вдоль плотно упакованных направлений г. ц. к. решетки и находились в хорошем согласии с расчетами, проведенными В. Е. Юрасовой [236].

Исследования, аналогичные [298], т. е. измерения угловой зави­ симости коэффициента вторичных быстрых атомных частиц (ионов и нейтральных атомов) при бомбардировке грани (100) монокри­ сталла Си ионами Аг+ с энергиями 10 и 15 кэв, проводили Флайт и Кистемакер [289]. По их мнению, минимальное рассеяние частиц наблюдалось при угле падения первичных ионов равном ~45°, что соответствует направлению [ПО]. Ориентация кристалла влияла на отражение гораздо меньше, чем на распыление. Последнее объ­ яснялось тем, что процесс распыления нейтральных атомов Си происходит в более глубоких слоях кристалла, чем эмиссия быст­ рых рассеянных частиц.

85

Следует отметить, что эти исследования [235, 289, 298] носили лишь качественный характер, так как в них не учитывались тре­

Ориентация мишени была такова, что нормаль к поверхности ми­ шени лежала в плоскости (НО) и составляла угол 12° с направ­ лением [111]. Ось вращения образца (мишени) совпадала с направ­ лением [110] и была перпендикулярна осп первичного пучка. Ми­ нимумы кривой /С+(Ф) совпадали с углами (Ф = —30, — 11, 24°), соответствующими кристаллографическим направлениям [ПО], [111] и [112]. Отмечено, что самый глубокий максимум зависимо­ сти /<+(Ф) соответствует [ПО], т. е. направлению максимальной прозрачности кристалла. Глубины минимумов кривой сильно зави­ сят от состояния поверхности мишени. В результате исследования авторы пришли к выводу, что немонотонная зависимость К от угла падения быстрых атомных частиц присуща всем без исклю­ чения монокристаллам независимо от их электропроводности (ме­ таллы, диэлектрики, полупроводники) и типа химической связи.

Одновременно с анизотропией коэффициента ионно-электрон­ ной эмиссии монокристаллов Ni и Zn Е. С. Машкова и В. А. Мол­ чанов [158] исследовали угловую зависимость коэффициента ион- но-нонной эмиссии. Они установили, что минимумы кривой К (Ф ) для ионно-ионной эмиссии наблюдаются при тех же углах Ф, что и минимумы для коэффициентов ионно-электронной эмиссии [у(Ф1]

распыленных метастабильных атомов и фотонов от угла падения ионов на монокристалл [288].

Датц и Снук [274, 275] исследовали угловые и энергетические распределения ионов, рассеянных поверхностями поликристаллов Си, Cu20 , Ag, Аи и монокристалла Си при бомбардировке их ионами Аг+ в области энергии 40—80 кэв. Анализатором вторич­ ных частиц по энергиям служил 60-градусный секторный магнит с радиусом кривизны 20 см.

Как видно из сравнения результатов эксперимента с расчетны­ ми данными, в спектре для Си и Ag наблюдались пики, положения которых можно приписать различным зарядовым состоянием рас­ сеянных на атомах мишени налетающих частиц (от Аг+ до Аг6+) и распыленных атомов мишени (от Си+ до Си5+ и от Ag+ до Ag4+). При углах рассеяния, больших 90°, отмечалось полное исчезнове­ ние пиков ионов мишени, что вытекает из уравнения £' = £,maxCOS2p, где £ — энергия, переданная иону при соударении с атомами ми­ шени, Дшах— максимальная энергия, которая может быть передана

86