Файл: Арифов У.А. Угловые закономерности взаимодействия атомных частиц с твердым телом.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 128
Скачиваний: 0
Полярные диаграммы 1—5 сняты при различных температурах мишени: / — 300; 2 — 600; 2 — 900; 4 — 1200; 5 — 1500°К.
Как видно из рисунка, в отличие от полярных диаграмм, полу ченных в случае однородного монокристалла (W или Мо), здесь
М
Рис. 77.
в зависимости от температуры мишени наблюдается сглаживаниетонкой структуры углового распределения. Наблюдаемое в данном случае заметное сглаживание ани зотропии углового распределения, по-видимому, опять связано с обра зованием на поверхности пленки атомов Мо, которые и нарушают выход вторичных ионов вблизи ос новных кристаллографических на правлений мишени.
На рис. 78 представлена зависи мость коэффициента рассеяния ио нов /Ср от угла падения первичных ионов Ф, полученная при бомбарди ровке грани (100) W—Мо ионами Na+ с энергией 1500 эв. Изменение угла падения осуществлялось в пло скости падения, параллельной атом ному ряду [100] кристалла. Кривая 1 соответствует изменению функции Яр/Ф при температуре мишени я^300°К, кривая 2 — при ~1500°К, а
кривая 3 — после нагрева мишени до 1500°К в течение 20 час. Здесь также в зависимости от температуры наблюдается заметное сглаживание анизотропии коэффициента Д'р в зависимости от Ф,
185-
■ что связано с образованием пленки на поверхности мишени. Про должительный нагрев мишени приводит к еще большему сглажи ванию анизотропии кривой КР(Ф) (кривая 3 рис. 78).
Таким образом, анализ энергетического, пространственного и углового распределений ионов, рассеянных поверхностью сплавов, накаленных до различных температур, подтвердил возможность изучения динамики диффузии отдельных компонентов сложного образца по характеру рассеяния ионов.
Как следует из рассмотрения углового и энергетического рас пределений ионов, рассеянных поверхностью мишеней из поликристаллических сплавов, взаимодействие налетающего иона с отдельными атомами происходит независимо от природы мишени. Если йишень представляет собой сплав, энергетический спектр рассеянных ионов содержит пики, соответствующие рассеянию на каждый из компонентов. Поведение этих пиков в спектре в зависи мости от энергии и угла падения первичных ионов идентично из менениям пиков энергетических спектров, полученных в случаях, когда мишени были изготовлены из материалов, представляющих собой компоненты сплава.
Однако сопоставление энергетических спектров ионов, рассеян ных названными мишенями, показывает, что аддитивность в спект рах относится только к положению пиков, но не к форме их. По следнее обусловлено, во-первых, неодинаковой локализацией от дельных компонентов сплава на участке мишени, с атомами которой происходит взаимодействие налетающих ионов, во-вто рых, предварительной тепловой обработкой мишени, вызывающей образование пленки на поверхности сплавной мишени из более летучего компонента сплава, которая и искажает форму пиков; в-третьих, тем, что в случае сплавной мишени в низко- и высоко энергетические области пиков, соответствующих ионам, испытав шим однократные рассеяния с атомами компонентов, попадают
.ионы, претерпевшие многократные соударения с атомами обоих компонентов сплава, что приводи! к иным формам пиков спектра.
Резкое изменение вида энергетического спектра ионов, рассеян ных сплавом, в зависимости от температуры мишени и продолжи тельности ее нагрева, как мы видели выше (§ 2, 3 гл. IV), связано ■с пленкой, образованной в результате диффузии более летучего компонента сплава, и ее распылением (или испарением) под дей ствием ионной бомбардировки.
В случае, когда атомный номер одного из элементов сплава меньше атомного номера падающей частицы, в угловом распреде лении вторичных ионов наблюдаются два максимума в направле ниях, соответствующих углам зеркального и предельного отраже ний. Обнаружение этих максимумов тоже говорит в пользу инди видуальности соударения. С этой точки зрения также объясняется
.отсутствие пиков, относящихся к ионам, испытавшим однократные соударения с атомами легких (m \<n i2) компонентов сплава, в
энергетическом спектре, соответствующем углу рассеяния |3 боль шему, чем предельные углы однократных соударений легких ком понентов сплава, и наличие этих пиков в спектрах, полученных внутри предельного угла.
Рассмотрение углового и энергетического распределений ионов, рассеянных поверхностью сложных (сплавных) образцов, показы вает, что все основные угловые и энергетические характеристики их аналогичны закономерностям, обнаруженным при изучении рас сеяния ионов', мишенями, изготовленными из материалов, пред ставляющих собой компоненты сплава.
Изменения энергетического спектра ионов, рассеянных монокристаллическими сплавными образцами, в зависимости от азиму тального угла поворота мишени связаны с упорядоченным распо ложением различных атомов в узлах кристаллической решетки. Действительно, если, например, в случае монокристалла W—Мо атомы на грани (001) расположены таким образом, что по диагона ли находятся одноименные атомы, то при повороте такой мишени вокруг оси [001] (по азимутальному углу ср) двукратное рассеяние иона на атоме Мо происходит в направлении [100] и на атоме W— в направлении [ПО] и т. д. Это в свою очередь приводит к резкому изменению положения двукратного пика в спектре, что и наблю дается в эксперименте (см. § 4, гл. IV).
Таким образом, обнаруженные особенности углового и прост ранственного распределений ионов, рассеянных сложными (сплав ными) образцами, в основном обусловлены концентрацией от дельных компонентов сплава и изменением их в зависимости от внешних воздействий (температура, бомбардировка и др.). В слу чае монокристаллического сплава особенности распределений за висят от расположения атомов различных наименований в узлах
решетки и от возможности |
перестановки их в процессе диффу |
зии и т. д. |
|
Кроме того, особенности |
рассеяния ионов сложными образца |
ми указывают на возможность использования их для определения узлов решетки на атомном уровне, т. е. устанавливать принадлеж ность атомов к тем или иным наименованиям, уточнять индексы решетки, для изучения динамики диффузии отдельных компонен тов сложного образца, для контроля покрытия поверхности его тем или иным составным компонентом в процессе тепловой обра ботки и т. д.
Результаты исследования позволяют выделить следующие экс периментальные факты.
1. В энергетическом спектре ионов, рассеянных сложным (сплавным) образцом, обнаруживается система пиков, соответст вующих ионам, претерпевшим однократные соударения на атомах компонентов сплава.
2. В случае, когда масса бомбардирующего иона больше массы атома отдельных компонентов сплава, система пиков, относящихся к однократно рассеянным ионам на атомах всех компонентов, на
187
блюдается при малых углах рассеяния. По мере увеличения угла рассеяния и приближения его к предельным углам однократных рассеяний пики один за другим уширяются, а затем исчезают.
3. Сопоставление энергетических спектров вторичных ионов, по лученных при мишенях из образцов материалов, представляющих собой компоненты сплава, и из сплава, показывает, что аддитив ность в распределениях относится только к положению пиков, но не к их форме.
4.В случае, когда масса атома одного из элементов сплава меньше массы бомбардирующего иона, в угловом распределении отмечаются два максимума в направлениях, соответствующих уг лам зеркального и предельного отражений.
5.При монокристаллическом сплаве в зависимости от азиму тального угла поворота мишени, кроме изменения интенсивности
двукратного пика, обнаруживается и периодическое изменение его энергетического положения в спектре, что обусловлено упорядо ченным расположением атомов различных наименований в узлах решетки.
6. В результате исследования выяснена возможность использо вания процесса рассеяния ионов сложным образцом для определе ния наименований атомных узлов кристаллической решетки, пе риодичности расположения атомов различных наименований, ди намики диффузии отдельных компонентов в процессе тепловой обработки и для определения концентрации их.
Г л а в а V
УГЛОВЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОХОЖДЕНИЯ ИОНОВ СРЕДНИХ ЭНЕРГИЙ ЧЕРЕЗ ТОНКИЕ ПОЛИ- И МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ПЛЕНКИ МЕТАЛЛОВ
До настоящего времени угловые закономерности-'про хождения тяжелых ионов средних энергий (5—50 кэв) через веще ство были почти не изучены. Энергетическое распределение ионов, прошедших через тонкие пленки металлов и полупроводников, рассматривалось в некоторых работах, однако в них не исследова лось изменение этих распределений в зависимости от угловых па раметров прохождения частиц. Ориентационные эффекты, обнару живаемые при изучении прохождения заряженных частиц через кристаллические решетки, открывают новые возможности для ис следования в области твердого тела, в частности, при помощи эф фекта теней удается различать узлы решетки разрезов кристалли ческих плоскостей.
В последние годы проблема определения тормозной способно сти вещества, ее связь со скоростью и сортом частицы, с парамет рами кристаллической решетки интересует многих исследователей. Это обусловлено развитием перспективных направлений современ ной науки и техники, требующих знания характера торможения заряженных частиц в веществе.
Изучение угловых закономерностей прохождения ионов через тонкие пленки металлов может дать новые сведения о характере торможения, потерях энергии и других свойствах частиц при про хождении.
§1. КРАТКИЙ ОБЗОР ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ УГЛОВОГО И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ИОНОВ, ПРОШЕДШИХ ЧЕРЕЗ П0ЛИ-
ИМОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ПЛЕНКИ МЕТАЛЛОВ
Всуществующих теоретических исследованиях прохож дения быстрых атомных частиц через вещество [206, 325, 327, 367] дано качественное описание процесса, экспериментальные же дан ные [92, 204, 256, 345, 390, 392] весьма скудны и зачастую противо речивы. Подробно ранние теоретические и экспериментальные ра боты по изучению прохождения ионов через вещество рассмотре-
189
ны Г. Кннчиным, Р. Пизом [130, 351], Дине Виньярдом [99] и Томпсоном [205]. Мы остановимся на более поздних работах, свя занных в основном с изучением угловых закономерностей прохож дения ионов через вещество.
Ю. В. Готт и В. Г. Тельковский [93] исследовали тормозную спо собность серебряной фольги на моноэнергетических пучках ионов легких элементов. Серебряная пленка получалась путем испарения серебра в вакууме. Подложкой служила 2-^3-микронная (охлаж даемая жидким азотом) алюминиевая фольга. Толщина пленки серебра определялась непосредственным взвешиванием подложки на микровесах до и после испарения. Алюминиевая подложка растворялась в растворе едкого натрия и затем поднималась из него на мелкоструктурной медной сетке прозрачностью 60%. Ре зультаты измерений пороговых энергий в зависимости от толщины фольги для ионов водорода, дейтерия и гелия показали, что они (пороговые энергии) пропорциональны толщине фольги примерно
до ~ 1300 А.
Для случая полусферического коллектора найдено, что зависи мость тока на коллектор от энергий (выше пороговой и до Е', где
Е '—~ З-Апор — энергия, начиная с которой через фольгу прохо
дят практически все частицы) хорошо выражается формулой |
|
7ко,л = * ( Е0 - ^пор )/„; |
(V.1) |
коэффициент а не зависит от энергии и равен a = A/d", где d—тол щина фольги; А — постоянная, зависящая в основном от коэффи циента вторичной электронной эмиссии; /г= 0,85 для Н+, 0,42 — для D+, 0,2 — для Не+. Значения а и Е ' для ионов Н+ хорошо сов падали с вычисленными.
Вдругой работе [94] исследованы потери энергии легких ионов
втонких металлических фольгах различных металлов для интер
вала энергий 1,5— 15 кэв. В отличие от прежней, в данной работе ионы, прошедшие через фольгу, анализируются по энергиям в элек тростатическом поле конденсатора с двойной фокусировкой.
Результаты измерений |
показали, что зависимость потерь энер |
|
гии от скорости H f и D,+ |
для области v>8-107 см/сек |
можно ап |
проксимировать формулой |
|
|
|
* ■, Зв |
/\ т |
- d 7 = - Az“° Y ' |
{ ] |
|
где — V—(Е0 + Е выхМг)73 ; Е вых — энергия ионов после прохож дения через фольгу, пг2 — масса иона. Для металлов Ti, Ag, Au, Al, Sn и Си удельные потери увеличивались с сокращением меж атомных расстояний. Эта закономерность нарушалась для Ge, что объяснялось иной природой полупроводника германия. Линейная зависимость удельных потерь энергии от скорости отмечена и для ионов гелия.
190
