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

тат, что и усреднение по всем случайно распределенным атомам. В случае направленного движения траектории, по-видимому, не остаются независимыми от решетки и можно ожидать, что средняя потеря энергии отклоняется от потери для неупорядоченной сис­ темы, о чем и свидетельствует эксперимент (ом. рис. 896).

Согласно Линдхарду [323], угол [5 (малый), на который откло­ няется ион, подходя к атому цепочки на расстоянии г, выража­ ется через потенциал на расстоянии г от цепочки V{r):

с помощью которого было показано, что средняя потеря энергии

здесь E L = £ ,0sin2|3~£'oP2, А — доступная площадь единичной ячей­ ки, v = l для a < r ml,)<2a . Формула (V.27) весьма доступна для первой оценки ядерного торможения. Сопоставление сечения рас­ сеяния (торможения), полученное с помощью этой формулы, с эк­ спериментально определенным сечением рассеяния дает качест­ венное согласие.

Таким образом, все основные эффекты, обнаруженные при изу­ чении углового, пространственного и энергетического распределе­ ний прошедших ионов, обусловлены характером взаимодействия иона с кристаллической решеткой и изменением его в зависимо­

221

твердым телом весьма важны исследования распределения вторич­ ных электронов по углам и энергиям, которые приобрели еще боль­ шую актуальность в связи с открытием эффекта каналирования тяже­ лых положительно заряженных частиц кристаллами [207, 262, 293]. Действительно, хотя электрон это отрицательно заряженная час­ тица, и масса его по сравнению с массой протона (или а-частицы) ничтожно мала (величина де-бройлевской длины волны, соответ­ ственно больше), но уже первые эксперименты [131, 372, 373, 315, 316] по измерению коэффициентов вторичной электронной эмиссии (КВЭЭ) монокристаллов показали, что эти коэффициенты в за­ висимости от угла падения первичных электронов имеют тонкую структуру, такую же, как и в случае тяжелых положительных заряженных частиц. Поэтому определение критерия применимости классического рассмотрения каналирования тяжелых положитель­ но заряженных частиц для электронов и анализ эффектов канали­ рования с квантовомеханических позиций представляет большой научный интерес.

До недавнего времени считалось, что интенсивность взаимодей­ ствия атомных частиц с твердым телом полностью определяется сечением рассеяния с одиночным атомом и количеством атомов на пути движения частиц. Однако, как мы видели выше (см. гл. II, III), этот критерий’ верен только для поликристаллических и аморфных тел. Если же образец представляет собой монокри­ сталл, то на интенсивность взаимодействия существенно влияет и и ориентация образца относительно пучка первичных частиц. Ис­ следования углового и пространственного распределений вторич­ ных электронов, как нам кажется, позволяют ближе подойти к ре­ шению вопроса не только об интенсивности, но и о характере взаимодействия, распределения электронов различных энергий в твердом теле и их обратной эмиссии в вакуум.

Изучение распределения вторичных электронов по энергиям и особенно угловых зависимостей энергетических распределений дает возможность установить обусловленность пиков характерис-

223

•тических потерь энергии возбуждением плазмонов или междузонными переходами. Кроме того, до сих пор нет единого мнения о механизме характеристических потерь и не существует теории, объясняющей многие стороны этого явления. Если некоторые ис­ следователи пытаются связать спектр энергии вторичных электро­ нов с атомным номером исследуемого вещества, то другие отри­ цают наличие таких зависимостей, а Хароуэр [294] считает, что элементы со сходной электронной структурой должны иметь похо­ жую форму спектра вторичных электронов (эти вопросы подробно рассмотрены в монографии И. М. Бронштейна и Б. С. Фрайма-

на [73]).

Вопрос о том, какие электроны твердого тела обусловливают характеристические потери, окончательно еще не решен. Некоторые исследователи считают, что потери вызываются взаимодействием со свободными электронами, другие полагают, что потеря энер­ гии происходит при переходе электронов из низко расположенных зон или уровней в более высокие разрешенные незанятые состоя­ ния [52, 86]. Однако в некоторых случаях кулоновские связи между электронами решетки настолько существенны, что передаваемая порция энергии распределяется между множеством электронов решетки, каждый из которых увеличивает свою энергию на малую величину. В результате этого электроны в твердом теле приобре­ тают способность совершать коллективные колебания с высокой частотой, что приводит к плазменным объемным [260] и поверх­ ностным [136, 232, 357] переходам.

Поэтому наибольший интерес представляют эксперименты, ре­ зультаты которых дают возможность выяснить, обусловлена ли потеря энергии возбуждением плазмонов или междузонным пере­ ходом.

Что касается исследований углового распределения вторичных электронов, не говоря уже о ранних работах (см. монографию Брюининг [75]), то результаты их весьма противоречивы [17, 245, 268, 271, 309, 310], что не позволяет еще достаточно надежно ин­ терпретировать экспериментальные данные.

Если в [310] показано, что при изменении угла падения Ф для А1, неупруго отраженные электроны в основном группируются во­ круг направления зеркального отражения, составляющего прибли­ зительно угол 2Ф с направлением первичного пучка, то в [17, 271] утверждается, что как при нормальном, так и при наклонном падении первичного пучка, рассеянные первичные электроны име­ ют угловое распределение, вытянутое в направлении, обратном на­ правлению падающего пучка [271]. Если Джонкеру [309] не уда­ лось обнаружить тонкую структуру углового распределения для мишени из монокристаллического никеля, то в работах Бернса и Аппелта [245, 268] показано, что угловое распределение медленных вторичных электронов с монокристаллов никеля и меди имеет тонкую структуру на фоне распределения, близкого к косинусои­ дальному.

224

Систематические и целенаправленные исследования углового, пространственного и энергетического распределений вторичных электронов, рассеянных поли- и монокристаллическими образцами, по-видимому, могут дать еще много новых сведений, знание кото­ рых необходимо для расширения наших представлений о механиз­ ме взаимодействия электронов с твердым телом, а также для тео­ рии данного вопроса.

§1. КРАТКИЙ ОБЗОР ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ УГЛОВЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ

ВТОРИЧНОЙ ЭЛЕКТРОННО-ЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ (ВЭЭЭ)

Угловая зависимость коэффициента ВЭЭЭа и его ком­ понентов. Впервые влияние угла падения Ф пучка первичных элек­ тронов на коэффициент ВЭЭЭ было наблюдено в ряде работ [253, 285, 374, 379]. Было показано, что коэффициент ВЭЭЭ растет с уве­ личением угла падения первичных электронов. Однако система­ тическое изучение угловой зависимости этого коэффициента в более чистых условиях поверхности исследуемого образца было проведено Г. Брюинингом [265, 266], С. Ю. Лукьяновым [147, 148, 149] и Мюллером [341]. Установлено, что при сравнительно боль­ ших энергиях пучка электронов (> 500 эв) рост угла Ф приводит

к монотонному росту значения ст, причем этот рост более резко выражен для легких и менее резко для тяжелых элементов [341]. Указано, что угловая зависимость ст сильно зависит от состояния поверхности мишени, в первую очередь, например, от ее шерохо­ ватости [75, 265].

Действительно, при наличии шероховатости на поверхности ми­ шени невозможно точно определить угол падения и соответственнс зависимость значения ст от Ф. Мюллер [341] показал, что для шероховатой поверхности величина ст практически не зависит от угла падения пучка электронов. Для гладкой поликристаллической поверхности, согласно Г. Брюинннгу и С. Ю. Лукьянову, пер­ вичные электроны при наклонном падении проникают на меньшую глубину (по отношению к поверхности мишени), чем при нормаль­ ном падении и соответственно глубина зарождения вторичных электронов в первом случае меньше, чем во втором. Последнее и приводит к увеличению вероятности выхода вторичных электро­ нов и соответственно к росту значения ст.

Несколько иной точки зрения об угловой зависимости значения ст придерживался Мюллер. По его мнению, вторичные электроны генерируются из приповерхностного слоя х, толщина которого не зависит от угла Ф, а рост значения ст с увеличением Ф обусловлен возрастанием длины пути первичных, которое приводит к увеличе­ нию вторичных электронов в указанном слое. В этом случае зави­