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

в сторону нормали к поверхности мишени. Последнее автор объ­ яснял тем, что в золоте электроны в значительной степени рассеи­ ваются диффузно. Однако в несколько поздних работах [17, 271] было показано, что независимо от угла падения первичных элек­ тронов, электроны, рассеянные поверхностью, имеют угловое рас­ пределение, вытянутое в направлении, обратном направлению пер­ вичного пучка.

Более детальное изложение перечисленных работ можно най­ ти в монографии И. М. Бронштейна и Б. С. Фрай'мана [73], Ниже мы изложим результаты исследований углового распределения электронов, проведенных в последние годы, уделяя внимание тем работам, где в качестве мишени использовались монокристаллы.

Исследование углового распределения электронов, рассеянных поверхностью монокристалла, было начато Дж. Бэрнсом [268]. Бомбардировались грани (001) монокристаллов Си и Ni электро­ нами с энергией 0, 25 кэв. Он измерял угловое распределение ис­ тинно вторичных электронов с энергиями 0—40 эв. Угловое рас­ пределение имело тонкую структуру на фоне распределения, близ­ кого к косинусоидальному. В направлениях плотной упаковки кри­ сталла обнаруживались максимумы с относительной амплитудой 10—20% п шириной порядка ~ 10°. Тонкую структуру углового распределения медленных электронов Бэрнс объяснял максималь­ ным выходом вторичных электронов вдоль плотно упакованных

•направлений кристалла. Действительно, исходя как из классичес­ кой, так и из квантовомеханической природы каналирования мож­ но показать, что в направлениях плотной упаковки число электро­ нов, выходящих из кристалла, больше, чем в направлениях менее

Хе, равнялась соответственно 44,8 и 75,8 кэв. В угловых распре­ делениях электронов, независимо от их энергии, обнаруживались

•максимумы, соответствующие плотно упакованным направлениям мишени.

... Аналогичное исследование, т. е. изучение вида углового рас­ пределения электронов и позитронов, образующихся внутри моно­ кристалла Си в результате заколачивания изотопа Си64, проводи­ лось в [380]. Максимальные энергии позитронов и электронов, ис­ пускаемых изотопом Си64, были равны 660 и 550 кэв соответствен­ но. Угловое распределение электронов и позитронов изучалось в отдельности с помощью магнитного р-спектрометра, расщепляю­ щего пучок на электронный и позитронный компоненты. Было пока­ зано, что угловое распределение электронов в направлении [100] имеет максимум с относительной высотой 30%, а угловое распре­ деление позитронов — минимум глубиной 60%. Проводилось срав­ нение полуширины минимума на половине его глубины (1,8°) с

230

величиной критического угла каналирования, которую дает клас­ сическая теория Линдхарда [323] для позитронов с энергией

250 кэв (рк=1,9°).

Однако следует отметить, что такое хорошее согласие, по мне­ нию де Веймса и Холла [277], еще не является демонстрацией возможности применения классической' теории каналирования тя­ желых частиц для электронов и позитронов в кристаллах. Авторы указали, что полуширина максимума и минимума в опытах, описан­

Причину такого расхождения авторы видели в том, что в описан­ ных экспериментах вращение детектора частиц осуществлялось не в плоскости, совпадающей с одной из главных плоскостей кри­ сталла Си, а в плоскости, составляющей с ней угол ~ 12°.

Недавно А. П. Комар, Ю. С. Коробочко и другие [132, 135] исследовали угловое распределение электронов с энергией 50 кэв, рассеянных в тонкой монокристаллической пленке Си. Поскольку

О

толщина пленки была равна — 500 А, авторы считали, что энергия прошедших электронов практически не отличается от энергии пер­ вичных электронов. Измерения углового распределения производи­ лись при двух ориентациях пленки относительно пучка первичных электронов. В первом случае прострел осуществлялся вдоль на­ правления [100] пленки, что соответствовало аномальному погло­ щению электронов, а во втором — кристалл (пленка) поворачи­ вался на 4°, что соответствовало аномальному пропусканию элек­ тронов.

Распределение электронов в функции угла рассеяния показало, что рассеяние близко к резерфордовскому, но с небольшими от­ клонениями, обусловленными кратными соударениями. Было пока­ зано, что на фоне резерфордовского рассеяния наблюдаются пики (максимумы), соответствующие плотно упакованным направлени­ ям кристалла. Угловая ширина максимумов в направлениях плюскостей равна удвоенному значению брэгговских углов для этих плоскостей, что указывало на дифракционный характер плоскост­ ного каналирования. Максимумы, наблюдаемые в направлениях плотно упакованных атомных цепочек, формировались в результа­ те отражений от большого числа плоскостей, для которых указан­ ное направление является осью зоны. В этих направлениях шири­ на максимумов углового распределения удовлетворительно согла­ совывалась с оценками по теории Линдхарда.

Исследовалось также влияние толщины (пленки) на форму уг­

кратных столкновений. При толщине пленки ~ 1000 А угловое рас­ пределение плавно переходило в косинусоидальное, если пучок па­ дал на поверхность мишени перпендикулярно. В случаях косого падения пучка кратные столкновения в мишени приводили к тому,

231

что максимум интенсивности рассеяния оказывался вблизи на­ правления зеркального отражения. При косом падении пучка мак­ симум интенсивности рассеяния наблюдался в направлении, опре­

Угловая зависимость энергетических спектров (с характеристи­ ческими пиками) электронов, рассеянных кристаллами. До настоя­ щего времени угловые зависимости энергетических спектров вторич­ ных электронов изучены очень мало. Между тем такие исследова­ ния, как показывают результаты исследований последних лет, могут дать больше сведений о природе образования пиков харак­ теристических потерь спектра электронов.

В ряде наиболее поздних работ [140, 356, 375] было исследова­ но влияние угла вылета 0 вторичных электронов на интенсивность пиков упругого рассеяния и характеристических потерь. Спектры электронов были сняты с помощью электростатического анализа­ тора типа Юза — Рожанского. Бомбардировалась грань монокри­ сталла Си [375] н поликристаллические мишени из Мо и Ag электронами с энергией 200—600 эв. Было показано, что углы мак­ симального выхода электронов указанных групп совпадают между собой [356, 375]. С увеличением угла 0 пик истинно вторичных элек­

характеристических потерь спектра электронов, рассеянных плен­ ками Be, А1 и Аи, нанесенными на коллодий, исследовал Ленард [320]. Угол максимального выхода электронов, испытавших первую характеристическую потерю, совпадал с углом рассеяния, под ко­ торым наблюдается интерференционный максимум упруго рассеян­ ных электронов. Отношение интенсивности упруго рассеянных электронов к интенсивности неупруго рассеянных не зависело от угла рассеяния.

Аналогичное исследование проводилось и другими авторами [330, 331, 292, 386]. Было установлено, что до угла рассеяния 0,5-10-2 рад интенсивности упруго рассеянных электронов преобла­ дают над интенсивностью электронов, испытавших характеристи­ ческие потери. В области угла рассеяния, большего, чем указан­ ный, интенсивность электронов, претерпевших характеристические потери, играла доминирующую роль.

Изменение вида полного энергетического спектра электронов, рассеянных поверхностью поликристаллов КЧ и Мо, от угла паде­ ния первичных электронов было исследовано в [50, 51]. Для этого был использован прибор, описанный в § 2 гл. I. При изменении угла падения от 0 до 70° положение максимума истинно вторичных ионов в спектре не менялось. Измерение относительной интенсив­ ности медленных упруго и неупруго рассеянных электронов (пика характеристической потери с энергией 27 эе) от угла падения по­

232

казало, что указанная зависимость для этих групп вторичных элек­ тронов имеет немонотонный характер. Наблюдался максимум при угле падения, близком к углу зеркального отражения. Уменьшение числа упруго и неупруго рассеянных электронов приводило к уве­ личению интенсивности медленных (истинных) вторичных электро­ нов. Последнее авторы приводили как довод для демонстрации существенной роли неупруго рассеянных электронов в создании медленных вторичных электронов.

Однако следует отметить, что хотя по исследованию угловой зависимости энергетического спектра электронов, рассеянных по­ верхностью твердых тел, имеется не так уж мало работ, но в них не решен один из основных вопросов электронной эмиссии, т. е. не выяснена окончательно природа образования характеристических потерь спектра электронов. В этом отношении наиболее интересное исследование проводилось в последние годы А. Р. Шульманом, В. В. Кораблевым и др. [134, 232—234]. Для получения энергетиче­ ского спектра электронов была разработана схема, в которой ис­ пользовался метод электрического дифференцирования кривойзадержки тока вторичных электронов с применением синхронного' детектирования и записью сигналов на ленте самопишущего прибо­ ра. К изучению Оже-пиков был применен метод двойного диффе­ ренцирования кривой задержки с автоматизированной записью сигналов.

Бомбардировались различные грани монокристаллов Si, Nb,. Mo, W и окиси кремния (а-кварца). Чистота и отсутствие нару­ шений монокристалличности поверхностных слоев образцов конт­ ролировались методом дифракции медленных электронов (ДМЭ). Для обнаружения поверхностных примесей и загрязнений приме­ нялся метод Оже-спектроскопии. Все указанные методы контро­ ля поверхности осуществлялись непосредственно перед измере­ нием в экспериментальных приборах одновременно со всем комп­ лексом исследований вторично-эмиссионных свойств образца. В результате исследования было установлено: при углах падения; Ф, соответствующих максимумам на кривых а(Ф ), т)(Ф), растет общее количество медленных вторичных электронов по сравнению- с соседними минимумами на этих кривых. При углах Ф, совпа­ дающих с плотно упакованными направлениями кристалла, спектробогащается быстрыми электронами.

Как указывают авторы, полученные результаты находятся в соответствии с представлениями о взаимодействии электронов с монокристаллами с позиций динамической теории дифракции.. Рассмотрение результатов исследования спектров Оже-электронов- монокристаллов показало, что большинство экспериментально полученных пиков Оже-электронов может быть объяснено на базе переходов между атомными энергетическими уровнями. Показано,, что при углах Ф, соответствующих направлениям плотной' упаков­ ки, увеличиваются амплитуды пиков Оже-электронов по сравнению- с углами Ф, соответствующими минимумам на кривых а(Ф ),

Л (ф)-

233:

Исследованы спектры электронов с характеристическими поте­ рями энергии для монокристаллов W, Mo, Nb и Si при различных энергиях Е 0 и углах падения первичных электронов. Было пока­ зано, что с увеличением угла падения амплитуды пиков, соответ­ ствующих поверхностным плазмонам, растут по сравнению с амплитудой пиков, обусловленных объемными плазмонами. На основании результатов исследований авторами была проведена наиболее надежная идентификация всех потерь энергии, обнару­ женных в спектре электронов, рассеянных поверхностью указанных выше монокристаллов. По мнению авторов, в спектре имеются пики характеристических потерь, обусловленные возбуждением по­ верхностных и объемных плазмонов, а также междузонными пе­ реходами.

§2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ. АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследование угловой зависимости коэффициентов ВЭЭЭ и его компонентов проводилось с помощью установки, опи­ санной в § 2 гл. I. В приборе, как мы уже отметили, была пре­ дусмотрена возможность изменения ориентации мишени относи­ тельно направления пучка первичных электронов. Это осуществля­ лось с помощью устройства, вмонтированного в мишеневую нож­ ку прибора (см. рис. 26). В приборе для приема вторичных час­ тиц имелась медная сфера (диаметром ~ 90 мм) с антидинатрониой сеткой с прозрачностью 90%.

Следует отметить, что все детали данного прибора изготовле­ ны из немагнитных материалов (тантал, медь и др.), чтобы свести на нет влияние магнитных полей отдельных деталей эксперимен­ тальной установки. Для получения надежных результатов угловой зависимости коэффициента ВЭЭЭ в приборе был использован элек­ тронный источник с круглым сечением пучка. С помощью диаф­ рагмы, установленной перед входом пучка в приемную часть прибора, можно было довести диаметр пятна пучка на поверхности мишени до 1 мм. В процессе измерения особое внимание также уделялось точному изменению ориентации мишени. Поэтому бы­ ли предприняты все меры для того, чтобы изменение ориентации мишени осуществлялось вокруг одной из ее (мишени) осей, остаю­ щейся неподвижной по отношению к центру сферы (коллектора) и лежащей на поверхности среза мишени (плоскости). Измерение проводилось методом двойной модуляции.

Угловое распределение вторичных электронов исследовано с помощью цилиндра Фарадея особой конструкции. Основные дета­ ли экспериментального прибора и электрическая схема измерений показаны на рис. 90 а. Здесь 1 — электронный источник с фокуси­ рующей электрической линзой, 2 — мишень, 3 — коллектор вторич­

234