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

рений внутри н отсутствием их вне этого угла. Показано, что обнаружение рассеянных ионов вне предельного угла обусловлено многократными соударениями бомбардирующего иона с атомами мишени; формы энергетических и угловых распределений этих ионов в исследуемой нами области энергии (0,5—5 кэв) первич­ ных ионов подтверждают такую точку зрения и не указывают на их какое-либо иное происхождение.

Рассмотрение угловых зависимостей энергетических распреде­ лений рассеянных ионов в случае, когда масса бомбардирующего иона меньше массы атома мишени (ml > n i 2), показало, что в ряде случаев в составе ионов, рассеянных на данный угол, обнару­

связано оно тоже с многократными соударениями иона с атомами мишени. Ионы, испытавшие однократные столкновения, ввиду строгой определенности значения их энергии в энергетическом спектре, образуют максимум. Ионы, претерпевшие многократные соударения, имеющие разброс энергии, располагаются по обе сто­ роны максимума однократных соударений в соответствии с траек­ торией их отклонения на данный угол, в согласии с вероятностью

низкоэнергетический склон, обусловлен ионами, претерпевшими многократные соударения с атомами мишени.

Действительно, вероятность того, что ион испытывает большое

ное™) показало, что в области угла падения Ф < 40° вид углового распределения определяется в основном ионами, идущими из глу­ бины твердого тела, т. е. распределение изотропно, близко к косинусоидальному. При углах падения, близких к скользящим, вид углового распределения соответствует изменению дифферен­ циального сечения рассеяния от угла рассеяния,, т. е. с уменьше­ нием угла рассеяния интенсивность рассеяния резко возрастает. Установлено, что резкое убывание интенсивности рассеяния при

262

малых углах рассеяния (т. е. крутон спад от максимума в сторону меньших углов) в случае поликристаллической мишени главным образом обусловлено шероховатостью, которая препятствует рас­ сеянию ионов под скользящим углом. Показано, что в случае поли­ рованной поверхности такой результат объясняется удлинением пути движения ионов в приповерхностном слое вдоль направления выхода рассеянных ионов, вылетающих под малыми углами. Изу­ чение изменения величины нижнего граничного угла распреде­ ления в зависимости от энергии показало, что на форми­ рование спадающей ветви углового распределения влияет и экра­ нирующее действие цепочек атомов вдоль направления пучка

ПОНОВ.

Установленные в результате эксперимента угловое и энергети­ ческое распределения рассеянных ионов совпадают с теоретиче­ скими кривыми, полученными при выполнении с помощью ЭВМ численных расчетов рассеяния быстрых ионов атомами твердого тела на основе модели парных одно- и многократных столкнове­ ний с использованием потенциала Фирсова для характеристики экранированных кулоновских сил отталкивания между ионом и атомом твердого тела.

При рассмотрении угловых закономерностей рассеяния ионов монокристаллическими образцами (см. гл. II) выяснилось, что, кроме закономерностей рассеяния, обнаруженных в случае поликристаллических образцов, наблюдается еще ряд принципиально новых закономерностей н явлений. Последние, как показали исследования, обусловлены упорядоченным расположением ато­ мов кристалла и связанными с ним облегчением движения заря­ женных частиц вдоль определенных направлений кристалла и блокировкой выхода их из кристалла цепочками атомов и т. д.

При исследовании угловой зависимости коэффициента рассея­ ния ионов, углового и пространственного распределений их, как мы видели выше (см. § 2, 3 гл. II), указанные эффекты проявля­ ются в виде максимумов и минимумов этих распределений.

ионного пучка с основными кристаллографическими направления­ ми мишени. В этих направлениях нижележащие атомы экрани­ рованы поверхностными атомами кристалла, с чем связано нали­ чие каналов с разными поперечными сечениями. Часть первичных ионов проникает в эти каналы, что приводит к снижению значения коэффициента рассеяния.

При дифференциальных исследованиях, т. е. при измерении углового и пространственного распределений рассеянных ионов, обнаруживаются минимумы (и соответственно максимумы), обус­ ловленные блокировкой выхода рассеянных ионов в определенных направлениях. Было показано, что указанные эффекты (особенно­ сти) сугубо объемные и наблюдаются в наиболее выраженном виде только при сравнительно больших (Е ^ 1 кэв) энергиях

263

номов, когда эффективные сечения рассеяния малы, кристалл достаточно прозрачен, а глубоколежащие слои вносят существен­ ный вклад в рассеяние. Сглаживание анизотропий углового и про­

Следует отметить, что в случае полированной грани монокри­ сталла влияние экранирующего действия цепочек атомов на фор­ мирование нижнего ограничения рассеяния при измерении угло­ вого распределения больше, чем в случае полированного поли­ кристалла. Значение нижнего граничного угла растет при переходе основной рассеивающей цепочки от менее плотно упако­ ванного ряда к более плотно упакованному.

Энергетический спектр ионов, рассеянных монокристаллами, обладает тонкой структурой, обусловленной многократными после­ довательными соударениями бомбардирующих ионов с упорядо­ ченно расположенными атомами кристалла. В энергетическом спектре обнаруживаются не один, а несколько пиков двукратного происхождения, т. е. имеется возможность экспериментально обнаружить пики, обусловленные ионами, претерпевшими повтор­ ные (двукратные) столкновения с атомами, расположенными в различных направлениях по отношению к атому, с которым про­ исходит первое соударение.

нительных пиков как в высокоэнергетической, так и в низкоэнер­

бомбардирующего иона, рода и ориентации мишени по отношению к пучку первичных ионов было установлено, что вероятность дву­ кратного соударения прямо пропорциональна атомным номерам иона, атома мишени и углу падения первичных ионов и обратно пропорциональна энергии первичных ионов и расстоянию между атомами, на которых происходит последовательное рассеяние.

При irii<m 2 в энергетическом спектре, полученном на углах, далеких от предельного угла однократного рассеяния, обнаружи­

<0,5 кэв и при сравнительно больших массах бомбардирующего иона (например, Cs+) в энергетическом спектре рассеянных ионов появляются другие дополнительные пики, происхождение которых можно объяснить возможностью соударения тяжелого бомбардп-

264

рующего иона одновременно с несколькими атомами кристалла [78, 84], а также возможностью проявления изотопических эффек­ тов [274].

Рассмотрение энергетических спектров, полученных при сколь­ зящих углах падения и вылета (Ф = 0 ^ 8 0 °) показало, что в этом случае при определенных условиях (когда основными рассеиваю­ щими цепочками служат плотно упакованные ряды атомов) энер­ гетические положения однократного и двукратного пиков спектра смещены в сторону больших энергий, что свидетельствует о цепо­ чечном столкновении. В ряде теоретических работ [124, 129, 191, 279, 280, 322, 323] указано, что при малых межатомных расстоя­ ниях и углах, составляемых направлениями пучка ионов и осями атомных цепочек, рассмотрение столкновений как строго индиви­

ются не только ионы, претерпевшие одно- и двукратные соударе­ ния с атомами мишени, но и ионы, испытавшие соударения гораз­ до большей кратности, т. е. цепочечные столкновения.

Исследования угловых закономерностей рассеяния ионов полн- и монокристаллами пс-казали, что газовая модель рассеяния при­ менима и в этом случае. Она (газовая или двухатомная модель) помогает пониманию многих закономерностей рассеяния атомных частиц твердым телом. Однако при подробном изучении процесса рассеяния ионов кристаллами (см. гл. II и III) выяснилось, что принадлежность атома кристаллической решетке (энергия связи между атомами, высокая плотность их, упорядоченное расположе­ ние атомов решетки, тепловые колебания их и т. д.) в некоторых случаях приводила к проявлению ряда особенностей, отличаю­ щих взаимодействие ионов с твердыми телами от взаимодействия с газовыми мишенями. Поэтому в дальнейших исследованиях внимание было уделено влиянию кристаллической структуры, теп­ ловых колебаний атомов решетки и ее дефектов на угловые зако­ номерности рассеяния ионов, так как они в основном отличают твердое тело от газовой мишени.

Результаты исследований (см. гл. III) показывают, что угло­ вое, пространственное и энергетическое распределения рассеянных ионов резко изменяются в зависимости от азимутального угла поворота мишени, что свидетельствует о тесной связи характера рассеяния и их распределений с расположением атомов в различ­ ных плоскостях решетки мишени.

Эффекты каналирования ионов, т. е. глубина минимумов (или высота максимумов), полуширина, расположения их в угловых и пространственных распределениях рассеянных ионов дают све­ дения о различном и в то же время строго упорядоченном распо­

265

ложении атомов в различных плоскостях кристалла. В процессе исследования установлено, что формы углового, пространственного

выраженности или сглаживания анизотропий угловых и простран­ ственных распределений рассеянных ионов помогает установить совершенство тех или иных кристаллов, выращенных в различных условиях и т. д.

Анизотропия потери энергии рассеянных ионов в зависимости от азимутального угла поворота мишени обусловлена изменением числа столкновений ионов с атомами цепочки, плотность которой неодинакова вдоль различных направлений. Сглаживание же ани­ зотропии углового и пространственного распределений (см. § 2, 3 гл. III) и смещение пиков энергетического спектра, полученного при скользящих углах, хорошо объясняется влиянием тепловых колебаний атомов решетки на процесс рассеяния ионов. Дело з

том, что при достаточно высоких температурах (Т X) 2000°К) кристалла тепловые колебания атомов решетки могут приводить к уменьшению взаимного экранирования атомов в цепочке и соот­

испытавшим цепочечные столкновения, могут смещать свои энерге­ тические положения в сторону меньших энергий спектра, что и наблюдается в эксперименте (см. § 3 гл. III).

Известно, что увеличение температуры мишени приводит к росту амплитуды колебаний атомов решетки и соответственно к сглаживанию различий плотности упаковки атомов в цепочках. Последнее и является причиной сглаживания анизотропии угло­ вого и пространственного распределений. Влияние температуры мишени на процесс рассеяния значительно больше тогда, когда одновременно больше как угол падения, так и угол вылета, т. е. когда условия рассеяния иона изменяются в сторону преоблада­ ния цепочечных столкновений.

с основными положениями эксперимента, как показали наши ис­ следования угловых закономерностей рассеяния ионов на образ­ цах (кремния и германия), у которых температура отжига радиа­ ционных нарушений значительно выше, чем у металла [99] (см. § 5 гл. III), связано с условиями экспериментов, обеспечиваю­ щих эффективный отжиг дефектов.

266