Изучение деканалирования протонов методом анализаориентационной зависимости спектров характеристического рентгеновского излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

Пелетминский, Владимир Сергеевич АВТОР
кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
Харьков МЕСТО ЗАЩИТЫ
1995 ГОД ЗАЩИТЫ
   
01.04.16 КОД ВАК РФ
Автореферат по физике на тему «Изучение деканалирования протонов методом анализаориентационной зависимости спектров характеристического рентгеновского излучения»
 
Автореферат диссертации на тему "Изучение деканалирования протонов методом анализаориентационной зависимости спектров характеристического рентгеновского излучения"

РГБ ОД

1 4 А В Г 199§фькоэский государственный университет

На правах рукописи

Пелетминский Владимир Сергеевич

Изучение деканалирования протонов методом анализа ориентационной зависимости спектров характеристического рентгеновского излучения

01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физяко-ыатеыатических наук

Харьков 1995

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена в Харьковском государственном университете.

Научные руководители: академик HAH Украины, доктор физико-

математических наук, профессор СТОРИККО Владимир Ефимович; кандидат физико-математических наук, профессор

МУРАТОВ Владимир Иванович.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

СОЗНИК Александр Петрович (Харьковское Высшее Военное Училище Национальной Гвардии Украины); кандидат физико-математических наук КОЛОТ Владимир Яковлевич (Харьковский физико-технический институт)

Ведущая организация: Институт металлофизики HAH Украины, г. Киев.

Защита состоится " С " «эта^Й^М1995 г. в /Г часов на заседании Специализированного Совета Л 02.02.12 при Харьковском государственном университете (310108, г. Харьков-108, пр. Курчатова, 31, ауд. 301).

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной науйчной библиотеке ХГУ.

Автореферат разослан 1995 г_

Ученый секретарь Специализированного Совета, доктор физико-математических наук, профессор

Н. А. Азаренков

Общая характеристика работы

Актуальность. Успехи в развитии физики ион-атомных столкновений, ядерной физики, а также современной электронной техники определили появление новых оригинальных методов исследования структуры и состава твердых тел. В связи с широким применением пучков ускоренных ионов в науке и технике, исследования их взаимодействия с веществом, приобретают все большую значимость. Одним из основных методов изучения кристаллических твердых тел является метод каналирования пучков ускоренных заряженных частиц. Эффект каналирования частиц сейчас успешно используется для получения информации о дефектах кристаллической решетки, местонахождении примесных атомов, в технике ионного легирования, и т.д.

В большинстве случаев для интерпретации экспериментальных данных по каналированию пучков заряженных частиц необходимо обладать информацией о выходе частиц из канала, а именно знать поведение функции деканали-ровааия хМ- Как с экспериментальной, так и с теоретической точек зрения определение функции деканалирования представляет собой сложную задачу. Ее решение затрудняется тем, что переход ионов в режим случайного распространения является специфическим для каждого конкретного кристалла в зависимости от типа имеющихся в нем дефектов и характера их распределения. Поэтому результаты точных измерений я детальных расчетов, выполненных для совершенных кристаллов, проблематично использовать для образцов, с которыми приходиться иметь дело в научно-технических приложениях. На практике основным методом определения функции минимального выхода является метод резерфордовского обратного рассеяния частиц (POP). Функцию деканалирования определяют как отношения выходов обратно рассеянных частиц в режиме каналирования и случайного распространения пучка ионов. При этом ключевая проблема, от которой зависит достоверность получаемых результатов — способ пересчета шкалы энергий в шкалу глубин, который определяется выбором соотношения между тормозными способностями частиц, движущихся в канале и вне его. В частности, самосогласованный

подход к отысканию функции деканалирования в тормозных способностей частиц, движущихся в канале, позволяет вполне корректно построить зависимость от глубины минимального выхода частиц, установить механизм их деканалирования на начальном этапе распространения в кристалле ионного пучка.

Однако, чтобы быть зарегистрированным детектором, рассеянный ион должен иметь ввергаю, достаточную для обратного выхода из кристалла., поэтому предельная глубина, доступная для исследования методом POP, не превышает половины пробега частицы ври заданной начальной энергии. Кроме того, при уменьшении энергии регистрируемых частиц все сильнее сказывается их многократное рассеяние атомами мишени. Это проявляется как в характерном загибе спектра POP, так и в резком нарастании разброса отсчета детектора. Поэтому в кристаллах существуют целые области, которые невозможно исследовать с помощью метода обратного рассеяния, еде о дека-нал яровании частиц практически ничего не известно. Вместе с тем в глубине мишени значительная доля частиц все еще может оставаться в режиме канали-ровання. Наши оценки показывают, что для монокристалла W на предельном расстоянии от поверхности, еде информацию о деканалирования, полученную методом POP, еще можно считать достоверной, минимальный выход частиц, имевших начальную энергию E¡¡ =2.0, 1.5 и 1.0 МэВ, составляй соответственно всего приблизительно 25, 20 и 5%. Существенным является н тот факт, что дифференциальная функция деканалирования имеет здесь максимальное значение либо еще не достигает его. В этой связи актуальной задачей является определение минимального выхода частиц не только на начальном этапе распространения ионного пучка, но и в глубине кристалла.

Таким образом, представляется полезным иметь методику восстановления функции деканалирования, включающую в себя корректировку на разницу в тормозных способностях частиц и обладающую достаточной точностью описания выхода частиц на глубинах недоступных методу POP.

Выход характеристического рентгеновского излучения (ХРИ), возбуждаемого в мишени пучком ускоренных ионов, не зависит от глубины его генера-

ции. Интегральносгь процесса выхода ХРИ, в частности, несет информацию о деханалировании частиц с больших глубин их проникновения в материал мишени. Более того, аппаратура, регистрирующая спектры рентгеновского излучения, является стандартной и ею оснащены большинство установок по ионному анализу. Следовательно, идея использования спектров ХРИ для восстановления функции деканалированяя ионов представляется актуальной. Представляет интерес и разработка комбинированной методики, включающей в себя достоинства методов ХРИ и POP.

Этим обусловлена актуальность темы диссертации, которая посвящена разработке методики исследования деканалирования частиц в широком интервале глубин на основе анализа ориентационной зависимости спектров ХРИ.

Целью настоящей работы является построение методики исследования деканалирования частиц в монокристаллических мишенях в широком интервале глубин на основе анализа ориентационной зависимости спектров ХРИ.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Разработана методика восстановления функций деканалирования частиц на основе анализа ориентационной зависимости ХРИ.

2. Разработана методика восстановления функции деканалирования протонов на основе совместного использования спектров ХРИ и POP.

3. Предлагается использовать функции деканалирования заряженных частиц, полученные для широких интервалов глубин и спектры ХРИ для определения профилей концентраций примесей в монокристаллических мгапенях.

4. Предлагается метод оценки тормозной способности каналирующих частиц на основе анализа ориентационной зависимости спектров ХРИ.

Научная новизна. Все результаты, перечисленные в "Положениях выносимых на защиту", получены впервые, что и определяет новизну работы.

Практическая ценность работы. Разработанные методики восстановления функций деканалирования частиц в широком интервале глубин могут быть

использованы доя исследования монокристалл нческих образцов методом канал ирования частиц до глубин, недоступных методу POP. Предлагается использовать функции деканалировавия частиц в спектров ХРИ для определения профилей концентраций примесей в монокристалических мишенях.

Достоверность. Разработанные методики применялись для исследования декан ад ирования частиц с начальной энергией 1-3 МэВ в монокристаллах W и Ge. Полученные результаты хорошо согласуются с данными аналогичных исследований, полученных для глубин, до., ступных методу POP.

Диссертация состоит га введения, трех глав, заключения и списка литературы.

Содержание работы.

Введение содержит краткое разъяснения актуальности темы, формулируется цель и задачи работы.

В первой главе дан обзор использованной литературы. Рассмотрены особенности исследования процессов каналировашя пучков ускоренных ионов в монокристалических мишенях, выхода ХРИ в условиях каналироваиия. Затронут вопрос восстановления профилей концентраций примесей в кристаллах.

В разделе 1.1 рассмотрен вопрос о влияния кристаллической решетки на траектории ускоренных частиц, проникающих в монокристаллическую мишень. Приведен краткий обзор работ, посвященных изучению процессов какал ирования и декаяалировання ионов в кристаллах. Уделено внимание проблеме соотношения тормозных способностей частиц, движущихся в режимах каналирования и случайного распространения в материалах мишени. Отмечена, «па эта проблема остается центральной в теоретических и экспериментальных исследованиях процессов каналирования частиц. С ней, в частности, свтаны несовпадения многих экспериментальных дащшт> полученных в различных работах.

В разделе 1.2 дан обзор работам, посвященным проблеме выхода ХРИ, возбуждаемого ионами, распространяющимися в монокристаллической мишени. Отмечена возможность использования спектров рентгеновского излу-

чения в исследовании процессов деканалирования частиц. Рассмотрен ряд работ, посвященных использованию спектров ХРИ для определения состав» я дефектности кристаллических твердых тел.

В разделе 1.3 рассмотрены работы, посвященные задаче восстановления профиля концентраций примесей методом ХРИ.

Во второй главе рассмотрено экспериментальное оборудование, методика измерений, приведены основные экспериментальные данные и методы их обрат болей. Дан анализ аффекта изменения относительной интенсивности линий ХРИ при переходе пучка в режим каналирования.

Раздел 2.1 посвящен описанию технической части проведения эксперимента. Рассматривается используемое экспериментальное оборудование и условия проведения измерений.

При проведении эксперимента использовалась вакуумная камера, оснащенная трехосевым гониометром. Источником ускоренных ионов с начальной анергией 1-3 МэВ являлся электростатический ускоритель заряженных частиц. Спектры POP регистрировались поверхностно-барьерным детектором заряженных частиц. Спектры ХРИ, возбуждаемого в новокристаллических мишенях пучком протонов, регистрировались Si(Li) детектором рентгеновского излучения. В разделе приведена схема эксперимента.

В разделе 2.2 приведены экспериментальные спектры ХРИ и POP, полученные при облучении пучком ускоренных протонов монокристаллов W, Ge и GaAs. Дан анализ полученных экспериментальных результатов.

В разделе 2.3 кратко изложены методы обработки экспериментальных данных. Рассчитаны энергетические зависимости коэффициентов массового ослабления для исследуемых кристаллов. Обсуждается метод расчета выхода ХРИ, возбуждаемого пучком ускоренных ионов в монокристаллической мишени. Приведены аналитические выражения, которые легли в основу счетной программы восстановления функции деканалирования ионов методом POP. Все программы расчетов и обработки экснериметзльных данных написаны на алгоритмическом языке "Фортран-77" и реализованы на персональном компьютере IBM РС/АТ-386.

В разделе 2.4 произведен анализ эффекта изменения относительной интенсивности линий ХРИ, возбуждаемого протонами в монокристаллах W, Ge и GaAs, при переходе пучка в режим кал ал ирования. Обнаружена зависимость изменения относительной интенсивности линий ХРИ при случайном и ориентированном положении мишени от длины волны рентгеновского излучения. Между энергетическими зависимостями отношения интенсивностей линий и

коэффициентами массового ослабления существует очевидная корреляция.

I 1 '

При переводе образца в ориентированное положение интенсивность линии

падает тем слабее, чем меньше соответсвующий ей коэффициент массового ослабления. Так как ионы, движущиеся в режиме каналирования практически не ионизируют внутренние оболочки атомов мишени, то ХРИ возбуждается лишь деканалировадными ионами. В этой связи в данном случае ХРИ излучается в среднем с большей глубины по сравнению с неориентированным положением мишени, что и долясно приводить к наблюдаемому аффекту.

В третьей главе, которую можно считать основной, рассмотрены предлагаемые методы восстановления функций декан ал ирования ионов в широком интервале глубин на основе анализа ориентационной зависимости спектров ХРИ и POP. Обсуждается возможность использования подученных результатов для определения профилей концентрационных примесей в монокристаллических мишенях. Также рассмотрен метод получения информации о тормозных способностях каналированных частиц при помощи анализа ориентационной зависимости спектров ХРИ.

В разделе 3.1 дано описание предлагаемой методики изучения деканалирования частиц, оснсранной на эффекте изменения относительной интенсивности линий ХРИ при переводе кристаллической мишени в ориентированное положение. Возможность использования ориентационной зависимости спектров рентгеновского излучения для определения доли деканал ированных частиц основана на допущении, что каналирующие частицы практически не ионизуют К- и L- оболочки атомов мишени. Поэтому, рентгеновское излучение возбуждается лишь частицами, декавалировавшими иа поверхности и в глубине образца, а выход ХРИ является характеристикой процесса деканал ирования.

Из экспериментальных спектров ХРИ были получены ориентацнонные зависимости отношения интенсивности линий, отражающие изменение формы функции декаяалирования частиц.

Бели ограничиться заданным функциональным видом функции деканалирования хОО« 1° и сама эта зависимость может быть восстановлена по изменению интенсивности выхода ХРИ при переводе пучка ионов в режим кана-кирования.

Принимая во внимание допущение о равенстве тормозных способностей гастиц в режиме каналярования и случайного распространения, выход ХРИ ложно записать в виде:

4Л) = тПп ]ет™р[-цхкг{Е„ Е)-щщ, (1)

В режиме каналирования :

1Г = / ах{Е)ехр[-(Ххк2{Ео, Е))Х{г{Еа, Е))щщ, (9

где N0 - число налетающих частиц; О - телесный угол регистрации ХРИ; I - плотность вещества мишепн; <т - сечение генерации ХРИ, /1 - коэффициент [ассового ослабления; к - геометрический фактор; £(£) = —

Если считать, что функциональный вид х(г) задан, но при этом зависит от

ескольких вариационных параметров а,-: хОО = Хо1,а3.....»»(г)» тогда можно

роизвести численный расчет отношения интенсивностей линий ХРИ :

/Г = П/1? - (3)

Приравнивая рассчитанные и экспериментальные отношения интенсивно-гей, можно получить уравнение для определения параметров а; функции зканал ирования:

[

Бели функция деканалирования зависит от т параметров, то (4) можно рассматривать как систему уравнений для определения а,-. Таким образом, количество параметров, которое можно ввести для вариации функции деканалирования, равно числу уравнений типа (4). Последнее определяется количеством различных линий в спектре ХРИ измеряемой серии. Причем реально могут быть использованы лишь те линии, для которых величины отаичаются достаточно сильно, иначе соответствующие уравнения становятся тождественными.

Как известно, вполне адекватной аппроксимацией х(з), позволяющей удовлетворительно описывать экспериментальные данные, является функция вида: x{z) = Хо + (1- Xo)exp(-j), где хо — минимальный выход с поверхности кристалла, I — длина деканалирования. В нашем случае Хо и I — параметры, подлежащие определению. Найдя численные значения Хо и I легко восстановить поведение функции деканалирования частиц. Однако, задачу можно упростить, если величину хо выделить из спектров POP как отношение выходов обратно рассеянных частиц с поверхности кристалла в режиме канал ирования и случайного распространения пучка.

В разделе 3.2 рассматриваются экспериментальные результаты исследования деканалирования протонов с начальными энергиями 1-3 МэВ в монокристаллах Ge и W предположенным методом.

В разделе 3.3 предлагается методика восстановления функции деканалирования ионов в широком интервале глубин на основе совместного анализа ориентационных зависимостей спектров ХРИ и POP.

Минимальный выход частиц представляется в виде:

X(z) = - z0)x<{z) + *(zo - z)X>(z),

(5)

где x<(z) — полиномиальная аппроксимация функции деканалирования восстановленной из спектров POP. Функция минимального выхода на больших

глубинах представляется в виде:

где А,В,1 и а — параметры, подлежащие определению. Это выражение для определения функции деканалирования на больших глубинах использовалось с тремя наборами из четырех параметров А, В, I и а, два из которых задаются, а два других находятся из условий сшивания х< я Х> ' точке г0. Сама же го находится из требования равенства рассчитанных и экспериментальных значений отношения интенсивности линий ХРИ в режиме каналирования и случайного распространения пучка ионов. Эта методика была применена для исследования деканалирования частиц с начальными энергиями 1.0; 1.5 и 2.0 МэВ в монокристалле \У(раздел 3.4). Полученные данные хорошо согласуются с данными аналогичных исследований.

Функции деканалирования, восстановленные для широких интервалов глубин предлагается использовать для определения зависимости от глубины выхода ХРИ (раздел 3.5). Полученные кривые имеют максимумы, положение которых смещается при изменении начальной энергии протонов. Отмечается возможность использования этого эффекта для восстановления профиля концентраций элементов в монокристаллических решетках.

В разделе 3.6 предлагается новая экспериментальная методика, позволяющая оценить тормозную способность канал ирующей частицы на основе аяа-1иза энергетической зависимости отношения интенсивностей линий ХРИ при эриентированном и случайном положении монокристалла. Вводится эффек-гивная глубина Т, при достижении которой все частицы, (до этого канали-рованные) переходят в режим случайного распространения. Это позволяет кшисать для Ет — энергии частицы на глубине Т — уравнение:

ЕЮфг^^ЕтМ]"-* = Е)]"«МЕ) (7)

десь мар = Ца/(Ца — — коэффициенты массового ослабления,

^Ск\ЕиЕ,) = ^(ЕгУ^ЧЫМЕ) = 1?кХЕ)/1?ХЕ) (8)

вде — интенсивность линии а, возбуждаемой конами с энергией Е

при случайном и ориентированном наложении кристалла.

Т = к~\ца - НГх1п[4саК\Е, E)/F$\Et, Ет)\, (9)

где к — геометрический фактор. Зная функции Г = Т(Е) и Ет = Ет(Е) можно легко восстановить тормозную способность каналирующей частицы.

Зсь(Ет) = ф-Ч 1-^)-. (Ю)

Отметим, что предлагаемая методика пригодна для проведения оценок и качественного изучения энергетической зависимости тормозных способностей каналированной частицы. Заметим, что подбором образцов моясно достичь точного определения Sc. Для этого необходим подбор мишеней, вид функции деканалирования которых имеет ступенчатый вид, например, монокристаллические пленки толщиной Т, расположенные на поликристаллической подложке.

В заключении перечислены основные результаты работы, которые в основном совпадают с положениями, выносимыми на защиту.

Публикации. Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Григорьев А.Н., Дедик А.Н., Кульментьев А.И., Муратов В.И., Пелет-минский B.C., Савушкин Е.В., Сторижко В.Е. Изменение относительной интенсивности линий возбуждаемого ионами #+ спектра ХРИ при переходе от случайного к ориентированному положению монокристалла. — Поверхность, 1991, № 9, с.157-159.

2. Пелетминский B.C., Савушкин Е.В., Сторижко В.Е., Григорьев А.Н., Муратов В.И. Исследование деканалирования протонов в монокристалле Ge на основе ориентационной зависимости спектров характеристического рентгеновского излучения. — Поверхность, 1992, № 12, с.97-99.

3. Пелетминский B.C., Савушкин Е.В., Сторижко В.Е., Муратов В.И. Определение функции деканалирования в широком интервале глубин на основе со-

вместного использования спектров ХРИ и POP. — Поверхность, 1994, № 1, с.92-98.

4. Пелетминский B.C., Сазушкин Б.В., Сторижко В.Б. Определение тормозной способности канал ирующих частиц на основе анализа ориентационной зависимости спектров ХРИ. — Материалы XXI Всесоюзного совещания по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. — М.: Издательство МГУ, 1992, с.78-80. 5. Пелетминский B.C., Савушкин Е.В., Сторижко В.Б. Определение тормозной способности канал ирующих частиц на основе анализа ориентационной зависимости спектров ХРИ. — Тезисы докладов XXI Всесоюзного совещания по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. — М.: Издательство МГУ, 1991, с.44.

6. Григорьев А.Н., Дедик А.Н., Кульментьев А.И., Муратов В.И., Пелетминский B.C., Саоушкин Е.В., Сторижко В.Б. Изменение относительной интенсивности линий возбуждаемого ионами Е+ спектра ХРИ при переходе от случайного к ориентированному положению монокристалла. — Тезисы докладов III Всесоюзной конференции "Микроанализ на ионных пучках". Сумы: редакционно-издательский отдел. 1990, с.23.

Пелетшнський B.C. "Досвдження деканалювання прогошв методой анал1зу ор1бнтащйшм залежносп cneicrpiB характеристичного рентгешвсько-го випром1нюванняп.

Дисертащя на здобуття наукового ступеня кандидата фиико-математич-них наук за спещальшстю 01.04.16 - физика ядра та елеыентарних частинок. Харювсышй держушверситет, Харшв, 1994.

Розроблеш методики ноновлення функцп деканалювання юшв за основою анализу ор!ентащйно! залежноси спектров ХРВ до глибин недостуших методу РЗР. Одержат функцп деканалювання прононуеться використати для визначення залежносп Bin глибини виходу ХРВ, а також для визначення проф1лей юонцентрацн домшок у кристаллчних мишенях. Розглянена мож-ливкть визначення гальыово! здатноста каяалюйоваяих частинок за основою аяал5зу ор1ентащйно! залежное» cneicrpiB ХРВ.

Ключов! слова: каналювання, монокристал, рентгешвське вппрошню-вання.

Peletmimky V.S. "The study of proton dechanneling on the basis of analyst of an an orientation depence of PIXE spectra". Candidate of scince thesis o: physics of atomic nuclear and elementery particles. Kharkov State University Kharkov, 1995.

The method of determination of ion dechanneling function on dependence о PIXE spectra in inner regions of crystal is obtained. Presents results have beei used for the X-rays emission relative yield on the distance from the crysta surface and for the restoration of ал elements concentration profile in singl crystals. The possibility of determination ions stopping power on the basis с an orientation dependence of PIXE spectra is considered.