Моделирование механизмов взаимодействия ионов средних энергий с твердым телом применительно к анализу поверхности и ее модификации тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ДОНЕЦЬКИЙ ФІЗИКО - ТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ім. О.О.ГАЛКІНА

ТЕПЛОВ СЕРГІЙ ВОЛОДИМИРОВИЧ

УДК 537.534.8:535.376 620.193.6.533.924

МОДЕЛЮВАННЯ МЕХАНІЗМІВ ВЗАЄМОДІЇ ІОНІВ СЕРЕДНІХ ЕНЕРГІЙ З ТВЕРДИМ ТІЛОМ СТОСОВНО АНАЛІЗУ ПОВЕРХНІ ТА її МОДИФІКАЦІЇ

Спеціальність 01.04.07 - фізика твердого тіла

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук

Донецьк -1998

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донецькому державному університеті Міністерства освіти України.

Науковий консультант - доктор фізико-математичних наук, професор Бажин Анатолій Іванович, зав.кафедрою фізики твердого тіла та фізичного матеріалознавства Донецького державного університета (м.Донецьк)

Офіційні опоненти:

Чл.-кор. НАН України, д.ф.-м.н., проф. Нестеренко Борис Олексійович, зав. відділом Інституту фізики напівпровідників НАН України ( м.Київ );

Д.ф.-м.н., проф. Фельдман Едуард Петрович, зав. відділом Донецького фізико-технічного інституту ім.О.О.Галкіна НАН України (м.Донецьк);

Д.ф.-м.н., проф. Коваль Адольф Григорович, зав. проблемною лабораторією Харківського державного університету Міністерства освіти України (м.Харків ).

Провідна установа :

Київський національний університет ім. Т.Г.Шевченка Міністерства освіти України ( м.Київ).

Захист відбудеться 1998 р. о годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д.11.184.01 при ДонФТІ НАН України . (м.Донецьк, вул.Р.Люксембург, 72)

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ДонФТІ НАН України (м.Донецьк, вул.Р.Люксембург, 72)

Автореферат розісланий “ 1998 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д.11.184.01

к.ф.-м.н. Соловйов Ю.Я.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Дисертацію присвячено дослідженню закономірностей та механізмів знно'фотонної емісії (ІФЕ), емісії іонізованих атомів віддачи (ІАВ), рицільно-зіткпеїшої іонно-розсіювальної спектроскопії (ПЗІРС), фізичних спектіп пошарового аналізу елементного складу поверхні твердіх тіл при їх озпилгованні іонами низьких та середніх енергій, а також застосуваїппо озсіюваїшя іонів та вибивання атомів віддачи для аналізу структури юверхні твердих тіл.

АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ

Останнім часом у зв'язку з розвитком нових твердотільних технологій, асамперед мікроелектроніки, важливе значення набуває вивчення лементного складу та структури поверхні твердих тіл. Поміж інших методів налізу широке расповсюдження одержала діагностика поверхні за ;опомогою іонів низьких та середніх енергій, яка відрізняється від інших іетодик тим, що за її допомогою можна одержувати інформацію про тонкий гриповерхпевий шар товщиною у декілька атомних монопіарів, а у деяких ипадках і про окремий поверхневий моношар атомів твердого тіла, їикористання іонних пучків дозволяє також проводити пошаровий аналіз вердого тіла у процесі його розпилювання.

Цілком зрозуміло, що використання різних методів аналізу для держання кількісної ( а у ряді випадків навіть якісної) інформації вимагає нання головних фізичних факторів, які можуть впливати на процес аналізу.

1 цієї точки зору вивчення механізмів явищ, які використовуються для налітичніх методик, є важливим та актуальним при розробці цих методик!

ІФЕ застосовується для якісного аналізу елементного складу поверхні же більше двадцяти років. Але, незважаючи на велику експериментальну нформацію та значну кількість робіт, присвячених розгляданню можливих іеханізмів формування збуджених розпилених атомних частинок при іомбардуванні твердого тіла іонами, немає відповідей на значну кількість іитань, які стосуються ІФЕ, Це заважає подальшому застосуванню ІФЕ у фактичних напрямках аналізу поверхні.

Інтенсивні дослідження механізма формування ІАВ почалися порівняно іещодавно і здобули розвитку у двох напрямках: вивчення фундаментальних штань стосовно взаємодії іонів середніх енергій з твердим тілом, а також із пробами використовувати ІАВ з аналітичною метою. Останній напрямок є герспектившш, але потребує спеціально розробленого обладнання та іптимізації експериментальних параметрів, як для підвищення чутливості іетоду, так і для позбування від небажанних ефектів, які можуть мінювати реальну інформацію.

Перші роботи, прісвячені застосуванню ПЗІРС щодо аналізу структури поверхні твердого тіла з’явилися у 1981 p., та усього за декілька років за допомогою ПСІРС були одержані дуже важливі результати. Ця методика дозволяє отримувати інформацію про структуру перших атомних моношарів кристаличного твердого тіла. На відміну від традиційних методів структурного аналізу, ПЗІРС дає інформацію у прямому просторі та дає можливість легко розрізняти сорта атомів. У в останній час ПЗІРС використовується для аналізу дуже складних поверхневих структур, що привело до необхідності розробки спеціальних компьютерних програм для інтерпретації одержуємих експериментальних результатів.

Зарядовий склад розсіяних та вибитих з поверхні частинок при іонному бомбардуванні твердого тіла істотно впливає на інтенсивність потоків, що реєструються за допомогою електростатичних аналізаторів. Оскільки у елементному та структурному аналізі поверхні досліджується або відносна інтенсивність піків у енергетічному спектрі, або зміна інтенсивності піків при зміні геометрії експерименту, то питання про визначеній зарядового стану детектуємих частинок є критичним для аналітичних цілей. Розвиток у останні роки часопролітної методики реєстрації розсіяних та вибитих частинок дозволив у значній мірі обійти це питання та спростиш аналіз одержуємих у експерименті залежностей. Експериментальні результати, які одержані за допомогою часопролітної методики, дозволяють інтерпретацію з використанням моделювання траєкторій руху атомних частинок при іонному бомбардуванні поверхні. При цьому відсутня проблема побудування моделей зарядового стану частинок, що значно підвищує ступень достовірності моделювання і робить його практичним інструментом для використання з аналітичною метою.

Незалежно від того, яка методика використовується для аналізу елементного складу поверхні при пошаровому її розпиленні іонним пучком, самий процес іонного розпилення змінює інформацію про розподіл елементів по глибині приповерхневого шару. Окрім аппаратних еффекгів, таких як вплив форми кратеру та перенапилення, є фактори, котрих неможливо уникнути аппаратними методами, тому що вони є частиною самого фізичного процесу взаємодії енергетичних іонів з твердим тілом. Вивченню цих факторів, зменшенню їхнього впливу на результати аналізу, розробці моделей фізичних явищ з метою здобуття вірної інформації з експериментальних данних присвячена у останні два десятиріччя велика кількість робіт. їхня кількість зросла у зв'язку з аналізом складних систем, таких як, наприклад, багатошарові тонкі плівки, у яких процес аналізу може привести до повної втрати початкової інформації, якщо не оптимізувати експеримент.

Процеси осадження багатокомпонентних плівок пучками іонів низьких та передніх енергій почали досліджувати на початку 80-років та активно швчають у зв’язку з удосконаленням технологічного обладнання, можливістю одержання пучків іонів з контрольованими параметрами та можливістю одержання шарів стехіометричного складу, який потребується, та іеобхідними властивостями ( електричними, теплофізичними, адгезійними ). <інетика формування перехідного шару плівка - підкладинка визначається 5 а гать м а процесами : адсорбцією та субплантацією осаджуваних частинок, )озпиленням осаджуваної плівки та підкладинки, термічною та радіаційно -стимульованою дифузією, каскадним перемішуванням.

ЗВ’ЯЗОК з НАУКОВИМИ ПРОГРАМАМИ Дослідження, які описані у роботі, виконувались з 1982 до 1997 р.згідно з ірограмами Комітету з науки та техніки, Академії паук та Міністерства освіти Радянського Союзу та України.

МЕТА РОБОТИ

Метою роботи було дослідження закономірностей ІФЕ, емісії ІАВ, ТЗІРС, розробка уявлень про механизм» явищ і на цій основі моделювання гвищ з використанням комп'ютерів. Як вже підкреслювалось вище, іикористашія пошарового аналізу поверхні твердого тіла іонами середніх інерпії потребує розвитку теоретичних моделей для фізичних явищ які іають місце при аналізі. Метою роботи була також розробка моделі юзпилення двокомпонентних сплавів, описання еволюції домішкових грофілів у в умовах іонного бомбардування поверхні твердого тіла, у тому іислі іонами хімічно активних газів. Одною з розглянутих проблем було творення моделі осадження багатокомпонентних шіівок з використанням знних пучків. Усі результати було проаналізовано з точки зору оптимізації кспериментальних умов для одержання найбільш достовірної інформації гро поверхню твердого тіла.

ОБ’ЄКТИ ДОСЛІДЖЕННЯ Об'єктами дослідженім були моно- та полікристаличні метали та сплави, кисли металів та сплавів, матеріали мікроелектроніки.

МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ Для одержання інформації про досліджувані явища проводилися ксперименти по вимірюванню характеристик ІФЕ, емісії ІАВ, ПЗІРС. На снові цих експериментів та відомих з літератури результатів створювалися юделі та проводилося моделювання на комп'ютерах.

НАУКОВА НОВИЗНА ОТРИМАНИХ РЕЗУЛЬТАТІВ . Запропоновано статистичну модель збудження атомів у непружних атомних іткненнях низьких та середніх енергій. У межах моделі зроблені розрахунки ідносного заселення збуджених рівпей атома у залежності від параметрів

зіткнення як для газової мішені, так і для атомів віддачи при іошюм бомбардуванні поверхні твердого тіла.

2. Розглянуто можливий механізм формування безперервного вип ромінювання при іонній бомбардировці металів, заснований на збуджеїш молекул окислів металу у зіткненні з бомбардуючим іоном, яке веде до ї вибивання з поверхні. Виконано комп'ютерне моделювання та порівняння експериментом по залежності інтенсивності безперервного випромінюванії від енергії бомбардуючих іонів та сорту мішені.

3. З використанням комп'ютерного моделювання розпилення у сполученні : різними модельними припущеннями щодо ймовірності збудженні розпилених атомів проведено моделювання та порівняння з експерименто» кутової залежності інтенсивності ІФЕ. Результати моделювання дозволилі оцінити кількість швидких збуджених атомів серед розпилених збудженю атомів.

4. Запропоноване можливе пояснення причини з'явлення максимума, якиі відходить від поверхні, у просторовому розподілі інтенсиності ІФЕ. Воііс засноване на розгляданні апаратних ефектів та анізотропії кутовогс розподілу розпилених збуджених частинок.

5. Створена модель механізму створення атомів віддачи(АВ) при іонній бомбардировці твердих тіл. З використанням моделі вивчено вплие сксперимеїггальних умов (енергія, сорт бомбардуючих частинок, геометрія експеримеїггу) на енергетичний розподіл АВ. Запропроновано якісну інтерпретацію одержаних результатів на основі концепції тіньових та блокуючих конусів. Розглядено можливість оптимізації експериментальних умов при використуванні спектроскопії ІАВ (CLAB) щодо аналізу елементного складу поверхні.

6. Розроблені моделі, які розраховані на описання швидких процесів атомних зіткань на поверхні з субмоношаровим адсорбованим покриттям. З їх використанням проаналізована можливість визначення геометричних характеристик таких покриттів. На основі аналізу експериментальних данних та моделювання за допомогою програми RECAD визначені параметри структури для ряду поверхней твердих тіл: Si(lll)-H, Ru(001)-H, Ir(110)-C, №(111>H, Si(l ll)-( v3* v 3)-Sn.

7.3a допомогою комп'ютерного моделювання вивчено можливість аналізу структури поверхневих моношарів твердого тіла з використанням розсіювання іонів та вибивання атомів віддачи поза площиною бомбардування.

8.У межах дифузійного наближення розвинута методика моделювання розпилення бінарних сплавів та утвореній зміненого шару у приповерхневій області, описання еволюції домішкових профілей під час пошарового

юзпнлеїшя твердого тіла іонами низьких та середніх енергій. На цій основі шконані розрахунки, аналіз яких дозволив зробити висновки щодо можливих іасобів зменшення спотворювань початкового профілю домішків у процесі іналізу. Запропоновано модель, яка описує пошаровий аналіз концент-заційних профілів за допомогою іонів хімічно активних елементів, наприклад, кисешо. У межах моделі запропоновано пояснення явища шеншення "розпливашія" профілів у процесі аналізу, яке було досліджено у експериментах.

). Розвинуто методику використання дифузійної моделі осадження плівок іонними пучками до розрахунку концентраційних профілів плівки та шдкладинки до ряду реальних систем.

ПРАКТИЧНЕ ЗНАЧЕННЯ ОТРИМАНИХ РЕЗУЛЬТАТІВ

У дисертаційній роботі одержано ряд результатів, які розширюють фізичні уявлення про взаємодію атомних частинок з поверхнею твердого тіла, увійшли до відповідних монографій, мають прикладне значення та можуть 5ути використані при аналізі елементного складу та структури поверхні твердого тіла. На думку автора, можна виділити декілька результатів:

- рекомендації щодо вибіру експериментальних умов при проведенні аналізу элементного складу поверхні методом СІАВ;

■ методика визначення геометричних характеристик субмоношарових покриттів на поверхні монокристалів - методика моделювання експериментальних результатів, одержаних методом ПЗІРС у широкому інтервалі кутів бомбардування, а також при детектуванні часопролітнім методом розсіяних та вибитих частинок у площині бомбардування та поза нею;

- результати розрахунків еволюції домішкових профілів при пошаровому аналізі дозволяють зробити висновки щодо можливих засобів зменшення спотворень у процесі пошарового аналізу поверхні твердого тіла;

- методика розрахунку концентраційних профілів систем плівка -підкладинка у залежності від умов нанесення плівок іонними пучками.

Ряд результатів, одержаних у рамках виконання госпдоговірних робіт, використовується у організаціях, що займаються аналізом поверхні твердого тіла та розробкою нових технологічних матеріалів мікроелектроники.

ОСОБИСТИЙ ВНЕСОК АВТОРА У дисертації приведені результати досліджень, виконаних у 1982-1997 рр. як особисто автором, так і спільно з працівниками та аспірантами кафедри фізики твердого тіла та фізичного матеріалознавства Донецького держуніверситету: А.І.Бажиним, В.П.ІПестовим, В.В.Козелем, В.Н.Рижовим, Г.В.Корнічем, В.ІО.Жадько, В.В.Заставгаоком, Л.О.Корніловой,

О.С.Запорожчепко, А.А.Волоконськой, А.А.Губаревим, а також з

працівниками НДІЯФ МГУ В.І.ПІульгой, Е.А.Криловою, з працівниками лабораторії атомних зіткнень Аризонського університету (США) під керівництвом проф. І.С.Т. Цонга, з працівниками лабораторії проф. У.Рабалаіса з Хьюстонського університету (СІЛА). У експериментальних роботах, цитованих у дисертації, автором обговорювалась ідея та план експерименту, виконувалась обробка та аналіз одержаних результатів. У теоретичних роботах, які лягли у основу дисертації, автором ставилася мета дослідження, розроблялась модель явища, робилися висновки по роботі. У значній кількості робіт автором були написані програми для моделювання на компьютері, а у решті робіт розробка програм та моделювання виконувалось під керівництвом автора. В роботах, спільних с В.І.Шульгою, використовувалась написана ним програма OKSANA, у яку був введений блок для моделювання збудження розпилених атомів, запропонований автором.

АПРОБАЦІЯ РЕЗУЛЬТАТІВ ДИСЕРТАЦІЇ

Головні результати дисертаційної роботи докладалися на: 7-10 Всесоюзних та 11 Міжнародній конференціях з взаємодії атомних частинок з твердим тілом (Мінськ,1984; Москва,1987,1989,1991,1993); 19 та 20 Всесоюзних нарадах з емісіонної слектроники (Ташкент,1984; Київ,1987); З

- 6 Всесоюзних та 7 Міжнародній нарадах - семінарах "Діагностика поверхні іонними пучками" (Запоріжжя, 1983, 1992; Ужгород, 1985; Донецьк, 1988; Одеса, 1990); 4,5 Всесоюзних семінарах з вторинної іонної та іоино-фотонної емісії (Харків,1983 та 1988); 4,5,6,9 семінарах з розсіювання атомних частинок поверхнею твердого тіла (Ангрен, 1983; Ташкент, 1985; Фергана, 1986; Ангрен, 1989); 2 Всесоюзному симпозіумі з динаміки елементарних атомно-молекулярних процесів (Чорноголівка,1983); 2 Всесоюзному симпозіумі з фізики поверхні твердих тіл (Київ,1983);19 Всесоюзному з'їзді із спектроскопії (Томськ,1983); 17 Всесоюзній конференції з фізики магнітних явищ (Донецьк, 1985); 2 Всесоюзній нараді з

хемілюмінесценції (Уфа,1986);16 нараді з фізики взаємодії заряджених частинок з кристалами (Москв,1986); Всесоюзному симпозіумі "Вторінно-електронна, фотоелектронна емісія та спектроскопія поверхні твердого тіла" (Рязань,1986); 1 Всесоюзній конференції "Діагностика поверхні"

(Каунас, 1986); 7 Всесоюзній конференції з фізики низькотемпературної плазми (Ташкент,1987); Конференції Американського фізичного товариства (Новий Орлеан,1988); Міжнародній конференції з іонної імплантації у напівпроводішки та інші матеріали (Люблин,1988); Всесоюзній конференції "Іонно-променева модифікація матеріалів" (Каунас,1989); Міжнародній конференції з іонних пучків малих енергій LEIB - 5 (Гілфорд, 1989); Всесоюзному симпозіумі із взаємодії атомних частинок з поверхнею

твердого тіла, присвяченому пам'яті акад.У.А.Аріфова (Ташкент, 1989); 6 Міжнародній школі УЕІТ-89 (Варна, 1989); Міжнародній школі-семінарі Ж)ТКМА8-90 (Алушта, 1990); 9 щорічній конференції Аризонського

відділення Американського вакуумного товариства (Скотсдейл, 1991); 10 Міжнародній конференції з іонних пучків (Ейндховеи, 1991); 15 Міжнародній конференції із атомних зіткань у твердому тілі ІСАСБ-Іб (Лондон (Онтаріо, Канада), 1993); 40 Симпозіумі Американського вакуумного товариства

(Орландо,США,1993), 12 та 13 Міжнародних конференціях з взаємодії іонів з поверхнею (Москва, 1995,1997).

ПУВЛИКАЦІЇ

Основні результати дисертації надруковані у більш ніж 90 роботах у вітчизняних та зарубіжних виданнях. Перелік головних, на думку автора, робіт наведено у кінці автореферату.

ОБСЯГ ТА СТРУКТУРА РОБОТИ Дисертація складається із вступу, шости розділів, заключения та списку літератури з 421 назв. Загальний обсяг роботи, включно з 10 таблицями та 95 малюнками, містить 298 сторінок друкованого тексту.

ГОЛОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ У вступі приведено обгрунтування актуальності дослідження явищ, яких торкається дисертація, розглянуто стан досліджень до початку виконання роботи, показані головні напрямки та мета роботи. Коротко освітлено зміст дисертації, сформульовано елементи наукової новизни та головні положення, представлені до захисту.

Перший розділ - "Особливості статистичного підходу при описанні збудження та іонізації у атомних зітканпях середніх енергій" складається із вступу, п'яти підрозділів та висновків. У ній у межах статистичного наближення розглядається збудження атомів у повільних атомних зітканнях. Отримується зв'язок між непружною тратою енергії у зіткненні та її частиною, пов'язаною із збудженням та іонізацією одного з атомів у зіткненні. Головні результати, отримані у цьому розділі використовуються, коли розглядаються вірогідні моделі збудження та іонізації швидких атомів, утворених у процесі іонного бомбардування поверхні твердого тіла.

У підрозділі "Статистична модель збудження у атомних зітканнях" на основі проаналізованого у вступі підходу, який раніше використовувався для опису іонізаціі, пропонується вираз для розрахунку вірогідності заселення збудженого електронного стану у атомі як функції енергії збудження цього рівня та непружною передачею енергії атому , що розглядається у процесі атомного зіткнення.

У підрозділі "Розрахунок відносного заселення збуджених рівней атомів газової мішені під час її бомбардування пучком іонів" проілюстровано

використання моделі. До наступного часу зроблена значна кількість експериментів з дослідження заселення збуджених рівней атомів газових та твердотільних мішеней під час їх бомбардування іонами. Знайдено, що вірогідність заселення пропорційна ехр(-Еех /кТ еіг) де Еех -енергія збудження рівня, Т е£Г- "ефективна" температура мішені, яка бомбардується іонами. Це дало підставу інтерпретувати експериментальні результати з ІФЕ у межах так званого термодінамічного наближення. У підрозділі прямим розрахунком на основі запропонованої моделі продемонстровано, що така поведінка заселення може бути пов'язана із структурою атомних рівнів та статистичним розподілом проміж атомними електронами енергії, яка втрачається на збудження електронної підсистеми атомів, що зіткаються.

Наступний підрозділ присвячено питанню про розподіл непружної втрати енергії у атомних зіткненнях. Запропонована проста статистична модель розподілу енергії проміж зовнішними електронами атомів. Допускалася рівновірогідність усіх можливих розподілів енергії у системі зовнішних електронів. Одержані найбільш вірогідне та середні' значення енергії, що йде на збудження та іонізацію кожного із атомів у зіткненні. Для практичного використання одержаний розподіл було апроксимовано нормальним розподілом, для якого були знайдені його параметри у залежності від кількості зовнішних електронів атомів-партнерів по зіткненню та повної непружної втрати енергії у зіткненні. Порівняння результатів з експериментальними на газовій мішені демонструє добру злагоду.

У п'ятому підрозділі аналізується вплив каскадних переходів на заселення збуджених рівнів у непружних атомних зітканнях. Відомо, що багато збуджених рівнів, особливо з малими енергіями, можуть засілятися через каскадні переходи з вищележачих рівнів. Це веде до більшої інтенсивності відповідних оптичних ліній, які частіш за все використаються з аналітичною метою. Необхідність врахування каскадного заселення пов'язана також з тим, що структура каскада, яка використана у розрахунку, дає можливість врахувати різноманітні правила відбіру, які відомі із спектроскопії, але ігноруються у межах простого статистичного підходу. Вирішувалась система рівнянь, які описують переходи у багаторівневій системі. За початкові умови бралися значеній заселення рівней, одержані у межах статистичного підходу. Для демонстрації використання цієї методики виконано врахування каскадів при розрахунку відносного заселення збуджених рівнів у атомних зіткненнях. Як виходить з розрахунків, каскади можуть значно змінювати відносне заселення, а порівняння з експериментом показує, що їх врахування у межах модел, що розглядається, значно поліпшує злагоду з експериментом.

Другий розділ - "Результати дослідження ІФЕ та моделювання проі{есів утворення збуджених атомів, розпилених під час іонного бомбардування твердого тіла" - складається із вступу, семи підрозділів та висновків. У вступі описується стан досліджень ІФЕ та формулюються ті проблеми, коїрі торкаються у розділі. Це - експериментальне дослідження просторового розподілу інтенсивності ІФЕ та поведінки різних характеристик [ФЕ у залежності від геометрії експерименту. Це - комп‘ютерне моделювання: енергетичного розподілу розпилених збуджених атомів, <утової залежності інтенсивності ІФЕ, енергетичної залежності інтенсивності неперервного випромінювання у межах молекулярної моделі. Головна троблема, яка визначала напрямок дослідження, була: визначення того, яку гастину потоку розпилених збуджених частинок складають ті частинки, для ткнх підходить описування у межах механізму збудження у непружному ііткненні. Як величина цієї частини залежить від експериментальних умов , та ік вона співвідноситься з усім потоком розпилених іонним бомбардуванням ітомів твердого тіла.

У підрозділі "Експериментальне дослідження просторового розподілу нтенсивності ІФЕ" описується методика визначення параметрів модельного юрогового енергетичного розподілу (ЕР) розпилених збуджених атомів, ;апропонованого раніше . Ця методика базується на вимірюванні тросторового розподілу інтенсивності І ІФЕ - І(х), де х-відстань від поверхні, га порівняння цієї залежності з результатами розрахунків, які використовують лодельний ЕР. Виконано дослідження параметрів ЕР від енергії та сорту бомбардуючих іонів, від сорту та температури мішені, зокрема біля магнітного фазового переходу. Було знайдено, що параметри модельного іорогового ЕР, які знаходилися у експериментальній залежності І(х), ■■алежать від енергії та сорту іонів. Це можна розглядати як вказівку на те, цо досліджуваний ЕР відрізняється від ЕР каскадно розпилених атомів, іараметри якого визначаються тільки сортом мішені та геометрією ;ксперименту.

У цьому ж підрозділі аналізується можлива причина спостержуваного ' ряді експериментів максимума у просторовому розподілі І(х), який відстоїть іід поверхні. Як показують виконані розрахунки, поява такого максимума юже бути пов'язана з розміром перерізу пучка бомбардуючих іонів у :полученні з кутовою анізотропією виліту відносно поверхні розпилених буджених частинок. Положення максимуму залежить від ряду факторів, у ому числі апаратних, та може змінюватися для різних ліній у спектрі ІФЕ.

Серед результатів, одержаних при дослідженні модельного ЕР, треба вернути увагу на температурну залежність головного параметру ЕР -юрогової енергії Е від температури мішені Т. Залежність Е (Т) при

бомбардуванні Ni іонами Аг з енергією 5 кеВ поблизу точки Кюрі має складний немонотонний вигляд, що може бути пов'язане із зміною у характері адсорбційних процесів - із адсорбцією - десорбцією кисеїпо, присутнього серед остаточних газів у вакуумній камері та впливаючого на процес збудження-дезбудження розпилених атомів.

Наступний підрозділ прісвячено моделюванню ЕР збуджених розпилених атомів. При цьому розглядалися тільки швидкі процеси зіткнень на поверхні твердого тіла. Метою цього розділу дисертації було обгрунтування виду модельного порогового ЕР, запропонованого раніш багатьма авторами та використаного у багатьох роботах для аналізу експериментальних результатів. Для моделювання процесу збудження використовувалась статистична модель, запропонована у першому розділі дисертації. До цієї моделі було добавлено можливість дезбуджешія при відльоті атома від поверхні без випромінювати фотонів. Як метод аналізу було використане комп'ютерне моделювання методом Монте-Карло процесу вибивання атомів твердого тіла Оскільки статистична модель збудження ефективна тільки у зіткненнях, супроводжуваних непружними втратами енергії, порівняними із енергіями збудження ліній у спектрі ІФЕ, то для моделювання були обрано швидкі процеси зіткнень на поверхні у яких беруть участь бомбардуючи іони та поверхневі атоми твердого тіла. Були одержані гістограми ЕР при моделюванні поверхні (100) КС1 іонами Аг з енергіїю 5 кеВ, що відповідало умовам виконаного у нашій лабораторії експерименту. Результати моделювання порівнювались з модельним пороговим ЕР, одержаним при вимірюванні просторового розподілу інтенсивності ліній КІ 760ю90-766ю49 нм у спектрі ІФЕ. Головний висновок - навіть у межах механізму збудження у непружних зіткненнях відсутній гострий нижній кордон кінетичних енергій розпилених збуджених атомів. Врахування можливості збудження у непружному атомному зіткненні веде тільки до значного зменьшення кількості атомів з характерними для каскадного розпилення енергіями. Значення порогових енергій Е , одержані у багатьох роботах , скоріш мають зміст положення максимумів у ЕР. На основі моделювання запропоновано модельний безпоріговий ЕР, апроксимуючий результати моделювання.

У підрозділі "Моделювання енергетичної залежності нерозривного випромінювання під час іонного бомбардування металевих мишенів у межах молекулярної моделі" розглядена програма компьютерного моделювання, яка була розроблена для тестувашія на одержаних експериментальних данних ідей молекулярної моделі, запропонованої раніш у нашій лабораторії.

Дослідження поведінки характеристик ІФЕ у залежності від геометрії експерименту ї змістом наступного підрозділу. У ньому описуються дві серії

жспериментальних результатів - залежність від кута бомбардування ¡ідносного заселення збуджених рівней розпилених атомів та кутова ¡алежність інтенсивності різних ліній у спектрі ІФЕ.

До проведення експериментів цю проблему було теоретично розглядено іа основі механізму збудження атомів у непружних зіткненнях. Згідно іього механізму, можливий такий якісний хід розглядання. При збільшенні сута бомбардування (вимірюванного від нормалі до поверхні) зростає іастина швидких вибитих атомів твердого тіла. Серед них, у свою чергу, іростає доля атомів, вибитих під малими кутами відносно напрямку бомбардування - атомів, які потерпіли жорстке зіткаїшя з бомбардуючим оном. Таким чином, із збільшенням кута бомбардування зростає доля атомів з значною непружно втраченою у зіткненні енергією. Останнє у рамках ;татистичної моделі збудження повинне приводити до зростання відносного ¡аселення вищих збуджених рівней у швидких розпилених атомів.

Експериментально були отримані залежності відносного заселення іід кута бомбардування іонами Аг з енергією 10 кеВ полікристаличної ■іішеиі Са для кількох збуджених рівней атомів Са: Cal 422.7нм(енергія ¡будження Еех=2.93 еВ),СаІ422.5нм (Есх-:4.68еВ), СаІ458.6нм (Есх=5.32 еВ). Розрахунки у межах статистичноі моделі збудження було виконано для : азової мішені, для поверхневих атомів, вибитих у наслідку одного зіткнення з бомбардуючим іоном (атомів віддачи). При цьому враховувалась можливість каскадного заселення, згідно методики, розвинутої у топередньому розділі. Для атомів віддачи враховувалась також можливість зелаксації збудженого стану без випромінювання (згідно з Хегструмом).

Із порівняння проведених розрахунків та експериментів можна ¡робити висновок, що приведене якісне розглядання непогано описує '-постережену залежність від кута бомбардування відносного заселення ¡буджених рівней. Різниця між експериментом та розрахунком може бути юв’язана з тим, що ми не розглядали внесок до ІФЕ каскадно розпилених ¡буджених атомів (це особливо важливо для малих кутів бомбардування). Для саких атомів неадекватне описування збудження у межах статистичноі моделі.

Друг а серія експериментів була наслідком бажання оцінити відносний шесок швидких атомів віддачи та каскадно розпилених атомів до ІФЕ. Оскільки залежність двох фракцій від кута бомбардування ер має бути )ізною, то вивчення ходу функції І( ер), де І - інтенсивність лінії у спектрі ІФЕ, ложе дозволити зробити висновки щодо механізму розпилення збуджених ітомів. Такі залежності було одержано для ряду металевих мішенів при бомбардуванні їх іонами різного сорту та різних енергій. Так, наприклад мішень з юлікристаличного Li бомбардувалас іонами Аг з еиергіїю 25 кеВ. При цьому ¡постерігалась кутова залежність інтенсивності ліній: LÍI610.4 нм (Еех = 3.87

eB), LiI323.3 нм (Ев = 3.83 еВ), L1I670.8 нм (Ем = 1.85 еВ). Виявилось, що для цих кривих різними є відношення інтенсивності при куті, коли вона досягає максимуму, до інтенсивності при нормальному до поверхні бомбардуванні. Де вказує на те, що залежність від кута бомбардування не пов'язана тільки з кутовою залежністю розпилення, як це мало бути коли головну частину збуджених атомів складають каскадно розпилені атоми. У розділі, присвяченому обговоренню експериментальних даних, наведені можливі причини різниці між кутовою залежністю коефіцієнту розпилення S та інтенсивності ІФЕ -1.

Детальному кількісному аналізу цєїї проблеми присвячено наступний підрозділ "Моделювати кутових залежностей інтенсивності ІФЕ", у якому для розрахунку кутових залежностей коефіцієнту розпилення та інтенсивності лінії у спектрі ІФЕ була використана розроблена В.І.Шульгою (НДІЯФ МДУ) програма моделювання розпилення при іонному бомбардуванні поверхні-OKSANA. Виконання цього моделювання було у значній мірі стимульоване появою експериментальної роботи (Машкова Е.С.,Молчанов В.А., Флеров В.Б.),у якій було прведено порівняння кутових залежностей S та І при бомбардуванні іонами Ne з енергієй 15 кеВ та Аг з енергією ЗО кеВ поверхні Си(ІОО) увздовж напрямку [110]. Спостерігалась інтенсивність лінії СиІ324.7 нм. Для таких умов і було виконане моделювання кутових залежностей S та І. У програму OKSANA було введено модель, яка дозволяла розраховувати вірогідність збудження W розпилених частинок у залежності від параметрів їхнього руху та механізму розпилення. При цьому розглядалися два типи модельних виразів для W. До першого типу було віднесено ті моделі, котрі об'єднує тс, що одержапі у їх межах вирази для W не мають порогового характеру відносно яких-небудь параметрів розпилених частинок. Сюди можна віднести різні варіанти квантовомеханічних (відривних) моделей. До другого типу моделей ІФЕ віднесено ті, що мають вираз для W із пороговою залежністю від якіх- небудь параметрів розпилених частинок. Так, наприклад, у статистичній моделі, про яку розповідалось вище, таким параметром є непружна втрата енергії у зіткненні, яке веде до вибивання поверхневого атома у вакуум.

Порівняння моделювання та експериментальних результатів показує, що залежності І(ф) та S(cp) корелюють одне з одним, але зв'язок досить складний. Зменшення відношення І/S для великих кутів бомбардування (ф>80° від нормалі до поверхні) пов'язане із блокуванням жорстких зіткнень бомбардуючих іонів із поверхневими атомами (ефект затінення). У випадку ковзного падіння пучка іонів на поверхню значний внесок у ІФЕ дають атоми віддачи, розпилені нормально до напрямку бомбардування. Як показало моделювання, при куті бомбардування ср=80° (від нормалі) внесок

n

ітомів віддачи у інтенсивність ІФЕ складає від 50 до 65%, у залежності від (иразу для W, використованого у моделюванні. Одержане добре узгодження діж результатами моделювання та експериментом.

У цьому ж підрозділі з використанням спеціально розробленої програми доделювання каскадного розпилення із збудженням атомів, лишаючих верде тіло, у в наслідок взаємодії із поверхневими атомами увздож траєкторії іідліту розраховані азимутальні з;шежності І та S. Порівняння із відомими з гітератури експериментальними даними виявляє непогане узгодження та іідтверджує заключения про адекватність методики компьютерного юделювання стосовно дослідження ІФЕ.

Третій розділ - "Моделювання механізму формування атомів віддачи тосовно до аналізу елементного складу поверхи і"-с.сіалаеться із вступу, і'яти підрозділів та висновків. У вступі даєься короткий звіт про стан іосліджень механізму створення АВ, торкається описане у літературі астосування АВ до аналізу поверхні твердого тіла, зформульовано мету а задачи досліджень, які описуються у цьому розділі.

У підрозділі "Результати експериментального дослідження нергетичного розподілу атомів вітдачи" описується експериментальне ібладнання, на якому виконувались дослідження, обгрунтовується вибір іішені (монокристалу Ni), геометрія експерименту, характеристики пучків знів (використовувались іони: Ne, Аг, Кг, Хе), методики детектування знізоваїшх АВ (ІАВ). Приведені результати вимірювання ЕР ІАВ для різних зимутальних напрямків бомбардування та різних бомбардуючих іонів. Іідкреслгоється існування особливостей у ЕР, які узгоджуються із езультатамі іншіх авторів. Робиться висновок про необхідність омпьютерного моделювання процесу створення ІАВ для ідентифікації геханізмів, відповідаючих за появу тих або інших особливостей у нергетичному розподілі (ЕР).

Наступний підрозділ "Моделюваїпія механізму створення атомів іддачи. Програма RECOIL". У ньому описано програму для моделювання еханізму створення АВ при іонному бомбардуванні кристаличних твердих іл. У програмі узяти до уваги висновки попередніх досліджень щодо айбільш істотних факторів, впливаючих на характеристики АВ. Програма икористовує Монте-Карло методику у наближенні бінарних зіткнень, риймаїоться до уваги анізотропні корельовані теплові коливаїпія оверхпевих атомів твердого тіла, непружні втрати енергії у атомних тканнях. Використовується зворотньоквадратичний потенціал кінцевого адіусу із параметрами, які вибиралися із вимоги узгодження розмірів пьововго конусу, розрахованого на цім потенціалі із відомими результатамі •єна. Оскільки для практичного використання необхідно розуміння

походження різних частин ЕР, то у RECOIL є можливість аналізу траєкторій руху атомних частинок та викреслення деяких головних механізмів вибивання поверхневих атомів.

"Зарядовий стан атомів віддачи" - це назва наступного підрозділу, у якому розглядається модель механізму формування зарядового стану АВ. Процес утворення іонів було поділено на три частини. Формування з різною вірогідністю початкового зарядового стану атома віддачи після жорсткого непружного зіткання з бомбардируючим іоном описується у межах статистичного підходу з використанням ряду результатів, отриманих у першому розділі. На другому етапі можлива часткова або повна нейтралізація лишаючого поверхню АВ у процесі його взаємодії з найближчим поверхневим атомом увздож тректорії відліту (локальна нейгралізація). На третьому етапі можлива нейтралізація розглядається у межах уявлення про однорідну ізотропну поверхню твердого тіла (модель Хегструма).

У програму RECOIL було введено блок для розрахунку зарядового складу АВ у залежності від характеристик процесу їх утворення. Параметри моделі зарядового складу варіювалися у фізично розумних межах для одержання гідності з експериментальними результатами відносної інтенсивності вихіду ІАВ у залежності від куту виліту при фіксованому куті бомбардування мішені.

У наступному підрозділі розглядався вплив експериментальних умов на форму енергетичного розподілу (ЕР) АВ. За методику дослідження було використане моделювання процесу за допомогою програми RECOIL, яка була протестована попередньо на відомих експериментах. Як показують розрахунки, RECOIL дуже добре описує головні особливості ЕР та їх залежності від геометрії, енергії та сорту іонів і може бути використана для вибіру оптимальних умов експерименту у залежності від його призначення.

Цій проблемі присвячено наступний підрозділ "Про вибір експериментальних умов при елементному аналізі поверхні твердого тіла із використанням іонізованих атомів віддачи". Визначається, що спектроскопія атомів віддачи (САВ) це перспективний метод діагностики поверхні. Але, щоб у повній мірі використати можливості САВ необхідні деякі обмеження на геометрію (у тому діапазоні, де можливо спостерігати АВ), на енергію та сорт бомбардуючих іонів, на чутливість системи реєстрації. Це пов'язано з тим, що спостерігаємий ЕР для АВ має досить складну форму, у якій для елементного аналізу треба слідкувати за досить вузьким піком "справжніх" АВ, для яких можна запобігти затіненням та блокуванням. Важливу роль грає також інтенсивність сигналу при детектуванні АВ у залежності від експериментальних умов, що впливає на чутливість методу САВ. З

використанням програми RECOIL досліджувався вплив вказаних факторів на форму ЕР та вихід ІАВ. Продемонстровано, ідо для форми ЕР вплив різних факторів дозволяє просту якісну та у деякій мірі кількісну інтерпретацію, яка базується на розгляданні тіньових та блокуючих конусів. Вплив зарядового стану АВ веде до максимального вихіду ІАВ при встановленному співвідношенні між кутами бомбардування та виліту.

Четвертий розділ - "Аналіз структури поверхні з використанням зворотнього розсіювання іонів та вибивання атомів віддачи при бомбардуванні твердого тта іонами середніх енергій" - складається із вступу, чотирьох підрозділів та висновків.

У вступі описуються деякі методи аналізу структури поверхні твердого тіла, які використовуються частіше за усе. Більш детально розглядається новий перспективний метод прицільно зіткненної іонно-розсіювальної спектроскопії (ПЗІРС), у закордонній науковій літературі використовується скорочення «ICISS».

У підрозділі "Одноатомна статистична модель для інтерпретації експериментальних даних ПЗІРС" описується програма, яка дозволяє моделювати головну експериментальну характеристику методики ПЗІРС -залежність інтенсивності сигналу вид зворотньо розсіяних іонів І від кута бомбардування а (вимірюваного від поверхні) - 1(a) з малими витратами комп‘ютериого часу. Форма залежності 1(a) визначається сумісним впливом чотірьох факторів - розміром тіньового конусу позад поверхневого атому, густиною розсіяних траєкторій поблизу кордонів тіньового конусу, тепловими коливаннями поверхневих атомів, нейтралізацією розсіяних іонів. У моделі заздалегід розраховується форма тіньового конусу та густина траєкторій поблизу його кордонів для розглядаємого сполучення іон-атом та відповідної енергії іонів. Ця інформація потім використовується при побудуваїші залежності 1(a) без урахування теплових коливань поверхневих атомів твердого тіла. Одержана таким чином залежність 1(a) потім "розмивається" за рахунок ймовірності реалізації різноманітних теплових конфігурацій двоатомного поверхневого фрагменту. У розрахунках використовувались різні варіанти моделі нейтралізації розсіяних іонів. Якщо розглядається зворотне відбиття іонів від атомів поверхневого моношару, то має рацію користуватися моделлю Хегструма. Коли іони розсіювалися атомами другого моношару, то розглядалась також "однорідна" нейтралізація для іона у твердому тілі. Порівняння із відомими з літератури експериментальними даніми дозволяє зробити висновок, що пропонуєма розрахункова схема добре описує результати вимірювань для перших двох приповерхневих атомних моношарів твердого тіла.

Недоліком наближення, описаного у попередньому підрозділі, можна вважати те, що у ньому не враховується можливість перекриття тіньових конусів від атомів, розташованих у різних шарах мішені. Таким чином, не враховується можливість фокусування траєкторій бомбардуючих іонів у середині твердого тіла. Це не дозволяє використовувати модель при аналізі залежності Г(а) для великих кутів бомбардування, коли бомбардуючі іони проникають на значну глибину (декілька атомних моношарів) у мішень.

Щоб позбавитися від цього недоліка була розроблена програма моделювання зворотнього розсіювання іонів середніх енергій, яка використовує методику Монте-Карло. Цю програму було названо 1C1SS.N, ії описанню та демонстрації використання для інтерпретації спеціально проведених експериментів у широкому діапазоні кутів бомбардування присвячено наступний підрозділ-"Моделювання зворотнього відбиття іонів для багатошарової кристаличної мішені". Програма ICISS.N дозволяє розраховувати енергетичний розподіл іонів, розсіяних на фіксований кут, у всьому діапазоні кутів бомбардування. При цьому, для побудування експериментально детектуємої залежності, у одержаному розподілі можна виділяти піки, які пов'язані з різними сортами атомів-розсіювачив, які можуть бути на поверхні мішені. У програмі використовується так званий "універсальний" потенціал Бірзака-Літтмарка-Зіглера, розрахунок траєкторій руху атомних частинок виконується у наближенні бінарних зіткань, генеруються теплові коливання атомів твердого тіла із можливістю завдання різних амплітуд коливань для атомів різного сорту та різних атомних шарів мішені, можливо розглядати непружні втрати енергії у зітканнях. Можливе використання різних моделей для нейтралізації іонів: модель Хегструма, додаткова можливість нейтралізаціі у зітканнях з поверхневими атомами, а також однорідна нейтралізація коли іон рухається у твердому тілі, залежно від часу руху.

Програму було протестовано на відомих експериментальних даних, а потім застосовано до аналізу структури моношарового покриття: Su на реконструйованій поверхні Si(lll). Аналіз проводився з використанням іонів Не з енергіей 2кеВ у інтервалі кутів бомбардування від 0 до 70° та регістраціїю іонів, розсіяних як на атомах покриття (Sn) так і атомах підкладинки (Si). Із порівняння розрахунків та експерименту вдалося визначити положення атомів Sn на поверхні, а також параметри релаксації перших двох шарів Si.

Наступний підрозділ має назву "Визначення структури субмоношарового воденевого покриття на поверхні кристаличних мішеней з використанням атомів віддачи (програма RECAD)". У цьому підрозділі розглядається програма RECAD, що працює по методу Монте-Карло та

моделює бомбардування поверхні, вкритої шаром найлегшіх атомів - воденю. Для фіксованого кута бомбардування програма дає енергетичні розподіли розсіяних іонів, атомів вітдачи підкладинки та адсорбата для усіх кутів виліту із кроком в 1° від 1° до 90 ° (від поверхні).

Програму було використано до аналізу можливості визначення найлегшіх адсорбованих на поверхні атомів. При цьому було знайдено, що інформативним показником може бути інтенсивність піка у енергетичному розподілі, який відповідає атомам воденю, вибитим у деяких простих панцюжках атомних зіткнень на поверхні. При фіксованому куті бомбардування інтенсивність такого піку, як функція кута виліту має ряд максимумів, кутове положення яких залежить від положення адсорбатів відносно атомів поверхні.

Описанню тестування програми на відомих експериментах та ії використанню до аналізу поверхневих структур на базі спеціально виконаних експериментів прсвячено наступний підрозділ "Використання програми ІІЕСАО до аналізу деяких поверхневих структур". Виявилось, що залежність інтенсивності "воденевого" піку у енергетичному розподілі для фіксованого кута вітдачи також може використовуватися для визначення геометричних характеристик шару адсорбованих атомів. Порівняння результатів моделювання та експерименту дозволяє зробити висновок про те, що КЕСАО вірно передає головні особливості експериментальних результатів та, при відповідному виборі параметрів моделювання на відомих кристаличних структурах, може бути використаний для інтерпретації експериментів. Програма дозволяє аналізувати також характеристики розсіяних частинок та, виділяючи структурно чутливі особливості розсіювати, використовувати їх для визначення поверхневих структур, якщо це зручніше ніж використання атомів відцачи. Приведено приклади використання програми ІІЕСАО для визначення параметрів деяких структур: 8і(111)-Н, Ки(001)-Н, Іг(110)-С, №(111)-Н.

П 'ятий розділ - "Аналіз структури поверхні з використанням розсіювання іонів у режимі блокування та вибивання атомів віддачи поза площини бомбардування при детектуванні частинок часо-пролітною методикою" складається із вступу, трьох підрозділів та висновків.

У вступі зформульовано проблему, яка розглядається у розділі. У зв'язку з необхідністю одержання інформації про структуру поверхні під час нанесення на неї субмоношарових плівок, розглядається можливість нового підходу до аналізу структури у режимі реального часу. У відомих методиках аналізу іонними пучками або детектор частинок обертається навколо мішені під час ії бомбардування, або мішень обертається при фіксованому положенні джерела іонів та детектору. При цьому потребується

значний час для вимірюванім кутових залежностей інтенсивності потоків розсіяних або вибитих з поверхні частинок. Як альтернативний шлях пропонується розмістити навкруги мішені велику кількість детекторів та одержувати загальний кутовий розподіл частинок. 11а це потребується час, який залежить тільки від чуттєвості детектору та потоку бомбардуючих іонів. У зв'язку із складністю та великим коштом такого обладпення було необхідно виконати моделювання очикуваних результатів з метою оцінки чуттєвості методу та оптимізації параметрів плануємого обладнання. Така методика аналізу структури поверхні одержала робоче ім'я SARI (Scattering and Recoiling Image). Експериментальну реалізацію методики здійснено у лабораторії В.Рабалаіса (Хьюстонськийуніверситет, СІПА) у 1997 році.

У підрозділі "Моделювання розсіювання та вибивання атомів відцачи поза площиною бомбардування" описується версія програми RECAD, розроблена для моделювання SARI. У попередній версії розсіяні або вибиті частинки детектувалися тільки у тому разі, якщо їх вихідні траєкторії лежали у площині бомбардування з задаваємою точністю щодо азимутального кута виліту (при цьому виконувалось трьохвимірне моделювання траєкторії на поверхні). У версії RECAD-SARI можуть детектуватися усі частинки, які лишають поверхню. При цьому для кожного сорту частинок (бомбардуючі іони, атоми підкладинки та адсорбату) створюються двовимірові гістограми щодо азимутального кута та кута виліту. Азимутальний кут вимірюється у площині поверхні проміж вихідною траекторіїю та її проекцією на поверхню мішені. Частинки попадали до гістограм, якщо їх кінетичні енергії перевищували 800 еВ. Ця вимога накладалася для приближення результатів моделювання до експериментальних результатів при детектуванні частинок часо-пролітною методикою. Зарядовий стан частинок не брався до уваги, тому що програма була орієнтована на часо-пролітну методику. У програмі розглядалися теплові коливати атомів мішені та можливість фокусування траєкторій завдяки руху частинок у майже симетрійному атомному оточенні. Для того, щоб одержати добру статистику з'явилося необхіднім розраховувати від 20 до 100 мільонів каскадів, які ініціювалися бомбардуючими іонами.

У підрозділі "Структура моноатомних поверхней. Розсіювання у режимі блокування" представлено результати моделювання розсіювання іонів Ne з енергіею 2 кеВ поверхнями Pt(l 10)-(1 *2), Pt(110)-(1*3), а також іонів Ne з енергією 4 кеВ поверхнями Ni(001), Ni(110), Ni(ll). В усіх випадках бомбардування проводилося по нормалі до поверхні мішені. Вказані поверхні було вибрано з цілого ряду причин. Перші дві - приклад структур з великими та різними міжатомними відстанями в одному напрямку, малими та однаковими у другому. Крім того, для ціх поверхней є описаний у літературі

експеримент, порівняння з яким дозволило веріфікувати результати моделювання. Три інші поверхні - цс різні грані монокристалу Ni з добре відомою структурой та відносно малими міжатомними відстанями. Такий вибір мішеней дав можливість оцінити чуттєвість методики для різних типів поверхневих структур.

Внаслідок моделювання вдалося зробити ряд загальних висновків. Для моноатомних иоверхнсй з великими та малими міжатомними відстанями розсіювання іонів поза площиною бомбардування у режимі блокування (малі кути виліту) дає інформацію, що дозволяє визначити тип поверхневої структури. Розглядаючи інтенсивність потоку розсіяних частинок як функцію двох змінних (азимутального та кута виліту) можливо спостерігати як мінімуми так і максимуми. Положення мінімумів та максимумів є унікальнимим для кожної поверхневої структури та дозволяють її ідентифікувати. Для кожного азимутального напрямку значення кута виліту, при якому мінімум трансформується у максимум, відповідає фокусуванню вихідних траєкторій розсіяних частинок на краю блоковного конусу. Це критичне значення кута виліту залежить від енергії та сорту бомбардуючих частинок, сорту атомів мішені, міжатомної відстані увздовж азимуту та може бути використане для визначення данної відстані.

Наступний підрозділ має назву "Структура поверхні, вкритої моношаром легких адсорбованих атомів - Ni(110)-(2*1)-0". Головна мета цього підрозділу полягала в оцінці чуттєвості методу SARI до присутності на поверхні адсорбованих атомів та їх положення. При цьому головний інтерес полягав у випадку, коли адсорбовані атоми є легшими, ніж бомбардуючи частинки. Поверхню Ni(110)-(2*1)-0 було обрано як приклад тому, що, з одного боку, її структура добре вивчена експериментально, а з другого боку, відстань адсорбованих атомів кисеню до поверхневого моношару у межах існуючих методик не вдалось визначити з достатньою точністю. У підрозділі розглядалось також розсіювання іонів Ne з енергією 5 кеВ у режимі блокування та вибивання атомів віддачи кисеню при бомбардуванні іонами Ne під кутом 30° відносно поверхні.

Моделювання, виконане за допомогою програми RECAD-SARI, дозволило встановити деякі особливості методу SARI стосовно розглядаємо! поверхневої структури. Як розсіювання у режимі блокування, так і вибивання атомів віддачи адсорбату при малих кутах виліту можуть давати інформацію, достатню для визначення параметрів структури поверхні із губмоношаровим покриттям. У тому разі, коли бомбардуючи частинки гяжеліші, ніж атоми адсорбату, останні приймають участь тільки у перерозподілі потоку розсіяних частинок, утворюючи додаткові ефекти блокування та фокусування для вихідних траєкторій розсіяних частинок. Ана-

лізуючи ці ефекти, можливо визначити положення адсорбованих на поверхні атомів із зміни критичних кутів виліту розсіяних частинок увздовж виділиних азимутальних напрямків. У разі вибивання атомів віддачи адсорбату поза площини бомбардування, аналіз деяких фокусованих вихідних траєкторій також дозволяє одержати інформацію про положення адсорбованих атомів на поверхні. У цьому разі кутова залежність інтенсивності потоку атомів вітдачи адсорбату чутлива до критичної величини кінетичної енергії частинок, визначаємої системою детектування часо-пролітною методикою.

Шостий розділ - "Особливості використання іонів середніх updo пошарового аналізу елементного складу твердих тії" складається із вступу, восьми підрозділів та висновків.

У вступі зформульована проблема, яка розглядається у розділі. Підкреслюється, що аналіз елементного складу приповерхневої області твердого тіла та при осадженні плівок з використанням іонів середніх енергій генерує значну кількість процесів, які впливають на результати аналізу та характеристики зони переходу «плівка - підкладинка» . Вивченню деяких з цих процесів та розгляданню можливих засобів зменшення їх впливу на результати аналізу , моделюванню процесу осадженім плівок і присвячений цей розділ дисертації.

У підрозділі "Процеси, що протікають на поверхні твердого тіла у в умовах іонного бомбардування" приведено огляд експериментальних та теоретичних робіт, присвячених розглядаємому питанню. Особливо виділяються модельні уяви відносно селективного розпиленім багатокомпонентних мішеней, раднаційно-стимульованої (PC) сегрегації Гіббса, PC дифузії, PC сегрегації, іонного перемішування.

Наступний підрозділ "Дифузійна модель описування розпилення бінарного сплаву" присвячений моделі, яка може бути застосована до сплавів з близькими атомними масами компонент, коли ефект селективного розпилення пов'язаний, головним чином, з різницею поверхневих енергій зв'язку. Запропоновано два варіанти моделі: з фіксованим коефіцієнтом дифузії, а також із врахуванням механізму утворення вакансій у приповерхневій зоні під дією іонного бомбардування, що стимулює усхідну дифузію компонент. У межах першого варіанту, окрім стаціонарного, одержане аналітично також нестаціонарне рішення, яке описує еволюцію концентрації компонент сплаву у зміненому шарі поблизу поверхні. У більш складнішому другому варіанті моделі одержані аналітичні вирази для стаціонарного рішення для характеристик зміненого шару протягом стаціонарного розпилення. Одержано критерії реалізації різних можливих типів стаціонарних концентраційних профілів компонент сплаву.

У третьому підрозділі розглядено ефекти іонного перемішування та

селективного розпилення протягом пошарового аналізу концентраційних домішкових профілів. Пропонується модель, яка описує еволюцію домішкових профілів протягом пошарового аналізу іонними пучками

середніх енергій. У розрахунках використовувались різні модельні уявлення щодо області іонного перемішування. Продемонстровано, що для усіх розглядених областей, положення максимальної концентрації профілю

зміщується до поверхні у порівнянні з початковим положенням, а профіль поширюсться. Як робочий, розглядався інтегральний оператор поширення на обмеженій області поблизу поверхні (0<х<Ь, координата х видраховуїться від поверхні у глибину мішені, Ь- розмір області перемішування) з постійним у цій області коефіцієнтом іошюго каскадного перемішування Б. Процес переносу у межах області перемішування описаний рівнянням дифузійного типу. Параметри рівняння - Ь, Б, V (де У-швидкість руху розпилюємої поверхні) є функції експериментальних умов: маси, атомного номеру мішені, поверхневих енергій зв'язку, куга бомбардування, енергії, густини потоку бомбардуючих частинок та їх сорту. Селективне розпилення протягом бомбардування бралося до уваги через межові умови. Розрахунки у межах моделі показали, що найменші спотворювання початкового профілю протягом пошарового аналізу досягаються використанням важких бомбардуючих іонів, форма одержуємого профілю не залежить від густини потоку бомбардуючих іонів.

У зв'язку з тим, що останнім часом багато експериментальних досліджень було присвячено особливостям використання іонів кисегао щодо пошарового аналізу, це питання розглядається у підрозділі "Про використання іонів ютсешо у пошаровому аналізі". Запропоновано модельне описання процесу пошарового аналізу, яке припускає утворення жеидів протягом процесу іошюго перемішування. Математічно це приводить цо появи додаткового члену у дифузійному рівнянні, який описує зв'язування атомів домішку кисенем. Розрахунок у межах моделі показав, що використання хімічно активних газів (наприклад кисеїпо) зменшує спотворення початкового профілю, коли підтримувати тими ж усі інші зкепериментальні умови (енергію, кут бомбардування, близьку масу бомбардуючого іону).

Наступний параграф «Моделювання іонного перемішування при тошаровому аналізу з урахуванням ефектів дози бомбардуючих іонів» трисвячено розгляданню моделі, яка описує еволюцію багатошарової мішені тід впливом іонного бомбардування. У в моделі враховується змінення соефіціентів у дифузійному рівнянні за рахунок змінення характеристик лішені, а також за рахунок впливу імплантації бомбардуючих іонів.

Три наступних параграфи присвячено описанню процесу осадження

багатокомпонентних плівок іонними пучками.

У параграфі « Вплив іонного перемішування на кінетику персходногс шару при нанесенні плівок іонами низьких та середніх енергій» описане модель росту багатокомпонентної плівки пучками іонів з енергіями 100-100С еВ, яка включає адсорбцію та субплантацію бомбардуючих частинок, каскадне перемішування, розпилення плівки та підкладинки. Моделі узагальнюється на випадок одночасного осадження та бомбардування плівки, яка зростає, іонами інертних газів. У рамках моделі виконане розрахунок концентраційних профілів ( КП ) для деяких систем плівка-підкладилка. Виконано порівняння з розрахунками КП методами Монте-Карло. Порівняння продемонструвало добре узгодження результатів, одержаних різними методами.

У параграфі «Розрахунок розподілу складу багатокомпонентних покриттів при їх напиленні іонними пучками» продемонстровано відносну важливість урахування «глибинних» ефектів (субплантації, термічної та радіаційно-стимульованої дифузії ) при різних енергіях бомбардуючих частинок. Виконано порівняння розрахунків з експериментальними вимірюваннями КП методом Оже-спектроскопії.

Заключний параграф має назву «Модель осадження багатокомпонентних плівок пучками іонів хімічно активних елементів». У описану вище модель введено можливість протікання хімічних реакцій на поверхні бомбардуємого твердого тіла. Виконано розрахунки, що демонструють вплив розглянутих ефектів на форму КП.

ГОЛОВНІ ПОЛОЖЕННЯ, ЩО ВИНОСЯТЬСЯ НА ЗАХИСТ

1.На основі комплексу експериментальних та теоретичних досліджень ряду характеристик: просторового розподілу інтенсивності ІФЕ, модельних виразів для енергетичного розподілу розпилених збуджених атомів, залежності інтенсивності ІФЕ від геометрії експерименту зроблено висновок про значення у ІФЕ швидких розпилених атомів. Внесок цих атомів у ІФЕ зростає із зростанням кута бомбардування і може робитися значним при великих кутах (менших, однак, кута затінення прямого вибивання поверхневих атомів мишені). Для швидких атомів вірогідним уявляється механізм збудження у непружному зіткненні

2.Експериментально та за допомогою моделювання виконано дослідження механізму формування іонізованих атомів віддачи (АВ). Досліджено вплив експериментальних умов па енергетичний розподіл АВ та зпропоновано якісну інтерпретацію результатів моделювання. Розглянуто можливість оптимізації експериментальних умов протягом елементного аналізу поверхні з використанням іонізованих АВ.

3.Показано можливість аналізу структури субмоношарового воденевого

окриття на поверхні твердого тіла з використанням АВ воденго. З ^користанням моделювання та експериментальних даних проведено аналіз юметричних характеристик моношару воденю на поверхні (211 ) W, а також оложення адсорбоваїшого воденго на поверхні (OOl)Ru та (11 l)Ni, атомів С а поверхні Іт(ІОО), атомів Sn на поверхні Si(l 1 1)-(v3*v3).

.Запропоновано метод аналізу структури поверхневих атомних моношарів чердого тіла з використанням розсіювання іонів середніх енергій та ябивання атомів вітдачи при їх детектуванні часо-пролітішм методом поза лощиною бомбардування. За допомогою моделювання продемонстровано уттсвість методу та проаналізовано оптимальні характеристики кспериментального обладнання, яке повинно бути використане з метою галізації методу.

.3 використанням дифузійного наближення запропоновано модель, яка писує розпилення двокомпонентних сплавів та утворення приповерхневого піненого шару. Модель розглядає потоки, пов'язані з градієнтами онцентрації компонент та радіаційних вакансій, утворених внаслідок іонного омбардування. Розвинута методика описання еволюції домішкових знцентраційних профілів у процесі пошарового аналізу пучками іонів гредніх енергій (у тому числі хімічно активних газів).

.Розвинуто дифузійну модель, яка описує процес осадження агатокомпонентної плівки іонними пучками, що враховує адсорбцію та озпилення з верхнього моношару твердого тіла, а також глибинні ефекти, ов‘язані із субплантацією, розпиленням з нижчих шарів, вакаїїсійно-рискорено дифузію, хімічні реакції. У межах моделі виконані розрахунки КП ізних плівок, досліджено вплив технологічних умов на одержані результати.

ГОЛОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ВІДБИТО У НАСТУПНИХ ПУБЛІКАЦІЯХ

.Бажин А.И.. Теплов С.В.. Шестов В.П. Механизм ионно-фотонной эмиссии ри распылении Ni низкоэнергетическими ионами Аг // Поверхность. -1984,-Г.11.-С.52-54.

.Теплов C.B. Статистическая модель возбуждения атома в атомных голкновениях средних энергий// ЖТФ. -1985. -т.55. -N.11. -С.200-203.

.Жадько В.Ю..Тешюв С.В.Расчет относительной заселенности озбужденных уровней атомов газовой мишени при её бомбардировке ионами редних энергий//ЖТФ. -1985. -т.55. -N.6.-C.1207-1210.

.Теплов С.В.. Шестов В.П.Экспериментальное исследование (іергетического распределения возбужденных атомов мишени при её омбардировке ионами средних энергий//Изв.вузов.Физика.-1985. - т.28. -

N.3. -С.9-12.

5.Жадько В.Ю.. Теплов С.В.Распределение неупругой потери энергии в атомных столкновениях//ЖТФ. -1986. -T.56.-N.7. -С.1410-1412.

6.Бажин А.И.. Теплов С.В.. Шестов В.П.О кинетическом механизме ионнофотонной эмиссии//Радиотехника и электроника. -1985.-T.30.-N.9. -С.1821-1826.

7.Бажин А.И.. Теплов С.В.Энергетическая зависимость интенсивности непрерывного излучения при ионной бомбардировке металлов в рамках молекулярной модели//Г1оверхность.-1986. -N.1. -С.108-111.

8.Рыжов В.H.. Теплов С.В.Исследование влияния угла падения ионов на интенсивность ИФЭ при бомбардировке поверхности металлов иолами средних энергий//Поверхность.-1986. -N.2. -С.10-14.

9.Бажин А.И.. Жадько В.Ю.. Рыжов В.Н.. Теплов С.В. Зависимость относительной интенсивности линий в спектре ионно-фотонной эмиссии кальция от угла бомбардировки поверхности ионами средних энергий// УФЖ. -1986,- т.31.- N.7. -С.998-1003.

Ю.Теплов С.В. О пространственном распределении интенсивности ионнофотонной эмиссии при учете размеров сечения пучка бомбардирующих ионов //Поверхность. -1986. -N.11. -С.45-49.

11.Теплов С.В. Расчет в рамках кинетического механизма ионно-фотонной эмиссии энергетического распределения возбужденных атомов, распыленных при ионной бомбардировке твердого тела // Поверхность. -

1987,- N.2. -С.48-51.

12.Бажин А.И.. Смирнова Т.С.. Коржавый А.П.. Ступак В.А.. Теплов С.В Восходящая диффузия примесных атомов замещения в приповерхностное слое кристалла// Укр. физ. журнал. -1987. -т.32. -№1. -С.116-119

13.Бажин А.И.. Жадько В.Ю.. Теплов С.В. О влиянии каскадных переходов на заселенность возбужденных уровней при неупругих атомных столкновениях//ЖТФ. -1988. -т.58. -N.3. -С.637-639.

14.Шульга В.И.. Теплов С.В. Расчет угловых зависимостей коэффициента распыления и интенсивности ионно-фотонной эмиссии // Поверхность. -

1988.-N.6.-C.11-18.

15.Tcplov S.V.. Porter T.L.. Chang C.S.. Rnipping U.. Tsong I.S.T.. Mechanisms of recoil ejection of Ni ions from a Ni (100) surface // Phys. Rev..-1988.-B38.-N.9_-p.2225-2231.

17.Бажин А.И.. Корнич Г.В.. Теплов С.В. О влиянии поверхностных энергий связи на процесс распыления двухкомпонентных сплавов //Поверхность.-1988.-N.12.-С.43-49.

18.Teplov S.V..Chang C.S..Kajarekar P..Porter T.L..Tsong I.S.T.Energy distribution of Ni ions recoiled from a Ni(100) surface// Nucl.Instr.Mcth..-1988.-

B35.-N.2.p.151-155.

18. Bazhin A.I.. Kozel V.V.. Shestov V.P.. Suchanska M..Teplov S.V. Temperature dependence of the energy distribution of excited atoms sputtered from an ion bombarded Ni(100) surface // phys.stat. sol.(a). -1989,- v.ll2.-N.l.-p.437-440.

19.Бажин А.И.. Жадько В.Ю.. Корнилова JI.О.. Корнич Г.В.. Теплов С.В. Преимущественное распыление двухкомпонентного сплава Л В низкоэнергетическимн ионами А // Металлофизика.-1989.-т. 11.-N.6. -С.98-100.

20.Бажин А.И.. Жадько В.Ю.. Корнич Г.В.. Теплов С.В. Расчет профилей концентрации компонетгг бинарного сплава в условиях ионной бомбардировки // Поверхность.-1990.-N.2.-С.60-66.

21.Теплов С.В. О машинном моделировании энергетического распределения быстрых атомов отдачи при ионной бомбардировке твердых тел// Поверхность.-1990.-N. 8.-С.31-38.

22.Теплое С.В. О выборе экспериментальных условий при использовании спектроскопии атомов отдачи для анализа поверхности твердого тела // Поверхность. -1990.-N.10.-С.24-31.

23.Bazhin A.I.. Suchanska М.. Teplov S.V. Model of continuum optical radiation induced by ion bombardment of metals //Nucl.Inslr. Meth. -1990. -B48. -p.639-642.

24.Корнич Г.В.. Корнилова Л.О.. Жадько В.Ю.. Теплов С.В. О роли ионного каскадного перемешивания при послойном анализе примесных структур //Поверхность.-1991. -N6. -С.15-21.

25.3аставнюк В.В.. Теплов С.В. О моделировании экспериментов по обратному рассеянию медленных ионов поверхностью твердого тела// Поверхность.-1991.- N7. -С. 14-19.

26.Bu П.. Teplov S.V.. Zastavnjuk V..Shi М.. Rabalais J.W. Angular anisotropy of

surface multiple scattering: analysis of carbon contamination on an Ir(110)

surface // Surfacc Science.-1992. - V.275. -p.332-338.

27.Корнич Г.В.. Корнилова Л.О.. Теплов С.В. О послойном анализе примесных профилей ионами химически активных газов// Поверхность. -1992. -N 4. -С.38-42.

28.Wang Y.. Teplov S.V.. Zaporozchenko О.S.. Bykov V.. Rabalais J.W. Coaxial scattering probe of the surface structure of the Si{ 100}(2* 1) and (1*1) -H chases // SurfaceScience. -1993.- V.296. -p.213-223.

29.3аставнюк В.В.. Теплов С.В. Моделирование механизма обратного эассеяния ионов средних энергий для целей анализа структуры поверхности твердого тела//Поверхность. -1994,- №6. -С. 16-22.

30. Teplov S.V.. Zastavnjuk V.V.. Bykov V.. Rabalais J.W. Computer simulations

of ion scattering and recoiling blocking patterns for surface structure analysis // Surface Science. -1994. -V.310. -p.436-450.

31.Волоконская A.A.. Теплов C,B. Влияние каскадного перемешивания на кинетику формирования переходного слоя при наненсении покрытий ионами низких и средних энергий //Поверхность. -1994,- №12. -С.31-37.

32.Губарев А.А.. Теплов С.В. Моделирование перемешивания слоистых систем при бомбардировке ионами средних энергий // Поверхность. 1995. №5. -С. 31-39.

33.Волоконская А.А.. Теплов С.В. Расчет распределения состава многокомпонентных покрытий при напылении их ионными пучками // Поверхность,- 1995. ~№4. -С.67-73.

34.Бажин А.И.. Волоконская А.А.. Теплов С.В. Влияние радиационно-стимулированной диффузии на кинетику формирования переходного слоя при нанесении пленки ионами низких энергий // Поверхность. -1995.- №4. -С.20-26.

35.Волоконская А.А.. Теплов С.В. Модель осаждения многокомпонентных пленок пучками ионов химически активных элементов // Поверхность. -1996. -№ 8. -С.51-57.

36.Бажин А.И.. Теплов С.В.. Яковлев Д.А. Моделирование распределения примесей при окислении поверхности твердых тел -Д.: Юго-Восток. 1997,234С.

Теплой С.В. Моделювання механізмів взаємодії іонів середніх енергій з твердіш тілом стосовно аналізу поверхні та її модифікації. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла,-Донецький фізико-технічний інститут НАН України, Донецьк, 1998.

Дисертацію присвячено дослідженням іонно-фотонної емісії, прицільно-зіткненпої іонно-розсіюванної спектроскопії, розсіюванню іонів та вибиванню атомів віддачи щодо аналізу структури поверхні, вивченню фізичних аспектів пошарового аналізу елементного складу твердих тіл та осадженню багатокомпонентних плівок під час бомбардування поверхні іонами. Створені комп'ютерні програми, що дозволяють моделювати вказані фізичні явища та одержувати вимірювані у експерименті характеристики у залежності від експериментальних та технологічних умов. Порівняння результатів моделювання та експерименту верифікує використовані моделі та показує їх ефективність. Головні результати роботи знайшли використання при аналізі елементного складу та структури поверхні твердих тіл.

Ключові слова: іонне бомбардування, поверхня, тверде тіло, елементний склад, структура, багатокомпонентні плівки, моделювання.

Геплов С.В. Моделирование механизмов взаимодействия ионов средних нергнй с твердым телом применительно к анализу поверхности и ее юдифпкацин. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-итематических наук по специальности 01.04.07 физика твердого тела. -Донецкий физико-технический институт им.Л.А.Галкина НАН Украины, Донецк, 1998.

Диссертация посвящена исследованию ионно-фотонной эмиссии прицельно - столкновитслыюй ионно-раесеивателыюй спектроскопии , щссеяния ионов и выбивания атомов отдачи для анализа структуры юверхности, нзученшо физических аспектов послойного анализа цементного состава твердых тел и осаждения многокомпонентных пленок гри бомбардировке поверхности ионами. Созданы компьютерные программы, юзволяющие моделировать указанные физические явления и получать □меряемые в эксперименте характеристики в зависимости от ксперименталышх и технологических условий. Сравнение результатов юделирования с экспериментальными данными верифицирует [спользуемые модели и показывает их эффективность. Основные результаты >аботы нашли применение при анализе элементного состава и структуры юверхности твердых тел.

Ключевые слова: ионная бомбардировка , поверхность, твердое тело,

лементный состав, структура, много компонентные пленки, моделирование .

Teplov S.V. Simulation of medium energy ions interaction with solids for he purpose of surface analysis and modification. - Manuscript.

Thesis for a doctor's degree by speciality 01.04.07 - physics of solids. - Donetsk ’hysics-Technical Institute of National Academy of Science of Ukraine, Donetsk, 998.

The dissertation is devoted to investigation of ion-photon emission, of impact ollision ion scattering spectroscopy, of ion scttering and recoil ejection for the iurpose of surface structure and composition analysis, of depth profiling and nilticomponent thin films deposition by using medium energy ion beams. The omputer codes have been created that give the opportunity to simulate above-aentioned processes and to obtain the measurable characteristics that are observed a experiments as a function of experimental and technological conditions. Comparison between the simulations and experiments verifys the results of imulation and shows the effectivnes of the codes. The main results have been used ti the laboratories that are studying the composition and the structure of solids.

Key words: ion bombardment, surface, solid, composition, structure, lulticomponent films, simulation.