Образование и фрагментация заряженных кластеров при ионной бомбардировке поверхности твердых тел тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ ИМЕНИ У. А. АРИФОВА

Р Г Б ОД

. : ' ' ' • ■ " На правах рукописи

ДЖЕМИЛЕ0 НАРВАН ХОДЖАЕВИЧ

ОБРАЗОВАНИЕ И ФРАГМЕНТАЦИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ КЛАСТЕРОВ ПРИ ИОШЮП БОМБАРДИРОВКЕ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Специальность 01.04.04. - Физическая электроника

Диссертация в форме научного доклада

на соискание ученой степени доктора физика - математических наук

Ташкент - 1994 г.

Работа выполнена в Институте электроники ии.У. А.Арифова Акадеиии иаук Республики Узбекистан г. Ташкент

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: .

1. Доктор физика - математических наук, академик Академии наук РУз, профессор САИДОВ М. С.

2. Доктор фиэико - математических наук, профессор МАРТЫНЕНКО Ю.В.

3. Доктор фиэико математических наук НАЗАРОВ Э.Г. .

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ • - Институт Металлофизики Академии наук

Республики Украина

, Защита диссертации состоится О_; 1994 г.

часов на заседании Специализированного Совета

Д. 015.23,21 в Институте электроники им, У. А.Аркфова АН РУЭ по

адресу:

700126, Ташкент, ГСП, Академгородок, ул. Ф.Ходяаева.ЗЗ

, С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института ' электроники им. У. А. Арифова АН РУз;

Диссертация разослана. "/¿" октября 1994 г.

Ученый секретарь > • .

Специализированного Совета Ж, с*>ч

д.ф.-м.н. ИЛЬЯСОВ А.З.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Интерес к исследовании распыления многоатомных комплексов -кластеров - при 'ионной бомбардировке твердых тел связан с двумя динамично развивающимися областями современного естествознания.

С одной стороны это традиционная, с богатым экспериментальным и теоретическим материалом физика распыления, уходящая корнями в . прошлый век, а с другой стороны - быстроразвивающаяся область современной физики - физика малых частиц.

Как показали работы последнего десятилетия, при, ионном распылении происходит эмиссия кластеров, содержащих от единиц до сотен атомов мишени и имевших массу на два-три порядка больше, чем масса бомбардирующих частиц; Основные закономерности этого явления до сих пор не поняты даже. на качественном уровне. Существующие модели объясняют лишь те или иные детали кластерообразования. Так, например, в течение длительного времени доминирующие в обсуждениях модели прямой эмиссии не в состоянии объяснить наблюдаемые большие . (достигающие десятков злектронвольт) кинетические энергии кластеров, а рекомбинационные модели не объясняют эмиссию ■ кластеров, содержащих более 3-х атомов.

В середине 70-х годов автором настоящей диссертации были начаты экспериментальные исследования эмиссии кластерных ионотг^^и бомбардировке ускоренными ионами инертных газов чистых поверхностей металлов.

В процессе работы над диссертацией:

- созданы установки и разработаны методы исследования вторично -ионной эмиссии СВИЗ) кластеров, основанные на масс *-спектрометрическом, энергетическом и угловом анализе продуктов ионной компоненты ВЮ;

- исследованы закономерности эмиссии заряженных кластеров в зависимости от степени чистота и температуры -поверхности, плотности тока, массы и вида бомбардирующих ионов, а также типа материала мишени;

- определены особенности регистрируемых массовых и энергетических спектров кластерных ионов.

Экспериментальный материал такого рода, полученный нами и другими группами к началу 80-х годов, не позволил исследователям понять механизм кластерообразования. Стала ясна лишь чрезвычайная • сложность этого явления. Экспериментальные результаты, полученные различными авторами в близких условиях опыта, во многих случаях

резко расходились. Причины такого расхождения быт не ясны. Проанализировав ситуации, мы высказали предположение о том, что причины этих расхождений не сводятся к проблеме точности измерений и условий и а поверхности, а имеет более глубокую природу. Они определяются тем, что кластеры, распыленные ионной бомбардировкой, могут покидать поверхность в состоянии колебательного возбуждения и затем на отлете испытывать фрагментацию, т.е. распадаться. Поэтому за промежуток времени до момента регистрации вторичных частиц СЮ"7 + 10"* с) существенно могут измениться характеристики распределения кластеров по массам, зарядам и энергиям в сравнении с теми характеристиками, которые имели эти частицы в момент вылета с поверхности. Промежуток времени между образованием ионов и их регистрацией может различаться для различных приборов, так что в близких условиях эксперимента • могут наблюдаться различные распределения. Подчеркнем. ■ также, что существующие модели кластерообразования описывают распределения частиц в момент их отлета с поверхности. Поэтому судить о справедливости этих моделей путем сравнения расчетных и измеренных характеристик через время At = 10"7 - 10"4 с не представляется возможным, если кластеры фрагментируют. • ■

Для проверки этого предположения в 1982 г. нами была начата разработка аппаратуры и методов по поиску и обнаружению распадов кластерных ионов в процессе ВИЗ. Первые же опьггы показали, что существуют эффективные каналы мсномолекулярной фрагментации металлических кластеров Си*, Ag+, Nb+ и Та+ Сп > 3) С8, Ш с

* n tt п п •

испусканием атома или нейтрального димера,

В 1983 году Стендинг с сотрудниками опубликовал работу £38], в которой сообщалось о наблюдениях ■ фрагментации распыленных комплексов i(CsDnCsl+ на пути их пролета во врэмлпролетном масс -спектрометре.

Обнаруженные процессы фрагментации кластерных ионов открыли новые возможности для. экспериментального получения информации о состояниях и свойствах кластеров Свремена жизни, характер й величина возбуждения метастабильных ионов), которые ойределяются как механизмом их образования СэмиссииЗ, до сих пор достоверно не описанным, так и свойствами самих кластеров, являющихся предметом изучения физики малых частиц.

Таким образом, исследование явлений, являющихся следствием эволюции возбужденных кластеров, становится актуальной задачей ■

фгаики ионного распыления а физики кластеров, важной для понимания природы распыления твердого тела в гиде кластеров и изучения характеристик самих распыленных частиц.

ЦЕЛЬЮ НАСТОЯЩЕЙ РАБОТЫ является экспериментальное "исследование закономерностей процесса образования и фрагментации кластеров при ионпой бомбардировке поверхности твердых тел путем измерения , распределений кластеров -по массам, кинетическим энергиям, ,' внутренним энергиям возбуждения, временам жизни в зависимости от характеристик бомбардирующего пучка, условий и свойств поверхности мишени и типа самой кластерной частицы. НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ

В результате. систематических экспериментальных исследований ■ закономерностей образования и фрагментации кластерных ионов были установлены новые экспериментальные факты и сформулированы основные физические закономерности, характеризующие процесс ВИЭ. Ниже приведены наиболее важные оригинальные результаты, впервые полученные автором.

1. В идентичных экспериментальных условиях при распылении атомарно чистых поверхностей Al, Si, V, Со, Си, Ag, Аи, lib, Та, Но и W ускоренными ионами инертных газов измерены относительные коэффициенты ВИЭ ионов Al* Cn=l-173, Si+ Сп=1-123, V* Сп=1-163, Со* Сп=1-15), Си* Сп=1-39), Ад? Сп=1-41Э. Аи+ Сn=l-21 J, Nb Сп=1-17), Та* Сп=1-13), Иор

r\ n П n

Сn=1-173, Г Сп=1-17Э. Найдены условия эффективного образования и эмиссии кластеров в зависимости от чистоты и температуры поверхности, плотности тока, массы и природы бомбардирующих ионов.

2. Установлена корреляция , между долей ■ кластеров в масс -спектральном составе вторичных ионов, отражающей эффективность кластерообразования, и расп'ыляемостью мишени. " Эффективность кластерообразования растет с увеличением -коэффициента распыления, и в зависимости от типа материала мишени и массы первичного иона доля кластерных ионов в масс - спектральном составе вторичных ионов достигает 80 - ЗОК.

3. При бомбардировке металлических поверхностей атомами водорода обнаружено распыление металлов в виде крупных кластеров М* Сп £ 9) я водоролосодержащих комплексов вида М^Н* Сл + m < 9).

4: Исследована вторично - конная эмиссия "на прострел" при бомбардировке металлических пленок ионным пучком " средних

3

энергий СЮ - 20 кэВ). Обнаружено, что массовый состав ВИЗ частиц, эмиттируемых с прямой и обратной стороны пленки, имеет существенные отличия. С прямой стороны наблюдается широкий масс-спектр, а .с обратной стороны гомо- и гетероядерные ионы отсутствуют.

б. Обнаружено, что Ъри ионном распылении металлов образуются колебательно - возбужденные ионы М*, которые в результате перераспределения энергии возбуждения внутри иона диссоциируют на всем протяжении своего пути от мишени до коллектора ионов.

6. В одинаковых экспериментальных условиях исследованы процессы мономолекулярной фрагментации положительно и отрицательно заряженных гомоядерных кластерных ионов А1~, Б!" и Си". Обнаружено, что основные характеристики реакций фрагментации кластеров в большинстве случаев не зависят от их зарядового состояния. Единственным исключением являются распады кластерных ионов А1* Сп = 3 - 24), которые имеют дополнительный канал распада с локализацией заряда на атомарном фрагменте.

7. Разработана методика измерения зависимости скорости изменения числа распадающихся кластеров от времени в' диапазоне 10~в ~ 10"* с и определения на этой основе функций распределения кластеров по временам жизни и константам скорости реакций фрагментации. Измерения проведены для кластеров Та* С45п^8), №Л СЗ < п < 3).

п

8. В рамках классического и квантового приближений теории мономолекулярных реакций Райса-Рамспергера-Касселя рассчитаны распределения распыленных кластеров Та* С 4 £ п < 8) и С 4 5' п < 10) по отнооительньм и абсолютным энергиям возбуждения во временном интервале 10"°- 10"* с. Конкретный расчет для

„'кластеров НЬ* С4 5 п 5 .10) показал, что средняя энергия возбуждения растет монотонно с увеличением размера кластера.

4 При пересчете на один атом средняя внутренняя энергия составляет примерно 1 эВ.

9. Показано, что в экспериментах по масс - спектрометрии вторичных ионов измеряемые распределения кластерных ионов по интенсивностям и кинетическим энергиям представляют собой распределения, установившиеся после эмиссии в результате наложения осколочных ионов на распределения стабильных йодов. Таким образом, совокупность научных результатов и ■ выводов

диссертационного исследования можно характеризовать как решение

И "

актуальной задачи физики ионного, распыления и физики кластеров, вносящее важный вклад в понимание природы распыления твердого тела в виде кластеров и свойств самих распыленных кластерных ионов. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ

1. Создан вторично - ионный масс - спектрометр секторного типа с двойной фокусировкой, обладающий высокими техническими параметрами . и эксплуатационными возможностями, позволявший проводить исследования распыления различых материалов ионами средних энергий, вести поиск конкретных соединений в многокомпонентных веществах путем исследования всех направлений распада сложых кластерных ионов, что существенно расширяет диагностические возможности традиционного метода ВИМС-анализа.

2. Реализованная в работе методика определения энергии активации (диссоциации) из прямых измерений спектров, энергии распада возбужденных кластеров Существенно расширяет возможности вторично-ионной масс-спектрометрии для изучения свойств малых частиц, состав которых можно широко варьировать как по числу атомов, так и по химическому содержании (в зависимости от используемой мишени, ' сорта и химической активности бомбардирующего иона).

3. Разработанный новый масс - спектрометрический способ анализа состава поверхности тонких пленок "на прострел" может служить основой новой модификации ВИМС, позволяющей получать сведения о химическом я элементном составе не возмущенной ионным ударом поверхности тонких пленок.

НА ЗАКИТУ ВЫНОСЯТСЯ следующие положения:

1. Выход заряженных кластеров при ВИЗ существенно определяется условиями на поверхности твердого тела. Измеряемые относительные выходы гомоядерных кластеров ММ4* зависят от чистоты мишени. Наличие загрязнений на поверхности и в объеме мишени приводит к уменьшении Выхода крупных кластеров Сп > 3), содержащих только атомы материала мишени. При распылении чистых поверхностей эмиссия кластеров становится ■ доминирующим процессом во ВИЗ.

2. Выход' крупных кластеров существенно зависит от материала мишени, массы бомбардирующего иона и свойств самих кластеров. Относительные выходы кластеров больше у материалов, имеющих зысокий коэффициент расныяения. Выход кластеров существенна

растет с, увеличением массы бомбардирующих ионов, Существует связь между эффективностью образования кластеров 'при ВИЗ. и полны« коэффициентом распыления материала: эффективность. кла-стерообразования растет с увеличением коэффициента распыления. Рост выхода кластеров при увеличении массы бомбардирующих ионов в рамках существующих 'моделей ВЮ не связан с изменением вероятности ■ ионизации распыленных кластеров, а определяется коллективными процессами при взаимодействии ускоренных частиц с твердым телом.

3. Кластерные ионы с п > 3, распыленные из твердых тел ионной бомбардировкой, образуются со значительной внутренней энергией возбуждения я фрагментируют после выхода из зоны ионного удара. Значение константы скорости распада и характер ее изменения от размера возбужденного иона Сп > 3) в исследованном диапазоне времен 10"° - 10~4 с. свидетельствуют в пользу представления как о реакции мономолекулярного распада, протекающей после перегруппировки и выделения энергии позСуждения на конкретной связи.

i. Характер мономолекулярной фрагментации кластерных, ионов, а именно: преимущественные каналы распадов и тип образующихся осколков вне зависимости от зарядового состояния кластеров - в большинстве случаев одинаков. Конечный результат ' мономоленулярноЗ фрагментации определяется как энергией диссоциации и энергией колебательного возбуждения, запасенной кластером, так и соотношением между потенциалами ионизации или электронным сродством образующихся осколков.

8. Возбуждение распыленных кластерных nonos можно-характеризовать функцией распределения по энергиям возбуждения, определяемой в рамках квантового приближения теории мономолекулярных' реакций , Райса - Рамспергера - Касселя. Следствием существования распределений эмиттированных кластеров по энергиям ..возбуждения является их фрагментация, . характеризуемая функциями распределений по константам скорости распада- и по временам жизни кластеров. ■ '

6. Зависимость скорости изменения -числа распадавшихся кластеров от Ертона, прошедшего с момента-их эмиссии в диапазоне 10~я -10"* с, имеет не экспоиснциалыша, & стопснной характер. Это является следствием суцестьоьания распределения кластеров по энергиям возбуждения и константам скорости фрагКиктацки.

б

Релаксация внутренней энергии кластеров путем распада трансформирует начальные характеристики энергетических и массовых распределений кластерных ионов ко времени их регистрации на детекторе ВИИС. Фрагментация кластерных ионов посла ¿миссии приводит к появление в массовых и энергетических спектрах ВИЗ одновалентных металлов четно - нечетных осцилляция, кластеров с "магическими" номерами, а в случае распылепия' алюминия - к выходу атомарных ионов с аномально высокой интенсивность». Корректная интерпретация масс- и энергоспектров, характеризующих процессы ЕЮ при распылении, возможна только о уотом фрагментационно-эволюционных процессов кластерных ионов после эмиссии.

ВНЕДРЕНИЕ РАЗРАБОТОК Результаты конструкторских разработок и макет созданного ценно - зондового кикроанализатора,' обладавшего высокой концентрационной чувствительностью, высоким1 пространственным н масс-спектральним разрешением й методическим оснащением, положены'в основу выпускаемых с 1990 г. ПО . "Электрон." г. Суш опытных образцов ионного микроанализ&тора МИ-1201 МЗ. АПР05АШЯ РАБОТЫ

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 1У-Х Всесоюзных конференциях "Взаимодействие атомных частиц с твердым телом" (Харьков> 1576, Минск - 1978, 1981, 1984, Москва -1987, 19893, Есесоганом сшлюйиуме по взаимодействию атомных частиц с твердым! телом памяти У.Д.Арифова (Ташкент - 19791, XVI - XX Всесоюзных конференции по •.эмиссионной, электронике С Ленинград -1979, Москва - 1931,. Ташкент - 1384, Киев - 19973, Всесоюзных совещаниях - семинарах "Диагностика' поверхности ионными путами" .(Донецк - 1580,'1988, Запорожье- - 19843, 4-6 Всесоюзных семинарах по вторичной' ионной в нонно-фотонной эмиссии (Харьков - 1993, 1988, 1991}, V,. VI, VII, IX..Международных конференциях по спектроскопии вторичных ионов (Парах.-. 1987, Амстердам - 1991), VI Международной., конференции по количественному анализу поверхности ('Лондон - 19903, VII Международной . конференции по. 'анализу нашт ' пучками СЭап.. Берлин - 19853/ VII 'МагдународнЬй конференции по ионно -.лучевой •!.годи$йкацни материалов (Ноксвилл; Теннеси 19903. 1 ■ ,

' . ПУБЛИКАЦИЯ.

V 'По'теай диссертаций опубликование 80 работ, основное содержание отражено в ■ 35 ,работах, принципиальные новшества защищены 2-мя

авторскими свидетельствами. В общем списке литературы,; цитируемой в докладе, работам автора соответствуют номера с 1 по 351 ЛИЧН1М ВКЛАД АВТОРА

Диссертация написана по материалам исследований, выполненных в Институте электроники АН РУз в период 1971-1993 гг лично автором и совместно с руководимой ;ш группой аспирантов и соискателей. Непосредственно с участием автора разработаны и созданы конструкции экспериментальных приборов, выполнен основной объем измерений, разработаны модели ц принципы интерпретации экспериментальных результатов. Автору принадлелдаг идея всех реализованных в виде кандидатских диссертаций работ, участие в их осуществлении, обработке и обсуждении результатов, а также руководство конструкторскими разработками по созданию опытных образцов ионно -зондовых микроанализаторов серии МИ-1201 МЭ на ПО "Электрон" г. .Суш.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ И ОБОРУДОВАНИЕ Исследования образования кластеров в процессе ВИЗ, обсуждаемые в диссертационной работе, были выполнены на основе прямой масс -спектрометрической регистрации распыляемых вторичных ионов. Первые исследования эмиссии кластерных ионов были выполнены на экспериментальной установке, разработанной на базе масс спектрометра МХ - 1303 12]. В дальнейшем для изучения процессов образования и моноыолекулярного распада кластеров при ионном распылении твердых тел были разработаны и созданы ВИМС с одинарной С17] и двойной [23, 24] фокусировкой, позволяющие проводить анализ по массам и анергиям материнских и осколочных ионов.

При разработке приборов особое внимание было уделено вопросу создания бомбардирующих пучков . для обеспечения генерации интенсивкьи потоков кластерных. ионов исследуемых твердых тел. Иэнно-оптическиэ системы первичного ионного пучка предусматривали два возможных режима работа: ыикрозондовый с размером пучка на поверхности образца менее 10 ыки и режим максимального тока для повышения чувствительности приборов. ' Вторичный ионный масс-спектрометр секторного типа с двойной фокусировкой, созданный в процессе выполнения диссертационной работы, защищен авторским свидетельством [19]. Результаты конструкторских разработок и макет прибора, обладающий высокой концентрационной чувствительностью, высоким пространственным и масс - спектральным разрешением и методическим оснащением,положены в основу выпускаемых ПО "Электрон"

опытных рбразцсз ионных микроаН'ализаторов серии МИ-1201 МЭ. ■

Основные технические параметры прибора с двойной Фокусировкой приведены в табл. 1. • - , '

■••■ Табл. 1.

Технические параметры прибора 1233

¡¡и

Наименование параметра

Величина

Особые условия

1

Предельный вакуум, Па

2 Сорт первичных ионов

3

8 7

9 10

(

И

Энергия первичных ионов, U , кэ В . р

Максимальный ток первичного пучка, А

Минимальный диаметр ионного пучка, мкм

Изотопическая чувствительность

Масс-спектралыгсэ разрешение

Пропуск?ние тракта вторичных ионов

Диапазон измзрлошх токов,А

Предельная концентрацией- "В

ная чувствительность по 31Р примесям С однероднолеги-рсванный кремний), гт/см3 7вАз

Предельная концентрационная чувствителх-ность при анализе по глубине образ-

'В

цов кремния, ат/см лзиттгрсчгннрх

имп- ?а

As

5-10-

Ar+,Xe\0¡,Cs+

1 - 8 • 12 - 13

1-10-"

10

3

10т 5000

10"я ю-'0 - ю:

5'1013 1-10" 8-10'9

2-10'4 5'1010 2-Í018

5'10"в Спо рабочему газу)

Аг+,Хе\0+ . • Cs* г

I f = 5'1Q~° I + = 1-10'в

Cs

Í-Í/ДМ = 1000

М/ДК =24S00 АЕ = -йОэВ

о; '

М/АМ --=г4000 АГ. = -50эВ

Натер'.'алч длг иссликований.

В качеств? объектов исследований hshiI были пцбрзнм поликристаллическии образцы С, Al, Si, V, Ni, Cu, Ag, Au, Ta, Hb, Mo, W., содержание ебь-мные примеси менее 0,01% босовсго процента. Этот выбор мотивировался тем, что в случае поликристаллов распределение по углам вылета распыленна кластеров близко -к изотропному, что '..¿легчает избрание интенсивности их выхода и интерпретация иолучкшу:: о..,¡:гсгкческих спектров.

При J-Wáopí» »«TepuiTO.- г,-!Я ИСг;гэдрклНИЙ ТЗК.Г0 учзплтезь

значительное отличие в величинах коэффициентов распыления, так как некоторые теории предполагают прямую связь между выходом кластеров и коэффициентом распыления. .

В наших экспериментах было установлено, что выходы кластеров относительно атомарных ионов 1СМр/1(И+) существенно зависят от наличия на поверхности и в объеме мишени примесных загрязнений. По мере очистки поверхности наблюдается увеличение относительного выхода* кластерных ионов. Эти результаты можно ■ связать с активирующим действием загрязнений из газовой фазы и объема образца на эмиссию атомарных ионов и экранирующим Сили связывающим) действием для эмиссии крупных М^ Сп>4).

Для обеспечения чистоты поверхности исследуемых образцов мишени предварительно обезгаживались при температуре СО,7 - 0,8)ТЛЛ в течение нескольких часов с одновременной бомбардировкой развернутым в растр травления (1,2 х 1,2 мма) ионным пучком с плотностью тока £ 5'Ю"3 А/смг. По окончании процедуры очистки растр уменьшался, после чего проводилось изучение эмиссии вторичных ионов. При распылении чистой поверхности выход М* может быть близким гта даже превосходить М\ Например, для системы Хе+ (Ео= 6 кэВ) - ■ Си, Ад КСи*)/1ССи*Э а 1(Адр/1САд*) 1,3 - 1,5, а КСи*)/1(Си*?" а 1ССи 3/КСи+Э 2:0,73 [3].

7 .

Измерение интенсивности ыасс-спектральных линий вторичных ионов.

Процесс регистрации,вторичных ионов предполагает два режима: с использованием усилителя постоянного тока СУПТ), сопряженного с ЭВМ, и режим счета импульсов с выходом сигнала на счетчик ионов (СЮ и последующей передачей полученной информации на ЭВМ. При количественных измерениях ширина энергетического окна тракта масс-спектрометра составляла а 50 р. ■

Для решения задач,; связанных с регистрацией массовых спектров была разработана специальная программа управления от ЭВМ процессом измерения. Алгоритм заключался в поааговом сканировании (шаг в 1 а. е.ы.) магнитного поля путем подачи от ЭВМ управляющих, импульсов развертки через специальный цифровой генератор к " блоку стабилизатора магнитной индукции. Интенсивность, измеренная СИ или УПТ в течение заданного времени интегрирования, передавалась ь цифровом коде на ЭВМ, где производилось накопление массива данных "касса-интенсивность". Полученный таким образом массив информации обрабатывался затем по специальной программе ЭВМ, которая учитывала вклад всех основных комбинационных полиизотопных пиков кластерных

10

ионов.

Измерения спектров кинетических энергий вторичных ионов.

Форма энергетических спектров вторичных ионов в экспериментальных приборах измерялась методом изменения ускорявшего вторичные ионы напряжения, прикладываемого между мишенью и ускоряющим, электродом. Энергию вторичных ионов, транспортируемых к выходной щели масс-спектрометра, можно представить в виде суммы двух составляющих: Е = Ео + Ек, где Ео = еИо, а Ек - энергия, с которой частицы покидают поверхность. Вдоль центральной траектории ионно-сптического тракта прибора будут проходить только ионы с определенным соотношением М/е и энергией Е1=Е0+еШ/2, где ЛУ -ширина энергетического, окна прибора. Изменяя в ограниченных пределах компенсирующее напряжение и^Е^е, подаваемое на.образец, можно получить энергетическое распределение вторичных ионов в виде: НЕ) = /Сеи4) = /СЕк) С2.1)

Абсолютное разрешение приборов по энергии изменялось путем регулировки ширины промежуточной и выходной щели масс-спектрометра и определялось по полуширине энергораспределения термоионов Калибровка нуля энергетической шкалы поборов производилась путем измерения кривых задержки трехсеточным энергоакалиэатором, расположенным за выходной щелью масс - спектрометра. Процесс измерения энергетических спектров и абсолютных значений кинетических.. энергий ионов был автоматизирован процессорной техникой.

Проведенные нами исследования показали, что в наших экспериментах основной и абсолютна преобладающий источник ошибок -случайный статистический характер измеряемой величины. Относительные ошибки, являющиеся следствием этой причины, как ш определяем, не превышают 10'4.

3. МАСС-СПЕКТРАЛЬНЫЙ СОСТАВ ВТОРИЧНОЙ ИОННОЙ ЭМИССЖ ЧИСТЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ МЕТАЛЛОВ

При исследовании ВЙЭ чистых элементов многие авторы приводят распределение интенсизости эмиссии кластерных ионов в зависимости от числа атомов, образующих кластер,. т.е. 1СМ*Э = /Сп). Эти распределения часто называют масс - спектром ВИЗ, в котором проявляются многие процессы, происходящие в приповерхностной области. К моменту выполнения ■ данной работы разрозненность экспериментальных результатов и их фрагментарный характер не позволяли судить об относительном содержании ионов М* = /Сп) в

зависимости от материала мишени, массы и энергии перзичных ионов.

Измерения, как правило, проводились на необезгаженных мишенях, без контроля чистоты поверхности. Не была определена такая важная характеристика,как доля кластерных ионов в общем потоке ВИЗ и связь ее с параметрами, характеризующими распыление мишении. Все это определило необходимость . систематических экспериментальных исследований особенностей распыления вторичных ионов из чистых поверхностей твердых тел при ионной бомбардировке -ускоренными нонами, инертных газов различных масс. При этом явление эмиссии кластеров целесообразно изучать не изолированно, а в сопоставлении с более просты?,:, родственным ему явлением - эмиссией атомарных ионов. Это. позволяет судить об общности или различии в закономерностях эмиссии этих ДЕух компонент В®.' Поскольку в настоящее время имаются хорошо разработанные теории и механизмы эмиссии атомарных ионов [37,383, то при наличии таких даитгл можно было бы привлечь их для объяснения закономерностей эмиссии кластеров при ВИЗ.

3.1. ЭМИССИЯ ВТОРИЧНЫХ ИОНОВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ МАТЕРИАЛА НИШЕНИ

В приведенных в э.том разделе экспериментах для достижения сопоставимости результатов всё мишени распылялись ионами лв+, ток первичных ионов на мишень поддергивался равным 2-10"' ■ А/смв, а энергия ионов а 9,5 кэВ.

Ткничныо ы^сс-спектры кластерно-коккой эмиссии при распылений • Си, Ад (рас. 1) и КЬ, V, V С рис. 2) ионами Хо\. Е а 9.5.кэВ

гг Р

Масс - спектры ВИЗ исследованных металлов при распылении ионами Хе+ характеризуется следующими особенностями.

Медь, серебро, золото. В масс - спектрах ВИЗ регистрируются кластерные ионы, содержание до . нескольких десятков атомов с четно-нечетным чередованием интенсивности выхода (рис.13. Для атомно - чистой поверхности интенсивность небольших по размеру кластеров Си*, Ад*, Ад* высока а сопоставима с выходом атомарны:; ионов. Четоно-нечетные распределения кластеров по интенсизностям в масс - спектрах объясняются в рамках электронной структуры кластера [39h. кластер с четным числом валентных электронов вследствие схомпенсированности по спину связевых электронов обладает увеличенной стабильностью по отношению к диссоциации« и, как следствие, - относительно высокой интенсивностью в масс-спектрах ■ВИЗ. Однако, данные современных исследований энергии связи кластеров Ад* и Си* C40J не показывают наличие осцилляций Ее = /Сп), поэтому без привлечения дополнительных соображений трудно объяснить четно - нечетные осцилляции в распределениях 1СМ*Э = /Сп). К этому вопросу мы вернемся в разделе 5.

Ниобий,, молибден, вольфрам, тантал. В отличие от ВИЗ Си* И Ад*, выходы эмиссии кластеров KB*, Мо*, Та*, W* характеризуются монотонным уменьшением с ростом числа атомов в кластере. Исключение составляет выходы двухатомных ионов, интенсивность которых конкурирует с выходом одноатомных (ряс.2).

Кобальт а ванадий. Для этих металлов характерно монотонное и быстрое падение интенсивности выхода кластеров по мере роста п. Выход мономеров из' этих «этаялов преобладает над выходом шюгеатокных. ионов.

Алюминий я 'кремний. Масс -.спектры ВИЗ AI и Si отличаются от масс-спектров других элементов тем, что в них наряду с однозарядными атомарншн н кластерными ионами в большом количество ■присутствуют многозарядньгэ ионы А1*а, AI** и Si+a, Si*3. Предполагается, что ккогоаарядныв ,■ попы распыляются согласно механизму кинетической ионной эмиссии.

Для кластерных ионов характерен общий монотонный спад функции ICM*) = /Сп), на фоне которого четко выявляется аномально высокий выход кластеров определенного размера С"магические" кластеры): AI*,

К' << и S1I- st;.

Следует отметить, что регистрируемые в масс - спектрах максимальные размеры кластеров не являются физическим пределом

распыляемых кластеров. Авторы работы 1413 наблюдали з масс -спектрах ВИЗ кластеры Си*, Ад* и А;/ с более чем 100 атомами в кластере. В наших экспериментах наблюдаемые ионы М* с'максимальными п ограничены возможностями электромагнита масс-спектрометра.

Таким образом, из вышеизложенного следует, что кластерные ионы во ВНИЗ по интенсивности эмиссии сравнимы с интенсивностью атомарных ионов, и поэтому должны учитываться наряду с атомарными ионами при оценках основных количественных параметров ВИЗ: коэффициентов.ВИЭ и степени ионизации атомов.

Основными количественными харак »эстетиками явления вторичной ионной эмиссии являются коэффициенты В'лл

К = Н*/Н+ С3.13

о

и коэффициент ионизации

р+= к+/з сз.гэ

1 о

Здесь Н+- число вторичных атомарных ионов, И* - число первичных ионов, 2 = коэффициент распыления СИ* - общее число

распиленных част;:ц, нейтральных или заряженных, одноатомлкх или кластерных, находящихся ь основном или возбужденной состояниях).

С целью установления количественной взаимосвязи между нск,ш компонентам! ВИЗ и свойства?«! распыляемой матрицы целесообразно ввести коэффициенты ВИЗ по каждой группе вторпчккх яопгз, з состав ьтсричноД ионной эмгсеян, т.е.

Г 1Г

#\ - -Т » N ~ —Г I • • • ^

« Я* - н* « ¡г

где , К .. - количество вторичных ионов, раснылаипих э ецнз-,

двух-, п-атомном ионе. Суша их дает шпчзгтлькнК ког£.£кц!Н-чт ВЖ

Г. ♦ + + + II

Тогда в соответствии с формулой СЗ. <У) интегралышД коэффициент ионизации атомов во ВИЗ необходимо определить уравнение:!

1(3;= -З.ОТ

Вычисленная таким ' образом величина I /3 характеризует дол»

ионов в общем числе распыленных частиц и коиэт дать более полное представление о взаимосвязи • В5Й с ■"шзичэскк.га и химическими свойствами бомбардируемых мишепей.

Ка рис.3 приведены данные измерений относительных значений К* С дифференциальный коэффициент ВИЗ для атомарных ионов) и

и

(ин?згральный коэффициент ВИЭ) для исследованных нами элементов 112]. Сравнивая между собой К* я ЭДС* в зависимости от материала мишени, итно прийти к с ».едущим общим вьгеодам, касающимся ВИЭ с чистых поверхностей металлов под де^лтаем тяаалътх попов СЯе+,Кг+):

1) вторичных ионов в продуктах распыления металлов существенно болотз, чан зто следует из оценок выхода попов только по атомарной компоненте ВИЭ;'

2) у металлов, имеющих более высокие значения Е, наблюдается более существенная разница между козф$ицие"-г.гми К* и ЦС* по

К4ц1К4,отн. ед.

10 4

10'

Рис.3. Коэффициенты. ВИЭ от атомного номера элемента СИ) - 1, ~ 2, - 3, -4

1.2 - Хе+, 3,4 -Кг+

1.3 - 2,4 - ЕК*

21) 30 40 50 00 70 НО

сравнения с труднорасппляемжк.шгаэнями СУ, Со, Й! и др.).

3,2, ЭПИССМЯ ВТ0Г!-ГШ!Я ПОПОВ 3 ЗЛВЮТ.ОСТ'И ОТ ПАССЫ ПЕРвичяих ¡«ПОП В настоящей работа при'строго» соблюдении чистоты и постоянства экспериментальных условий били изморены коэффициенты ВИЭ по каждой группе вторичных иолоп, вводящих в состав ВИЭ:А1, 51, N1, Си и Ад -при бомбардировке ионеки !?э\ Аг+, Кг+ я Ко* с энергией л 8 кэВ и плотностью тока на =1 2,0-Ю"3 А/си". Результаты этих

исследований свидетельствует, что козф&щнейти эмиссии кластерных попов !(*п Сп & 2 - 10) Спяыю зависят'как от материала юирни, так п массы первичных иоцсга, Эти закономерности наиболее наглядна видки при построении нормгшгаозгпних коэффициентов эмиссии ненов II* г. коэффициентов эмиссии атомарных ионов М*, т.е. К^К* от п. Для мишеней из Си и А1 - /Сп) представлены на рис. 4а и 46.

В. проведенных- экспериментах общим является * то, что с увеличением массы бомбардирующих ионов существенно растет доля кластерной компоненты во ЕЮ [33. Это увеличение не одинаково и

15

зависит от размера кластера. Например, из рис.4а следует, что при увеличении массы первичных ионов от Не* к Хе* К*СиЗ/К*ССи) К'д/К^_]__К*„/К*1_ •'', - ■

oöoeo - Хе*

спглла. Кг*

»»»»• - Ar4

■ »«■* - Ne

Т^гТп

Рис.4. Нормализованные коэффициенты кластерно-ионной эмиссии при распылении меди Срис.4аЗ и алюминия (рис.463-ионами инертных газов

увеличивается в 30 раз, тогда как K*CCu3//^CCu3 увеличивается только Ь три раза. Нелинейное изменение выхода кластерных i.onoa К\УК ~ 07 ,,!accbr первичных ионов характерно для всех металлов

и в качественном отношении согласуется с результата;,га других исследователей [43].

Нелинейный рост эмиссии кластеров при увеличения массы бомбардирующих ионов существенно изменяет структуру распределения выхода ионов КМ*} - /Сп). При переходе от более легкая конов, от Не* к Хе+, в соотношениях между выходами четных кластеров Си* -Си* и Си* - Си* наблюдается инверсия в интенсивностях вшходоэг I(Cu*3 < ICCu*3 и ICCu*3 < 1С Cup Срис.ДаЗ. Для нечетных кластеров Си* инверсия не наблюдаете^, хотя имеется тенденция к 'выравнивании их коэффициентов эмиссии. Интересным является "появление" или "исчезновение" аномалий" в выходах Al* Ери бомбардировке ионами различных мае о. Из рис. 46 С бомбардирующий есз Кг* акс Хе*> -видно, что. К*СА13 > К" CAD, К* С Al) < К*СШч .Асасоггчгав инзсрсия

7 a u в г

наблюдается при распылении , кремния юотзяг Хэ кдз Кг- Сркс. 53: i? CSi3 > К* С Si) И К* с Si) > K*CS13, тогда как при бомбардировка ионами Аг* и Не* наблюдается обратно© ссотксшекте - ¿C*CSi3 < K*CSi> и K4S13 < К* CSD С рис. 53. Отметим, что акомадкя в- выходах Si* ц Si*

ö з ' «е.

по отношению к Si и Sí наблюдалась, с psdöie 650.1 при

16

бомбардировке ионами Хе+ под углом 45°,которая исчезала при угле бомбардировки 0 = 0°, Относительно высокая стабильность кластеров А1+, , Б^/ по отношении к соседним кластерам может

Рис. 5

Нормализованные коэффициенты эмиссии кл1. т ?рных ионов в зависимости от числа атомов п в кластере при бомбардировке ионами инертных газов.

1 2 3 i, 5 8 7 & 9

определять их более высокий выход. При увеличении как массы, так и угла падения -изменяется только характер взаимодействия первичных ионов с атомами твердого тола, и оба эти параметра приводят к увеличению коэффициента распыления. Однако, каким образом эти факторы влияют на стабильность вышеуказанных кластеров, остается неясным.

3.3. ВЗАИМОСВЯЗЬ ЭМИССИИ КЛАСТЕРНЫХ ИОНОВ С КОЭФФИЦИЕНТОМ ИОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ.

Ка основании вышеприведенных данных можно сделать предварительный вывод о существовании значительной связи между вероятность» образования кластеров во ВГО и распыляемость» мишеней, т.е. с полным коэффициентом распыления S . Нами была прослежена и установлена корреляция между эффективностью распыления металла в виде кластеров и S . Выяснение этого вопроса является принципиально важны;,t, поскольку это позволяет критически оцепить справедливость некоторых предположений моделей образования кластеров при распылении.

С этой целью в работе были измерены значения So для Al, Si, Со, V, Мо, Та, W, Ад и Аи при бомбардировке vauieaeft нонами У.е+ при энергии первичного пучка 9,5 кэВ, а значения So для мишени из Си при распылении иона?.® Хе+, Кг+, Аг+, Ne* и 1Ь+. Значения S^ определялись по методике времени распыления некоторого объема

мишени. Долю атомарных и кластерных ионов в общем потоке ВИЗ моею оценить, если вычислить следующие соотношения:

сг( = ПЮ/ШМ*) + ХСЬГЗ + ... + 1£й£)]-1005* С 3.6)

сг ЛСМ^+КМ*)*... +1СМ*М1СМ*)+КМ+)+.., +1СМ*)) -100Я С3.7)

п г а п с п

Результаты подсчета сг Я для ряда элементов при бомбардировке ионами Хе+ приведены на рис.6. Как видно, при увеличении доля кластерных ионоб ап в потоке ВИЗ.растет, и для таких элементов, как

Си, Ад и Ли при распылении тяжелыми ионами достигает 80

~яП~..................

50У..

100

Рис.6. Зависимость доли кластерных ионов в потоке ВИЗ от S .

Р. 12 15 Vi 21 »„(ат ион;

В табл.2 приведены данные изузрег:ий относительной доли Сrr^D

кластерных ионов в потоке ВИЗ зависимости эт массы

бомбардирующего иона для некоторых, пар ион - ютеиь при зллргш:

первичных ионов =9,5 кэВ. Как видно из уаб.т. 2, с i:c;;a

от lie* к Хе+ Ст. е. при 'увеличении S ) с растет, " о п *

Параметр Первич- г л е м е а т

ный ион Al ái Си Аа

Не+ 14 15 50 54

от , К Кг+ 25 29 62 65

Аг+ 37 за 75 81

Хе+ 37 39 80 80

Табл. 2. Доля кластерных иоиов Al+, Si+, Cu+, Ag!

n n n' гп

в обиеы потоке ВИЗ. Е = 9,5 кэВ, ■ i - 2-JO" А/см-

Jo

Таким образом, зависимость сг = /СБ^) как в' ряду элементов, так и от массы бомбардирующих ионов показывает, Ч'Гк, увеличение потока распыленных частиц приводит к увеличение вероятности

■>8

кластерообразования во ВИЗ. При обсуждении результатов нельзя исключать, что К* = ft*-Sg определяется не только SQ, но также вероятностью ионизации /Г.

Предполагая аналогию между механизмами ионизации атомных и многоатомных частиц, в'рамка* существующих механизмов B1Î3 в работа [423 было рассмотрено влияние массы первичных ионов на вероятность ионизации /3* многоатомных частиц. Согласно существующим моделям ВИЗ развитым для атомарных частиц, (3* определяется двумя фактора»!: средней скоростью С кинетической энергией) вторичного иона и величиной неупругого взаимодействия первичных нэнов с атомами мишени [373, причем с ростом этих величин так или иначе увеличивается Других параметров, посредством которых могло бы проявиться влияние массы падающих ионов на вероятность ионизации (для инертных газов), в теориях не приводится,

Анализ энергетических распределений кластеров Hj* и Ш* Сп ^ 9) при бомбардировке ионами инертных газов показал, чю характеристики онергораспределений Св т.ч. средняя энергия) существенно не зависят от массы первичного иона [42]. Проведенный расчет нэупругих потерь энергий также' показал [42], что они уменьшаются с увеличением массы иона Спри Eq = 6,9 кэВ) от Ne* к Хе+, в то время, как выход кластеров при замене бомбардирующего иона Нэ+ на Хэ+ вырастает. Таким образом, в ршлах существующих механизмов ионизации атомных частиц во ЕГО трудно объяснить влияние массы первичных ионов на вероятность эмиссии кластеров.

3 процессе нашая исследований мы пытались объяснить полученные результаты в рамках двух различных подходов к механизму образования многоатомных частиц, которые в течение длительного времени доминировал;! в обсуждениях, т.е. моделей - статистической рекомбинации [45,48] н прямой эмиссии [43,44) нейтральных кластеров. Рассмотрим этот вопрос отдельно.

3.4. О ПРИМЕНИМОСТИ ЙОДЕЛЕП ОБРАЗОВАНИЯ НЕЙТРАЛЬНЫХ КЛАСТЕРОВ ПРИ РАСПЫЛЕНИИ ТВЕРДОГО ТЕЛА ДЛЯ ОБЪЯСНЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ

ПО ЭМИССИИ ЭАРЖЕШШХ КЛАСТЕРОВ ' Рассмотрим структуру распределения К.'Г) = /Сп) в рамках моделей [44] и [463. Как отмечалось ранео Срис.1), для системы Хе - Си, Ад относительные выходы кластеров CuVCu+ a AgVAg* а AgVAg* а 1,5 - 1,8 a CuVCu+ а 0,32, Такие высокие выходы не могут быть объяснены в 'рамках рекомбинационной модели без рассмотрения процессов ионизации, поскольку вероятность статистического

образования кластеров Ад* и Си* даже по завышенным оценкам должна составлять а 2-10~г и 10"4, соответственно. Из модели прямой эмиссии следует, что передача одинакового импульса одновременно целой группе атомов, находящихся С по соседству} на поверхности, уменьшается с увеличением п, и вероятность такого процесса для кластеров с числом атомов п £ 9 - 10 должна быть на много порядков меньше, чем наблюдается в эксперименте. Такая малая величина вероятности образования крупных кластеров в этих моделях обусловлена наличием жесткого условия эмиссии кластера: разрыв молекулярной связи атомов с матрицей и необходимость равномерного распределения импульса между составляющими атомами кластера. Таким образом, можно заключить, что в рамках обеих моделей невозможно объяснить наблюдаемую на опыте структуру распределения ионных кластеров КМ*'' = /Сп), особенно для больших п.

Проанализируем теперь в рамках- моделей С44,46] зависимость выхода кластеров от массы бомбардирующих ионол на примере медной мишени. Со ласно рекомбинацнойной модели,зависимость относительного вкхода кластеров от коэффициента . распыления 8о изменяется как

К'/К* - з""' С3.8)

п о

Пр« замене первичного иона от Не* к Хе* для меди 5о изменяется от 4,5 до 14 ат/иск, т.е. три раза. Например, если воспользоваться данными, приведенными на рис.4а., то 1ССи*5/1ССи+Э при этом изменяется всего ь 9 раз вместо 71 раза, как следует из соотношения С3.8). Такое несоответствие можно абнаоупть и для кластеров с другими значениями п. Модель же -прямой эмиссии вообще* не предусматривает влияние Ь'о ла относительный выход кластеров. Таким образом, . полученные результаты выхода кластеров от массы • бомбардирующих ионов хотя в качественном отношении согласуются с выводами рекембинационной модели, однако, количественно не описывают наблюдаемые изменения выхода кластеров М* от массы первичных ионов.

Наличие во ВИЗ таких ионов, как А1*, N1* и Си* ■ [7], при

з а е .

бомбардировке ионами водорода соответствуют!» мишеней также свидетельствует о несостоятелы-ости непосредственного применения моделей к образованию заряженных кластеров. Так, согласно этим механизмам, образование самого простого кластера - димера -происходит с заметней вероятностью, когда Зо >> 1, тогда как при бомбардировке металлов ионами водорода ¡3 с* Ю7*- 10"2 Кроме того,

в райках ' рассмотренных моделей интерпретация нелинейного роста выхода кластеров в зависимости ст . п при увеличении плотности тока первичного пучка С31 представляется весьма сложной, а, может, вообще невозможной.-

Для экспериментальной проверки возможности прямого выбивания простых кластеров каскадами. столкновений нами был предложен метод распыления тонких пленок ионным пучком "вперед" с регистрацией положительно саряженисй ионной компоненты распыления С метод ВИЗ "на прострал"} [133. При этом бомбардируемая и эмиттирующая поверхности разделены • толишой пленки, и распыление' происходит, главным обрчзоя, ая- сч-^т передачи импульса и энергии частицам противостоящей стороны .'поверхности йлеякм каскадными атомам С рис. 7). ■ При'сравнении масс-спектров вторичных ионов пленок ыеди толщиной 400-1000 А", полученных' методом ВИЗ- "на отражение" и "на прострел", .было установлено, что:. ; ■ '..'

1) Массовый состав распыленных. Ионов в обоих рекмдах Б! 13 сходен а диапазоне масс 2-100 а. е. м.. Наблюдаются ионы самой пленки Си+, ионы атомов.!! молекул адсорбированных на поверхности пленки гззоа я го* химических, соединений с атомами, металла СиХ+ (т=1,2);

П

2), В масс - спектрах ВИЗ. "на. отражение" присутствуют в большем . количестве кластерные ноны материала пленки Си* Сп=2-Э). В режиме ■ ВИЗ "на прострел", последняя группа ионов полностью отсутствует.

М_ia.5L_J.il

11

- % ч I

I. Г

А | sa.ii и

"ТТГ"

И I м

77

Ы 1С» 120 |31. М 116 15« 10(1 ш I

т/г —

Рно,7. Масс - спектр В15Э поверхности пленки меди толщиной 600 А0, полученный методом ВИЗ "на прострел".

Ион» 1.'-э+, Ер а 13 кэ В

' - ■3;.гдссга частиц "ьперэд" можно ожидать при выполнении условия йЧ к < Р.а +- X £131, где Я - глубина проникновения первичных иоиоа,-. X - протяжниость каскада атомных столкновений, зарождаемого псрвичшо4.враек з объем? пленки,.Ь - толаииа пленки. Известно, что £ л X зависят от,начальной- энергии Е0 и кассы первичных ионов, а •'■■такта от ориентации'пленка относительно пучка, толда'чы а структуры

пленки (поликристалл и монокристалл) Ш. В связи с этим проводились экспериыепты, в которых варьировались энергия СЭ < Ео< 20 кэВЗ, массы первичных ионов СН+, Не+, Ne*, Ar+, Хе+), толщины пленки С400 < л < 100 А0) .величина тока на'мишень С10"® - 10"e А). Масс-спектр ВИЗ "на прострел" записывался также при бомбардирове поли- и монокристаллпчееких пленок. Однако, ни в одном эксперименте не была зарегистрирована эмиссия Си*, Си* и т.д., несмотря на тот факт, что при всех измерениях выход Си+ был относительно высокой интенсивности.

Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о том, что, по-видимому, процесс прямого выбивания кластеров не . реализуется. Следовательно, механизм образования кластеров следует искать исходя из эффектов непосредственного воздействия зондирующего пучка на поверхность.

Наряду с приведенными выше моделями при обсуждении экспериментальных результатов многие авторы рассматривают другие ьозыояше механмзмн. 'Эти механизмы построены в предположении об образование на поверхности мишени в месте попадания пучка плотной плазмы 1473, либо на основе плазменно-химических реакций [483, либо возникновения ударной волны С493 и т.д., которые могут быть ответственны за образование кластеров при распылении. Возможно, вышеназванные механизмы вполне достаточны для объяснения образования кластеров в .ионном распылении. Основная трудность состоит в сложности проверки согласия теории с экспериментом. Модели предложены для объяснения образования нейтральных кластеров, а в эксперименте измеряется выходы заряженных кластеров, и для' сопоставления с результатами расчета необходимо знать степень ионизации кластеров. Во-вторых, необходимо учитывать стабильность "" молекулярных ионов, т.к. они могут диссоциирсзать при уходе от поверхности твердого тела, Поэтому за промежуток времени от момента старта до регистрации вторичных частиц существенно могут измениться их характеристики по сравнению с первоначальной картиной. А именно: зарядовый и насс-спактральный ссстаь потока вторичных • ионов,' структура кластера и структура распределения интенсивности выхода иторичных ионов от числа атомов' в ионе, энергетические л простраистеенные распределения, ах энергетические состояния. Все ' t-vrf «опроса оставались вне поля зрения исследователей ВИЗ до середины 20-х годов.

S 1SSS г. «а йредстйвл&яйй-. о существовании у распаленных

кластеров внутренней энергии нами были поставлены эксперименты по обнаружении распадов кластерных ионов посла их выхода иа мишени и движения в пространстве масс-спектрометра. Результаты этих . исследования представлены в следующих разделах доклада. 4. ОБНАРУЖЕНИЕ НОНОКОЛЕШЯРКЫХ РАСПАДОВ КЛАСТЕРНЫХ ИОНОВ ИЙТШОВ

В ПРОЦЕССЕ ВЮ

Любая из рассмотренных в разделе 3 моделей аз отрицает существование у распыленных кластеров внутренней . знс-ргии С колебательной'И вращательной). Внутренняя энергия эмиттированйого кластера может быть затрачена на радиационные процессы, например, испускание кластером инфракрасного излучения. Крит того, возможен процесс фрагментации кластера. Фрагментация мскэт быть рассмотрена как мономолекулярный распад кластера по пути его движения от мишени • до коллектора масс-спектрометра. При этом направление распада к Бремена жизни частиц до распада должны определяться анергией, родом возбуждения частиц и их составом. Очевидно, что процесс распада метастабильного кластера ■ сопровождается перераспределением кинетической энерии кезсду. образующимися осколками. Если метастабильный ион испытывает распад £ида М+- иа, то осколочный ион ' будет иметь энергию Е < е1)о, где - потенциал мишени С для упрощения рассмотрения принимается, что ыетастабилышй ион обладает нулевой начальной кинетической энергией). При этом величина Е и способ регистрации осколочных ионов определяется зоной, в которой происходит распад. Методика исследований фрагментации кластерных ионов поясняется ионно - оптической схемой ВШС с прямой геометрией Сонергоаналнэатор предшествует магнитному масс-анаикзатору), представленной на рис.8.

Рис. 8

Ионно - оптическая схема ВШС с пряной геометрией

1 - мишень

2 - иммерсионная линза

3 - энергоаналиэатор

4 - магнитный мзсс-ана-яизатср

5 - тренсеточпыл алект-росгатическии анализатор

6 - вторцчко-зяектрон -икП умножитель

Осколочный ион.в бесполевой зоне I. могло зарегистрировать при

настройке магнитного поля масс-анализатора на пропускание ионов с кажущейся кассой Д.

m* = т*/а. С4.1)

а энергоанализатора - на пропускание осколочных ионов с энергией, равной Е = in*/m-eUo (,4.21

Для регистрации осколочных ионов в зоне энергоаналиэатор настраивают на энергию eUo, ■ , . соответствующу» пропусканию материнского копа, а масс - анализатор настраивают иг кажущуюся массу C4.D. Методика обнаружения, осколочных ионов в беспоягркх зонах масс-спектрометра . хорошо разработана в . органической касс-спэктрометрии.

Задача исследования фрагментации кластерных ионов вблизи мишени значительно елоянее. и трэбует создания у поверхности распылйзмай мишени ускоряющего вторичные ионы электрического поля. При распаде кластеров .в зоне ускорения кинетическая энергия ■ eU (Up -эквкпотенциаль распада), которую получил кластер в электрическом поле, делится между фрагментами пропорционально ; их массам. При дальнейшем ускорении заряженные осколки получают энергии eUg -eU 2! имеют на выходе из зоны энергию Е =и /М • eU +CeU -eU 3 < eU ,

P I p • о в о

Дефицит энергии осколочного иона размером n-k С где. fc=l,2...) относительно энергии полного ускорения eUo проявляется . в энергетических спектрах родительского иояа размером п со стороны "отрицательных" ¡энергий в виде затяжного "хвоста" С13,181.

В наших работа?:. Мб, 251' было показано, что энергия фрагмонтиого нона Е < eUo однозначно связана с местом распада. Это позволяет по "хвосту" энергоспектра проследить кинетику процесса распада от момента образования иона до момента его распада.

¿Л. ЬОНОКОЛЕШЯРНЫЕ РАСПАДУ КЛАСТЕРНЫХ ИОПОО И БЕСПОЛЕЕЫХ ЗОНАХ НАСС-СПЕКТРОИЕТРА С'НЕДЯЕИНЫЕ" РАСПАД«.

В йеополевкх. зонах масс-спектрометра ш исследовали фрагментацию кластерных 'ионов алюминия, пади,■серебра, .золота, ниобия, тантала к т.д. Па этом этапе мы пытались выяснить: являются л;г ыономолекулярные распады кластерных ионов ' обаим явлением в прзцессах вторичной ионной эмиссии твердых тел и какова вероятность этих распадов'в зависимости от материала, числа атомов в кластере и ого зарядового состояния.

В таблице 3 представлены интенсивности выхода осколочных .ионов Kb*, измеренные в ¿есполевом пространстве-L ' прибора Срис, 8). Как

видно, основным каналом является распад типа М*-» 1 + Й, идукий с испурением одного атома. Исключение составляет распад НЬ* -с образованием ¡¿"с*, т.е. 1чЬ+ -«- ПЬ* + № . Эта аномалия объясняется

. Таблица 3

Интенсивность Симп/с) выхода кластерных и осколочных-ионов 1!Ь*, полученных при распылении ИЬ ионами Хв* с первоначальной энергией Е й 7.5кэВ и 1 =3-10"3А/см2.

Л 41 О

Кластерные иены Осколочные ионы Г П-1 р - ...............„,., »

г.

и Са.е.З Г/103, п имп. и*Са.е.З И+/10г, п имп. н* ' П П-1

1 93 184 45.6 -

г 185 323 124 1.28 0.12

3 279 105 209 следы -

4 372 51 ' 297.е 6.4 3

5 465 21 387.5 5.3 3.4

6; 558 15 478.3 3.8 3.8

7 651 9.8 509.6 ' 3.4 12.1

8 744 2.8. 661.3 1.76 .12.5

9 837 1.4 753.-3 1.3 19.8

10 930 0.65 845.4 0.8 . 22.5

11 ' 1023 0.36 937.7 0.6 23

12 1116 ' 0.21 ■1030.1 0.3 22.3

13 3.209 0.13 1122.6 0.23 37.1

14 1302 0.07 1215.0 , 0.13 37.5

15 1335 0.04 1307.0 . 0.10 100

16 1483 0.01 1400/4 0,07 140

17 1531 0.005 - - ' -

относительной стабильность» ИЬ*. Эксперименты, выполненные в работе [50] для кластеров НЬ* Сп < 113, • полученных лазерным испарением, подтвердили' "аил результаты. Энергии диссоциации, измеренные и этой работе, показывает, что вероятность реакции с испарением нэ кластера ИЬ* д;.кэра выше, чем с испарением атома из кластера КЬ*: - ЙЬ*0йЛ,ЗяВ, а .Е„СНЬ+ - НЬ+) а 6 эВ. Из табл.3 также

а 4 2 а 4 з

видно, что относительная эффективность распадов, равная

N

р = ---¡и— -ЮО'/. С 4.33

п .!+ . И+

(где Н* и - количество материнских и осколочных ионов,

соответственно!) увеличивается с увеличением числа атомов п в ионе, Для НЬ* эффективность распада достигает 100%. Это означает, чт$ число кластеров НЬ* распадного происхождения во временном окне

10"

10*

с примерно равно числу кластеров,, которые

регистрируются, в обычных условиях на детекторе ВИМС. Аналогичные исследования с раскленными кластерами Та* СЗ £ п £ 9) показали, что распады происходят с испарением одного атома.

Для ыетастабилышх кластеров Си*, распыленных нонами' Хе* с энергией 7,5 кэВ, в зависимости от четности п наблюдаются два канала распадов Срис.2) [12]:

Си* — Си*

Л П-1

Си* — Си*

+ . Си. + Си

С4.4.1) С 4.4.2)

Распады с выбросом димера характерны только для кластеров с начетными значениями п (штриховые вертикальные линии, рис.9).

а 1

•[Рис.9. Кривая 1- насс-; спектр кластерно-ионной эмиссии меди при бомбардировке ионам?' Хе* с энергией, Е^ 7,5 кэВ. Кривая 2-зффвктивность фрагментации кластерных ионов Си* Сп223).Сплош-

п

нае вертикальный линии--« распады Си^—■ Си^+Си. Штриховые вертикальные лиьли с х - распады Си* + Си .

п-а , . ■ а ■;

10 -» cv

10 15 20 25 л

Для кластерных ионов с четными п возможен переход только в-ионн с нечетными индексами. Если исходить из того, что направление распада указывает на стабильность образующихся осколков, то ■ стремление ыстастабильных ионов перейти- в -осколочный «ок с печатным числом атомов можно объяснить относительной стабильностью кластеров, с нечетными значениями в исследованной-последовательности Си* т Си* . Об этом ка свидетельствует поведение эффективности фрагментации от

размера п (кривая 2 рис.93: нечетные кластеры, как наиболее, стабильные, менее подвержены фрагментации, чем четные.'

Аналогичные свойства . проявляются у • кластерных ионов, распыленных из. серебра и золота, т.е. из металлов, имевших, как и медь, заполненную d-оболочку и ' внешний валентный s-элоктрои. Однако, эффективность распада Ад* и Au* приближается к значениям 30 - 95« уже начиная с размера п > 9-10 С101.

К настоящему времени во всех известных публикациях исследуются процессы фрагментации положительно заряженных кластеров. В наших работах . впервые сопоставительно изучена моношяекуляркая фрагментация положительно и отрицательно заряженных кластеров Si~, А1~, С", Сц", образующихся при распылении поверхности ионами Хе+ с энергией 10 кзВ £32,33].

P(s) li- t'Un-i + Сиг » - Сип— 6'u„-, + Си

Рис.10. Диаграмма'зависимости эффективности фрагментации Си*

В качестве прииера на рис.10 представлена диаграмма зависимости эффективности фрагментации Си~ от размера кластера в бесполевой зоне прибора пр>' распылении меди ионами Хе+. Из диаграммы видно, что для отрицательных кластерных ионов Си" характер распадов и наиболее вероятные направления фрагментации подобны положительным кластерным ионам (4.41. На основании этих наблюдений и сравнительных исследований образования положительно и отрицательно

заряженных гомо- и .гетероядерных кластеров при распылении С, Al, Sí V u Cu ионами Xo+, 0* и Cs+, проведенных в диссертационной работе С63], иохне сделать следующие выводы. .

Мономолекулярные распады кластерных исков являются общи,; явлением для процесса ВИЗ, т.к. распады паблюдаэтея как для положительных, так и отрицательных кластерных коков, распаляемых из металлов и полупроводников.

Характер монсцолекулярпой фрагментации гелгетерпгл: помог, а ььизнио: преамуцбсгиадшыв каналы распадов а тип обос^уныцлаа осколкоь ь (¿оспояевих аонах масс-спзхтро«;&тра ак«з йвЬйс«;ас.сти от з-рядсвогс состслпня кластеров - сд:;::2К02Ы. Прх1 стой, пвгкегриру^ше масс - спектры . отряжая? эктюцчм исконного распродало;:::.! -шп.ф/згш частиц' с «оиеита к« роакшя дс момента регистрации. Наиболее устойчивые .образования . :.ís!.!c>$> но/1Ь»р»«иы ионоиойеку«ярной фрагментации . и пегнсгрирутся и мгсс-епектрах как'более интенсивные пвкк.

Нспо:лалекул.'5р:ш2 распады кластерных понев 2 бсспслс'^.п; dcí;s¡: hau«-ufteh.Ti30hu-í'tw «влявтея медленччии дроивиоами. OcJ атом свидетельству»!' результаты определений средних времен тезки для распадов Ag*, S1J, [9,22].

для аьсамс5йй юисчброь с одыакойш ком«фоы ц, одиаакймой внутренней энергией, могло записать закон сюагыектации:

= expC-AL/тЗ (4.53

va¿ lí^ - число ионов, не испытавших распад« за ьреил Ai, 1Г -исходной v,:¡c¿to новов на входе в зону распада, т - средне« ьргыя гшзпп копа.

Дня каадой бесполевой зоны Ц и Ls масс - сде.чтронатра С рис. 83

имеем: ■ ■ ,

АН* = Н ехрСЧ /т)С1-охрСД1 /г)3.

' ° • ' C4.G3

АН* = ехрСЧ/тЗ[1-ехрСА1г/т)]

где А1Г и АН* - интенсивности осколочных попев а пергой и второй бесполевых йенах, соответственно. - 'исходное число' ионов, окггтированных с мишени; ' и i - проаехутки времоки. от'' йоыокта эшюеки до »кода nanos s 1 и 2 бэслэлевь'э зоны, соответственно. А1( и М - времена пролета 1 л 2 бесполевых son, соответственно.

Система уравнений С 4. В) позволяет вычислить сродис-е время пгзнй т и исходное число ионоз, ойиттированных с мишени и имеющих дащгое среднее время т 193. '

В таблице 4 приведены ¡значения средних времен жизни т и времен движени? до коллектора t возбужденных кластеров Ад*, распадавшихся в бесполевых зонах масс-спектрометра. Кластерные ионы получены распылением серебра ионами Хе+ с энергией 8.5 кэВ.

Как видно из табл.4, время жиэнй кластерных ионов г до распада в бесполевых зонах масс-спектрометра более 10*" сек и сопоставимо с временем движения ионов до коллектора прибора. Это позволяет считать, что распады кластерных ионов в бесполевых зонах. приборов L( и L происходят в результате статистического перераспределения энергии возбуждения внутри иона. ! Энергия иона может сконцентрироваться таким образом, что получается определенная конфигурация активированного комплекса, приводящая к фрагментации.

Таблица 4.

Время жизни до распада т и врем движения до коллектора I наиболее "долгоживущих", распадающихся в бесполевых зонах, кластеров Ад*, распыленных ионами Хе* с энергией 8.5 кэВ* 193

Вид распада Т, С у '1 0 t,c /ю" Вид распада Т, о л0'в t,o

Ад*-» Ад* + Ад X* 3.1 Ад*-» Ад* + Ад 2.5 6.2

Ад*-* Ад* + Ад 3.8 Ад*-» Ад* + 2Ад 3.2 6.6

Ад*-» Ад* + Ад 2.2 4.4 Ад*-» Ад* +■ Ад 2.5 6.6

! К* + А9 ** 4.6 Ад*0-» Ад* + Ад 6.93

; Ад*-» Ад* + 2Ад 3.3 4.9 . Ki* Ко + Ад НЦ 7.27

Ад*-» Ад* + Ад С о 2.2 0. 37 Ад*,-» Ад* + 2Ад 3.44 7.27

Ад*-» Ад* + Ад ** 3.6 Ks Ki + Ад *** 7.6

Ад*-» Ад* + 2Ад 2.5 S.8 Ад*,* Ад*, + 2Ад 3.46 7.9.

н - Энергия ускоренных вторичных ионов еУ -2000 эВ

«* - Распады в зонах Ц и Ц не обнаружены.

*** - Разрешение прибора недостаточно для выделения распада.

4.2. РАСПАДЫ КЛАСТЕРНЫХ ИОНОВ В ЗОНЕ УСКОРЕНИЯ ВИ1С С"БЫСТРЫЕ" РАСПАДЫ) В методике, описанной в П. 4, было показано, что распады, кластерных ионов, происходящие в зонах ускорения прибора, оставляют'

о себе информацию на энергетических спектрах в виде затяжных "хвостов", лежащих ь отрицательной ветви экергоспектра. На рис.11 приведены примеры: таких энергоспектров для О/.

Экергсспектры , измерены методом изменения ускоряющего напряжения СП. 2). Из рис. И следует, что в экспериментальном временном окне Са 10"" - 10"7 с.) от момента эмиссии вторичных ионов происходит интенсивное образование осколочных ионов. Высота и наклон" "хвостов", характеризующих интенсивность и скорость происходящих процессов фрагментации, идентична с процессами, происходящими в бесполевых зонах масс-спектрометра. Так, например, для энэргоспектра Си* по сравнению с Си*, Си* й Си* характерен быстрый спад "хвоста" распределения, что свидетельствует о низкой вероятности переходов Си* -<- Си* .+ Си в зоне ускорения, Этот

в 4

результат согласуется с данными рис,9, где в спектрах осколочных ионов, рождаемых в зоне L(.прибора, ионы Си* не были обнаружены.

На основе анализа энергоспектров Та*, КЬ+, Аи*, А1±, Си* мы

Л П П! II

пришли к выводу о том, что область "хвоста" энергоспектра можно удовлетворительно аппроксимировать Експоненциальной функцией С25], и таким образом, для ионов, образовавших эти участки знергоспектра,

могло определить средние времена жизни до распада. Поскольку этот вопрос принципиально важен, то обсудим его несколько подробнее. В работе [ГЛ] решением задачи о движении после выхода из мишени иона,

сегментирующего в конденсатора Смишень кавдая точка "хвоста' прошедшим с момента позволяет определить распада

области электрического поля плоского - ускоряющий электрод), было показано, что энергоспектра однозначно связана с временем, эмиссии кластера до его фрагментации. Это времена долета кластеров до эквипотекциаля С учатся того, что измеряемый энергоспектр это -йИ 1 сШ

— = - • — С4.7)

с£ е сЮ

С где и - вольтодобавка к номинальному ускоряющему потенциалу, компенсирующая дефицит кинетической энергии фрагмента), получалось однозначное соответствие между "отрицательной" энергией е1/ в области "хвоста" энергоспектра кластера размером п-1 и временем прошедшим до момента распада.родительского иона размером п:

= (

2т " ,/г L г г (Е И î/a (Г 1 1/2-1

0 71- - 0

е . и 0 .1 .е )

где а - масса мономера,

С4.3)

- элементарный заряд, L -длина зоны

ускорения, U - номинальный ускоряющий потенциал.

С другой стороны, соответствующих каждой точке £), можно определить из статистическом процессе:

_р = I dt

количество распавшихся ионов, "хвоста" Ст. а. ¡самому моменту времени одних соображений о распаде как

- , ■ ехр т

С4.Э)

di

-•ехр

где dip - количество исков, распавшихся за время dt, определяемое шириной функции пропускания, 1 - количество этих ионов в начальный момент времени, г -• их среднее время .тиэнн. Следовательно: i ' Г 1 "I

т .

где dt определяется из выражения:

n V/2 nL. (Е.

г о J U

о

Для числа ионов / можно записать:

dt

•dt

-2.-1/

■ i /г

■dU

С4.10)

C4.ll)

1

t

I =

ГДЕ, ,1п

о 1 /а о

т е и

С

.1/2.

(¿ПН"

где Д£,/г высоты, /

- ширина функции пропускания по энергиям на половине - регистрируемое число ионов, распавшихся на эквипотенциали, соответствующей вольтодобавке и.

После умножения обеих частей выражения С4.12) на / (,Ед/е)-и и логарифмирования их получалось линейное уравнение типа:

У=КХ*В С4.13),

гС ^1/л г ^ п

а, „[рглаг^.ь;

Ц ге } т е и 1 I е ) т У„ [е )

где С4Л4)

С4,16)

о о

После преобразования массива экспериментальных точек, соответствующих "хвосту" энергоспектра, к виду С4.13) и нахождения методом наименьших квадратов значений К, В к £о определялось среднее время жизни ионов т и их начальное количество I :

-1Ц

I е J

I /а

I П ■

О

т е и

I = -——

') т и

1/ач

.е .

С4,16)

С4.17)

На рисунке 1п[/-/СЕ0/е)-У ]

12 ■ показаны

функциональные зависимости

= /Г/СЕо/е)-и I для области "хвоста"

_ _________"______ + "

энергоспектров кластерных ионов Та* - Та*

и ли*

К> К»-

измеренные в работе (251. Прямые линии на рисунке соответствует, функции (4.13), для которой определены показатели К и В, точки -экспериментальным данным. Из рисунка следует вывод о том, что область "хвоста" знергоспектра можно- удовлетворительно

аппроксимировать экспоненциальной функцией /|У СГо/£?) -и J цг таким • образом, для ионов, образовавших эти участки энергоспектра, можно говорить о среднем времени их жизни.

! Т

! 9 ■

а

г7'-

0 . о

1 5 А

В таблице 3 приведены значения времен жизни т для ионов Та*-Та* и Аи*, Аи^, Аи*з для распадов вида М* М*^* М, происходящих, з зоне ускорения.

Таблица 5

Средние времэна. жизни т, измеренные в области ускорения и в бесполэвых зонах для кластеров Тапи Аип [253 С2 и 3 колонка табл.)

Время жизни кластера, т С с)

Вид фрагментации Область ускорения (плоская мишень) [251 Бесполевая зона Область ускорения (проволочи, мишень) [28]

Та*-» Та* Та*-» Та? Та*-ч Та* Та*-> Та7 Та —► Та® 6.3-10-° 1.9-10"" 1.3-10-°

6.1-Ю"* 1.2-10"9 • 3.6-10"в

0.3-10"8 1.4-10-® 2.7-10"в

1.В-10"7 1.8 10-" 2.1-10-°

7,7-10-" 1.9-10-° 1.93-10"9

Аи*-ч Ац* К,- ил-ю-* - ' -

19'10"* - - -

13.2 -КГ* - „

Для тех кластеров, "хвосты" энергоспектров которых образованы распадам! по двум каналам, не представляется возможным каким-либо простым способом вычленить из общего "хвоста" части, относящиеся к гону или иному каналу его образования. Поэтому энергоспектры кэчэтннх кластеров золота Аи*, Аи*, Аи*, Аи*, Аи^ но

Рис.12. Участки отрицательных , энергий спектров кинетических энергий ионов:

1- Та;, 2-Та*, З-Та* 4-Та* 5-Та* 6-Та* , 7-Аи;, 8-Аи;, 9-Аи^о, построенные как функция 1

1п[/ /сЁ/еН/ ] = /[/С£я/е)-и ]

рассматривались.

Как видно из табл.5, времена жизни исследованных кластеров т -10~7с. , что на порядок меньше, чем времена, измеренные в бесполевых зонах. Это позволяет сделать вывод о том, что. кластеры,' распыленные ионной бомбардировкой, обладает довольно широким распределением по внутренним энергиям. Для кластеров с разными энергиями возбуждения существуют разные времена жизни тСЕ„). Очевидно также, что в этих

О

исследованиях не было достигнуто время регистрации, меньшее среднего времени жизни кластеров.

Задача . исследования фрагментации распыленных кластеров в диапазоне времен порядка 10"вс. после выхода иона из мишени требует создания вблизи поверхности мишени ускоряющего электрического поля напряженностью более 10й В/м. Однако, расчеты показывают, что если при этом не менять геометрию эксперимента, то ускоряющий потенциал-I! нужно повышать до 300 кВ, что в наших приборах неосуществимо.

Решить эту задачу можно, если распылять тонкие Сдиаметром в несколько десятков микрон) проволоки 127 - 281. При исследованиях ,энергоспектров кластеров, распыленных из тонких проволок, на участках "отрицательных" анергий • дефициту энергии ■ в несколько элеетронвольт соответствуют времена долэта менее 10~в с.

Для решения этой задачи были измерены спектры кинетических анергий сШ/с!Е кластерных конов Та* - Та*, распыленных из танталовых проволок диаметром 50 и 200мкм,и для сравнения - из плоских мишеней

пот'.чшиал мишени U¡

10

У 10

2756.7

2856 7

с (В) .6.7

Ta¡ +Т а

-500 -250 -200

Рис,13. Спектры кинетических энергий Та*, распыленных из различных мишеней.

1 - проволока d 50 мкм

2 - проволока d 200 мкм

3 - плоская мишень

и'ия пони L' (эШ

6,7

Как и ожидалось, эксперименты показали, что доля кластеров распадного происхождения растет при переходе от распыления плоских мишеней к распылению тонких проволок. В работе [28] решением задачи

о движении кластерного иона, ■ распыленнного из проволоки и фрагментирущего з области электрического поля ыевду проволокой -мишенью и ускоряющим электродом, определены средние времена жизни т и исходное число 1о распадающихся кластеров. Процедура вычисления т и I отличается от вычислений т С4.16) и I С4.17) для плоской

о о

, мишени Споле плоского конденсатора) тем, что для проволочных ! мишеней решалась задача движения кластерного иона в поле цилиндрического конденсатора. Значения т приведены в таблице 5 .' (последняя колонка).

'' Сравнение кластеров тантала, имеющих одинаковые дефициты кинетической энергии, распыленных из плоской мишени и из проволоки, показывает, что распад последних характеризуется.временами жизни, меньшими приблизительно на порядок (например, в случае Та* для ■проволоки - 6,6'10"° с. а для п.-ос::ой мишени - 6,1'Юс.). Эти времена сравнимы со временем долета и регистрации их в зонах распада.

4.3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВРЕКЕШМ ХАРАКТЕРИСТИК ФРАГМЕНТАЦИИ КЛАСТЕРНЫХ ИОНОВ

Образование фрагменткымй ионами убывающего "хвоста" эноргсспектрз з области "отрицательных" анергий указывает на то, что ско1 ссть распадов кластеров сШ/сй, зависит от времени I. прошедшего с момента их образования до распада, т.е. этот параметр лвляотся функцией времени. Эта зависимость является важной характеристике:! процесса, несущей информацию о характере фрагментации, о распределениях по временам жизни я константам скорости реакции, о спектре энергии возбуждения распыленных кластеров. В настоящей работе [30,31] определены зависимости ГС1) ~ сШ/й1 во временном диапазоне 10"8 - 10~л с. для кластерных ионов Та* (4 < 'п ¿8) и ЬЪ* Са<п<10), Эти эксперименты позволили определить распределения распыленных кластеров по константам скорости распадов, временам жизни и анергиям возбуждения.

Как было' показано в 4.2, энергия дочернего иона £ < еи (где II - разность потенциалов между млшенью и ускоряющим электродом) однозначно связана с местом распада, а, следовательно, с временем,, прошедшим от момента образования кластера до момента его распада. С/,нозначпая связь .энергии "дочернего" иона Е с временем жизни I, прошедшим с момента эмиссии "родительского" кластера до его фрагментации, позволяет перейти к временной координате в диапазоне Е < еио: сШлй, = сШ/с!Е'с!Е/Л. В данном случае с!Е/<& определяется

решением уравнения движения иона в ускорявшем электрическом поле. В работе [25] эта задача была решена для плоской Мишени в приближении плоского конденсатора, а в [28]для проволочной мишени - цилиндрического конденсатора. Это позволило определить функции ГШ=сЮ/<Л во временном диапазоне 10"® - 10"* с,

Функция ГСО = (¿И/Л во временном диапазоне 10"®- 10~4 с. определялась путем обработки результатов измерений фрагментации кластеров в бесполевых зонах масс-спектрометра Ц и 1а Срис.8). Результаты определения функции ГС О - зависимости скорости изменения числа распадающихся кластеров от времени в диапазоне 10"°

■! §10 ' 1 | Зю»! I в

■I ё10 ' ¡¿<10

10"* 10" 10 "ТО" 10" 10

Б[)емя после эшсссия кластера (с)

Рис.14. Скорость изменения числа распадающихся кластеров Та* и КЬ+ от времени I после эмиссии. 1,2,3,4 - распады в зоне ускорения, 5,6 - распады в бесполевых зонах

Поскольку в случае в экспериментах использовались только плоские мишени, то временной диапазон ограничен временем ^ регистрации 2-10"* - 10"4 с. Эксперименты показали Срис.14),. что . лучшей аппроксимацией для ГС1) является не экспонента, а степенная функция, которую удобно использовать в нормализованном виде [311 :

К"

— = Са-1)са"'а+сГа N

С4.18)

где а и с - параметры, которые определялись .методом наименьших квадратов, а N - полное количество распадающихся кластеров данного размера С площадь под кривой ГСП.

Неэкспоненциальный характер зависимости /С укагдавает на существование кластеров с разными константами реакции фрагментации М+ -I- М+ + М. Это может быть следствием существования спектра

П П- I

энергий Еотбуяления клчстрров. Вводя 'фупкцши распределения по «састантаи скорости реакции ¡рСЮ и учитаиая статистический характер процесса, /(£)'!.:с12И пр?дстг.внть - к?к суперпозиции экспочент:

и

' "ла*:

/С | к-еСЮо-лрС-'.ЮаН , С4.19)

о '

где Зс"! - предельная скорость фрагментации (порядка частота

кслсб3 д::апазс::з срсмск СЮ"3- ХСГ'с.)

1С-1С", лодынтсгра.'г^нал ;;р;:

близка к

питзгралэ С 4.193 бескоп-чност^тз и пояучоН'Ю^? \\ лт от л - л ъ; 1о ^ ^пзвнепе ана'Р,1г'»'чт^ски с 1*опояг,«'>1'ан»'~ч СДГ.ЙСТЙ глмма-йуккпии Ойгерз.

с-"'": оу.рС -с.".) Н"'= тС*!- --С201

Па-1)

Тйк;:м образом, определяв эксяормантаяьна вид функциональней 1 ', яцтр'и йняпи-.'ип^СК"! получить кь'ражиНЧе ДЛЯ

фупгд'.и распрздолепнл пс кзкотяпта:,: схсрзт фратме:ггг.ц'"* Г313, а рсспрсдслскпл по пер;:,;г::ксЛ т - 1.',ь., нмзгцсй

$.:т]г----:--(У., 21)

ГСИ-1У ■

• Рис. 15.' Распределения ионов Та* :< КЬ* по временам гизпи, расочи-• -;жЛыз во Еременко« диапазоне б-Ю-9- 10'"с . для конов Та* и б-ХО"* - 10"° с для ионов НЬ*. Вертикальными пунктирными линиями показан диапазон времен гизня слабовозбужде нньйс долгсатзувдх кластеров.

На рис.Ш приведены рассчитанные нормализованные распределения

$Ст)/§____Ст) для кластеров Та* * Та* и Kb* Nb*, Hb* . Как видно из

«ивН . ,4 q В в 10

рис.15, кластеры Тао и Nb* имеет наибольшие средние времена жизни, Та* и Nb* - наименьшие.

4 4

Функция <р<Ю несет информацию о спектре анергий возбуждения кластеров, т.к. квантовое приближение теории РРК 158] дает зависимость константы скорости реакции ■ k от энергии колебательного возбуждения Е - ihv при энергии активации реакции по этому каналу

акт

= J'hv:

к = к

a Ci- !

С4.22)

Ct-j')!Ci+S-l)!

где s - Зп - 6 - число колебательных степеней свободы кластера,, п - число атомов в нем, ко~101'с'1- частотный фактор, и - средняя частота колебаний возбужденного • кластера, inj- количество квантов возбуждения и активации, соответственно.

Использование формулы (4.20) и предлагаемой теорией РРК зависимости константы реакции распада от. анергии возбуждения С4.22) позволяет аналитически получить функцию распределения кластеров по относительным энергиям возбуждения е - £bQQd/E_кт = i/j : С4.23)

ФСе)

[с* ]*"' • j'aCs-l)

о J ,

ГСа-lXi-j+DCi+s)

ÜCi-J+s-l)!

(i-j)!(i+S-D!

;exp

-ck

■ÜCi-i+S-l)! ii-j)!С i+s-1)!

На рис.16 приведены нормализованные функции распределения по относительным энергиям возбуждения для Та*, Та* и Та* рис.16Са), а

на рис.16Сб) по абсолютным значениям для НЬ*, МЬ*. КЬ* и КЬ* .

* В в 7 1 О

Рис.16. Распределения '1а* по относительным и ИЬ^ .по абсолютным значениям энергии возбуждения, раезчитаннне по результатам измерений скорости распадов вторичны;; ионов в диапазоне

ö-!0"a- 10'3 с для

ионов T3f и 6-i0"s- 10"Зс для ионов Nb* ri t\

Для расчете:: iC,Срис.16б) по абсолютным значениям энергии возбуждения Nb* мы воспользовались значения"« энергии активации СЕактУ, который были определены нами из измерений спектров энергии распада (kinetic energy release distribution) кластерных '/.снов в бесполевой :-онв ЗИМС С35]. Эти значения приведены к тас5л. 8.

' Таблица 6.

Энергии. актив?ции и средние константы скорости для фрагментации кластеров в первой бесполевой зоне масс-спектрометра: lib*-*

кластер

Nb* 8

Nb+ fib2

Ntof Kb?

At ,эВ й

[353

?.йЗ 6.00 4.47 8.13 7. ОД 4.10 G. 33

¿•d, эВ

работа

■ 3.01 3.61 5.63

■ 6. S3 5.93 3.78 б. 05

iso:

к, 10"

8. OB 6.25 5. 71

4.95 4.67 4.42

Для сравязння в таблице приведется та к ко данные об энергиях диссоциации Ей кластеров ниобия, полученные П. Арментрутом в экспериментах по стслкновитеяьяой диссоциации [50]. Следует отмстить, что методика спрзделения активации Сдиссоциаций кластеров из изкоренкй спектров распада широко. применяется для кластеров, например, образующихся из газоЕСй фазы или лазерном испарении твердых тел. Однако, ота методика применительно к ВИМС впервые использована нами [35] и существенно расширяет возможности мэтода ВШС.

Функции распределения ФСй) для ионов Та* вычислены в предположении, что ./=100,т. к. абсолютные значения Е0 = ¡'Ьи для Та* ие известны. Эти значения Еакт составляют несколько олоктронвольт а близки значениям энергий диссоциации газофазных ■ кластеров №* Стаблица 6). Произвольность выбора парамэтров ] не сказывает существенного влияния на конечный результат. Например, переход от /=50 к /=100 слабо влияет на параметры ФСй) для рассмотренных кластеров Та*.

Таким образом, представленные выше эксперименты позволяют оценить как'относительные, так и абсолютные значения средних

энергий возбуждения кластеров тантала и ниобия в 'экспериментальном временном интервале 10"" - 10"' с. На рис.17 приведена зависимость средней энергии возо'уздония кластеров КЬ* от размера п,." Видно, что внутренняя энергия растет линейно с увеличением п, а средня« внутренняя энергии пр" пересчета на один атск для возбужденных кластеров составляет примерно "эВ.

Эти результаты находятся в хорошем согласии с теоретическими данным: работы [541, получении:.'.!: катодом молекулярной динамики, Модельный эксперимент (543 предсказывает значения энергии возбуждения кластеров СБ :сэВ А г Ад*} но::осрод'лт2э;ио. у шсенн.

Согласие наших экспериментальных данных с модальными свидетельствует о том, • что каша методика регистрации "быстрых" распадов позволила приблизиться к оценке энергии возбуждения кластеров у самой шиени. • Значения сноргйй во^узд^пия распыленных кластеров , полученные. рами, явяявтея первыми экспериментальным:: данными, не только доказывающими существование практически у всех кластеров №>* и Та* С для г. > Зз энергии возбуждения, лревмиавдей окоргкг) диссоциации, но и иоказызаюкими, что энергия возбуждения на один атом составляет значение порядка 1 эВ,

■ я 11 -

л

В

41

ш в

0 „

01 О

м

7-

СА *

• 9

Зависимость средней энергии возбуждения .кластеров КЬ* / от размера п.

с. л

б 7 ~Ъ Тй " Го Г1

кил—ио шомоы и кластере

О, КЛАСТЕРНЫЙ ХАРАКТЕР ЮИЙОЙ ¡¿ОППОНЕНТЫ РАСГОШНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕи Результаты исследований, приведенные в предндуазм раздуло, покаывапт, что кластера® ионы, распыленные уонкой бомбардировкой, имеет Еирохое распределен"" Л" энергиям ълэбужтення и. как следствие, широкий' диапазон ьоз^сда-ых времен жкзлк. Поэтому ргопзды возбужденных кластероь нигуг происходить, от комспта их . с:г.:ссгл: до момента регистрации и могут определенным образом трансформировать исходные распределение вторичных частиц. г.о массам и кпкетпчоск;:;.!

¿,0 •

энергиям.Результаты исследований фрагментации кластеров, псяучепны? нами к настоящему времени, позволяет предложить следующую модель временной эвольцхк энергетических и ыасс-спектрапьных распределений кластерных ионов.

■Кластерные ионы в момент их образования имеет некие распределения по внутренним и кинетическим энергиям, соответствующие как характеру распыляемой матрицы, так и конкретным условиям распыления (масса, энергия, плотность тока первичных попов). Часть кластерных ноноч, эн&ргня ьозбулдения которых не праьыиаот энергию их диссоциации, по путп своего пролета от мишени до детектора г.'дсс-спэктреметра не распадается. Зго "стабильные" ионы.

Кластеры, имеющие внутреннюю анергяи возбуждения большую, чем энергия их диссоциации, кмгвт отличные от нуля вероятности фрагмента«!. В этой группе могло выделить частицы, чья энергия возбуждения превышает зкергкэ 'дпсссцнацпн ::а небольшую величину, вследствие чего эта кластеры имеют значительное время танк ^больше 10"э с), что позволяет классифицировать их распады как "медленные" ^распады з бесполевых со::ах БИМС). Частицы, лмэюдие такие величины энергии возбуждения, которые приводят к и:: распаду в зоне ускорения С характерные времена аизни легат з диапазоне Ю"10- 10"°с.), мы называем частицами с "быстрыми" распадами. И, наконец, нельзя исключить • наличие сильновозбуя.денных частиц, распадавшихся в точенлэ 10"1а - 1СГ10 с после эмиссии;'-- "короткоживувдх" кластеров. Эта группа осколочных частиц, наклеиваясь на спектр стабильных исков, участвует в формировании положительной ветви энергоспектра кластерного иона.' Разделить эти две группы ионов чрезвычайно-сложа. . Поэтому вопрос о ■ доле. стабильных и осколочных ионов- в положительной ветви остается открытым.

В начальный момент времени имеется некое исходное распределение по размерам распыленных кластеров, среди которых, очевидно, присутствуют все указанные выше типы частиц. Благодаря фрагментации это массраспределенио -изменяется во времени, причем, таким образом, что относительная ' доля кластеров малых размеров возрастает, а больших - уменьшается. Кроыа того, наличие направленности реакций фрагментации в сторону образования наиболее стабильных осколков приводит к увеличении доли стабильных частиц s обцам патоке, которые проявляются в масс-спектрах в виде линий кластерных ионсв с аномально высокой интенсивностью. .

В разделе 4.2. для случая плоской мишени были получены

аналнтлчоский ьыразсения (4.18) и С4.17), позволяющие путем матаиатической обработки левой "отрицательной" части эпергоспэктров получить характерное ьрьмя жизни г и исходное количество I распадающихся кластеров Та*. В работе [28] аналогичные выражения были получены для случал проволочной мишени. Учитывая, что область "хвосгсв" знергоспектров в случаях плоской и проволочной мишеней образована кластерам! с характерными, временами жизни т, различающимися более, чем на порядок, и предполагая, что для кластеров Та* имеет место один едцнствекрый канал фрагментации (3.1), можно восстановить масс-спектры, соответствующие различным временам регистрации осколков.

Очевидно, что полная площадь КИ^) под кривой энергоспектра кластерных. ионов М* эквивалентна алгебраической сумме количества стабильных и осколочных ионов:

КМ*) I СМ* ) + Гг(М*) + I СИ*. )1 С5.1)

п о п+» I. а п в пи J

где I 5 - количество кластерЬв, распавшихся в зоне ускорения ("быстрые" распады); ^(М^) - количество кластеров, которые не распадается; 1вСМ*+() . - количество кластеров, распады которых не регистрируются в эксперименте С"короткожиБущке" кластеры). Допуская, что правую часть спектра, в основном, формирует стабильные ионы, для исходного числа .кластеров размера , вылетающих из мишени, могло записать: .

1„(М*) = I СМ*) + I СМ*) . (5.2)

п п в п о п

Таким образом, вычисляя количество распавшихся кластеров данного размера и складывая его с количеством таких хе стабильных кластеров, можно определить, каким был масс-спектр к соответствующему времени регистрации. На рис.18 приведены зависимости 1ИСМ*Э, 18(М*3, I Сф для случаев распыления плоской и проволочной мишеней из тантала ионами Хе* [28-3. Как видно, масс - спектры, рассчитанные для времени регистрации -й-10"" с (случай плоской мишени) и ~ 10"°с (случай распыления проволочной мишени) качественно и количественно отличавтел от масс-спектра, измеренного в обычных условиях эксперимента (время образования какого спектра 10"4 - 10"вс). Видна явная временная трансформация масс-спектра в результате процессов фрагментации кластеров. При зтом спектр обогащается мальм: (либо наиболее стабильными) кластерами за счет уменьшения количества более крупных (либо нестабильных). Р исходном спектре, т.е. до входа кластеров в зону регистрации, количество Та* было больше Та*.

Ко времени же > 5'10"s с их соотношение меняется на обратное.

t sj о г о э

количество атомов н кластере

Рис, 18. Масс-спектры вторичных иснов Та*, распыленных ионам;' Хе* с энергией 8.5 кэВ из танталовой проволоки диаметром 50 мхм (1, 2, 3) и плоской танталовой мшени С4, 5, 65. 1 и 4 - масс-спектрн без учета распадающихся кластеров; 2 и 3 - масс-спектра! с учетом распадающихся кластеров; 3 и 6-масс-спектрм распадавшихся кластеров

Таким образом, сокращение временного интервала от момента эмиссии материнского кластера до момента регистрации образующегося осколка дало нам возможность исследовать динамику изменения масс-спектрального распределения Та* Сп = 3 - 8). Эти исследования наглядно свидетельствуют о том, что процессы фрагментации кластерных ионов (даже без учета распадов "коротксживуиих" кластеров) существенно трансформируют начальные масс - спектральные распределения кластеров. Следовательно, полученные в обидных условиях экспериментов масс - распределения кластеров нельзя напрямую сравнивать с моделями или механизмами образования кластеров, .описывающим эти' распределения, поскольку все они характеризуют начальный момент эмиссии и но учитывают ьремениуп эволюцию возбужденных распиленных кластеров.

Очевидный недостаток теоретических моделей, в которых отсутствуют представления о.фрагментации кластеров,-проявляется при интерпретации результатов измерений спектров кинетических энергпД кластерных ионов. Это можно показать на примере эпзргоспектров ки* , полученных распылением золота ионами Хе* СЕр ^ 8.5 кэВ) [251. Параметры энергоспектров приведены в таблицу 7.

Табл.7. Параметры эноргоспектров Та* и Ли* СЕ -наиболее вероятная энергия, Ео -энергия спектра на полувысоте)

Ион Е ,эВ Е ,эВ о, в Параметр а Параметр 0 Параметр с

Ли* 2,5 8,0 0,47 ■ 1.3 • -0,11

Ли*. 3,5. 10,6 0,17 ■ '1,9 -0,12

Аи* 1.3 3,6 0,62 3,4 -0 ,'23

ли;' 1,8 ,4.0 0,70 ■ 3,2 -0,27

Ли* ч Ли ' Ч Ли Ли1 0,8 ' 3,3 0,29 ' 5,1 -0,33

1.3 2,7 0,64 3,4 ■ -0,37

1,0 3,7 0,32 4,6" . • -0,23

1.3 " 3,3 0,3 •• 3,7В -0,4

1,3 3,2 0,22 . 6,4 -0,41

1.3 3,7 1,7 -0,23

Аи1, 1 г 0,8 3.7 3,0 -0,33

0,6 4,1 — м 1,3 -0,29

Существующие модели ' ¿яастерообр-зованг.п предлагает различные вырахения для количественного описания »нергосле.чтров Б'области больших к талых энергий, Поэтому из!,;?ренные энергоспехтры-аппроксимировались намя по методу наименьших квадратов' степень ой функцией Ссй/йЕ-Е4) в области • иалых' анергий, а такхс- степенной Ссй/сЕ - Е"ь) и экспоненциальной Ш/сК « ёхрСС-Е) функциями, в области больших энергий. • ' •

При исследованиях', параметров зиергоспектров Ли* '.было установлено следугаэе : О -'. ионы Аи* ::мепт аномально високие значения Ео 1С.6 эВ и Еи *= -.,5 эВ дакэ в' сраьнэипп с Аи*; ¿О-по пере увеличения п наиболее вероятная • энергия. Е ' кластеров ' с ^ нечетным п меньше, чем-у--кластеров соседних номеров с четным п. Это ' хорошо набяпдается вплоть до п = 11; ¿¿О - изменения ь величинах параметров асимптот Са,Ь,с) а ростом п диест'периодический-нарактер' - для кластеров с нечетным и эта ' величинп всегда' кеныае, :'чзк для кластеров соседних комаров/с четчьм П. ■ ■■'■.,'* ' . :

Таяяо четно-нечетные' осцилляция. в величина:'.. наиболее вероятных энергий., полуиириня " знергоспектроа и параметров асимптот, описывающих энерпхЛоктрЦ, никак не согласуются с тргдкщмккр ; привлекаемыми теоретическими.' ибдоягып, которое _ ародсвазззают • монотонно" убыадни? Еш"и Ег- и. рост парйизтрех,асимптот с ростам п. По-видимому;. объяснение этих гнеуалий следует искать V рамках.

описания эволюции энергоспектров, обусловленной распадами материнских кластеров.

Распределение вторичных ионов по кинетическим энергиям в приборах с магнитным анализатором.соответствует обычно временному диапазону - 10"° - 10"7 с. Очевидно, их эволюция в результате мономолекулярной фрагментации должна определяться двумя факторами. Во-первых, в результате распада по реакции:

Мп —* Mn-k * ^ с5-33

спектр кинетических энергий кластерных ионов осколочного

происхождения становится более узким, чем исходный Сспектр материнских кластеров М~) в n/Cn-k) раз вследствие деления начальной кинетической энергии материнского иона пропорционально массам образующихся осколков. Во - вторых, часть внутренней энергии, запасенной кластером, может выделиться на трансляционной степени свободы и перейти в кинетическую энергию обоих осколков. При этом должно происходить уширэние спектра кинетических энергий осколков М* на величину, пропорциональную средней энергии возбуждения, выделяющейся при разрыве связи Ckinetic energy release). Этот аффект нзблюдался нами при измерениях спектров кинетических энергий осколочных ионов Kb* (, образующихся в беспслевой з не ВКМС при распаде слабовозбу,тленных кластеров ниобия: Nb* —> ^n-i + ^ ^5], Знергоспектры измерялись по методике с изменением потенциала распыляемой мишени СП.2). Поскольку определяемые этим методом кинетические энергии частиц соответствуют лабораторной системе координат, то для того, чтобы получить спектры энергий распада, необходимо перейти к системе центра масс распадающегося кластера. Можно считать, что направления вылета осколков при распаде равновероятны. Тогда распределение по углам вылета в в лабораторной системе координат имеет вид:

eU ■

дН 1 + -g-cosZe . <

— = sing..... ° —— Сб. 4)

68 J-ёП-

/ 1 - -г- .smaa

со

где eU - энергия полного ускорения кластера, £ - кинетическая энергия осколка в системе центра масс. В этом случае для спектра кинетических энергий осколков, регистрируемого в эксперименте, мсг.ю записать лиТс-'Граяькоо /•>аз;м1:к>:

>о

dlí em*x dN дN

— CE)-/ — С Г, б) — dS C5.5W

dE . дЕ ЭЭ

где dN/дЕ СЕ,в) - спектр энергий осколков, вылетевших в направлении угла б. Оценки величин 0 показывает, что,для условий нашего эксперимента в = aresin [СЕ /еШ1 /г]< 0.018 рад, т.е. углы в - малы

гллн от&х г w

Решая уравнение CQ. 4) относительно дН/дЕ СЕ,б) для условий нашего эксперимента и учитывая связь между энергиями в лабораторной системе координат и системе центра масс, мы получили спектры энергий распада распыленных кластерных ионов Срис.19) [353.

°'0.00Т "оЪ ТТТ(к20 "(Гзо -ТДГ^'ТГг.» ■ анергия распада ¿' . оВ

Рис. 19. Спектры энергий распада НЬ*. Точки - экспериментальные данные; сплошные линии - аппроксимация их функцией, рассматривающей фрагментацию как испарение частиц из кластера [603.

Представленные на рис. 19 спектры энергий распада кластеров НЬ* показывают, что кинетические энергии, получаемые осколками при распаде кластеров в бесполевой зоне БИМС, составляют доли электронвольт, По сравнению с кинетическими энергиями распыленных кластеров, измеренными в обычных условиях эксперимента Срис.11,13), энергии распада этих долгоживущих кластеров малы. . Этот ' факт объясняется тем, что масс - спектрометр выполняет функции фильтра времени жизни [353, и поэтому в бесполёвую зону ВШС попадают "только слабовозбувденные кластеры., Диапазон . времен жизни и, соответственно, энергий возбуждения этих частиц, обозначенный на рис. 15 пунктирными вертикальными линия;,м, очень узок. К сожалению, именно этим диапазоном ограничены сегодк.: наши экспериментальные возмогности. Яс.чо, однако, что если учесть распады кластеров, обусловленные всем широким диапазоном энергий возбуетен::я,

показанным на рис.16, то этот эффект приобретения кластером кинетической энергии в результате распада проявится значительно сильнее, Возможно даже, что фрагментацией кластеров удастся описать весь спектр их кинетических энергий, регистрируемый в экспериментах Очевидно, в этом направлений будут развиваться будущие исследования. В настоящее же время результаты наших исследований уже позволяют описать формирование спектра кинетических энергий распыленных кластеров качественно - как процесс трансформации первоначального зиергоспектра' кластеров вследствие их фрагментации. Очевидно, что характер и степень этой трансформации зависят от распределения кластеров по внутренним энергиям, определяющего долю кластеров, которые'возбуждены недостаточно и не распадаются вообще, и закономерности фрагментации тех кластеров, которые имеют достаточное колебательное возбуждение. Трансформация энергоспектров кластеров при фрагментации происходит п^д воздействием двух конкурирующих процессов: С1) - сужения энергоспектров, пропорционального отношении масс материнского и осколочного ионов; С2) - уыирения зиергоснсктроз вследствие превращения части энергии колебательного возбуждения материнских ионов з кинетическую энергию соколков ClarmLic energy release). Следовательно, спектр кинетических энергий распылённых кластеров М* представляет в момент кзмеренкл Снезавчсиуэ от применяемой методики) сумму спектров нерасяавси^сз кластеров U* ' и трансформированного спектра распавшихся к эгсму мсмэнт4 кластеров . Если же для измерения счергосиектров ¡'спальэуса г методика с изменением' потенциала распыляемой то в зависимости от напряженности

электрического поля, ускоряющего вторнчние ионы, часть распавшихся кластеров катет образовать в суммарном онергоспектро

протяженный "хвост" в области "отрицательных" энергий Српс. 11,13).

Кнформаг.я о характеристиках ' распыленных кластеров через несколько наносекунд после эмиссии в принципе позволяет сделать некоторые количественные оценки влияния фрагментации на формирование спектра их кинетических энергий. В настоящее время нами предпринимаются усилия для решения этой задачи. Однако, останавливаться на этом нельзя, поскольку предлагаемое нами качественное описание, делает возможной разработку модели эволюции этих распределений для проведения моделирования процесса на ЭВМ, пспользуюаего всю совокупность экспериментальных данных С спектры масс и Кинетических энергий кластеров). Можно ожидать, что

47 *

применение современных методов компьютерного моделирования позволит нам решить задачу о получении характеристик распыленных кластеров, относящихся к моменту их эмиссии и тем самым оценить адекватность существующих теоретических представлений об этом явлении и создать условия для разработки новых современных теорий.

5.1. ЧЕТНО-НЕЧЕТНЫЕ ОСЦИЛЛЯЦИИ В МАСС-СПЕКТРАХ ВИЗ ОДНОВАЛЕНТНЫХ НЕТАЛЛОВ.

Четно-нечетная осцилляция интенсивности эмиссии является характерной особенностью кластеров, образующихся путем распыления металлов - элементов первой группы периодической системы. Этот эффект наблюдается как для положительно, так и отрицательно заряженных кластеров. Попытки объяснить данный эффект обычно сводились к оценке стабильности кластеров на основе расчетов геометрической и электронной структуры частиц £39), согласно которым кластеры с четным числом электронов Снечетное п) имеют более высокие значения энергии, связи, чем кластеры с нечетным числом электронов Счетные п). Стало традиционным интерпретировать массраспределения в рамках понятия "стабильность - интенсивность".

Однако, современные квантово -химические расчоты зависимости энергии связи кластеров Ад°, Ад^ и Ад* Сп i 9) от числа атомов [403 нэ показывают заметных четно - нечетных чередований, как это следовало из упрощенных расчетов [333. Во-вторых, проведенные недавно измерения массраспределений нейтральных кластеров Cun Сп < 13) [553 и Agn Сп £ 18) [543, образующихся при ионном распылении показали, что имеет место монотсгное уменьшение интенсивности эмиссии с ростом п,. причем для нейтральных кластеров' ход , распределений хорошо коррелирует с рассчитанными значениями энергии связи. В работе [403 было высказано предположение, что четно -нечетная осцилляция в массраспределениях заряженных кластеров и отсутствие таковой для нейтральных скорее -всего связаны с поведением энергии ионизации, чем с энергией связи,' поскольку для кластеров одновалентных металлов существуют ярковырахе'нные четно -нечетные осцилляции в потенциалах ионизации [573. Однако, конкретный .механизм трансформации масс - спектров в работе [403 не был выявлен. Обнаружение распадов и исследование конкретных каналов фрагментации позволяют нам проследить, как осцилляции потенциалов ионизации и электронного сродства проявляются на масс-спектрах рапыленных кластеров одновалентных металлов. Можно увидеть, что осцилляции потенциалов ионизации С электронного сродства) приводят, к

осцилляциям энергии диссоциации заряженных кластеров.

Для энергии диссоциации кластера М~ по каналу М~ —» М~_ + М

п-«

можно записать 1581:

DW , К 3 = В СИ, М„ Л * IPCM„ ,) - IPCM ) ; CS.8) :

п П Л— I Г1 п П-1 . П-1- n \f\

ЕГОГ , И ,) = DC М , М ) - ЕАСМ Э + ЕАСМ 3 jl'. С3.7) '

П П П-1 rs п п-i п-1 п

где D - анергия диссоциации, IPCM 5 и EACH У - потенциал ионизации

Е\ П П . 4.

и сродство к электрону нейтрального кластера Mn; D~ - энергия диссоциации' заряженного кластера по данному каналу. Поскольку у нечет® кластеров порог ионизации !5П ниже, а сродство к электрону [521 bhes, чем у соседних четных, то для нечетных п имеем: IPCtt ) - IPCM D > 0 и ЕАСМ, ) - ЕАСМ ) < О

П-1 п rt-1 п

тогда как для четных п :

IPCM ) - IPCM 3 < 0 и ЕАСМ ) - ЕАСМ ) > О,

П-1 п П-1 п

Влияние этого условия приводит к появление четно .- нечетной осцилляции в. величинах анергии диссоциации, причем:

D* < D~ и о* , > 0;„ сз.в)

гп гпм sn-i гп

Следует ожидать, что канал фрагментации с испусканием мономера должен обогащать масс-спектр нечетными номерами и обеднять четными. Наглядно ото проявляется на зависимости эффективности фрагментации' от номера кластера Сдля меди см. рисунок 11). Эффективность фрагментации больше для четных кластеров и представляет собой, тоже осциляирусщуп зависимость.

Второй фактор, который приводит к увеличение интенсивности пэчэтных кластеров в распределениях 1СМ~) = /Сп), связан с каналом фрагментации с испусканием нейтрального димера. Этот канал С4.4.2), как уке говорилось выле, наблюдается только для нечетных кластеров. Сто приводит к тому, что кластеры с нечетными номерами Сво врсг.:оп?:см .диапазоне < . 10-г с) обогащаются осколочными ионами от znyz тгтргЕЛЭн^Э ргепадоэ, тогда как четные кластеры, в . лучшем сж^ч-к?, ст сдйото еслравпвзйя. Например, из табл.4 видно, что канал с испускание:* одного атска, а котором образуются кластеры Ад*, Ад* еоой-дз но ва^лидаетсл в бесполоЕНХ зонах. Это нельзя связать с недостатке» чувствительности прибора в этом эксперименте, так как у кластеров Ад*, Ад* и ^^ также, как у At/, Au* и Au*o [25], практически отсутствует "хвосты" на энергоспектрах. Это указывает на отсутствие распадоз'вида;

М+ —с М + М, М+ —♦ М+ +-М и М+ —> It + М С5.Э)

о 4 ,7 о 1 i 10

для времен регистрации г £ 10 с. Альтернативный канал распада:

■ м* —» М + М , М" —► М* + М и М* —► М+ + М СБ. 10)

О 1 3 7 В £ 11 в £

имеет повышенную вероятность Стабл.4). ■

Таким образом, можно сделать вывод о тбм, что четно-нечетные осцилляции в масс-спектрах одновалентных металлов формируются б результате фрагментации кластеров. При этом мы но исключаем влияния процесса ионизации кластеров на увеличение контраста четно-нечетных осцилляций в. распределениях КМ~) = /Сп). Однако, иа данном этапе исследований количественно оценить , влияние г:сго фактора не представляется возможным ввиду отсутствия механизма ионизации кластеров, образующихся при ионном распылении.

• 5. г. ОБРАЗОВАНИЕ АТОМАРНЫХ ИОНОВ ПРИ ФРАГМЕНТАЦИИ ШСТЕРОВ Как правило, распады с образованием атомарных осколочных ионов в бесполевых зонах масс - спектрометра не обнаруживаются. 9 то ге-время у большинства изученных нами атомарных ионов в отрицательной ветви энергоспектров проявляются характерные "хвосты", которые указывают на существование процессов образования атомарных иолов на значительных расстояниях от поверхности образца. Поэтому открытым остается вопрос о принадлежности атомарного иона тому шш иному каналу распада.

Для примера обратимся к результатам, представленным ка рис.11, где, помимо энергоспектров кластерных ионов Си~, приведены также энэргоспектры атомарных ионов ,Си+. и Си". Видно, что ' препиковыэ области распределений этих нойов существенно отличаются. Так, для' Си+ имеет часто быстрый спад "хвоста" в области отрицательных энергий, в то время как для 1..л:ов Си" его протяженность значительна. Для положительных', /.атомарных ионов образование препиковой облает« вследствие ионизации атомов в газовой фазе рассматривалось рядом авторов С533. Было предположено, что эти ионы образуются за счет распыления части атомов с долгоэшуаах автоиониэационнах состояниях или за счет ззаимодейстгия распаляемая, нейтральных атомов с- первичными ионами. Нэ такое объяснение' дазаэ для положительных ионов'является спорным и во многих экспериментах не подтверждается [59]. /Что же касается препиковой . области в энергоспегстрах отрицательных атомарных ионов, то их появление невозможно объяснить ни процессами автопешзгцш:, ни перезарядной атомов от первичного пучка. По. простым оценкам образов:-же атомарного иона Си-, имеющего дефицит энергии Ес=300гВ, происходит на расстоянии порядка 180 ыкм от ' поверхности образца, что соответствует времени пролета частицы 1.7-10"® с. Естественно, что'

за такие времена и на таких расстояниях от поверхности протекание указанных процессов невозможно. Учитывая, что в спектрах осколочных ненов первой бесполевой зоньт нами была зарегистрированы осколки Си" как продукты реакции Ctr —► Си~+ Сиа С рис. 10), моню .предположить, что наличие "хвоста" в энерграспределении ионов Си" связано"с тем, что эта реакция а высокой вероятностью протекает и 'в зоне. ускорения Для сравнительной оценки энергетики двух альтернативных реакций фрагментации:

Си" —у Си" + Си - С5.113

н 3 *

си- —► си- + си езлгз

3 2

применим уравнение энергетического баланса:

£ГССи",Сиг) •= D3CJu,Cu?) - CEACCu) - EACCu^)] CS. 13)

£T(Cu",Cu) = ZU'Cu.oT") - [EACCu ) - EACu )3 ' C5.J4)

г г з г 2 з

Учитывая, что EACCu) = 1.8 эВ, EACCu ) = 0.9 зВ и EACCu ) = .1.9 эВ,

г з

получас;.», что:

£TCCu-fCua) = D3CCu,Cua) - 1 зВ C5.1S)

Т. о. реакция фрггу.гь-гацт Си" с образованием атомарного осколка Си" ,':с-Лсткг,'егт:н:> является энергетически бол^о выгодной, чем реакция Сб. 12).

Наиболее вачндаз для выяснения роли Ярагменгашш в формировании .

потока ¿токчряых каноа нам представляются результаты исследований

колоиояеку*>ф:;сй '¿п&гизпгашга кластеров А1* , й которых впервые

imsci ,я ¿cw.kzvx зонах пр 1ора беши ебкарул^ян интенсивные распилы

с образс-чилск атомарно:о попа А1* [213. Результаты этих

иезледодешй *П|»:^стаил?иы на рис.,20.

рисунка ьлдчо, чго для поломпельно заряженных кластеров .41*

агягк инсго дьа сснсйпкх канала иояоиолехулярпоЯ '{рашгятзции:

. А1+ —» А1+ + A1 С5.10)

г> п-<

А1+ —> А1+ + А1 С5.17)

<1 П-1 _

У отрицательно заряженных кластеров А1, для see:: номеров п был зарзгистрнрозан только одга канал фрагментации:

АГ --* A3" . + А1 CS.18)

Осколок А1 являзтея основным продуктом распада кластеров А1п с п < 7, тогда кагс для п > 7 прробладапт реакция с образованием нейтрального атомарного осколка. Фраг гектация с отрывом атомарного иона А1* няблядается вплоть до самых больших номеров кластеров, и вероятность этой -реакции' имеет заметную корреляцию с вероятностью

обратного процесса, т.е. с увеличением вероятности фрагментации по одной реакции вероятность обратной реакции уменьшается, и наоборот.

-4 -1—1—1-1_I,,. I . I, '..■--L—1. I—■ ■--1_I I .1 I._(_i ■ L

2 4 6 8 10 121 14 16 18 SO 22 24 п

' . Рис.20.' V

Зависимость вероятности фрагментации А1- в зоне Lt прибора

Срис.8) от размера кластера п. Первичные ионы Хе+, Ер^10кзВ

Сопоставления полученных ¡результатов и известных из литературы значений потенциалов ионизации (IP) показали, что для п = 2 - 14 IPC AID < IPCAln) 1511. Это дало основания полагать, что при фрагментации кластерных ионов существует статистическая вероятность локализации заряда на одноатомном фрагменте, и эта вероятность тем ; выше, чей больше разница мезду потенциалом ионизации образующегося кластера и материнского кластера.

Следует это из уравнения энергетического баланса диссоциирующей системы;' ' , ''.

D+CA1\A1- , ) в DCAl'.Al 3 - tIPCAl )■- IPCAD1 ' , С5.19)

п < n-1 • n

D+CA1* ',A1 ) = DCAl,Aln ,) - ПРСА1 ) - IPCA1 П C5.20)

n n-i ft Jl-i Л Jl-S

Это означает, что для n = 2 - 7 энергия диссоциации А1* по каналу Сб. 16) всегда меньше энергии диссоциации С5.17), т.к.

D+CA1+ ,А1 ) - D+CA1*,A1 ) = IPCA1 ) - IPCA1) > О С5.21)

n n-i п п П-1 n-i

Что касается кластерных ионов- А1* о п > 8 то, как показывают эксперименты по столкновительно индуцированной диссоциации, энергетический порог реакции С5.163 становится ниже порога реакции С5.17), несмотря на то, что 1РСА1п) для п > 8-13 по расчетам еще превышает 1РСА1п).

Уравнение энергетического баланса для распада отрицательных кластерных ионов дает:

П" С ¡Г ,М ) = 0 СМ ,М ) - £ ЕАС К ) - 2АСМ )3 С5.22)

п и п-и п (И п-й а п

откуда следует, что предпочтительным является образование осколка с более высоким электронным сродством. Поскольку зависимость ЕАСА1 )=/Сп) - функция непрерывно возрастающая [523, то для малых энергий возбуждения ьнергетачйиди наяоилее выгодными будут распады кластеров А1~ по каналу Со.10). Рассматриваемый пример показывает, что если существует несколько альтернативных каналов фрагментации, ■ то локализация заряда на том или ином фрагменте определяется соотношением между потенциалами ионизации Солектронным сродством) образующихся осколков.

дн/Ун;___"___________________1__ '««А'ь______________________

1

10"

ю'

10

10

10"*

10-

I - л Г

,'{ -

л - м,~

1 - Л1,

_______________

-асм>

"1110 : зоо"' -¿ао"

Еб.П)

-100

10

10 "

11) '*

10 '

10

И*'

Рис. 21. • Энергоспектры кластерных ионов А1*- Са) и А Г - Сб) при распылении меди ионами Хе+ с энергией Ю кэВ.

На рис. 21а,б представлены энергоспектры А1*, измеренные при бомбардировке алюминия ионами Хе\ Следует отметить чрезвычайно высокую долю осколочных ионов у кластеров /¡1* с п 1 7 а лрепикоьой области. Обращает на себя внимание то, что в энергоспектрах

кластерных ионов А1* и AI* не обнаруживаются препики. Аналогичный вид чш:т и энергоснектры ионов А1*, . А1* и А1* Сна рис, 21а не показаны). Это означает, что кластерные ионы А1* с п - 2 - 6 осколочного происхождения в зоне ускорения не образуются. В то же Еремл для ионов А1~ с п - S - В имеют место достаточно протяженные "хвосты" в отрицательной ветви энергетической шкалы энергоспектров САГ на рис. 216).

Объяснение такому поведении' эиергоспектров находится в рассмотренных.выше спектрах осколочных ионов бесполевой зоны. Как было установлено, основным направлением реакций мономолекулярной фрагментации А1* с п < 7 является реакция распада с образованием атомарного иона, т.е. реакция С5.17). В то же время альтернативная реакция С5.16) с образованием заряженного многоатомного осколка имеет низкую вероятность. Именно это и проявляется в том, что в энергоспектрах ионов А1* Сп = 2-8) препиковая область отсутствует, а энергоспектр атомарных ионов АГ имеет протяженный слабоепадаювдй "хвост" в области отрицательных энергий. В данном случае приписать появление этого "хвоста" какой-либо одной реакции фрагментации невозможно. Очевидно, что его высота и . наклон ' определяются суперпозицией всех возможных реакций фрагментации кластерньтх ионов А1* Сп = 3 - 24) с образованием А1+.

Представленные в данном разделе результаты свидетельствуют о том, что вследствие релаксации значительной- внутренней энергии кластеров путем распада начальные характеристики энергетических и массовых распределений с момента их рождения до момента регистрации претерпевают существенную трансформацию. При этом в спектре п-иона появляется доля частиц, бывших Cn+k) кластерами Сгде к = 1,2...) с энергоспектром, трансформированным из спектра Cn+k) кластеров пропорциональным сужением за счет деления кинетической энергии и интегральным уширением за счет kinetic energy release. Наиболее устойчивые образования, как менее подверженные мономслекулярной фрагментации и характеризующиеся избирательными направлениями распадов, проявляются в масс-спектрах как более'интенсивные пики.

Имеющая место фрагментация кластеров с образованием заряженного одноатомного осколка говорит о том, что. при распаде кластерных ионов существует статистическая вероятность локализации заряда на сдкоатомгс;,! фрагменте. Это дает основание полагать, что процессы фраг.чектаци кластеров могут в" определенной мере трансформировать аарздойоэ состояние распыленных частиц после эмнсси. .

Таким образом, корректная интерпретация масс- и знергоспектров, характеризующих процессы ВИЗ при распылении, возможна только с учетом фрагментационно-эволюционных процессов кластеров после эмиссии. Будущие механизмы ' и теории образования кластеров при распылении обязательно должны включать стадию фрагментации - как процесс временной эволюции возбужденных кластеров.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Созданы базовые методики для изучения эмиссии кластеров при ионном распылении твердых тел на основе прямых измерений масс-спектральных и энергетических распределений эмиттируемнх частиц, а также изучения процессов распада распыленных кластеров в различных участках траектории их пролета в масс-спектрометрах с прямой и обратной геометрией. Решение этих методических задач позволило перейти к качественно , новому уровню исследований образования вторичных частиц в процессе распыления, когда наряду с получением картины эволюции массраспределений и распределений по кинетическим анергиям кластерных ионов после эмиссии определяются такие характеристики распыленных кластеров, как средние времена жизни, константы скорости распадов, энергии возбуждения и диссоциации. Исследования такого рода открыли новые .возможности для получения информации как о состояниях кластеров в начальный момент их эмиссии, до сих пор достоверно не описанных, так и о свойствах самих кластеров, являющихся предметом изучения физики малых частиц.

2.' Экспериментально исследованы выходы положительно заряженных кластеров из материалов, имеющих широкий диапазон по коэффициентам распыления, в зависимости от степени чистоты, плотности тока и массм бомбардирующих ионов. Показано, что наиболее высокие выходы ионов М* наблюдаются при бомбардировке чистых поверхностей. В этих условиях масс-спектральный состав состоит, в основном, из однозарядных многоатомных ионов материала' иишэнн.

3. Измерены относительные коэффициенты вторичной ионной эмиссии атомарных и кластерных ионов от массы первичных ионов. Обнаружено, что. коэффициент эмиссии кластерных ионов зависит как от типа материала мишени, так и масс первичных ионов. Наиболее сильное отличие , в 'выходах атомарных и кластерных понев наблюдается для А1 и Ад С Си, Аи), имеющих наиболее сильно1? различие в коэффициентах распыления. Выход кластерных йеной

увеличивается более быстро по сравнении . с выходом атомарных ионов при увеличении массы первичных ионов. Наиболее сильному увеличения подвержены кластеры с и > 3-4,

4. Установлена корреляция между эффективность» кластерообразования при В!!Э и коэффициентом распыления. Эффективность кластер?-образования растет с увеличением коэффициента распыленид. При бомбардировке Си и Лд ионами Кг*-, к Хе+ доля кластерных ионов составляет 80-904 от общего количества распыленных вторичных «оков. На базе сравнения полученных результатов с выводам:! моделей - статистической рекомбинации и прямого выбивания, описывающих механизм образования кластеров при распылении, -сделало заключение о . несостоятельности этих моделей в сущестъует,ем виде для ооьяскэмгя змлссии заряженных кластеров И* с г. > 3-4.

С. Из представлений о существовании у кластеров значительной внутренней энергии возбуждения .был' поставлен эксперимент по обнаружению распадов расныяенньгх кластерных ионов металлов; Были обнаружены эффективнме каналы фрагментации с испусканием атома и димэра. Множественные каналы фрагментации,обнаружены для распыленных кластеров Величины кспстант скорости распада и характер их зависимости от размера возбужденного кластера; в исследованном диапазоне времен жизни частиц 10~в - 10"* о. сштательствует в пользу представлений' об это:.: процессе . как процессе монсмолекулярного распада частит:, происходящего в результате выделения части энергии ■ возбуждения на конкретной

сья'п. . .

6. В диссертационной работе 'экспериментально обосновывается, что моноколекулярная фрагментация - orfo.ee явлен:::-, характерное как для положительно, так и отрицательно . заряженных гомоядерных кластерных конс^ образующихся путем распыления материалов ускоренными ионами. Характер мопомолекулярной фрагментации кластерных ионов, а именно: преш^щественьые Каналы распадов и тип образующихся спилков вне заъксктастч от зарядового состояния класторои - боиьишетае случае® одинаков. Ксг.эчшлй результат мококол&у.улярнок фрагментации • определяется как укярпь-'й диссоциации и слюргас;: колосатеявного возоул'-дэния, так 1! соотношением мезду потемциалаук- ионизации или ' электронным сроцстьок образующихся осколков.

У., Экспериментально измерены зависимости скорости изменения .числа

распадающихся кластеров Та* (4 < n iU3 Nb* С 4 5 п $113' от времени в диапазоне 10"° - 10"4 с. Г1о результатам исследований определено, что в диапазоне'10"° - 10~4 с. они описываются не экспоненциальными, а стеленными функциями.

8. Определены распределения кластеров Та* и Nb* по временам жизни и константам скорости реакции фрагментации.

9. В рамках квантового приближения теории мономолекулярных реакций Райса-Рамспсргерг-Касселя рассчитаны распределения распыленных кластеров Та* С 4 < п <83 и lib* С Л < п 2113 по энергиям возбуждения. Полученные значения энергии возбуждения распыленных кластеров показали, что энергия возбуждения на один атом в кластерах порядка 1 эВ.

10.Выполненные в работе исследования позволили предложить адекватную с экспериментальными данными качественную модель формирования масссовых и энергетических спектров в явлении ВИЗ, основанную на учете релаксации значительной внутренней энергии возбужденных ' "кластеров путем распада, когда начальные характеристики энергетических и массовых распределений кластерных ионов ко времени их регистрации претерпевают существенную трансформацию. В рамках развиваемой модели получает естественное объяснение проявление в кассовых и энергетических спектрах таких характерных особенностей как четно-нечетные осцилляции' в интенсивностях и средних кинетических энергиях кластеров, аномально высокий выход кластеров с "магическими" номерами, аномально высокая интенсивность эмиссии атомарных ионов алюминия и т. д.

ЛИТЕРАТУРА

1. Арифов У. А., Дхемилев Н. X., Раджабов ■ Т. Д., Искандерова Э.А. О максимальных пробегах ионов кепочных металлов в монокристаллах меди, // Докл. АН УзССР - 1971 Н 8 С. 27.

2. Дзсемилев Н. X.Курбанов Р. Т., Савченко Н. С. Вторично - ионный масс - спектрометр для комплексного изучения образования кластеров во ВИЮ // 3 кн. "Вторично-ионная и ионно-фотонная эмиссия", Харьков, изд. ХФТИ. ~ 1S80. - С, 187-189.

3. Джемилев Н. X., Курбанов Р. Т. Исследование распыления ходи в виде кластеров. //Изв. АН СССР,сер. фаз. -1979. Т. 43.К 3. С.608-611.

4. Джемилев Н. X., Курбанов Р. Т., Веккерман А. Д.. Энергетические спектры молекулярных ионов, распыленных из медной мишени. // В кн. "Вторично - ионная и ионно - фотонная п:.шссня", Харьков.

изд. ХОТИ. - 1300. - С. 48-50.

б. Арифов У. А. , Дяешшев Н. X., Курбанов Р, Т. Способ вторично -ионной масс-спектрометрии поверхности твердого тела. Авт. свид. N 7087S4 (СССР) 1979. ;

6. Дкемилев Н. X., Верхотуров С,В., Савченко Н. С. Масо-спектральный состав вторичной ионной' эмиссии неди и серебра при бомбардировке ионами ксенона. ' // В кн. "Вторично - ионная и ионно-фото.нная эмиссия", Харьков, изд. ХФТИ. - 1383. - С.27-29.

7. Дхсемилеа Н.Х., Курбанов Р. Т. Образование многоатомных ионов при бомбардировке металлов ионами водорода. // Поверхность. Физика, химия, механика, -1384. К 1. С. 58-61.

8,. Джеыилев П. X., Верхотуров С. В., Расудеь У. X. Мономолеку.чярние „ распады кластерных ионов при катодном распылении металлов. // В кн. "XIX Всесоюзная конфер,- 'по эмиссионной электронике". Ташкент -1S84. С. 80.

9. Ддэмплев Н. Х., Верхотурой С. В., Ыоиомолскулярнкэ переходы в масс-спектрах вторичной ионной эмиссии. //Изв. АН СССР, cap. физ, -1S35. -N9. -С.1831-1833.

10. Dzhemilev U.Kh., Verkhoturov S.V.- DissotiaUve. Transiti-mis in Mass-Spectra оГ Cu+ and Ag+ // On b. "7ih International

n n

Conference Ion Beam Analysis" .Berlin, -1635. -P.il8.

И, ДжемилэБ Н.Х.,' Верхотуров ' С. В., Расулев У. X. Обнаружение мономапекулярных, распадов кластерных ненов при катодном распылении. металлов.// Поверхность. Физик?, химия, механика. -1988. -Н2. -С.Ш.

12. Дкешгоев И. X." Исследование .вторичной ионной эмиссии' металлов при бомбардировке тяжелыми ионами инерткнх газов.//Поверхность. Физика, химия, , механика. -1936. Ц 9; С. „38;

13. Джемилев Н. X., Курбанов Р.Т. Исследование вторичной нонно -ионной эмиссии при распылении'тонких плёнок "вперед", у/ В кн. "XX Всесовзн. конференция по эмиссионной электронике. Киев. Изд.КГУ -1937. С, 75. ;'. • " . ■■'/'.""■-'.'""

14. Dzhewilev N. Hi. and, V.erkhoturov S. V,',: ' Monoirralecular Fragmentation of. .Excited Cluster lens Sputtered .by". Icn Bombardment. // On b,i Proc. of 6th International .Conference on Secondar-' Icn toss - Spectrometry. CEd, by Bennirighoven A.

ot. al; )-Versall«s, -1S53, - Jonh Wiiley. & Sons. -P, 3£~35.

15. Dsheffiilev N. Kh., Verkhoturov. Si V.'. ¿:id Rasulev U.\Kh. ,'rho Fragmentation of Sputtered.Cluster Ions end Their Contribution

to Secondary Ion Mass-Spectra. // Nucl, Instr. and Methods B29. -1937. -P. 531-333.

IB. Верхотуроп С. В., ВгреЕКнн. И. В., Дгемилев_ Н. X. .т Роль моиомслекулярных распадов в Формировании энергетических спектров вторичных ионов. // Изв АН СССР сер.фнэ. -1988. -Т.52. -N8 -С. 1631-1635. .

17. Джемилев Н. X., Ееревкнн И. В., Верхотуроз С. В. Вторично-ионный масс-спектрометр для исследования энергетических распределений вторичных ионов. // В кн.: Вторичная ■ ионная и ионно-фотснная эмиссия. 4.2. -Харьков, 1988 -С. 187-129.

18. Джемилев Н. Х., Верзвкнн И. В., Вэрхотуров С, В. Роль мономолекулярных распадов кластеров в формировании' масс -спектров вторичных ионов. // В кн. "Взаимодействие атомных частиц с твердым телом". М. -1989. Т. 1. Ч. II. С. 190-192.

19. Беккорган А. Д.., Джемилев Н. X., РотштеЯн В.М. , Цай Ю.М. Ионный микроанализатор//А?т. свидетельство N152041.4 Еюл. N40, 07.1.89.

20. Балыченко А. Л., Беккерман А. Д., Джемилев Н.Х., Ротштейн В.М. Ионный микроанализатор. // Электронная промышленность - 1990.

- N 1. - С. 23-25. ■

21. Беккермап А,Д. , Джемилев И.X, Ротштейн В.М. Мономолекулярныэ распады кластеров А1* Сп<253 и Si * Сп<12), распыляемых ионной бомбардировкой // Письма в ЖТФ - 1990 -Т.1В - Вып.6 -С. 52-58.

22. Беккерман А.Д., Джемилев Н.Х, Ротштейн В.М. Фрагментация кластеров Si* Сп = 2-123 в процессе ВИЗ // Изв. АН СССР сер. фнз. •

- 1990 -Т.54 - N7- С. 1339 - 1342 .

23. Беккерман А. Д., Джемилев Н. X., Ротштейн В. М., Пай Ю.М. Вторично-ионный микроанализатор с двойной фокусировкой. // ГГГЭ. -1990. N 3. С. 145-148.

24. Bekkerman A. D. , Dzhemilev N. Kh. , Rotstein V. М. Ion Mlcroprobe for Studying Cluster Ion Decay Reactions // Surf, and Interf. Analysis - 1990 - V.15 - N10 - p. 587 - 591 .

25. Dzhemilev N.Kh., Verkhoturov S.V. and Veriovkin IiV. Study of the Lifetime and the Most Probable ' Energies of Excited Cluster Ions // Nucl. Instr. and Meth. В51,- 1990.-- P.219-225.

26. Dzhemilev N. Kh. , Goldenberg A . M., Veriovkin I. V. , and Verkhoturov S.V.-. Fragmentation■of Sputtered Та Cluster Ions.

■ // On b. : 7th International Conference on Ion Beam Modifications of Materials. Abstracts. -Knoxville, Tennessee. '-1990. P. 282-283. .

27. Dzhemilov N. Kh. , Goidenberg A. M. , Veriovkin I. V., and Verkhoturov S,V.. Energy Characteristics of Cluster Io;:s Emitted at Surface Ion Sputtering. // On b. : Quantitative Surface Analysis. 6th International Conference. Abstracts, -London, 1990. -P.47-48.

23. Dzhemilev H. Kh., Goidenberg A. M,, Veriovkin I. V. and Verkhoturov S.V. The Influence of Unimolecular Cluster Decompositions in the Nanosecond Time Range on the Secondary Ion Mass Spectrum of Tantalum. // Int. J. Mass Spectrom. Ion Proc. -1991. -V. 107. -P. 13-23. -

29. BepesKira И. В. , Верхотуров С. В., Дхеиилев Н. X. • Роль ¡.¡оиомолекуллраи;: распадоа кластеров в формировании масс -спектров вторичных исков.//Поверхность. Физика, химия,, механика - 1991,- Ш,- С. 123-127.

30. Ееревкин И.В., Верхотуров С.В., Гольденберг A.M., Дяеыялав Н.X. Динамика процессов фрагментации кластеров таите па при ионном распылении, // В ¡си.: Взаимодействие ионов с поверхностыл. Материалы X Всесоюзной конференции. -М. ,-1931. Т. 1.- С. 153-157

31. Дхемилев Н.X., Вереькии И.В., Верхотуров С, В., Гольденберг A.M. Быстрая фрагментация распыленных кластерных ионов. // йзв АН СССР сер. физ. -1S91.- Т.55.- С. 2418-2422.

32. Беккерман А. Д., Дяемилев Н.Х, Ротштейн В.М. Эмиссия крупных гетероядерных кластерных ионов при распылении графита ионами цезия // Письма в ВД 1993 . 1.19 . Выи.6 . С. 52 - 5Ь .

33. Беккерман А.Д,, Джемилев Н. X, Ротштейн В. М. Влияние массы первичных ионов на аероятность фрагментации распыляемых ыолекул //В кн.: "IX .Всесоюэн. конфер. по взаимодействию ионов с поверхностью. М. -1993. Т. 1. Ч. II. С.251-253.

■34. Bekkerman A. D., Dzhemilev N.Kh., RotsWi;; V.M. Fragmentation of Metastable Si^O" Cluster Ions During Ion Bombardment. //Vacuum -1993. V.44. N9. P,932-983.

35. Беревкин И.В., Верхотуров С.В. , Гольденберг A.M. , Джемнле» Н.Х. ■ Исследование спектров энергий распада распыленных ' кластерных ионов. //'Изв. АН сер. физ. -1994. Т.68. N3. С.57-62. *

38. Ens W. , Beavis R., Standing К. G. // Phys. Rev. Lett. - 1933 -V. 50. - N1 - P. 27-29. >

37. Черепин В. Т. Ионный зс:;д // Наукова Думка. Киев. - 1991.' '

38. Векслер В. И. Вторичная ионная эмиссии металлов// М. Паука-1979

39. Joyes Р. // J. Phys. and Chem. Solids. -1971. -V.32 -

Р. 1269-1275.

40. Franzreb К. r Wucher A.and Oechsner' H. //Phys. Rev. - 1991 -B43. -Р. 14398.

41. Katakuse I., Ishihara Т., Fujita Y., Matsio Т., Sakursl Т., Matsuda H. // Int. J. Mass Spectrom. Ion Proc. -1983. -V.67 -P. 229-236.

42. Курганов Р. Исследование эмиссии многоатомных ионов при бомбардировке металлов ионами инертных газов и водорода. // Дисс. канд. физ.-мат. наук. Ташкент. -1983. 163 с.

43. Staudenraaier G. // Rad. Eff. - 1972 - V. 13 - р. 87 - 91

44. Wittmaack К.// Phys. Lett. А. - 1979 - V.69 - N5 -Р. 322 - 323.

45. Kennen G.P., Tip А. , de Vrles A.E. // Rad. Eff.- 1973.- V.26.-P. 23-29.

46. Gerhard W. // Z. Phys'. - 1975.- V.B22.- P. 31-39.

47. Taylor I.A., Rabalous J.W. //Surf. Sei. -1978. V.74. P.229-235.

' 48. Thompson D.A. //Rad. Eff. -1.981. V.58. N3. P.105-150.

49. Biiensky I.S., Parilis E.S. // Nucl. Instr. Meth. - 1987 - V.B21 - P. 26-36.

50. Haies D.A., Lian Li, Armentrout P.B. // Int. J. Mass Spectrom. and Ion -Proc..-1990. V.102. P. 269-301.

51. Saunders W. A., Fayet P. , Waste L. // Phys. Rev. A. - 1989 -V. 39 - N9 - p. 4400 - 440S.

52. Gaterfsr G. , Gaussa M. , ifeiwes - Broer К. H. , Lutz H. 0. // Z. Phyz. B. - 1988 - N39 - Р. 1 - 9.

53. Беккерман А. Д. Сравнительные исследования образования и фрагментации положительно- я отрицательно заряженных гомо- и гетероядерных кластеров при распылении С, AI, Si, V и Си ионами Хе+, 0* и CstV/Дисс. канд. физ.-мат. наук. Ташкент. -1994. 191с

54. Wucher А., Wahl М., Oechsner Н. // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Rev. -1993. B83. P.73-78.

55. Coon S.R. et al. // Surf. Sei. - 1991. V.259. P. 275-278.

. 56. Робинсон П., Холбрук К. // Мономолекулярные реакции. М., "Мир" -197Б - С. 61 - 71.

57. Jackshath C., Rabin J. and Schulze W. //Z, Phys. - 1992- D22-P.527

58. Bepnhem M., Blaise G., Slodzian G. // Int. J. Mass Spectrom. -1973 - V. 10 - P. 293 - 301.

59. Williams Р., Streit L. A. // Nucl. Instr. and Met. - 1986 - B15-P. 159 - 164.

60. Klotz C.E. // Z. Phys. D - 1987 - N 5 - P. 83-89

ШТИК ШШР СНРТНИН НО ЕЛ АР БВДАН ЕОШРДШША ЗАРЯДЛАНГАН ШСТЕРШШГ НОСИЛ Б ? Л И Ш И ВА ШЧАШШ ЕЛ. Идешев ШША ШИШ

Ишт газ ео е яа о х йидан+ иеталл ва я о а и ?тказ гич сершреее чавгяатвкга хосвл б?лувчв А1~, Эх", V*, Со*, Ад*, №*, Та*, Мо*.

пас теряв иокларненг эняссбясн ва варчалаив конукяятларн таюкбада тадт ШЕЕгав- Экессеяееег шс-сттоад. ташбш Удчаы Ше бвлав сертекег тозалвгв ва д;роратвга, бонбзрдирдовчЕ воедшеег тог зшкпга, иасоасгга ва табшига боглвк д г я г а н дластдар зМедтвв эуисскясг штларв топнлгаЕ - У и б у тапштлао дласгердар коал <? Г л к и з эФдех тнв дагн ва еевоенеег шглавшвщ' Ютаспаги боглвш тати шовввв бет- Насс-сцедшаода парча ншашнг гашш иегашш вовдв чашатша гздееег ниюялан и о к аа о долледторЕгача. Шб ?ш 8Шда дкссоцкашшш «типе булгаа гебранва-изгатнлт нонлар И* шел биш хюнш хулоса чвшвт никое бердв- Кар нхкала вшалл заршв ддастежШЕГ аасчалангшм хара/нвви Плед тадш делен Ши б2лан хлзстеоларн; парчалавив оеакцпялаовкЕГ эсосий тадтеоисшаларЕ аннкланган: ш эшколде шшанги даваллася, жоснл 6?лувче Еарчаларвввг твллаРЕ ва иетастабвл дластерлв вовларвш уртача яаак давсв-

Парчалавтвчв дластерлар соееееег Узгарн« тезлвгввв Ю"°- ю~4 с орадвгвда в а к т г а богшшш улчаи тс т л к к ластеолавнннг яш давРЕ ва иарчалаЕви реадцвясн тез л зги довставталаРЕ бУйвча тадсЕшвви ^УВДЦВЯСЕЕЕ а Е й к л а С ЕЦДОЕЕЕЕ беРДД-

ОявЕгак ташбавз! наташ асоша. *оша «окоиолекуляр реадшлар вазарвясвшг длассвд . ва двавт яшлашчвдарш 4о1юнакЕлгав долда цуалявЬ тоиоандан Та* ва НЬ* дластердарвввг Ю"в- 1Сг4 с вахт оралвгЕда ввсбвй ва абсодот дузгалви эвергвяларв бШча тадсЕШларв двсоблаб чвдвлгав- иь* С4 < п < юз тетер*.' у ч ун бадарвлгав хвсоблавлар с у нк дШашдв. твтача к^згалЕС ЭЕеогЕясв кластер Удчаоарв ошв бвдав ноноток хо^лда Усадд, бунда ддастерЕКЕг 6ер атоияга исс келувчв ечп тршсд'штаЕ 1 эВ га тевг-

Утказклган. талдиотдашвг бттув дошедса асосвда дластерлар шошетяр иарчалавЕЕ та/внЕввг пасса ва энергия шсштшн-нд шалаши. дата к £ к с л г и ч а ноЕларнивг заряд шатяарввв ПнашЕшагг роле шодоиа калангав-

GENERATION AND FRAGHENTATIOM OF CHARGED CLUSTERS UNDER IOH BOMBARDMENT OF SOLIDS SURFACES H.Kh. Dzherailev SUMMARY

The features of emission and fragmentation of Al~, Si~, V*, Co*, Ag*, Nb*, Ta*, Mo*, W* cluster ions generated under sputtering of pure metal and seniconductor surfaces by inert gases ions have been experimentally investigated. By measurements of mass spectral composition of emission the conditions of effective emission of clusters have been found depending on purity and temperature of surface, current dsncity, mass and specie of the bombarding iGns. The .investigations have allowed to establish the correlation between the efficiency of clusters generation and the sputtering yield. The detection of fragment ions in mass spectra have allowed to make a conclusion, that under ion sputtering of metals the oscillatory excited M^ ions are generated, which can dissociate during the whole their path from the target to collector. By the carrying out of detailed investigations of positively and negatively charged clusters fragmentation the major characteristics of reactions of cluster ions fragmentation have been determined: the most probable fragmentation channelst the species of generated fragments and average lifetimes of metastable cluster ions.

The method developed for measurements of the dependence of the changing rate of the fragmented clusters number on time in the 10"8- 10"* s time range gave the possibility to determine the clusters distribution function by lifetimes and by fragmentation rate constants.

On the base of obtained experimental results and using classical and quantum approximations of the unimolecular reactions theory author has made a calculations of Ta* and Nb* clusters distributions by relative and absolute excitation energies in the i.ime range of 10"®- 10"* s. Calculations for Nb* C4 < n < 10) have 'hown that the average energy of excitation increases monotonously when cluster size increase and the internal energy accounting for 1 itom makes up 1 eV;

On the base of the whole complex of investigations the discussion of the importance of unimolecular cluster ions fragmentation for the forming mass and energy distributions and (or the establishing the secondary ions charge state is held.

ОГЛАВЛЕНИЕ

■стр.

1. Общая характеристика работы............................. 2

2. Экспериментальные методики и оборудование ............... 9

3. Масс-спектральный состав вторичной ионной эмиссии

чистых поверхностей металлов............................ 12

3.1. Эмиссия вторичных ионов в зависимости от

материала мишени........................................ 13

3.2. Эмиссия вторичных ионов в зависимости от •

массы первичных ионов ................................... 18

3.3. Взаимосвязь эмисси кластерных ионов

с коэффициентом ионного распыления....................... 18- ,

3.4. О применимости моделей образования нейтральных кластеров при распылении твердого тела для объяснения результатов

по эмиссии заряженных кластеров ......................... 20

4. Обнаружение мономолекулярных распадов

кластерных ионов металлов в процессе ВИЗ ................ 24

4.1. Мономолекулярные распады кластерных ионов в бесполевых зонах масс-спектрометра С "медленные" распады) •........... 25

4.2. Распады кластерных ионов в зоне ускорения ВИМС

С "быстрые" распады) ..................................... 30

4.3. Исследование временных характеристик фрагментации кластерных ионов ........................................ 36

5. Кластерный характер ионной компоненты

распыления твердых тел ................................... 41

5.1. Четно-нечетные осцилляции в масс-спектрах ВИЭ одновалентных металлов.................................. 49

5.2. Образование атомарных ионов при фрагментаци кластеров ... 51

Основные результаты работы .............................. 58

Список литературы........................................ 58