Особенности эмиссии атомных частиц при ионном облучении двухкомпонентных соединений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

М1

Толпин Кирилл Аркадьевич

ОСОБЕННОСТИ ЭМИССИИ АТОМНЫХ ЧАСТИЦ ПРИ ИОННОМ ОБЛУЧЕНИИ ДВУХКОМПОНЕНТНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

01.04.07. - Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

48556119

- 6 ОНТ 2011

Курск 2011

4855509

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Ярославский государственный университет имени П.Г. Демидова» на кафедре нанотехнологий в электронике.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, доцент

Бачурин Владимир Иванович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Мартыненко Юрий Владимирович

доктор технических наук, профессор Жусубалиев Жаныбай Турсунбаевич

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Московский авиационный институт»

(государственный технический университет)

Защита диссертации состоится «27» октября 2011 г. в 16-00 час. на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.105.04 при Юго-Западном государственном университете по адресу: 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94 (конфереяц-зал).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЮЗГУ. Автореферат разослан «26» сентября 2011 г.

Учёный секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций, кандидат физико-математических наук

Рослякова Л.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время возрос интерес к исследованию процесса ионного распыления твердых тел. Это связано как с необходимостью решения фундаментальных вопросов взаимодействия ионов с поверхностью, так и с быстрым ростом практического использования распыления для модификации и анализа состава различных материалов.

Ионная бомбардировка сопровождается сложными процессами в приповерхностной области мишени, изменяющими ее структуру и состав. Эти изменения, с одной стороны, является нежелательным эффектом, приводящим к систематическим ошибкам при диагностике поверхности; с другой стороны, они составляют важный элемент технологии создания модифицированных слоев. И в том и в другом случае, необходимо четкое понимание механизмов и особенностей протекания ионно-стимулированных процессов вблизи поверхности твердых тел, и в частности, бинарных соединений, которые широко применяются на практике.

Особый интерес для исследования физики взаимодействия ионов с поверхностью твердого тела представляют бинарные ферромагнитные неупорядоченные соединения №-Р4 которые используются в микроэлектронике и в медицине, например, при развитии методов магнитно-резонансной томографии и фиксировании необходимых участков для локального нагрева. Большое внимание уделяется также бинарным упорядоченным соединениям - РЬТе и РЬЭе, которые имеют широкое практическое использование: при создании фоторезисторов, работающих в инфракрасной области спектра, в производстве термоэлектрических генераторов и др. РЬБе применяется также в солнечных батареях. Поскольку в ряде применений РЬТе и РЬБе подвергаются ионному облучению, важно исследовать процесс их распыления. Помимо этого, исследование процессов при ионном облучении упорядоченных биметаллов РЬТе и РЬБе, имеющих простую кубическую решетку, представляет несомненный интерес с физической точки зрения. Процессы, происходящие при ионной бомбардировке таких соединений (и в частности, анизотропия распыления), никогда не рассматривались ранее. Необходимо отметить важность исследования механизмов ионного распыления бинарных соединений для развития современного метода анализа состава поверхности - метода ВИМС (вторично-ионной масс-спекгрометрии). Для совершенствования метода ВИМС и увеличения его разрешающей способности необходимо детальное теоретическое и модельное исследование процесса ионного распыления.

Вследствие значительных трудностей, возникающих при теоретическом исследовании взаимодействия ионов с атомами мишени для решения, как фундаментальных, так и прикладных задач, часто используется математическое моделирование. В настоящей работе поставленные задачи решались методом молекулярно-динамического (МД) моделирования. Были созданы и апробированы модели мишеней и методика численного расчета ионного распыления твердых тел с минимальной затратой машинного времени. МД моделированием исследованы различные аспекты ионного распыления бинарных соединений с неупорядоченной (№-Рс1) и упорядоченной (РЬТе и РЬБе) структурой, имеющих большое практическое применение.

Цслыо работы является изучение особенностей эмиссии атомных частиц при ионном облучении двухкомпонентных соединений методами МД моделирования.

Задачи исследования:

- разработка МД программы расчета ионного распыления двухкомпонентных соединений;

- изучение угловых и энергетических распределений частиц, распыленных из неупорядоченных сплавов никеля с палладием с разным содержанием компонент;

- определение условий радиационной устойчивости упорядоченных бинарных соединений РЬТе и PbSe в процессе их распыления, построение угловых и энергетических распределений распыленных частиц;

- выявление особенностей пространственных распределений частиц, распыленных из неупорядоченных и упорядоченных двойных сплавов.

Объект исследования.

В качестве объектов исследования выбраны бинарные ферромагнитные неупорядоченные соединения Ni-Pd с неизменённым составом поверхностных слоев и с учетом сегрегации, а так же идеальные бинарные упорядоченные соединения - РЬТе и PbSe. Рассматривались моно- и поликристаллы указанных соединений.

Предмет исследования.

Исследование процесса распыления твердых тел при ионном облучении двухкомпонентных соединений методами молекулярно-динамического моделирования, определение условий их радиационной устойчивости.

Методы исследования.

Процесс распыления атомов твердых тел при ионном облучении двухкомпонентных соединений исследовался путем построения физической модели и основанной на ней математической молекулярно-дипамической модели. На базе этих моделей была создана методика и программа расчета распыления кристаллов, позволяющие получить угловые, пространственные и энергетические распределения распыленных частиц в широком диапазоне энергий.

Научная новизна.

1. Разработаны физические модели и математическая МД модель прогнозирования изменений физических свойств бинарных соединений в зависимости от ионного распыления поверхности, позволяющие получать качественное и количественное согласие с экспериментальными данными.

2. Установлены физические закономерности распыления неупорядоченных монокристаллов Ni-Pd с неизменённым составом поверхностных слоев и с учетом сегрегации при нормальном и наклонном падении ионов аргона в широком диапазоне энергий.

3. Выявлены факторы, определяющие форму угловых, пространственных и энергетических распределений частиц, распыленных из кристаллов неупорядоченных соединений Ni-Pd.

4. Впервые исследованы угловые зависимости и пространственные распределения распыленных атомов, выходящих из моно- и поликристаллов упорядоченных бинарных соединений РЬТе и PbSe с простой кубической решеткой под воздействием облучения

ионами Аг+ с энергией от 0.1 до 60 кэВ. Определены механизмы, влияющие на закономерности их распыления.

Достоверность разработанной физической и математической МД модели распыления бинарных соединений и сделанными на ее основе расчетов подтверждается качественным и количественным согласием расчетных и экспериментальных данных.

Практическая значимость.

1. Созданы модели мишеней и методика расчета распыления кристаллов, позволяющие сократить время достоверного численного эксперимента на 2-4 порядка по сравнению с обычным полным молекулярно-динамическим рассмотрением.

2. Установленные закономерности распыления ферромагнитных соединений №-Рё важны при их использовании в микроэлектронике, медицине, например, при совершенствовании методов магнитно-резонансной томографии и фиксировании участков для локального разогрева.

3. Обнаружены особенности распыления соединений №-Р<1 с разным содержанием компонент, которые следует использовать при совершенствовании количественного ВИМС анализа твердого тела.

4. Полученные результаты по ионному распылению полупроводниковых соединений РЬТе и РЬБе, важны для конструирования солнечных батарей, а также при создании фоторезисторов, используемых, например, при создании спектральных аналитических приборов регистрации в атмосфере опасных концентраций СО, СОа и ряда органических соединений.

Основные научные результаты и положения, выносимые па защиту.

При исследовании ионного распыления бинарных соединений с неупорядоченной (№-Р(1) и упорядоченной (РЬТе и РЬве) структурой впервые получены следующие результаты.

1. Угловая зависимость коэффициента распыления У(а) соединений !<№(!, РЬТе и РЬБе качественно различается для кристаллов с ПК и ГЦК решеткой, а также при распылении быстрыми и медленными ионами. Для быстрых ионов наблюдаются обычные минимумы У(а) в направлениях открытых каналов кристаллической решетки. Для медленных ионов минимумы в направлениях открытых каналов пропадают, и возникают максимумы в направлениях плотной упаковки.

2. Энергетическая зависимость коэффициента распыления У(Е0) поликристаллов соединений №Рс1 и РЬТе имеет максимум при энергии Ео ионов аргона, равной 40 кэВ, что совпадает с данными для других мишеней. Для грани (001) монокристаллов №Р<1 максимум Г(£о) расположен при Ео~2 кэВ, а для РЬ, РЬТе и РЬБе при более высокой энергии Ео ~ 15 кэВ, что объяснено особенностью распыления атомов большой массы. При наклонном падении ионов на монокристаллы №Рс1 и РЬТе происходит сдвиг максимумов У(Ео) в сторону ббльпшх энергий, по сравнению со случаем нормального падения.

3. Пространственные распределения распыленных атомов (картина пятен), для монокристаллов бинарных соединений №Р<1 и РЬТе, характеризуются преимущественным выходом компонентов в одних и тех же направлениях плотной упаковки (<011> и <001>) и качественно меняются с энергией и углом падения облучающих ионов. Картина пятен при одинаковых условиях облучения различается для кристаллов ШМ (ГЦК-решетка) и РЬТе (ПК-решетка).

4. Полярное распределение атомов, распыленных с грани (001) упорядоченного монокристалла РЬТе с простой кубической решеткой, зависит от энергии Е\ выходящих частиц и различается для атомов Те и РЬ. Вблизи направления [011] эмитируют атомы с малыми энергиями (E¡ ~ 10 эВ), что характерно для фокусированных столкновений, Дня частиц с энергией Ei = 30 эВ происходит выход атомов при больших полярных углах, когда частицы распыляются из поверхностных слоев после малого числа столкновений.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 17-я Международная конференция «Взаимодействие ионов с поверхностью» (г.Звенигород, 2005 г.), 5th Iberian Vacuum Meeting RIVA (Portugal, 2005)Д8 -я Международная конференция «Взаимодействие ионов с поверхностью» (г. Звенигород, 2007 г.), 19-я Международная конференция «Взаимодействие ионов с поверхностью» ( г. Звенигород, 2009 г.), 20th International Conference on Ion Beam Analysis, Plaza Itapema Resort & Spa (Itapema, SC - Brazil, 10-15 April, 2011), 20-я Международная конференция «Взаимодействие ионов с поверхностью» (г. Звенигород, 2011 г.)

Соответствие паспорту специальности.

Работа соответствует пунктам 1, 2, 4 и 5 паспорта специальности 01.04.07. «Физика конденсированного состояния».

Публикации.

Основные результаты выполненных исследований и разработок опубликованы в 10 печатных работах, в том числе в 3 статьях, опубликованных в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень журналов и изданий, рекомендуемых ВАК РФ.

Личный вклад автора.

Разработана молекулярно-динамическая программа расчета ионного распыления двухкомпонеятных соединений, выполнен весь объем расчетов, построены угловые, энергетические и пространственные зависимости частиц, распыленных из двухкомпонеятных соединений, проведены сравнения их с известными экспериментальными данными.

Объем и структура диссертации.

Работа содержит 150 страниц текста, включая 64 рисунка и библиографию из 213 наименований. Диссертация состоит из введения, 5 глав и выводов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обосновывается актуальность темы, формулируется цель исследований, показана новизна, научная и практическая ценность работы, отражены защищаемые положения и сведения об апробации, приводится структура диссертации.

Глава 1 содержит подробный обзор отечественных и зарубежных научных работ, посвященных экспериментальным данным по распылению двухкомпонентных соединений и сплавов. Рассматриваются закономерности распыления однофазных сплавов и некоторых бинарных соединений таких как, например, Ni-Pt, Ag-Pd, Cu-Au, Cu-Pd, Cu-Ni, Pd-Ni и др.. Также в обзоре кратко описаны особенности распыления двухфазных систем (например, сплавы Ag-Cu, Ag-Co, Ag-Ni).

В Главе 2 представлена разработанная программа моделирования распыления бинарных соединений при ионном облучении методом молекулярной динамики.

Изложены физические предпосылки, сделанные при построении математической модели процесса распыления кристалла Сформулированы критерии применимости классической механики для построения численного эксперимента. Предложены алгоритмы построения модели моно- и поликристашгаческой мишеней.

Построенная модель содержала подвижный монокристаллический блок атомов в полубесконечной среде. В каждый момент времени рассматривалось взаимодействие движущейся (активной) частицы, энергия которой больше энергии обрезания потенциала взаимодействия, с атомами мишени. Ближайший атом окружался блоком атомов кристалла с радиусом, равным радиусу пятой координационной сферы. Перестройка блока происходила при смене атома, ближайшего к активному. Поскольку процесс распыления атома протекает в очень короткое время (порядка 10"13 секунды с момента удара иона), нестабильность блока атомов не успевала проявиться. Используемая модель позволяла прослеживать траектории частиц на больших (сотни ангстрем) расстояниях от места падения иона на поверхность мишени.

Поликристалл моделировался поворотом блока на три псевдослучайные угла Эйлера так, что каждый налетающий ион падал на кристалл новой ориентации. Уравнения движения интегрировались с применением модифицированной схемы Эйлера предиктор-корректор, которая является стабильной. Тепловые колебания считались некоррелированными.

Использовался составной потенциал взаимодействия:

U(r) = ЛЬтехр(-г/аЬт) + (Л/г)ехр(-2г/аЬт), где Аьт = 52(Zi2y , аьт - 0.219Á, Ль = k(ZiZ2e\ Z\ и 7,1 — атомные номера иона и атома мишени, г - радиус-вектор, к - подгоночный параметр порядка единицы. При расчете фиксировались: импульс распыленного атома; длина траектории каскада, приведшего к распылению; время распыления; номер поколения распыленного атома и глубина источника распыления.

Таким образом, в построенной математической модели осуществлялось полное молекулярно-динамическое рассмотрение движения всех атомов в пределах сферы взаимодействия в каждый момент времени. Условно эту модель можно назвать пространственно ограниченной МД моделью.

Глава 3 посвящена исследованию ионного распыления неупорядоченных соединений Ni-Pd и их компонентов с использованием разработанной методики моделирования. Рассматривались угловые и энергетические закономерности распыления Ni-Pd с разным содержанием компонент. Сравнивались результаты расчета с учетом и без учета поверхностной сегрегации.

Изучалось распыление поликристаллов соединения никеля с палладием с разной концентрацией компонент - NiPd, NisPd и NiPds для нормального падения ионов аргона с энергией от 0.1 до 10 кэВ. Установлено возрастание распыления сплавов при увеличении содержания в них палладия. Зависимость У(£о) для NisPd близка к тому, что наблюдается для чистого никеля.

Исследование закономерностей распыления монокристаллов сплава никеля с палладием проводилось в основном для эквиатомного соединения NiPd.

Угловая зависимость распыления изучалась при бомбардировке грани (001) №Р<1 ионами аргона с энергией 0.1, 0.2, 0.5 и 5 кэВ. Результат расчета для неизменённого состава поверхности показан на рис. 1.

Рис. 1. Угловая зависимость коэффициента распыления грани (001) №Рс1 при падении ионов Аг+ в плоскости (001) с энергией, растущей снизу вверх в последовательности: 0.1, 0.2, 0.5, 5 кэВ

О 10 20 30 40 50 60 70 80

а, град

Для относительно быстрых ионов, при £о= 5 кэВ, наблюдается обычная для монокристалла картина угловой зависимости F(a): рост распыления с углом падения и наличие характерных минимумов в направлениях открытых каналов [001], [013], [011] и [031], (при а = 0°, 20°, 45° и 70°, отсчет от нормали к поверхности).

В случае распыления медленными ионами ход кривых Y(a) оказывается существенно другим: анизотропия распыления значительно уменьшается при энергии ионов 0.5 кэВ, а для Ей = 0.2 и 0.1 кэВ минимумы на кривых в направлениях открытых каналов пропадают, и образуется максимумы распыления в направлении [011]. Это связано с тем, что при малых Ео глубина проникновения ионов очень мала, и все соударения, приводящие к выходу атомов, происходят в одном-двух верхних слоях кристалла. При этом вероятность эмиссии частиц максимальна в направлениях плотной упаковки кристаллической решетки, в нашем случае - в направлении [011].

Энергетическая зависимость распыления для разных углов ионного облучения исследовалась для ненарушенной (рис. 2а) и изменённой (рис. 26) поверхности (001) NiPd при падении ионов Аг+ вдоль открытых каналов кристаллической решетки, т.е. при а = 0°, 20°, 45° и 70°.

Рис. 2. Энергетическая зависимость распыления атомов № (сплошная кривая) и Рс1 (пунктир) для а) неизменённой поверхности, б) с перестройкой верхних слоев грани (001) №Р<3 при углах падения ионов Аг+а = 0°и, 20°», 70°Т

Было обнаружено, что максимумы энергетической зависимости распыления Утк(Ео) при наклонном падении ионов сдвинуты в сторону ббльших энергий, по сравнению со случаем нормального падения (рис. 2а).

Зависимость У(£о) для распыления компонент имеет тот же вид, что и суммарная кривая для всех распыленных атомов, и Ymm{Eü) располагаются при энергиях ионов 2, 12, и 14 кэВ для а - 0°, 20°, и 70°, соответственно.

Сдвиг У„ш(£о) при наклонном падении ионов в сторону ббльших энергий, по сравнению со случаем нормального падения можно объяснить следующим образом. При наклонном падении ионы проникают в кристалл менее глубоко, чем при нормальном падении. Они теряют меньше энергии и эффективнее передают импульс атомам мишени. В результате, смещенные атомы отдачи могут проходить более длинный путь перед их распылением. Поэтому при увеличении Ей коэффициент распыления для наклонного падения ионов продолжает возрастать до ббльших энергий, чем при нормальном падении ионов.

Сказанное подтверждается данными расчета глубины источника распыления для NiPd, облучаемого ионами аргона при Ео = 10 кэВ, рис. 3. Видно, что для а = 0° максимальное число распыленных частиц выходит из первого - третьего слоя мишени, рис. За (расстояния между слоями в направлении [001] равно 1.86Á). Однако при наклонном падении ионов - при а = 20° и а = 70е, атомы распыляются из 5-10 слоев кристалла, что следует из рис. 3 (б и в).

1.0

0.8

S о.б

Е

0.4

г

0.2

0.0

0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30

*0. А *0, А Х0, А

Рис. 3. Распределение атомов Ni+Pd в зависимости от глубины возникновения цепочек соударений, ведущих к распылению; £о= 10 кэВ, Аг+ -» (001) NiPd.- а) а = 0°, б) а = 20°, в) а = 70° в плоскости (100)

Перестройка поверхностных слоев грани (001) NiPd приводит к росту распыления Pd по сравнению с Ni для всех рассматриваемых углов падения (рис. 26). Это естественно следует из изменения состава верхних слоев, когда верхний слой содержит 80% Pd, второй слой - 100% Ni и третий - 64% Pd. Кроме того, для поверхности с перестройкой верхних слоев происходит более медленный рост распыления с энергией ионов, чем для ненарушенной поверхности, и появляются более слабые максимумы зависимости Y(E0). Они возникают для « = 0°, 20° и 70° при £0= 8, 12 и 15 кэВ, соответственно. При наличии сегрегации, когда верхний слой NiPd состоит в основном из тяжелых атомов палладия, облучающие ионы проникают в кристалл не так глубоко, как для поверхности без переотройки, и легче передают импульс атомам Ni и Pd, чтобы ввивать их распыление. В результате, при увеличении Ео коэффициент распыления возрастает вплоть до больших энергий Ео, чем для ненарушенной поверхности, что особенно заметно для эмиссии атомов Pd.

1 1 1 1 1 1 '"I ' 1 1 a J —г мм 1,1,1 б_ • ' 1 1 |"'Г п в _

- - ¡1,1 ¡i |] -

1 ж SI llk;

Отношения коэффициентов распыления никеля к палладию У^Уы исследовались для разных энергией облучающих ионов аргона при углах падения а - 0°, 20° и 70° в плоскости (100) в случае ненарушенной поверхности грани (001)МРс1 и с учетом сегрегации. Результат расчета показан на рис. 4.

Интересно, что Ум/Ум для неизменённого состава поверхности при Е0 > 1 кэВ (вплоть до исследованной энергии в 10 кэВ) мало различается для рассмотренных углов падения и находится в пределах Ум/Грй =1.5-1.8. При нормальном падении ионов под малым углом к поверхности (а = 20°) Ущ/Ущ = 1.78, что соответствует обратному отношению масс тщ/тм.

Для малых энергий ионов Ут/Уы возрастает при а - 0°, почти не меняется при а = 20° и уменьшается при а = 70°. Такая закономерность при а = 0° и энергии Ео = 100 эВ связана с малой глубиной расположения источника распыления - между первым и вторым слоем решетки. При этом коэффициенты распыления № и Р<1 оказываются одинаковыми №Лч=1,рис.4).

При ббльших энергиях ионов распыление Ре! увеличивается, падает до

значения 1.5, а далее не изменяется (рис. 4). В случае изменённого состава поверхностных слоев при Ео > 1 кэВ Ум/^м = 0.4 для всех исследованных углов падения ионов. При Ео < 0.5 кэВ наблюдается та же закономерность изменения Ущ/Уы, что и для ненарушенной поверхности, только выраженная слабее.

В Главе 4 рассматривается ионное распыление упорядоченных бинарных соединений РЬТе и РЬ8е и их компонентов.

Энергетическая зависимость коэффициента распыления компонентов РЬ, & и Те соединений РЬТе и РЬЭе исследовалась при энергией Ей облучающих ионов Аг+ в диапазоне £о = 0.1- 60 кэВ

Для поли- и монокристаллов рассматривались зависимости Г(£о)> которые сравнивались с полученными нами ранее данными для компонентов других бинарных соединений. На рис. 5 показаны литературные данные для зависимости У(Еа) поликристаллов Эе, Те и РЬ, на рис. 6 - результат настоящего расчета для поли- и монокристалла РЬ.

Рис.4. Изменение отношения коэффициентов распыления никеля к палладию Гм/Гра с энергией облучающих ионов аргона при углах падения а = 0°в, 20°* и 70° ▼ для ненарушенной поверхности (сплошные кривые) и с учетом сегрегации (пунктир)

4

/.0Т./ИОН

Рис. 5. Зависимость коэффициента распыления Рис. 6. Изменение коэффициента поликристаллов 8 е Те • и РЬ А от энергии ионов распыления РЬ с энергией ионов Аг+, а) а = 0°, б) а = 45°; пунктир - данные Аг+ при нормальном падении: 1 -настоящей работы для У(Ео) РЬ. Экспериментальные поликристалл, 2-грань (001) моноточки для РЬ: О, о, X кристалла, <> - эксперимент

Из рисунков следует, что для поликристалла РЬ максимум зависимости У(Ео) находится при 40 кэВ, как и ожидалось (т.е. при энергии в кэВ, численно равной массе облучающего иона Аг+), что хорошо согласуется с результатами расчета.

Для монокристалла РЬ Утш(Ео) наблюдается при Ео = 15 кэВ (рис. 6), что оказалось, на первый взгляд, неожиданным.

Как известно, для монокристаллов 7тя(£о) появляется обычно при более низкой энергии ионов, чем для поликристаллов, например, при Ео = 2 кэВ для граней (001) Сц и №Рс1. Проведенные нами расчеты показали, что для тяжелых элементов, таких, как Р<1, РЬ и др., происходит сдвиг УщахСЕо) в сторону больших Ео (например, для монокристалла №Р<! с перестройкой верхнего слоя поверхности, состоящего в основном из тяжелых атомов Р<1, Утах(Ео) наблюдается при Ео = 12 кэВ, рис. 3). Такой характер зависимости Г(Ео) объясняется рассмотренными выше особенностями распьшения мишеней из тяжелых атомов. В этом случае происходит эффективная передача импульсов ионами и атомами отдачи вдоль плотноупакованных цепочек кристалла, и распыление не уменьшается вплоть до больших энергий бомбардирующих ионов.

Энергетическая зависимость распыления поли- и монокристалла РЬТе для РЬ+Те, а также для компонент РЬ и Те, показана на рис. 7. Видно, что Утах(Ео) для поликристалла наблюдаются при Ео = 40 кэВ (рис. 7а), а для грани (001) РЬТе - при Ео = 15 кэВ (рис. 76). На рис. 7в представлена полученная в расчете зависимость У(Ео) для распьшения поликристалла РЬТе медленными ионами Аг+, соответствующая имеющимися экспериментальными данными.

У ат./ион К ат./иок У. ат./ион

0.05 0.10 0.15

0,20 0.25 Щ, КЭВ

Рис. 7. Энергетические зависимости для атомов, распыленных ионами аргона при нормальном падении на поликристалл (а, в) и монокристалл (б) РЬТе: 1) РЬ+Те, 2) Те, 3) РЬ. □ - экспериментальные точки для РЬ+Те

Приведенные зависимости согласуются с результатами для РЬ и связаны со спецификой распыления атомов большой массы. В отличие от поликристаллов, зависимость У(Ео) для монокристаллов достигает максимума при значительно меньших энергиях ионов (например, для грани (001) Си и ШМ, облучаемой нормально падающими ионами Аг+, Ктах(£0) ~ 2 кэВ). Это объясняется следующим образом. Для низко индексных граней коэффициент распыления вначале растет с увеличением Ео вследствие увеличения энергии, выделяемой ионом вблизи поверхности при упругих столкновениях; при этом радиус тени от атома г5 в направлении открытого канала больше расстояния между атомами на поверхностности. С увеличением Е0 радиус тени от атомов убывает (г8 ~ Е0'1а) и становится меньше расстояния между атомами поверхностного слоя. Это приводит к каналированию падающих ионов и уменьшению энергии, выделяемой ионом вблизи поверхности при упругих столкновениях. Энергия, при которой начинается каналирование, определяется равенством радиуса тени и линейного размера канала а (г, ~ а). Отсюда следует, что энергия начала каналирования Ем~ 1/я2, т.е. Еок больше для более плотной грани и для монокристаллов, состоящих из тяжелых атомов. Поэтому в этих случаях происходит сдвиг максимума энергетической зависимости коэффициента распыления Утш(Ео) в сторону больших энергий ионов относительно приведенного выше случая для (001)Си и №Р(1 Действительно, для более плотной грани (111)Си значение Утвх(Ео) ~ 8 кэВ при нормальном падении ионов Аг+, и то же наблюдается для грани (001)ШМ, верхний слой которой содержит 80% атомов Р&

Угловая зависимость коэффициента распыления грани (001) РЪТе исследована для облучения ионами аргона с энергией £о= 0.1, 0.2, 0.5, 5 и 10 кэВ. Результат для Е0 = 0.2 и 10 кэВ показан на рис, 8а. Для быстрых ионов, при Ей = 10 кэВ, наблюдается обычная для монокристалла картина зависимости У(а): на фоне общего роста распыления с углом падения ионов появляются характерные минимумы в направлениях открытых каналов кристаллической решетки [001], [012], [011] и [021] для простой кубической решетки РЬТе, в данном случае - при 0°, 27°, 45° и 63° (рис. 8а,б). Для медленных ионов ход кривых У(а) оказывается существенно другим: анизотропия зависимости У(а) уменьшается, при Ео < 0.3 кэВ минимумы на кривых в направлениях открытых каналов пропадают, а на зависимости У(а) появляются максимумы в направлениях самой плотной упаковки атомов-в [011] и [001] (рис. 86).

Ооо

30 40 50 60 70 80 о О о О о

а, град

Рис. 8 а) Угловая зависимость коэффициента распыления грани (001) монокристалла РЬТе: Аг , Ео = 10 кэВ - верхняя кривая, Ео = 0.2 кэВ - нижняя кривая; б) расположение атомов в плоскости (100) монокристалла РЬТе. Крупные кружки - атомы РЬ, мелкие - атомы Те. Штриховкой обозначены открытые каналы кристаллической решетки

Исчезновение минимумов зависимости У(а) при малых Ео связано с тем, что при таких энергиях бомбардирующие ионы проникают в кристалл неглубоко, и все соударения, приводящие к выходу атомов, происходят в одном-двух верхних слоях кристалла. При этом вероятность эмиссии частиц максимальна в направлениях плотной упаковки атомов кристаллической решетки, в нашем случае - в направлениях [001] и

[ОН].

В Главе 5 представлены результаты исследования пространственных распределений распыленных атомов из монокристаллов неупорядоченного соединения №Р(1 и упорядоченного соединения РЬТе. Результат одновременного расчета пространственного распределения и энергии распыленных частиц № и Рс1 для грани (001) №Рс1, облученной ионами Аг+ с Ео = 5 кэВ, показан на рис. 9. Отчетливо проявляются пятна распыления в 4-х плотно упакованных направлениях <110> и в направлении [011]. Распыление №Рс1 для неизменённой поверхности оказывается несколько больше, чем для перестроенной вследствие преимущественного распыления N1 (легкого компонента). В случае перестроенной поверхности превалирует эмиссия Р<3, при этом хартины пятен становятся более четкими и узкими за счет дополнительной фокусировки распыленных частиц, выходящих через верхний слой атомов палладия.

распыленных частиц № и Рс1 (вертикальные плоскости) при бомбардировке грани (001) №Р<1 ионами Аг+ с энергией Ео = 5 кэВ: (а, в, г) - для неизменённого состава поверхности и (б) - с перестройкой поверхностных слоев; (а, б) при нормальном падении ионов, а = 0°, (в) при а = 45° и (г) при а = 20° в плоскости (100)

Для нормального и наклонного падения ионов на неизменённую поверхность преобладают быстрые выходящие частицы №, а для перестроенной поверхности преимущественно распыляются медленные атомы Р<1. Различие в скорости вылетевших атомов М и Рё значительнее для поверхности без изменения состава верхних слоев. При наклонном падении ионов симметрия картин распыления остается такой же, как и при нормальном падении; что объясняется увеличением глубины источника распыления, когда направление падения первичных ионов перестает играть определяющую роль. Происходит усиление распыления в направлении [001], особенно, для поверхности с изменённым составом верхних слоев, и некоторое увеличение энергии частиц, эмитированных по нормали к облучаемой поверхности (в направлении [001]). Особенности картин распыления для наклонного падения ионов особенно ярко проявляются при облучении грани (001) под углом а = 20° - т.е. вдали от основного открытого канала кристаллической решетки. Здесь значительно растет число и энергия частиц, выходящих в направлении [001], что приводит к увеличению центрального пятна.

Азимутальное распределение распыленных атомов № и Рс1 при полярном угле наблюдения в = 45° показаны на рис. 10. Основные максимумы эмиссии атомов N1 и Р<3 соответствуют направлениям <011>, минимумы - направлениям <001>.

-180 -135 -ВО -45 О 45 90 135 160 -180 -135 -90 -45 0 45 90 135 180 <!>, град ф, град

Рис. 10. Распределение по азимутальному углу выхода <р атомов N1 (сплошные кривые) и Ра (пунктир) с грани (001) №Рс1, облучаемой ионами Аг+ с энергией 10 кэВ при нормальном падении; полярный угол наблюдения в = 45°: (а) - для неизменённого состава №Рс1 и (б) - с перестройкой поверхностных слоев

Заметим, что для неупорядоченного кристалла №Р(3 атомы в цепочках с плотнейшей упаковкой в направлениях <011> располагаются в случайном порядке. Ранее считалось, что присутствие в плотяоулакованной цепочке атомов с большой разницей масс мешает распространению вдоль нее сфокусированных соударений. Однако было показано, что и в этом случае возможно возникновение фокусонов. Для изменённого состава поверхностных слоев основные особенности азимутального распределения остаются теми же, что и дм ненарушенной поверхности: преимущественный выход атомов происходит, в основном, в направлениях <011> и небольшие максимумы наблюдаются в направлениях <001>. Однако, в отличие от ненарушенной поверхности, при наличии сегрегации выход атомов Рс1 преобладает над выходом атомов №.

Для полярных распределений преимущественный выход, как никеля, так и палладия, наблюдается вблизи одних и тех же направлений плотной упаковки <011> и [001]. При неизменённом составе поверхности ШЧ эмиссия более легкого компонента в направлениях <011> существенно больше, чем тяжелого. Картины распределений качественно различаются для энергий облучающих ионов аргона, равных 5 кэВ и 0.1 кэВ. Основное различие состоит в числе атомов, эмитированных в направлении [001]. При бомбардировке монокристалла медленными ионами происходит выход частиц из верхнего слоя в результате прямых фокусированных столкновений только в направлениях самой плотной упаковки атомов - т.е. в направлениях <110> ГЦК решетки. При увеличении энергии ионов выход атомов происходит из более глубоких слоев, и становится возможным процесс дополнительной фокусировки, приводящий к распылению в следующем по плотности упаковки направлении [001] за счет дополнительной фокусировки.

Картины пятен для распыленных атомов с грани (001) упорядоченного кристалла РЬТе с простой кубической решеткой показаны на рис. 11. Распыленные частицы собраны на плоский коллектор. Картины распыления состоят из центрального пятна и четырех боковых пятен.

Рис. 11. Пространственное распределение атомов РЬ+Те, при распылении грани (001) РЬТе: Аг+, Е0 = 500 эВ, а = 0°: а) РЬ+Те, (б) РЬ и (в) Те

Экспериментальные данные для картин распыления кристаллов с простой кубической решеткой отсутствуют. Полученные в расчете картины не противоречат экспериментальным пятнам Венера для монокристаллов с ГЦК решеткой, но имеют свои особенности. Основное отличие картин пятен для ШМ (ГЦК) и для РЬТе (ПК) состоит в разной энергии облучающих ионов Е0, необходимой для появления центрального пятна Венера в направлении [001] при распылении грани (001).

Распределения для компонент РЬ и Те показаны на рис. 116,в. Видно, что для РЬ пятна выражены яснее, чем для Те. Это объясняется следующим образом. В плоскости (001) каждый атом верхнего слоя окружен четырьмя атомами другого сорта, взаимодействие с которыми стремится уменьшить четкость пятен осадка. Для более тяжелого компонента - РЬ этот эффект слабее, и поэтому пятна в его пространственном распределении становятся ярче. В то же время, картина пятен для РЬ не такая плотная, как для Те, За счет меньшего коэффициента распыления. Расчет показал, что для исследованных энергий ионов пятна распыления возникают в основном благодаря процессам в нескольких верхних слоях мишени (механизмы Леманна-Зигмунда и фокусонный). Отмечена также роль процесса каналирования и эффекта теней в формировании картин распыления, особенно для наклонного падения ионов.

Для азимутального распределения частиц, распыленных с грани (001) РЬТе обнаружен преимущественный выход компонентов вблизи одних и тех же направлений плотной упаковки <011> <001> (как и для компонентов неупорядоченного кристалла №Р(1). Картины распределений качественно различаются для энергий облучающих ионов Аг+, равных 5 и 0.5 кэВ. При бомбардировке быстрыми ионами эмиссия более легкого компонента, т.е. №, в направлениях <011> больше, чем РЬ. При облучении медленными ионами наблюдается противоположная картина. Указанные особенности объясняются поверхностным механизмом, аналогично рассмотренному выше для №Рс1.

Полярное распределение для атомов, распыленных с грани (001) упорядоченного монокристалла РЬТе представлено на рис. 12. Распределение по полярному углу выхода в атомов Те и РЬ с разными энергиями Е\ получено для эмиссии в плоскости (100) для азимутального угла наблюдения у = 45°. Видна разная эмиссия атомов Те и РЬ. При в ~ 45°, т.е. вблизи направления [011], преимущественно эмитируют атомы с малыми энергиями (Е\ = 10 эВ), что характерно для фокусированных столкновений. Для частиц, выходящих с большей энергией (£[ = 30 эВ), процесс фокусировки менее вероятен. Здесь происходит эмиссия атомов при ббльншх углах в, когда частицы выходят из поверхностных слоев после малого числа столкновений.

20 30 40 50

В, град.

Рис. 12. Полярное распределение в плоскости (100) атомов Те (сплошная кривая) и РЬ (пунктир), распыленных с грани (001) упорядоченного монокристалла РЪТе для нормального падения ионов Аг+ с энергией £о = 5 кэВ. Энергия распыленных атомов Е\ = 10 эВ я □, £1 = 30 эВ • О

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель и программа расчета распыления упорядоченных и неупорядоченных моно- и поликристаллов различной структуры, которая сокращает время достоверного численного эксперимента на 2 порядка по сравнению с обычным полным МД рассмотрением.

2. Методом МД моделирования изучено ионное распыление неупорядоченных соединений никеля с палладием с разным содержанием компонентов (NiPd, Ni5Pd и NiPds). Показано, что распыление кристаллов Ni-Pd возрастает при увеличении содержания в них Pd, а преимущественный выход компонент зависит от энергии и угла падения бомбардирующих ионов и различается для исследованных соединений. Для угловой зависимости распыления отдельных элементов наблюдается смещение максимума коэффициента распыления в сторону больших углов падения ионов для Ni, по сравнению с Pd.

3. Исследованы закономерности распыления монокристаллов неупорядоченного соединения NiPd с неизменным составом поверхностных слоев и с учетом сегрегации. Установлено, что угловая зависимость распыления для всех выходящих частиц и для компонент существенно различается при облучении кристалла быстрыми и медленными ионами. При энергиях ионов более 0.5 кэВ существуют обычные минимумы в направлении открытых каналов, в то время как для меньших энергий ионов наблюдаются лишь максимумы распыления вблизи плотноупаковакных направлений <011>. Энергетические зависимости характеризуются смещением максимумов коэффициентов распыления в сторону больших энергий при увеличении угла падения ионов. Учет сегрегации приводит к заметному преимущественному распылению Pd по сравнению с Ni.

4. Впервые методом МД моделирования изучены угловые и энергетические зависимости распыления упорядоченных бинарных соединений РЬТе и PbSe, имеющих простую кубическую решетку. Показано, что на угловых зависимостях распыления монокристаллов РЪТе появляются минимумы в направлениях открытых каналов для относительно быстрых ионов, которые пропадают для более медленных ионов и вместо них появляются максимумы в направлениях [001] и [011] плотной упаковки атомов. Наблюдаемые зависимости распыления свинцовых соединений объяснены особенностями процессов фокусировки атомных соударений и движением частиц по открытым каналам кристаллической решетки.

5. Показано, что пространственное распределение атомов, распыленных из монокристаллов бинарных соединений NiPd и РЬТе, характеризуется преимущественным выходом компонентов в одних и тех же направлениях плотной упаковки (<011> и <001>) и качественно меняются с энергией и углом падения облучающих ионов.

6. Впервые рассчитаны картины пятен распыления для кристалла РЬТе с простой кубической решеткой. Полученные картины не противоречат экспериментальным пятнам Венера для монокристаллов с ГЦК решеткой, но имеют свои особенности. Основное отличие картин пятен для NiPd (ГЦК) и для РЬТе (ПК) состоит в разной энергии облучающих ионов Ев, необходимой для появления центрального пятна Венера в направлении [001] при распылении грани (001).

7. Обнаружена зависимость вида полярных распределений атомов Те и РЪ, распыленных с грани (001) упорядоченного монокристалла РЬТе.от энергии выходящих атомов. Вблизи направления [011] преимущественно эмитируют атомы с малыми энергиями (£à = 10 эВ), что характерно для фокусированных столкновений. Для частиц с ббльшей энергией {Е\ = 30 эВ) преобладает эмиссия атомов вблизи поверхности, когда частицы выходят из верхнего слоя кристалла после малого числа столкновений.

8. Полученные результаты рекомендуется учитывать при прогнозировании изменения физических свойств и состава бинарных соединений под действием ионного облучения, при совершенствовании методов ионной диагностики поверхности и технологии получения пленочных покрытий, а тайке при конструировании плазменных приборов, солнечных батарей и фоторезисторов.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В рекомендованных ВАК научных журналах и изданиях:

1. Толпин, К.А. Особенности распыления сплавов Ni-Pd с разным содержанием компонент. / КАТолпин, А.С.Мосуное, М.Ю.Толпина, В.ЕЮрасова. // Поверхность -рентгеновские, сияхротронные и нейтронные исследования. 2006.- №7. - С.13-17.

2. Толпин, К.А. Влияние состава поверхностных слоев монокристалла NiPd на закономерности его распыления. / К.А. Толпин, М.Ю. Толпина, В.Е.Юрасова. // Поверхность - рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2008. - №5. - С. 17-24.

3. Толпин, К.A. Spatial and energy distributions of particles sputtered from NiPd single crystals./ K.A. Tolpin, Yu.A. Ryzhov, V.E. Yurasova.ll Vacuum. 2009. - V.84. - №3. - P.369-377.

В других журналах и изданиях:

4. Толпин, К.А. Особенности распыления сплавов Ni-Pd с разным содержанием компонент. / А.С.Мосуное, КА.Толпин, М.Ю.Толпина, В.Е.Юрасова. // Труды 17-ой Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью», ВИП-2005, Звенигород. - Т. 1. - С. 143-146.

5. Толпин, К.А. Sputtering of Ni-Pd alloys with varying ratio of components. I A.S.Mosunov, J.S.Colligon, K.A.Tolpin, M.Yu.Tolpina, V.EYurasova. // Abstracts of 5th Iberian Vacuum Meeting RIVA 5-Portugal, 18-21 September 2005.-P. 15.

6. Толпин, K.A. Влияние состава поверхностных слоев кристалла NiPd на процесс его распыления. / КА.Толпин, М.Ю.Толпина, В.ЕЮрасова. И Труды 18-ой Международной

конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью», ВИП-2007, Звенигород. - Т.1. - С. 201-204.

7. Толпин, К.А. Пространственное и энергетическое распределение частиц, распыленных из монокристалла NiPd. / К.А. Толпин, М.Ю. Толпина, В.Е. Юрасова. II Труды 19-ой Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью», ВИП-2009. Звенигород. - Т. 1. - С. 164-167.

8. Толпин, К.А. Feature of energy dependence of NiPd sputtering for different ion irradiation angles. / K.Â. Tolpin, V.I. Bachurin, V.E. Ywasova. II Abstract for 20th International Conference on Ion Beam Analysis, Brazil. 2011. - PA2.

9. Толпин, K.A. Пространственные распределения частиц, распыленных из монокристаллов NiPd и РЬТе. I Бачурин В.И., Кузъменко А.П., Толпин К.А., Юрасова В.Е. П Известия Юго-Зал. Гос. Унив. 2011. - №1. - С. 89-98.

10. Толпин, К.А. Радиационная устойчивость РЬТе и PbSe бинарных соединений. / К.А. Толпин, В.И. Бачурин, В.Е. Юрасова. II Труды 20-ой Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью», ВИП-2011, Звенигород. - Т. 1. - С. 117-120.

Подписано в печать 22.09.2011

Объем 1,1 печ.л. Тираж 100 экз

Формах 60x90/16 Заказ №3155

ИД ООО «Ролике». 141006, г. Мытищи, Московская обл., Олимпийский пр-т, 30/17. Отпечатано ИД ООО «Ролике».

Введение.

Актуальность темы.

Цели и задачи работы.

Научная новизна.

Достоверность.

Практическаязначимость.

Основные положения, выносимые на защиту.

Апробация работы.

Список публикаций по теме работы.

Личный вклад автора.

Объем и структура диссертации.

Глава 1. Обзор литературы. Экспериментальные данные по распылению двухкомпонентных« соединений и сплавов.

1.1. Введение.

1.2. Состав*поверхности, коэффициент распыления«.

1.2.1. Процесс установления состава поверхности.

1.2.2: Глубина-измененного слоя, распределение состава по глубине.

1.2.3. Соотношение масс атомов компонент мишени.

1.2.4. Концентрация компонент.

1.2.5. Температура мишени.

1.216. Соотношение масс бомбардирующего иона и атомов мишени«.

1.2.7. Энергетическая зависимость.

1.3. Энергетические спектры распыленных атомов.

1.4. Угловые распределения распыленных атомов.

1.4.1. Поликристаллы.

1.4.2. Монокристаллы.

1.5. Выводы к главе 1.

Глава 2. Методика моделирования распыления бинарных соединений.

2.1'.:Физическая модель.

2.2. Численные методы при моделировании распыления.

2.3. Численные методы нахождения минимума функции нескольких переменных.

2.4. Алгоритм построения моделей мишени.

2.5. Потенциалы взаимодействия.

2.6. Нахождение параметров потенциала взаимодействия.

2.7. Данные численного эксперимента.

2.8. Выводы к главе 2.

Глава 3. Процесс распыления неупорядоченного соединения NiPd'.

3.1. Введение.

3.2. Методика моделирования.

3.3. Закономерности распыления соединений Ni-Pd с разным содержанием компонентбЗ

3.3.1. Никель и палладий.

3.3.2. Сплавы никеля с палладием.

3.4. Влияние состава поверхностных слоев кристалла NiPd на процесс его распыления

3.4.1. Зависимость распыления моно- и поликристалла NiPd от энергии облучающих ионов.

3.4.2. Угловая зависимость распыления грани (001) NiPd для разного состава поверхностных слоев.

3.4.3. Энергетические спектры.

3.4.4. Источник распыления.

3.4.5. Поколения распыленных частиц.

3.4.6. Глубина выхода распыленных частиц.

3.5. Особенности энергетической зависимости распыления NiPd и его компонент для различных углов ионного облучения.

3.5.1. Энергетическая зависимость распыления NiPd при разных углах ионного облучения.

3.5.2. Энергетическая зависимость распыления компонент монокристалла NiPd.

3.5.3. Изменение с энергией ионов отношения выхода атомов никеля к палладию при распылении NiPd.

3.6. Выводы к главе 3.

Глава 4. Радиационная устойчивость упорядоченных бинарных соединений РЬТе и PbSe

4.1.Введени е.

4.2. Методика расчета.

4.3. Энергетическая зависимость распыления элементов, входящих в соединения.

4.3.1. Распыление свинца.

4.3.2. Распыление теллура и селена.

4.4. Закономерности распыления сплавов.

4.4.1. Угловая зависимость.

4.4.2. Энергетическая зависимость.

4.5. Выводы к главе 4.

Глава 5. Пространственное распределение частиц, распыленных из неупорядоченных и упорядоченных двойных соединений.

5.1.Введени е.

5.2. Особенности пространственного распределения распыленных атомов из неупорядоченного сплава NiPd.

5.2.1. Распределение распыленных частиц по полярному углу вылета.

5.2.2. Азимутальные угловые распределения.

5.2.3. Картина пятен.

5.3. Закономерности пространственных распределений частиц, распыленных из упорядоченных соединений РЬТе H'PbSe.

5.3.1: Полярные распределения.

5.3.2. Азимутальные угловые распределения.

5.3.3. Картина пятен.

5.4. Выводы к главе 5.'.

Выводы.

Благодарность.

Актуальность темы

В настоящее время возрос интерес к исследованию процесса ионного распыления твердых тел. Это связано как с необходимостью решения фундаментальных вопросов взаимодействия ионов с поверхностью, так и с быстрым ростом практического использования распыления для модификации и анализа состава различных материалов.

Ионная бомбардировка сопровождается сложными процессами в приповерхностной области мишени, изменяющими ее структуру и состав. Эти изменения, с одной стороны, является нежелательным эффектом, приводящим к систематическим ошибкам при диагностике поверхности; с другой стороны, они составляют важный элемент технологии создания модифицированных слоев. И в том и в другом случае, необходимо четкое понимание механизмов' и особенностей протекания ионно-стимулированных процессов вблизи поверхности твердых тел, и в частности, бинарных соединений, которые широко применяются на практике.

Особый интерес для? исследования физики взаимодействия* ионов с поверхностью! твердого тела представляют бинарные ферромагнитные неупорядоченные соединения №-Рс1, которые используются в микроэлектронике и в медицине, например, при развитии методов магнитно-резонансной томографии и фиксировании необходимых участков для локального нагрева. Большое внимание уделяется также бинарным упорядоченным соединениям - РЬТе и РЬЭе, которые имеют широкое практическое использование: при создании фоторезисторов, работающих в инфракрасной области спектра, в производстве термоэлектрических генераторов и др. РЬ8е применяется также в солнечных батареях. Поскольку в ряде применений РЬТе и РЬ8е подвергаются ионному облучению, важно исследовать процесс их распыления. Помимо этого, исследование процессов при ионном облучении упорядоченных биметаллов РЬТе и РЬ8е, имеющих простую кубическую решетку, представляет несомненный интерес с физической точки зрения. Процессы, происходящие при ионной бомбардировке таких соединений (и в частности, анизотропия распыления), никогда не рассматривались ранее. Необходимо отметить важность исследования механизмов ионного распыления бинарных соединений для развития современного метода анализа состава поверхности — метода ВИМС (вторично-ионной масс-спектрометрии). Для совершенствования метода ВИМС и увеличения его разрешающей способности необходимо детальное теоретическое и модельное исследование процесса ионного распыления.

Вследствие значительных трудностей, возникающих при теоретическом исследовании взаимодействия ионов с атомами мишени для решения; как фундаментальных, так и прикладных задач, часто используется математическое моделирование. В настоящей работе поставленные задачи решались методом молекулярно-динамического (МД) моделирования. Были созданы и апробированы модели мишеней и методика численного расчета ионного распыления твердых тел с минимальной затратой машинного времени. МД моделированием исследованы различные аспекты ионного распыления бинарных соединений с неупорядоченной (№-Рс1) и упорядоченной (РЬТе и РЬ8е) структурой, имеющих большое практическое применение:

Цели и задачи работы

Целью работы являлась изучение особенностей эмиссии атомных частиц при ионном облучении двухкомпонентных соединений методами МД моделирования. Для достижения этой цели были поставлены,следующие задачи:

- разработка МД программы расчета ионного распыления двухкомпонентных соединений;

- изучение угловых и энергетических распределений частиц, распыленных из неупорядоченных сплавов никеля с палладием с разным содержанием компонент;

- определение условий радиационной устойчивости упорядоченных бинарных соединений РЬТе и РЬ8е в процессе их распыления, построение угловых и энергетических распределений распыленных частиц;

- выявление особенностей пространственных распределений частиц, распыленных из неупорядоченных и упорядоченных двойных сплавов.

Научная новизна.

1. Разработаны физические модели и математическая МД модель прогнозирования изменений физических свойств бинарных соединений в зависимости от ионного распыления поверхности, позволяющие получать качественное и количественное согласие с экспериментальными данными.

2. Установлены физические свойства распыления неупорядоченных монокристаллов Ni-Pd с неизменённым составом поверхностных слоев и с учетом сегрегации при нормальном и наклонном падении ионов аргона в широком диапазоне энергий.

3. Выявлены факторы, определяющие форму угловых, пространственных и энергетических распределений частиц, распыленных из кристаллов неупорядоченных соединений Ni-Pd.

4. Впервые исследованы угловые зависимости и пространственные распределения распыленных атомов, выходящих из моно- и поликристаллов упорядоченных бинарных соединений РЬТе и PbSe с простой кубической решеткой под воздействием облучения ионами Аг+ с энергией от 0.1 до 60 кэВ. Определены механизмы, влияющие на закономерности их распыления.

Достоверность.

Достоверность разработанной физической и математической МД модели распыления бинарных соединений и сделанных на ее основе расчетов подтверждается качественным и количественным согласием расчетных и экспериментальных данных.

Практическая значимость.

1. Созданы модели мишеней и методика расчета распыления кристалла, позволяющие сократить время достоверного численного эксперимента в 2-4 раза по сравнению с обычным полным молекулярно-динамическим рассмотрением.

2. Установленные закономерности распыления? ферромагнитных соединений №-Рс1 важны при их использовании в микроэлектронике, медицине, например, при совершенствовании методов магнитно-резонансной томографии и фиксировании участков для локального разогрева.

3. Обнаружены особенности распыления, соединений №-Рс1 с разным, содержанием компонент, которые следует использовать при совершенствовании количественного ВИМС анализатвердого тела.,.

4. Полученные результаты, по ионному распылению полупроводниковых соединений РЬТе и РЬБе, важны для. конструирования солнечных батарей, а. также при создании фоторезисторов- используемых, например, при создании спектральных аналитических приборов регистрации в атмосфере опасных концентраций СО, С02 и ряда органических соединений.

Основные положения, выносимые на защиту

Приисследовании ионного распыления бинарных соединений с неупорядоченной (№-Рс1) и упорядоченной (РЬТе и РЬ8е) структурой впервые получены следующие результаты.

1. Угловая зависимость коэффициента распылениям Г(а) соединений №Р<1, РЬТе и РЬ8е качественно различается для кристаллов с ПК и ГЦК решеткой, а также при распылении быстрыми и медленными ионами. Для быстрых ионов наблюдаются; обычные минимумы У(а) в направлениях открытых каналов кристаллической решетки. Для медленных ионов минимумы в направлениях открытых каналов пропадают, и возникают максимумы в направлениях плотной упаковки.

2. Энергетическая, зависимость коэффициента распыления У(Ео) поликристаллов соединений №Рё и РЬТе имеет максимум при энергии Е0 ионов аргона, равной 40 кэВ, что совпадает с данными для других мишеней. Для грани (001) монокристаллов NiPd максимум: Y(Eo) расположен при Eq ~ 2 кэВ, а для РЬ, РЬТе и PbSe при более высокой энергии Eq ~ 15 кэВ, что объяснено особенностью распыления атомов большой массы. При наклонном падении ионов на монокристаллы NiPd и РЬТе происходит сдвиг максимумов» Y{Eq) в сторону больших энергий, по сравнению со случаем нормального падениям

3. Пространственные распределения распыленных атомов (картина пятен), для монокристаллов бинарных соединений NiPd и РЬТе, характеризуются преимущественным выходом компонентов в одних и тех же направлениях плотной, упаковки; (<011> и <001>) и качественно меняются с энергией и углом падения облучающих ионов. Картина пятен при одинаковых условиях облучения различается для кристаллов NiPd (ГЦК-решетка) и РЬТе : (ПК-решетка).

4. Полярное распределение атомов, распыленных с грани (001) упорядоченного монокристалла РЬТе с простой кубической решеткой; зависит от энергии Е\ выходящих; частиц и различается для атомов Те и РЬ. Вблизи направления: [011] эмитируют атомы с малыми энергиями (Е\ = 10 эВ), что характерно для фокусированных столкновений; Для частиц с энергией Е\ = 30 эВ происходит выход атомов при больших полярных углах, когда частицы распыляются из поверхностных слоев после малого числа столкновений.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. 17-й Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью», г. Звенигород, 2005 г.;

2. 5th Iberian Vacuum Meeting RIVA 5-Portugal, 2005;

3. 18-й Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью», г. Звенигород, 2007 г.;

4. 19-й Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью», г. Звенигород, 2009 г.;

5. 20th International Conference on Ion Beam Analysis, Plaza Itapema Resort & Spa, Itapema, SC-Brazil, 10-15 April, 2011;

6. 20-й Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью», г. Звенигород, 2011 г.

Список публикаций по теме работы

1. А.С.Мосунов, К.А.Толтм, М.Ю.Толпина, В.Е.Юрасова. Особенности распыления сплавов Ni-Pd с разным содержанием компонент // Труды 17-ой Международной' конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью», ВИП-2005, Звенигород. Т. Г. С. 143-146.

2. A.S.Mosunov, J.S.Colligon, KA.Tolpin, M.Yu.Tolpina, V.E.Yurasova. Sputtering of Ni-Pd alloys with varying ratio' of components // Abstracts of 5th Iberian Vacuum Meeting RIVA 5-Portugal, 18-21 September 2005. P. 15.

3. А.С.Мосунов, К.А.Толпин, М.Ю.Толпина, В.Е.Юрасова. Особенности распыления сплавов Ni-Pd с разным содержанием компонент // Поверхность -рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2006. № 7. С. 13-17.

4. К.А.Толпин, М.Ю.Толпина, В.е.Юрасова. Влияние состава- поверхностных слоев кристалла NiPd-на- процесс его распыления // Труды- 18-ой Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью», ВИП-2007, Звенигород. Т. 1.С. 201-204.

5. КА.Толпш, М.Ю.Толпина, В.Е.Юрасова. Влияние состава поверхностных слоев монокристалла NiPd на закономерности его распыления. // Поверхность -рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2008. № 5. С. 17-24.

6. К.А.Толпин, М.Ю.Толпина, В.Е.Юрасова. Пространственное и энергетическое распределение частиц, распыленных из монокристалла NiPd. // Труды 19-ой Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью», ВИП-2009. Звенигород. Т. 1. С. 164-167.

7. К.А. Tolpin, Yu.A. Ryzhov, V.E. Yurasova. Spatial and energy distributions of particles sputtered from NiPd single crystals. // Vacuum. 2009. V. 84. 3. P 369-377.

8. K.A. Tolpin, V.I. Bachurin, V.E. Yurasova. Feature of energy dependence of NiPd xU sputtering for différent ion irradiation angles. // Abstract for 20 International Conférence on Ion Beam Analysis, Plaza Itapema Resort & Spa, Itapema, SC — Brazil, 10-15 April, 2011.PA2.

9. В.И. Бачурин, А.П. Кузъменко, K.A. Толпин, B.E. Юрасова. Пространственные распределения частиц, распыленных из монокристаллов NiPd и РЬТе. // Известия Юго-Зап. Гос. Унив. 2011. №1. - С. 89-98.

10. К.А. Толпин, В.И. Бачурин, В.Е. Юрасова. Радиационная устойчивость РЬТе и PbSe бинарных соединений, Труды 20-ой Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью», ВИЦ-2011, Звенигород. Т. 1. С. 117120.

Личный вклад автора

Разработана молекулярно-динамическая программа расчета ионного распыления двухкомпонентных соединений, выполнен весь объем расчетов, построены угловые, энергетические и- пространственные зависимости частиц, распыленных из двухкомпонентных соединений, проведены сравнения их с известными экспериментальными данными.

Объем и структура диссертации

Работа содержит 150 страниц текста, включая 64 рисунка и библиографию из 213 наименований. По теме диссертации опубликовано 10 работ, список которых приведен в конце введения.

Диссертация состоит из введения, 5 глав и выводов.

Выводы

1. Разработана математическая модель и программа расчета распыления упорядоченных и неупорядоченных моно- и поликристаллов различной структуры, которая сокращает время достоверного численного эксперимента в 24 раза по сравнению с обычным полным МД рассмотрением.

2. Методом МД моделирования изучено ионное распыление неупорядоченных соединений никеля с палладием с разным содержанием компонентов (NiPd, Ni5Pd и NiPd5). Показано, что распыление кристаллов Ni-Pd возрастает при увеличении содержания в них Pd, а преимущественный выход компонент зависит от энергии и угла падения бомбардирующих ионов и различается для исследованных соединений. Для угловой зависимости распыления отдельных элементов наблюдается смещение максимума коэффициента распыления в сторону больших углов падения ионов для Ni, по сравнению с Pd.

3. Исследованы закономерности распыления монокристаллов неупорядоченного соединения NiPd с неизменным составом« поверхностных слоев и с учетом сегрегации. Установлено, что угловая зависимость распыления для всех выходящих частиц и для компонент существенно различается при облучении кристалла быстрыми и медленными ионами. При энергиях ионов .более 0.5 кэВ существуют обычные минимумы в направлении открытых каналов кристаллической решетки, в то врет как для меньших энергий ионов наблюдаются лишь максимумы распыления вблизи плотноупакованных направлений <011>. Энергетические зависимости характеризуются смещением максимумов коэффициентов распыления в сторону больших энергий при увеличении угла падения ионов. Учет сегрегации приводит к заметному преимущественному распылению Pd по сравнению с Ni.

4. Впервые методом МД моделирования изучены угловые и энергетические зависимости распыления упорядоченных бинарных соединений РЬТе и PbSe, имеющих простую кубическую решетку. Показано, что на угловых зависимостях распыления монокристаллов РЬТе появляются минимумы в направлениях открытых каналов для относительно быстрых ионов, которые пропадают для более медленных ионов, и вместо них появляются максимумы в направлениях [001] и [011] плотной упаковки атомов. Наблюдаемые зависимости распыления свинцовых соединений объяснены особенностями процессов фокусировки атомных соударений и движением частиц по открытым каналам кристаллической решетки.

5. Показано, что для пространственных распределений компонентов соединений монокристаллов №Рс1 и РЬТе, облучаемых ионами Аг+ при нормальном и наклонном падении, преимущественный выход распыленных атомов происходит вблизи одних и тех же направлений плотной упаковки: <011> и [001].

6. Обнаружена зависимость вида полярных распределений атомов Те и РЬ, распыленных с грани (001) упорядоченного монокристалла РЬТе, от энергии выходящих частиц. Вблизи направления [011], преимущественно эмитируют атомы с малыми энергиями (Е\ = 10 эВ), что характерно для фокусированных столкновений. Для частиц с большей энергией (Е\ = 30 эВ) преобладает эмиссия вблизи поверхности, когда частицы выходят из верхнего слоя кристалла после малого числа столкновений.

7. Впервые рассчитаны картины пятен распыления для кристалла РЬТе с-простой кубической решеткой. Полученные картины не противоречат экспериментальным пятнам Венера для монокристаллов с ГЦК решеткой, но имеют свои особенности. Основное отличие картин пятен для №Рс1 (ГЦК) и для РЬТе (ПК) состоит в разной энергии облучающих ионов Е0, необходимой для появления центрального пятна Венера в направлении [001] при распылении грани (001).

8. Полученные результаты рекомендуется учитывать при прогнозировании изменения физических свойств и состава бинарных соединений под действием ионного облучения, при совершенствовании методов ионной диагностики поверхности и магнитно-резонансной томографии, а также при конструировании плазменных приборов, солнечных батарей и фоторезисторов.

Благодарность

Искренне признателен Владимиру Ивановичу Бачурину за научное руководство, всестороннюю помощь и плодотворное обсуждение результатов настоящей работы.

Выражаю глубокое уважение, признательность и благодарность Вере Евгеньевне Юрасовой. Без ее идей, настойчивости и огромной помощи эта работа не появилась бы.

Отдельно хочется вспомнить A.C. Мосунова, сотрудничество с которым было очень плодотворным и просто необходимым на начальном этапе работ.

Я благодарен коллегам с кафедры электроники физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова и из Ярославского государственного университета им. П.Г. Демидова за обсуждение данной работы и ценные замечания.

Благодарю мою семью за понимание и поддержку во время работы над диссертацией.

1. Shimizu R., Опо М., Nakayama К. Quantative auger analysis of copper-nickel alloy surface after argon ion bombardiment. // Surf. Sci. 1973. V. 36. P. 817-821.

2. Goto K, Koshikawa Т., Ishikawa K, Shimizu R. Estimation of the electron backscattering factor in AES. // Proc. 7th Intern. Vac. Congr. and 3d Int. Conf. on Sol. Surf. Vienna. 1977. P. 1493-1496.

3. Farber W., Betz G., Braun P. Sputtering of the alloy systems Ag-Au, Au-Cu, and Ag-Cu studied by Auger electron spectroscopy. //Nucl. Instr. Meth. 1976. V. 132. P. 351-354.

4. Tompkins H. G. Preferential sputtering in gold-nickel and gold-copper alloys. // J. Vac. Sci. Technol. 1979. V.16. P. 778-780.

5. Poate J.M., Brown W.L., Homer R., Augustyaniak W.M., Mayer J. W., Tu K.N., Van der Weg W.F. The sputtering of PtSi andNiSi. //Nucl. Instr. Meth. 1976. V. 132. P. 345-349.

6. Andersen H.H., Besenbacher F., Goddiksen P. Transients in the composition of the sputtered flux from CuAu and AgAu. // Proc. of SOS-8O, Perchtoldsdorf, Austria. 1980. P. 446-456.

7. Liau-Z.L., Mayer J. W., Brown W.L., Poate J.M. Sputtering of PtSi. // J. Appl. Phys. 1978. V. 49. P. 5295-5305.

8. Ho P.S. Effects of enhanced diffusion on preferred sputtering of homogeneous alloy surfaces. // Surf. Sci. 1978. V. 72. P. 253-263.

9. Gillam E.J. The penetration of positive ions of low energy into alloys and composition changes produced in them by sputtering. // Phys. Chem. Solids 1959. V. 11. P. 55-58.

10. Quinto D.T., Sundaram V.S., Robertson W.D. Auger spectra of copper-nickel alloys. // Surf. Sci. 1971. V. 28. P. 504-509.

11. Goto K., Koshikawa Т., Ishikawa K., Shimizu R. Preferential sputtering of coevaporated Cu-Ni film associated with altered layer. // Surf Sci. 1978. V. 75. P. L373-L375.

12. Brown W.L., LiauZ.L., Mayer J.M., PoateJ.M. Surface-layer composition changes in sputtered alloys and compounds. // Proc. 7th ICACS, Moscow. 1977. 1980. V. 2. P. 18-20.

13. Chu W.K., Howard J. K., Laver R.F. Surface enrichment of copper due to keV Xe sputtering of an Al-Cu mixture. // J. Appl. Phys. 1976. V. 47. P. 4500-4503.

14. Turos A., Vander Weg W.F., Sigurd D., Mayer J. W. Change of surface composition of SiC>2 layers during sputtering. // J. Appl. Phys. 1974. V. 45. P. 2777-2779.

15. Betz G. Alloy sputtering. // Surf. Sci. 1980. V. 92. P. 283-309.

16. Henrich V.E., Fan J. C. C. Differential sputtering of MgO/Au cermet films and its applications to high-yield secondary electron emitters. // Surf Sci. 1974. V. 42. P. 139-146.

17. Liau Z.L., Brown W.L., Homer R., Poate J.M. Surface-layer composition changes in sputtered alloys and compounds. // Appl. Phys. Lett. 1977. V. 30. P. 626-628.

18. Lewis J.E., Ho P.S. Abstract: Preferred sputtering on binary alloy surfaces of the Al-Pd-Si system. // J. Vac. Sci. Technol. 1979. V. 16. P. 772-773.

19. Kelly R, Lam N.Q. The sputtering of oxides, parti: A survey of the experimental results. // Rad. Eff. 1973. V. 19. P. 39-47.

20. Sigmund P. Theory of sputtering. I. Sputtering yields of amorphous and polycrystalline targets. // Phys. Rev. 1969. V. 184. P. 383-416.

21. Andersen H.H., Bay H.L. Nonlinear effects in heavy-ion sputtering. // Rad. Eff. 1973. V. 19. P. 63-67.

22. Wehner G.K, HajicekD.J. Cone Formation on Metal Targets during Sputtering. // J. Appl. Phys. 1971. V. 42. P. 1145-1148.

23. Ho P.S., Lewis J.E., Wildman H.S., Howard J.K. Auger study of preferred sputtering on binary alloy surfaces. // Surf. Sci. 1976. V. 57. P. 393-405.

24. Faber W., Braun P. AES studies of surface composition of Ag-Cu alloys. // Vac. Tech. 1974. V. 23. P. 239-242.

25. Wehner G.K.-B. Methods of Surface Analysis. Ed. A.W. Czanderna, Elsevier. Amsterdam. 1975. P. 5-59. (Методы анализа поверхности. Под ред. А. Зандерны. М.: Мир. 1979.)

26. Dahlgren S.D., McClanahan E.D. Reduced Sputtering Yields for Two-Phase Ag-Ni and Ag-Co Targets. // J. Appl. Phys. 1972. V. 43. P. 1514-1519.

27. Koshikawa Т., Goto K., Saeki N., Shimizu R. II Proc. 7th Intern. Vac. Congr. and 3d Int. Conf. Sol. Surf. Vienna. 1977. P. 1489-1492.

28. GoretzkiH., Muhlratzer A., Nichi J. I I Proc. 7th Intern. Vac. Congr. and 3d Int. Conf Sol. Surf. Vienna. 1977. P. 2387-2390.

29. Kelley M.J., Swartzfager D.G., Sundaram V.S. Surface segregation in the Ag—Au and Pt-Cu systems. // J. Vac. Sei. Technol. 1979. V. 16. P. 664-667.

30. Brongersma H.H., Spamaay M.J., Buck T.M. Surface segregation in Cu-Ni and Cu-Pt alloys; A comparison of low-energy ion-scattering results with theory. I I Surf. Sei. 1978. V. 71. P. 657-678.

31. Bastasz R., Bohdansky J. Preferential sputtering in copper-gold alloys by low energy hydrogen ions. // Proc. of SOS-80. Perchtoldsdorf, Austria. 1980.* P. 430445.

32. Taglauer E., Heiland W. Changes of the surface compounds due to light ion bombardment. //Proc. of SOS-80. Perchtoldsdorf, Austria. 1980. P. 423-429.

33. Winter H.F., Sigmund P. Sputtering of chemisorbed gas (nitrogen on tungsten) by low-energy ions. // J. Appl. Phys. 1974. V. 45. P. 4760-4766.

34. Tarng M.L., Wehner G.K. Auger Electron Spectroscopy Studies of Sputter Deposition and Sputter Removal of Mo from Various Metal Surfaces. // J. Appl. Phys. 1972. V. 43. P. 2268.

35. Taglauer E., Heiland W. Mass and energy dependence of the equilibrium surface composition of sputtered tantalum oxide. // Appl. Phys. Lett. 1978. V. 33. P. 950952.

36. Können G.P., Grosser J., Höring H., De Fries A.E., Kistemaker J. Hyperthermal beams sputtered from alkalihalide surfaces. // Rad. Eff. 1974. V. 21. P. 171-179.

37. Bernhard F., Oechsner H., Stumpe E. Energy distributions of neutral atoms and molecules sputtered from polycrystalline silver. //Nucl. Instr. Meth. 1976. V. 132. P. 329-334.

38. Oechsner H., Bartella J. Stoichiometry effects at NiMo surfaces under bombardment with Ar+ ions from 40 to 2000 eV. // Proc. 7th Int. Conf. on Atomic Collisions in Solids. Moscow. 1980. P. 55-57.

39. Szymonski M„ Battacharya R.S., Overeijnder H., De Vries A.E. Sputtering of an AgAu alloy by bombardment with 6 keV Xe+ ions. // J. Phys. 1978. V. 11. P. 751758.

40. Overeijner H., HaringA., De Vries A.E. The sputtering processes of alkali halides during 6 keV Xe ion bombardment. // Rad. Eff. 1978. V. 37. P. 205-210.

41. Szymonski M., Overeijner H., De Vries A.E. The sputtering processes during 6 keV Xe ion beam bombardment of halides. // Rad. Eff. 1978. V. 36. P. 189-196.

42. Кувакин M.B., Лусников A.B., Мотавех Х.А., Юрасова В.Е. Форма барьера на поверхности и спектры распыленных атомов. // Письма в ЖТФ. 1979. Т. 5. С. 1200-1203.

43. Olson R.R., Wehner G.K. Composition variation as a function of ejection angle in the sputtering of alloys. //1. Vac. Sei. Tech. 1977. V. 14/1. P. 319-321.

44. Wehner G.K., Olson R.R., KingM.E. Mass effects on angular distribution of sputtered atoms. // Proc. 7th IVG and 3d ICSS. Vienna. 1977. P. 1461-1464.

45. Wehner G.K. Isotope enrichment in sputter deposits. // Appl. Phys. Lett. 1977. V. 30/4. P. 185-187.

46. Olson R.R., KingM.E., Wehner G.K. Mass effects on angular distribution of sputtered atoms. // J. Appl. Phys. 1979. V. 50/5. P. 3677-3683.