Особенности формирования зарядовых и возбужденных состояний частиц, образованных в эмиссионных процессах с участием многоатомных и многозарядных ионов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

О АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

^ ^ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ им. У.А.АРИФ08А

- СО I

яа правах рукописи УДК 537.533; 537.534

МЕДВЕДЕВА МАРИНА ВЛАДИМИРОВНА

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ЗАРЯДОВЫХ И ВОЗБУЖДЕННЫХ СОСТОЯНИЕ ЧАСТИЦ, ОБРАЗОВАННЫХ В ЭМИССИОННЫХ ПРОЦЕССАХ С УЧАСТИЕМ МНОГОАТОМНЫХ И МНОГОЗАРЯДНЫХ ИОНОВ

(Специальность 01.04.04. - Физическая электроника}

. АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Работа выполнена в Институте электроники им. У.А. Арифова Академии Наук Республики Узбекистан

Научный руководитель: - доктор физико-математических наук,

Ферлегер В.Х.

Официальные оппоненты: - _ доктор физико-математических наук,

проф., Паздзерский В.А. кандидат физико-математических наук, Зиновьев А. Б.

Ведущая организация: - Ташкентский Государственный Технический

Университет

i >,.., • . . .-i , -Защита состоится " • " -- 1998 г. ь

/"'" часов на заседании Специализированного Совета Л- 015.23.01.

по специальности 01.04.04. (физическая электроника) прк

Институте электроники им. У. А.Арифова АН РУз по адресу: 700143,

г.Ташкент, ул.ф.Ходжаева, 33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института

электроники им. У.А.Арифова АН РУз.

Автореферат разослан "_" февраля 1998 г.

Ученый секретарь ' Специализированного Совета Д. ф. -и. н., проф.

ШИНЯДОВ Н. А.

-3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Теоретические и экспериментальные исследования различных вторично-эмиссионных процессов с участием атомных частиц, инициированных бомбардировкой ускоренными ионами, имеют столетнюю историю и продолжаются в настоящее время в связи с целым рядом фундаментальных и прикладных задач.

Одна из самых сложных проблем этой области физики связана с измерением и расчетом заселенностей электронных" оболочек, определяющих вероятности ионизации, возбуждения г нейтрализации эмиттированных частиц. Целый ряд экспериментально установленных закономерностей ионизации и возбуждения не понят в настоящее время даже на качественном уровне. Трудности связаны с многозлектроннык характером рассматриваемых процессов и неприменимостью в области скоростей отлетавших частиц, меньших орбитальных ' скоростей электронов, стандартных методов квантово-механической теории.

В последние röiu прогресс! в этом направлении связывают с быстро развивающимися исследованиями вторично-эмиссионных процессов с участием многоатомных и многозарядных частиц. В качестве бомбардирующих используются пучхи . иногозарядных, а также молекулярных и кластерных ионов, рассматриваются закономерности рассеяния и распыления молекулярных и кластерных частиц. Такие исследования дают важную дополнительную информацию о механизмах формирования заселенностей электронных оболочек вторичных частиц, так как позволяют изучить рассматриваемые явления в экстремальных по плотности выделяемой на поверхности энергии условиях Сэта энергия является преимущественно кинетической в случае использования в качестве первичных частиц быстрых многоатомных ионов, 1 каВ/атом < £о < 100 кэВ/атсм и преимущественно потенциальной - при бомбардировке медленными многозарядными ионами, Eq i 1 кэВ/атомЭ, при этом изменяются условия электронного обмена частиц с поверхностью.

Например, при взаимодействии однозарядного молекулярного иона с энергией £ = 1 100 кзВ/атом с поверхностью, каждый последующий атом комплекса поступает на поверхность через промежуток времени т % 1С"19 с после предыдущего. Это время сравнимо с характерными временами ре-таксации возбуждений з системе, "отлетающая частица' -поверхность". Таким - .образом.

создается уникальная возможность изучения взаимодействия частицы с локальным возмущенным участком поверхности, практически недостижимая при бомбардировке одноатомными частицами, так как для этого аужно было бы увеличить плотность тока бомбардирующих одноатомных частиц примерно на.десять порядков величины.

Кроме того, атомы комплекса (распавшейся или возбудившейся рассеянной молекулы первичного пучка, либо распыленного кластера) взаимодействуют между собой - на отлете, что создает . дополнительные каналы электронного обмена.

При нейтрализации многозарядн'ого иона происходит быстрое уменьшение электронной плотности локального участка, поверхности. Это приводит как. к -возможному дополнительному механизму распыления — кулоновскому взрыву, так и к изменению условий электронного обмена в системе "отлетающая частица поверхность".

Указанные особенности означают,"что помимо фундаментального аспекта, исследования вторично-эмиссионных процессов с участием многоатомных и многозарядных ионов имеют и важное прикладное 'значение! связанное с созданием методических основ для принципиально новых способов диагностики электронной структуры поверхности и приповерхностной области. -

В понимании природы этих особенностей теория делает лишь первые шаги. .

Цель диссертационной , работы. Теоретическое исследование некоторых особенностей процессов формирования заселенностей электронных оболочек отлетающих частиц во вторично-эмиссионных явлениях с участием многоатомных и многозарядных ионов. При постановке . конкретных задач преимущество отдавалось тем эмиссионным процессам, для которых имеются надежные экспериментально установленные закономерности, не находящие', объяснения в рамках существующих теорий. ,

Научная новизна работы.

В диссертации впервые:

1. Рассчитаны частоты квазирезонансной перезарядки и ионизации атомов, составлявших молекулу до ее столкновения с поверхностью, при их взаимодействии между собой на отлете в приповерхностной области твердого тела.

2. Предложен механизм формирования заселенностей возбужденных

уровней при молекулярной бомбардирор-ке, позволивший установить причину наблюдаемой экспериментально неаддитивности* ряда характеристик ионно-фотонной эмиссии. Рассчитаны зависимости заселенностей возбужденных уровней рассеянных атомов водорода от главного квантового чила при атомарной и' молекулярной бомбардировке поверхностей-металла и диэлектрика.

3. , Рассмотрен механизм формирования заселенностей уровня сродства отрицательного иона водорода и рассчитана зависимость вероятности отрицательной ионизации рассеянных атомов водорода от параллельной поверхности составлявшей их скорости в случае бомбардировки поверхности металла ионами РГ. Предсказана неаддитивность вероятности отрицательной ионизации.

4. Предложена модель, описывающая, ионизацию распыленных .кластеров металла, основанная'на представлении о переходе части внутренней колебательной энергии кластера в его электронную подсистему при отлете кластера . от поверхности металла вне области электронного обмена с поверхностью.

5. Рассчитана зависимость степени ионизации кластеров, эмиттируемых с поверхности металла,, от числа атомов в них.

6. . В рамках электронно-обменной модели формирования зарядовых состояний отлетающих частиц, модифицированной с учетом зависимости частот электронно-обменных процессов от локального электронного состояния поверхности, рассчитана степень ионизации частиц, распыленных в режиме первичного прямого выбивания, ее зависимость от заряда и энергии бомбардирующего иона.

Основные положения, -выиосиныэ на защиту.

1. - Метод расчета частот квазирезонансной перезарядки и ионизации атомов, составлявших молекулу, при их столкновении между собой на отлете в приповерхностной области в случае скользящего молекулярного рассеяния.

2. Модель формирования возбужденных состояний рассеянных атомов водорода при молекулярной бомбардировке. Расчет зависимости вероятности возбуждения . различных состояний рассенного атома водорода от главного квантового ' числа при атомарной и молекулярной бомбардировке поверхностей металла. и диэлектрика.

3. Модель формирования отрицательного иона водорода при скользящем молекулярном . рассеянии. Расчет зависимости

вероятности отрицательное ионизации рассеянных атомов водорода от параллельной поверхности составлявшей их. скорости при бомбардировке поверхности металла молекулярными ионами водорода.

4. Недель, описывающая.положительную ионизацию распыленных кластеров металлов, за счет диссипации их внутренней энергии в электронную подсистему, с учетом фрагментации кластеров при. отлете от поверхности.

5. Расчет зависимости степени - положительной ионизации кластеров металлов, распыленных ионной бомбардировкой,, от числа атомов в комплексе.

6. Модификация электронно-обменного механизма формирования зарядовых состояний распыленных и рассеянных частиц с учетом влияния на электронно-обменные. процессы изменения локального электронного состояния поверхности.

7. Расчет зависимости степени положительной ионизации распыленных частиц от заряда и энергии бомбардирующего иона.

Научная и практическая ценность работы:

Теоретические исследования особенностей . формирования заселенностей электронных оболочек рассеянных и распыленных , частиц при взаимодействии многоатомных и многозарядных ионов с поверхностью твердого тела необходимы для более ясного понимания механизмов упругого и неупругого рассеяния, - формирования заряженных и возбужденных состояний атомов, молекул и кластеров, покидающих поверхность твердого тела, особенностей кинетической и потенциальной ионно-электронной эмиссии и исследования физико-химических, свойств, структуры и состава поверхности при ионной бомбардировке.

Проведенные в работе исследования позволили понять физическую причину неаддитивности вероятности возбуждения рассеянных атомов при молекулярной бомбардировке поверхности под : скользящими углами и объяснить разный характер неаддитивности вероятности возбуждения для диэлектриков и металлов. Специфичные для скользящего молекулярного рассеяния процессы электронного, обмена между фрагментами распавшейся молекулы вблизи поверхности на отлете, аналогичные процессам взаимодействия после столкновения атомных частиц в газовой фазе, определяют неаддитивность характеристик не только ионно-фотонной эмиссии, но и других электронно-обменных эмиссионных процессов.

Неаддитивность аналогичной природы проявляет вероятность отрицательной ионизации рассеянных атомов водорода при бомбардировке поверхности металла молекулярными ионами водорода.

Предложенная в работе модель, описывающая положительную ионизацию металлических кластеров за счет перераспределения энергии внутри отлетающего комплекса, должна способствовать созданию механизма ионизации распыленных комплексных частиц и пониманию процесса кластерообразования.

Теоретическое исследование особенностей формирования зарядовых состояний распыленных атомов металла при бомбардировке поверхности металла ионами различной зарядности привели к выводу, что на процесс- ионизации распыленных частиц также влияет и изменение электронного состояния локальной области поверхности, что приводит .к изменению условий электронного обмена в системе "отлетающая частица - поверхность". Поэтому неббходймо учЬ'гквать влияние на электронно-обменные процессы изменение электронного состояния малого участка поверхности, размером порядка элементарной ячейки кристалла, которое может быть вызвано не только налетающим многозарядным ионом, но и отлетающим кластером.

С точки зрения решения практических задач теоретическое рассмотрение процессов формирования зарядовых и возбужденных ' состояний вторичных частиц при бомбардировке поверхности молекулярными и многозарядными ионами создает предпосылки для усовершенствования методов диагностики поверхности, для решения проблемы первой стенки термоядерного реактора. Характеристики таких процессов содержат подробную информацию об электронной структуре локальных участков поверхности и приповерхностной области твердого тела. Это позволит создать теоретические основа для нового метода диагностики электронной структуры поверхности, основанного на установлении однозначного соответствия между измеряемыми на опыте ¡характеристиками вторично-эмиссионных процессов и параметрами, описывающими форму функции электронной плотности в приповерхностной области твердого тела. .

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 1В работах, список которых приведен в конце автореферата.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были представлены на 10 и 11 ■ Международных школах.' по неупругим

взаимодействиям ионов с поверхностью '/США, 1994, Германия, 1993/, на конференции молодых ученых памяти акдемика У. А. Арифова /Ташкент, 1994/, • на XII Международной -конференции по взаимодействии ионов с поверхностью /Москва, 1995/, на X Международной конференции по вторичной ионной масс-спектрометрш /Мюнстер, 1995/, на 1-ой Республиканской конференции по физической электронике /Ташкент, 1995/,. на Общем Собрании Общества Материаловедения /Бостон, 1995/,

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 112 страниц текста, в том числе 20 рисунков, 3 таблицы, список используемой литературы из 106 наименований.

ОСНОВНОЕ С0ДЕРШ1ИЕ РАБОТУ Во введении обосновывается актуальность выбранной темы исследований, ее научное и практическое значение, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, цель исследования, показана новизна работы.

Первая глава имеет обзорный характер. В ней приводятся основные результаты исследований по проблеме формирования зарядовых и возбужденных состояний вторичных частиц при бомбардировке поверхности многоатомными и многозарядными ионами.

В разделе 1.1 отмечается, что при бомбардировке поверхности ускоренными молекулярными ионами ряд характеристик вторично - эмиссионных процессов при определенных условиях становятся неашдативными.

Неаддитивность некоторой характеристики 1 эмиссионного процесса, инициированного бомбардировкой ионами Л* Са - число атомов в молекулярном ионе), означает, ' что величина I в пересчете на один атом Л.в случае бомбардировки молекулярными ионами (.Ар не равна соответствующей величине, • полученной в-случае бомбардировки атомарными ионами А+, движущимися с той же скоростью.

Возможные физические причины неаддитивности при молекулярной бомбардировке интенсивно обсуждаются в последние годы. Одна, из ; них обусловлена взаимодействием каждого ' последующего атома. молекулы с локальным участком поверхности, который не успевает релаксировать после соударения с предыдущими -

атомами этой же самой молекулы. Согласно такому представления, неаддитивные характеристики имеет распыление в режиме каскадов высокой плотности, процесс образования радиационных дефектов [1]. Все процессы, происходящие за счет электронного обмена с поверхностью", в случае металлических мишеней должны иметь аддитивные характеристики.

Однако, в ряде экспериментов обнаружена неаддитивность характеристик вторично-эмиссионных- процессов, происходящих за счет электронного обмена в системе "отлетающая частица -поверхность". Причина неаддитивности в этом случае, по-видимому, связана с неупругим взаимодействием между собой на отлете рассеянных фрагментов молекулы. -

Известно, что при ионной бомбардировке поверхности твердого тела-происходит распыление не только атомарных, но и комплексных частиц. В разделе 1.2 обобщены данные по исследованиям процессов формирования зарядовых состояний распыленных атомов и кластеров. В большинстве экспериментов изучалась ионная компонента распыленного пучка и лишь недавно.появились данные по эмиссии нейтральных кластеров.

Ранее считалось, что состояние электронных оболочек распыленных кластеров определяется, как и в случае распыленных атомов, только процессами электронного обмена в приповерхностной области. Поскольку энергия ионизации димеров незначительно отличается от энергии ионизации атомов, то ожидалось, что и степень ионизации кластеров п*, где п - число частиц в кластере, должна составлять величину близкую к степени ионизации распыленных атомов т)* % 10"3 + 10"*. Однако, когда была измерена нейтральная компонента, то оказалось,- что для кластеров т)* превышает это значение [2].

Результат работы'С2] означает, что в формирование конечных состояний кластеров могут вносить вклад и процессы, несвязанные с электронным обменом с поверхностью. Например, как предложенный в работе [3] для объяснения аномально больших величин выхода фотонов при ионной ' бомбардировке поверхностей тугоплавких и редкоземельных материалов, неэлектроннообменный механизм формирования возбужденных состояний распыленных молекул окислов металлов.

В разделе 1.3 рассмотрены экспериментальные данные по

измерениям коэффициента распыления 5 й ионной эмиссии У* в зависимости от заряда бомбардирующего иона. Оказалось, что 5 не чувствителен к величине заряда первичных частиц, в то время как У* такую чувствительность проявляет. Следовательно, к заряду чувствительны процессы формирования зарядовых состояний распыленных частиц.

5 конце первой главы делаются основные выводы и формулируется постановка задачи исследования.

Во второй главе исследуется причина неаддитивности зависимости заселенностей возбужденных уровней рассеянных частиц от главного квантового числа г • при скользящем рассеянии молекулярных ионов. Впервые объясняется зависимость вероятности образования возбужденных атомов водорода ^СэЗот I при атомарной бомбардировке. Для объяснения неаддитивности функции С^Сг) при молекулярной бомбардировке вводятся дополнительные процессы формирования возбужденных состояний рассеянных частиц за счет взаимодействия атомов, фрагментов молекулы, между собой на отлете. Проводится расчет и сравнение с экспериментом функции £3^5) при рассеянии Н* и Н* поверхностями Та и С. Рассчитывается зависимость вероятности отрицательной ионизации атомов водорода от параллельной поверхности составляющей скорости «ц' частиц при скользящем рассеянии Н^ на А1С111).

В разделе 2.1 в рамках электронно-обменной модели формирования возбужденных состояний установлен вид зависимости С^Сэ) от í в случае рассеяния атомов водорода на поверхностях Та и С. Для Та она имеет вид С^Сг) ~ С7,- для С - * 1"*.

В разделе 2.2 рассматриваются процессы формирования возбужденных атомов водорода специфичные для молекулярной бомбардировки. При рассеянии молекул, в случае небольших углов скольжения, траектории атомов молекулы таковы, что вероятность почти одновременного отражения нескольких атомов молекулы достаточно велика. При зтоы формирование возбужденных состояний и ионизация атомов на отлете происходит не только в результате их взаимодействия с поверхностью, но и за счет их взаимодйствия между собой Срис.1).

При скользящем рассеянии атомов водорода массой т, ш « Н, где И - масса атомов мишени, они проникают в приповерхностную область мишени и функция распределения вылетавших атомов зависит

и: ' . ■ $

-У ^ f+H- У

$г S* S.

////////// ил 4Х

Рис.1. Схема процесса рассеяния молекул на поверхности.

Рис.2. Схема процесса квазирезонаксной перезарядки.

от расстояния между точками влета и вылета. При этом, процесс рассеяния является многократным. Кинематика и геометрия его описывается теорией многократного рассеяния. Ремизовича С43 Спункт 2.2.1.).

Взаимодействие атомов - фрагментов молекулы - между собой приводит к . возникновению дополнительных каналов возбуждения и ионизации (пункт 2.2. 2.3.

а) Возбуждение атома благодаря квази-резонансному переходу электрона из . атома, находящегося вблизи поверхности, на возбужденный уровень иона, находящегося на расстоянии 5 - 10 Я от поверхности, с частотой ш® Срис;23. Такой процесс возможен потому, что электронная структура атома, вблизи поверхности существенно меняется' из-за экранировки электронами проводимости заряда ядра.; Внутри металла у атома водорода остается один связанный уровень с энергией ионизации = 1 эВ С53.

63 Ионизация одного из атомов, составлявших молекулу, при столкновении с другим атомом с частотой ы*.

Вероятность возбуждения рассеянного атома в £-ое состояние, усредненная по траекториям двух атомов - фрагментам продиссоциировавшей молекулы, имеет вид:

= / ^ С^.^.М.ЛхЗ ГС« .¿г,Д1,ДхЭ (Ц , С13

где - совокупность переменных . интегрирования, указанных в скобках, V' и - скорости рассеянных атомов в момент вылета, Ь.1 - промежуток времени между пересечением поверхности при вылете первым и вторым атомами, Дх - расстояние между точками пересечения поверхности этими атомами при вылете, -

вероятность рассеяния атомов по двум данным траекториям, qi -вероятность возбуждения атома, рассеянного по данной траектории, которая является решением уравнения: сЬ - ■ -

«« -1 = -(и? + ш*3 + С1 - а, ЗСи" + и*Э '

X ^ 1 1 . с с-

при начальном условии |5=5 = 0, 51 - расстояние атома до

поверхности, на котором появляется 1-ый уровень, и, и и, -частоты захвата и потери электрона,, соответственно. Индексами "5" и "а" обозначаются' электронные переходы между атомом и поверхностью и между двумя атомами, соответственно, -

нормальная к поверхности составляющая скорости частицы.

Расчет частот со* и со* описан пункте 2.2.3. Для описания электронной структуры атома зблизи поверхности вводится модельный "атом Хюльтена", для которого кулоновский потенциал заменен потенциалом Хюльтена:

где г - расстояние электрона от ядра, постоянная а имеет смысл радиуса экранирования и зависит от расстояния s до поверхности. Число уровней в "атоме Хюльтена" является конечным и зависит от значения параметра а. Радиус экранировки определялся так, чтобы "атом Хюльтена" имел внутри металла лишь одно связанное состояние.

Расчет частот ы* и w* показал, что их величины порядка 10' * 10" с"1 при растояниях между атомами 1 - 2 % то есть сравнимы со- значениями частот процессов электронного обмена между атомам и поверхностью.

Рассчитанная функция Q^s) для атомарного и молекулярного рассеяния водорода сравнивается в разделе 2.3 с экспериментом С 63 Срис.3). Учет дополнительного канала возбуждения позволяет понять наблюдаемое экспериментально увелечение вероятности заселенности высоковозбужденных состояний при рассеянии молекул на танталовой мишени. В случае графитовой мишени характер неаддитивности несколько иной. При молекулярной бомбардировке вероятность возбуждения меньше, чем при атомарной. Поскольку графит является полуметаллом и плотность электронов проводимости у него на два .- три порядка " меньше, чем у металла, то "атом Хюльтена" не образуется и. имеет место только столкновительная ионизация, разрушающая возбужденные состояния, '.что приводит к неаддитивному■эффекту противоположного характера.

В разделе 2.4 показано, что взаимодействие фрагментов молекулы на отлете приводит к неаддитивности относительного выхода отрицательных ионов водорода при рассеянии Н^ на поверхности металла. Рассчитана зависимость вероятности отрицательной ионизации рассеянных на алюминиевой мишени атомов водорода от параллельной составляющей их скорости «у. Результаты расчетов и их сравнение- с экспериментом [73 и расчетом [8] для атомарного рассеяния приведены на рис.4 при одном и том же. значении = 0,02 а. е.

I

(У

■8; к

3.

§ 10' «I

а

и

о *

Е!

С» •

ч ОВОООН+' \ 4 1111 Н*2

Та

\+ \

1 о

3 4 5 6 7 8.9

3 4.5 6 7.8 5

Рис.3. Зависимость относительной заселенности возбужденных состояний водорода от главного квантового числа 1 при скользящем рассеянии ионов Н* и Н^ СГ0 = 30 кэВ) поверхностью Та и С. -— -'расчет для Н*; ----------расчет для

Рас. 4. Зависимость выхода ионов Н~ от «ц при рассеянии ионов {Г в Н* поверхностью металла С«>х = 0,02 а.е.).

Кружки - эксперимент для Н* 17]; сплошная линия - расчет для Н* 18]; пунктир - расчет для }£.

Как видно из рисунка, л случае рассеяния молекулярного, пучка имеет место существенноэ увеличение выхода ионов Н", что происходит, по-видимому, за счет вклада процесса а).

Предсказанную неаддитивность отрицательной ионизации при молекулярном рассеянии было бы интересно проверить экспериментально.

В третьей главе описывается модель формирования зарядовых состояний кластеров, образованных при распылении металлической поверхности, рассчитывается степень однократной положительной ионизации кластеров ц* в зависимости от числа атомов в них.

В разделе 3.1 описывается модель формирования положительно • заряженных кластеров на отлете, связанная с переходом части внутренней энергии кластера в его электронную подсистему.

Для кластеров, содержащих большое количество атомов, процесс ионизации можно рассматривать как термоэлектронную эмиссию из микрочастицы, имеющей температуру Г. Другим каналом диссипации внутренней энергии кластера является мономолекулярная фрагментация. Оценки частот этих процессов привели к заключению, что это величины одного порядка и необходимо учесть оба процесса. Данную модель формирования зарядовых состояний кластеров можно рассматривать как обобщение модели, описанной в работе - [9], путем включения дополнительного ионизационного канала диссипации.

В разделе 3.2 описана схема расчета т?*. Начальное распределение эмиттированных с поверхности кластеров по числу атомов в них выбиралось в виде: >'г 1/па, где а - константа. Считалось, что все кластеры в начальный момент - "горячие" нейтрали с внутренней энергией:

Г, , СтО « сл - & , С4)

где а и Ь ~ константы.

Энергия £ с течением времени может укэяьшатьсл ках за счет процессов мономолекулярной фрагментации:

ьп. в

так и за счет процессов ионизации-Мп > ^ ♦ е , СВ)

осли только £т больвв пороге» процессов (5) я (8), соответственно.

Если кластер становится ионом, то он может только фрагменткровать по схемам:

М' — > К* + N°

П Г. П-Л1

С 7)

.. М* - — > + М*

п т п-т

В разделе 3:3 приведены результаты конкретного расчета г/*Сп) для распыленных кластеров Адп при бомбардировке Ад ионами Аг+ с Ео = 5 кэВ. Рассмотренный в работе процесс дисипации внутренней энергии кластера через ионизации с учетом фрагментации может дать вкл,ая в процессы формирования зарядовых состояний вторичных частиц на отлете вне области эффективного электронного обмена с -поверхностью,

В четвертой глабе рассматривается возможная физическая причина влияния заряда" бомбардирующих ионов на формирование зарядовых состояний распыленных частиц.

В разделе 4.1 описана' модель формирования зарядового состояния распыленных частиц в конкурирующих процессах захвата и погори электрона 'С 10], модифицированная за ' счет учета зависимости частот электронно-обменных процессов от электронного состояния локальной области поверхности.

Известно, что в области малых энергий налетающего иона СЕо< 500 эВ) распыление происходит в режиме первичного прямого выбивания, характерное время которого т < 1(Г14 с. Оно сравнимо со временем прохождения распыленными частицами приповерхностной области эффективного - электронного обмена. Это означает, что процессы распыления и формирования зарядовых состояний происходят практически одновременно. При бомбардировке поверхности многозарядными ионами ' часть электронов из приповерхностной области твердого тела тратится на его .нейтрализацию при подлете. Чем выше заряд первичного иона, тем бельке электронов из локальной области поверхности затрачивается на его нейтрализацию. Так как распыленный ион нейтрализуется электронами из этой же области, то с ростом заряда о- первичного пока вероятность нейтрализации выбитого иона будет уменьшаться. 5то происходит, пока электроны из соседних областей' мишени не восстановят начальное значение электронной плотности нарушенной области путем туннелирования.

Для оценки эффекта ь случае бомбардировки дзухзарядными . 'иенами Со = 2) записывалась следующая система дифференциальных

уравнений:

dF*+(Üsdt = - P*+Ct) ; Р^С-ш) = 1 С8)

dP*Cn/dt = - P*Ct), V.oCt). + P*+Ct) Va_tCí); Р*С-ш) = 0 (9)

dCtCO/dt = - C4t) Kl) tfCO) = 1 CIO)

dnítl/dt = -CtСО Wt) - 2P*+Ct) V Ct) -

- 2P*C t) W _ Ct) + u.Cn - nCt)) nC-oo) = n Cll)

loto o

Уравнения С8) и С9) описывают нейтрализацию бомбардирующего двухзарядного иона путем последовательных оже-переходов. Р2*Ct) и Р*(0 относительное число сохранившихся к моменту I двух- и • однозарядных ионов бомбардирующего пучка, соответственно.

P^Ct) + P*Ct) + Р° Ct) =1. С12)

Частоты to^.jCt) и _оС t) выбираются в виде ^t) = i41_|cCt)-expC-asCt)), где ^_fcCt) = a^^Ct), at- частота оже-перехода на поверхности мишени при uCt) = no, PC i) = nCt)/ao вероятность обнаружить электрон з локальной области поверхности, п(й - эффективное число электронов в этой области в момент времени t, nQ - невозмущенная электронная плотность, а"1 определяет эффективный размер области электронного обмена между отлетающей частицей и поверхностью.

Уравнение СЮ) описывает нейтрализацию выбитой частицы путем туннелирования. бГCt) - относительное число распыленых ионов, сохранившихся к моменту t.

GfCt) + CPLO = 1, при t ^ 0. (13)

G*Coa) = tj+ - степень ионизации распыленных частиц.

Частота туннелирования IcTt) = ЛС t) -expC-as' С t)) - , Л(1) = a-PCt), а - частота туннелирования на поверхности мишени.

Уравнение СИ) описывает изменение заселенности локального участка поверхности электронами. Первыэ _три члена а правой части СП) описывают потерю ' электронов за"1 счет их переходов к бомбардирующим и выбитым ионам, а последний член - захват электронов из соседних областей иишени путем туннелирования с частотой ut. .

Соответствующая система уравнений для случая бомбардировки • однозарядными ионами (if = 1) получается из системы С8-11) при P**(t) '= 0 и начальном условии F4-a0 =1.

В разделе 4.2 описывается расчет степени ионизации. •

Траектории первичных частиц, приводящие к распадению, рассчитывались с испльзованием методов молекулярной динамики Г111.

Уравнения CS-11) решались численно для примерно 100 траекторий первичных ионов Кгч+ и Neq+ "(q = 1, 2) с начальной энергией 50 эВ * - 200 эВ, падающих на поверхность NiCUO) + СЮ под углом 45°.

Рассчитанные величины "степеней ионизации распыленных частиц т)*С+) и Т)*( +-0 при бомбардировке одно- и двухзарядными ионами, соответственно, усреднялись по всем возможным траекториям. Отношения средних величин т)Ч++]/т)+С+) при бомбардировке как ионами Ne, так и ионами Кг сравнивалось с экспериментальными значениями, полученными в работе [12].

Результаты сравнения с экспериментом [12] приводятся в разделе 4.3. Рассчитанные отношения 7)Ч++}/т)+С+3 для ионов Ni*, распыленных ионами Кга+, Кг+, ,и Ne2+, .Ne+ показаны на рис. 5.

Удовлетворительное согласие рассчитанных отношений с экспериментальными значениями получается при u>i = 8-1013 с"'. Величина ut примерно на порядок меньше, чем типичное ее значение для чистых металлических поверхностей. Такое относительно небольшое значение «t может быть связано с присутствием 00-покрытия на поверхности никеля, которое приводит к существенному уменьшению плотности свободных электронов в приповерхностной области металла.

Проведенный • расчет показал, что- степень ионизации распыленных атомов металла зависит от заряда первичных ионов и это можно связать с изменением характера электронного обмена ■между выбитой частицей и приповерхностной областью твердого тела.

В заключении обсуждаются полученные результаты и определяются перспективы дальнейших исследований.

Основные результаты исследования

1. Разработан механизм формирования заселенностей - возбужденных уровней атомоз водорода специфичный для мсле-хуллрнэй ссмбардировхи.

2. Рассчитаны частоты 'взаимодействия атомов, составлявших

+ р-

Г 3 £ 2 1

-1-1- о . -1-.-1 ■ I-

1 Ме-->М -

: © \ -

^ ©\

о Ъ

* -- 1,1.1

0 50 100 150 200

Е0,эВ

£ 8

Рас.б. Зависимость отношения степеней ионизация распыленных ионов N1* при бомбардировке Ш.С1Ш+С0 ионами Не**, Не\ Кг** а Кг* от начальной эяергии.

кружки - эксперимент С121; линия - расчет

- 20 - '

молекулу, между собой на отлете при скользящем рассеянии молекулярных ионов водорода поверхностями металла и диэлектрика.

3. Рассчитаны относительные вероятности возбуждения различных состояний атома водорода в зависимости от главного

< квантового числа ори скользящем рассеянии атомов и молекул поверхностями металла и диэлектрика.

4. Рассчитана относительная вероятность отрицательной ионизации атомов водорода 'и ее зависимость от параллельной составляющей скорости - частиц в - случае рассеяния поверхностью' металла молекулярных ионов водорода.

5. Предложена модель положительной ионизации распыленных кластеров на отлете с учетом их фрагментации, основанная на представлениях о перераспределении внутренней энергии в самом отлетающем комплексе.

" 6. Рассчитана зависимость степени положительной однократной ионизации кластеров, распыленных пру ионной бомбардировке поверхности металла, от1 числа атомов в кластере.

7. За счет учета влияния на электронно-обменные процессы локального, электронного состояния малого участка поверхности, модифицирована ; модель, описывающая формирование зарядовых состояний распыленных частиц. ■ _

8. Объяснена причина зависимости выходов распыленных ионов от заряда первичного иона при бомбардировке поверхности металла медленными многозарядными ионами.

, Основное содержание диссертации изложено в работах:

1. Baltenkov A.S., Ferleger V. Kh., Medvedeva M. V. , Wojciechowski I.A. Non-additive effects in ion-photon émission //Nucl. Instr. and Meth. B. -1994. -V. 94. -P.59-63..

2. Войцеховский И.A., Медведева M.В.-, Ферлегер-; B.X. Неаддитивность степени отрицательной ионизации при рассеянии молекул. // Письма в ЖТФ. -1995 - Т.21. - С.81-85.

3. Войцеховский И. А. , Иванов И. В., Медведева М. В., Ферлегер В.Х. Зависимость степени ионизации распыленных частиц от заряда бомбардирующего иона, /у Письма в F. -1S95. - Т. 21. - С. 12-15.

4. Войцеховский И. А., Медведева М. В., Ферлегер В.Х. Формирование зарядовых состояний кластеров, отлетающих от поверхности. металла при бомбардировке ее ускоренными ионами. //

-21-

Письма в ЮТ. -1995. - Т. 21. - С. 85-89.

5. Ferleger V.Kh., Medveueva M.V., Vfojciechowski I. A. The charge state of recoiLs under surface bombardment by multiple charge ions // Nucl. Inst, and Meth.B. - 1997. - V.125. -P. 159-161.

6. Ferleger V.Kh., Hedvedeva M.V., Wojciechowski I.A. Ionization and fragmentation of clusters sputtered from a metal surface by fast ions // Nucl. Inst, and Meth.B. - 1997.• - V. 125.

- P. 214-217.

7. Войцеховский И. А., Медведева M. В:, Серлегер В.Х. Ионизация и фрагментация мастеров, распыленных с поверхности металла ускоренными ионами // Журнал технической физики. - 1997.

- Т. 57. - С. 1-5

8. Ferleger V.Kh., fedvedeva М. V., Vfojciechowski I. А. Non-additive mechanism of negative ionization and excited state formation of the scattered atoms // In: Boole of Abstracts the 10th Int. Workshop on IISC. - 1994. P.56.

9. Ferleger V.Kh., Ivanov I.V., Medvedeva M.V. Vfojciechowski I.A. The dependence of charge state of sputtered particles on initial charge of bombarding ions. //-In: Book of Abstracts the 10th Int. Workshop on IISC. - 1994. P. 57.

10. Ferleger V., Medvedeva M., Vfojciechowski I. Charge state of clusters outgoing froa netal surfaces under fast icn bombardment. SIMS X. Abstracts. - Munster. - 1995. - P. 33.

11. Ferleger V., Medvedeva M., Wojciechowski I. Dependsnco of charge state of sputtered particles on initial charge of bombarding ions. ✓/ SIMS X. Abstracts. - Munster. - 1995. -P. 33. .

12. Войцеховский И. A., Иванов И. В., Медведева И. В., Ферлегер В. X. Зависимость степени ионизации распыленных частиц, от заряда бомбардирующего иона. // Тез. докл. XII конф. ВИП-95. '-Москва. - Т. 1. - С.245-247.

13. Войцеховский И. А., Медведева Н.Э., Форлегер D.;'. Формирование зарядовых состояний кластеров, отлетавяях ст поверхности металла, бомбардируемой ускоренными яонаыи. // Тег. докл. XII конф. ВИП-95. - Москва. -Т.1. - С. 214-216.

14. Войцеховский И.А., Медведева Н. В., Ферлегер В.Х. Формирование зарядовых состояний кластеров, отлетала®: от

поверхности металла, бомбардируемой ускоренными ионами // Таз. докл. 1-ой Респ. конф. по физической электронике. - Твдкеят. -1935г. - .С. 151.

15. Ferleger V., Hedvedeva M., Wojciechowski I. The charge state of recoils under surface bombardant by multiple charged ions // In: Book of Abstracts the 11th Int. Workshop on IISC. -1996. P. 25.

16. Ferleger V., .. Medvedeva M. , Wojciechowski I. Dissociation and ionization of clusters escaping the solid surface In: Book of Abstracts the 11th Intt Workshop on IISC. - 1996. P. 26.

Цитируемая литература

1. Thompson D.A. High density cascade effects // Rad.Eff. -1981,- V.56. -P. 105-125.

2. Wahl H., Wucher A. VUV photoionization of sputtered neutral silver clusters. // Nuch Instr. and Meth. B. - 1994. -V. 94. - P. 36-48.

3. Belykh S. F., Redina I. V., Ferleger V. Kh. Excited-state formation model for metal-oxide sputtered molecules. // Nucl.Inst, and Meth.B. - 1991. - V.59-60. - P.65. .

4. Рязанов M. И. , Тилинин И. С. Исследование поверхности по обратному рассеянии. // Москва. - 1985. Энергоатомиздат. - 150 с

5. Готт D. В. и Явлинский D. Н. Взаимодействие медленных частиц с твердым телом и диагностика плазмы // Москва. -Атомиздат. - 1973. - 128 с.

6. Christensen С.Н., Jensen J.O., Lefmann К. et al. Study of solid - surface - "induced-molecular dissociation leading to atomic exitation. // Nucl. Inst, and Meth. B. - 1986. - V. 13. -P. 230-334.

7. Wyputta F., Zimny R., Winter H. H" formation in grazing collisions of fast protons with an A1C111) surface. // Nucl.Inst, and Meth.B. - 1991. - V.58. - P.379-385.

8. Borisov A. Quelques aspects du transfert de charge dans les collisions atome-surface // Thesis - Orsay. - 1992. - 226 p.

9. Wucher A. The mass distribution of sputtered metal clusters. II. Model calculation. // Nucl. Inst & Meth. B. - 1993. -V. 83. - P. 75-86.

- 23 -

10. Поп С.С., Белых С.0., Дробнич В.Г. и Ферлегер В.X. Ионно-фотонная эмиссия металлов // Ташкент.' - Фан. - 1989. - 200 с.

11. Евстифеев В. В. , Иванов И. В. Компьютерное моделировавние рассеяния низкоэнергетических ионов Cs+ поверхностью С 001) монокристалла W. // Поверхность, физика, химия, механика. -1991. - Т.5. - С. 26-31.

12. Diebold U., Varga P. Influence of the primary ion charge state on secondary ion production: bombardment of CO/NiClll) with Ne\ Nea+, Кг* and Kra* at low impact energies. // Surf. Sci. -1991. - V. 241. - P.L6-L10.

13. de Zwart.S. T., Fried Т., Boerma D.O. et al. Sputtering of silicon by multiply charged ions. // Surf. Sci. - 1986.. -V. 177. - P. L939-L945.

- 24 -

ЭМИССИОН ЖАРАЕНЛАРДА КУПАТОМЛИ ВА КУПЭАРЯДЛИ ИОНЛАР ' ИШТИРОКИДА ХОСИЛ БУЛГАН ЗАРРАЛАРНИНГ ЗАРДШ БА ФОНТАН ■ ХОЛАТЛАРИНИНГ ВУ1УДГА ШИШИ ХУСУСИЯТЛАРИ

■ V,

МЕДВЕДЕВА МАРИНА ВЛАДИМИРОВНА

Ки<?кача мазмуни

Ищда каттик жисм сиртини молекуляр ва купзарядли ионлар бияак бобардимон килганда иккиламчи зарраларнинг эарядли ва уйгснган холатлари хосил булишининг баъзи бир хусусиятларининг физик сабабларини аниклашга имкон берувчи тадкикотлар олиб борилган. Учта аник масала хал этилган.

1. Сирт якинида булинган молекуланинг кисмлари орасидаги электрон алыашинувя жараенини хисобга олувчи сочилган водород атомларининг уйгон холатларини хосил булишининг ишда таклиф этилган механизма водород атомларининг (уйгонган сахтларини тулиш эхтимоллиги катталигининг тажрибада кузатилган ноаддитивлигининг табиатани тушунишга иыкон берди. Молекулалар сочилишида водород ианфий ионлари эыиссиясининг эхтимоллиги форма буйича жуда якин ноаддитивликни намоен килади.

2. Металлардан тузгиган п > 3 Сп - коыплексдаги атомлар сони) кластерларнинг вкори даражада ыусбат ионлашиши ядро кинетик энергиясининг ыаълуы кисмини кластернинг электрон подсистёмасига фрагментация жараенини хисобга олган холда унинг кейинги ионлашиши билан узатилиши тасаввурига асосланган модели чегарасида тушунтирилади. Аммо, бажарилган хисоб тажрибавий кийматдан катта кийматни беради. Назария ва тажриба мое келмаслигининг мумкин булган сабаби - сирт таъсирининг хисобга •олинмаганлигидир. .

3. Ишда металдан тузгиган атомлар ионлашиш даражасининг бирламчи ионлар зарядига - богликлиги урганилган. Хакикатда тузгитилган зарра учиб келаетган ионнинг амалда тузгиш билан бир вактда сз берадиган нейтралланиши хисобига галаенланган сиртнинг лакал (махаллий) кисми билан таьсирлашади. Бирламчи ионнинг заряди какча юкори булса, сиртнинг лохал кисмининг галаенданиши, ва натижада унинг тузгиган зарранкнг зарядли холатининг хосил ¿у.т,^пга таъсири шунча кучли булади. Кг+, Кг2+, Ие+, Ие2* йс-клари • билан N1(110) " + СО сиртини тузгиши учун хисоблар ■'аззралгак.

- £5 -

FEATURES OF FORMATION OF CHARGED AIJD EXCITED STATES' OF PARTICLES EMITTED FROM A SOLID SURFACE WITH MANYATOMIC AND KULTICHARGED IONS

M.V. MEDVEDEVA Abstract

Studies allowing to clarify physical reasons of some peculiarities of charged- and excited state formation processes for particles emitted from a solid surface bombarded with molecular ions and multicharged ones have been carried out. Three particular problems dealt with in the present work are as follows. '

1. A mechanism of excited state formation of hydrogen atoms scattered from a solid surface at the molecular ion bombardment has been proposed. The mechanism including the electron exchange processes to occur between the molecule constituents nearby a surface results in the non-additivity of the dependence of the relative hydrogen level population on the principal quantum number. Similar non-additivity, as it has been shown, nay be revealed for negative hydrogen ion emission.

2; A model of ionization of clusters sputtered from a metal surface by KeV-ion bombardment"has been proposed. The model is based on the idea of a partial transfer of the internal nuclear cluster energy into it the electronic subsystem and following ionization. In terms of such an approach the dependence of degrees of cluster ionization on the number of atoms in a cluster is calculated.

3. Within tho framework of a proposed model of charge state formation of particles sputtered of-a metal surface by low energy multicharged ions', tho dependence of the degreo of sputtered particle ionization on the charge and the initial energy of tho bombarding ions has been calculated. The model is based on the idea of sensitivity of electron exchange processes La the local surface electron density.

БОСМЛХОНАГД ТОПШИРИЛДИ ^ 0А. БОСИШГЛ РУХСАТ ЭТИЛДИ 9 ОС У<$ й. КОГОЗ БИЧИЛ1И 60.Х84 1/16. ОФСЕТ БОСЛ1Л УСУЛИ. ДАЛОВИ ¡00 НУСХД. БУЮРТМА 2

УЗ Р ФА ^КИБЕРНЕТИК А» ИНЧБ СИГА ^ЛРЛШЛП КИБЕРНЕТИКА ИНСТПТУТИНПНГ БОСМАХОНАСИДА

ЧОП этилглн. 7С0Ш. ТОШКЕНТ. Ф. ХУЖАЕБ. КУЧАСИ 34' УИ