Особенности рассеяния атомных частиц кристаллической поверхностью тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

005000758

Казаков Андрей Владимирович

ОСОБЕННОСТИ РАССЕЯНИЯ АТОМНЫХ ЧАСТИЦ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ

Специальность: 01.04.07 - физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

11 7 НОЯ 2011

Ростов-на-Дону 2011

005000758

Работа выполнена на кафедре теоретической и вычислительной физики Южного Федерального университета, г. Ростов-на-Дону

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Малышевскпп Вячеслав Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Серба Павел Викторович

кандидат физико-математических наук, ст. науч. сотр. Боровик Алексей Стратонович

Ведущая организация: НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцына

МГУ

Защита диссертации состоится 02 декабря 2011 года, в 1600 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.208.05 по физико-математическим наукам (специальность 01.04.07) при Южном федеральном университете в здании НИИ физики ЮФУ по адресу: 344090, г. Ростов-на-Дону, пр. Стачки 194, ауд. 41

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке ЮФУ по адресу: Пушкинская, 148

Автореферат разослан 28 октября 2011 года

Отзывы на автореферат, заверенные подписью рецензента и печатью учреждения, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета Д 212.208.05 при ЮФУ по адресу: 344090, г. Ростов-на-Дону, пр. Стачки 194, НИИ физики ЮФУ

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.208.05 при ЮФУ

Гегузина Г.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Пучки заряженных и нейтральных частиц представляют собой эффективный инструмент для исследования состава и структуры твердых тел и модификации их поверхностей, поэтому широко применяются в науке и технике. Исследования многообразных физических процессов, сопровождающих взаимодействие быстрых заряженных частиц с веществом, приобретают все большую научную и практическую значимость, а их исследование далеко не завершено.

Начиная с 60-х годов прошлого столетия был открыт целый ряд, так называемых, ориентационных эффектов, возникающих при прохождении быстрых заряженных частиц через кристаллы [1 - 2] (каналирование, эффект теней и блокировки). Эти эффекты уже нашли широкое применение в физике конденсированного состояния, радиационной физике твердого тела и ядерной физике. За последние годы появилось несколько экспериментальных работ [3 - 7], в которых обнаружены необычные особенности в рассеянии ионов и нейтральных атомов от кристаллических поверхностей. В частности, были обнаружены новые эффекты в радужном рассеянии нейтральных атомов при отражении от ориентированной кристаллической поверхности. Результаты измерений зависимости угла радужного рассеяния нейтральных атомов от полной и поперечной (нормальной к поверхности кристалла компоненты) энергии показали существенное различие эффекта для атомов благородных газов и атомов некоторых металлов, что нуждается в теоретической интерпретации. Наиболее надежным способом количественного описания рассеяния ионов от кристаллической поверхности является метод математического моделирования процессов ион - атомных соударений.

В связи с повышенным интересом к проблеме модификации и анализа приповерхностных слоев кристаллов, развитие теоретического описания процессов рассеяния атомных частиц кристаллической поверхностью,

3

представляется актуальным и своевременным, поэтому тема диссертации является актуальной.

Цель работы: теоретически описать процессы рассеяния ускоренных атомных частиц поверхностью кристаллов и дать физическую интерпретацию обнаруженным ориентационным эффектам.

В соответствии с поставленной целью в диссертации решались следующие задачи.

1. Построить модель взаимодействия атомных частиц с поверхностью кристалла и разработать алгоритмы для моделирования процессов их рассеяния.

2. Определить роль поляризационных эффектов в рассеянии атомных частиц от поверхности кристаллов при скользящих падениях.

3. Дать интерпретацию динамическим эффектам в азимутальных угловых распределениях атомных частиц, рассеиваемых поверхностью кристаллов металлов.

Научная новизна основных результатов

С использованием методов математического моделирования дана теоретическая интерпретация экспериментально обнаруженным особенностям радужного рассеяния при отражении атомных частиц от поверхности кристаллов при скользящих углах падениях. Установлено, что существенную роль в описании процессов отражения атомов от поверхности играют поляризационные эффекты и правильный выбор потенциала взаимодействия ионов с атомными цепочками и плоскостями. Дана интерпретация обнаруженным динамическим эффектам в радужном рассеянии при скользящих углах падения нейтральных атомов на поверхность металлических кристаллов. Указанные особенности объясняются электронным торможением рассеиваемых атомных частиц вблизи поверхности кристалла. Предсказан новый эффект, заключающийся в том, что поляризация ускоренных нейтральных атомов при скользящих

падениях на поверхность кристалла может приводить к образованию связанных поверхностных состояний. Получено пороговое условие для угла подлета атомов к поверхности кристалла, при котором возможен захват в такие состояния.

Практическая значимость основных результатов

Проведенные в диссертации исследования позволяют, во-первых, по-иному взглянуть на традиционные задачи физики каналирования, а во-вторых, могут существенно расширить возможности метода каналирования для получения уникальной информации не только о структурных особенностях кристаллов, но и о физике ион - атомных столкновений. Дальнейшее изучение радужного рассеяния атомных частиц от поверхности кристаллов позволит реализовать идею экспериментального разделения ядерных и электронных потерь энергии, что не удается сделать в экспериментах на прохождение.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Причиной немонотонной зависимости угла радужного рассеяния от начальной поперечной энергии является поляризация падающих на поверхность кристалла ускоренных атомных частиц.

2. При скользящих падениях на поверхность кристалла поляризация ускоренных нейтральных атомов может приводить к образованию связанных поверхностных состояний. Захваченные в такие состояния атомы будут двигаться вдоль поверхности на расстоянии нескольких атомных единиц от нее, совершая небольшие осцилляции в поперечном направлении.

3. Наблюдаемые экспериментально динамические эффекты в рассеянии нейтральных атомов при их скользящих углах падения на поверхность кристаллов объясняются электронным торможением рассеиваемых атомных частиц вблизи поверхности металлических кристаллов. Физическая причина этого явления заключается в том, что в исследуемом энергетическом

диапазоне 1..100 кэВ увеличение скорости сопровождается возрастанием потерь, как полной энергии, так и ее поперечной составляющей.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на 39-ой, 40-ой и 41-ой Международных конференциях по "Физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами" (Москва, Россия, 2009, 2010 и 2011 (http://danp.sinp.msu.ru/tulin conf.htm); Международной конференции «Charged and Neutral Particles Channeling Phenomena» (Феррара, Италия, 2010) (http://www.lnf.infn.it /conference/channeling2010/home.html'). Результаты работы обсуждались на семинарах кафедры теоретической и вычислительной физики физического факультета ЮФУ.

Публикации

Основные научные результаты опубликованы в 2 статьях журналах: «Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования», «Письма в «Журнал технической физики»», а также в 3 тезисах докладов на международных конференциях. Список основных публикаций автора приводится в конце автореферата.

Личный вклад автора Автором разработаны алгоритмы для компьютерного моделирования и выполнены все численные расчеты. Автор принимал непосредственное участие в постановке целей, задач и формулировании основных научных положений, результатов и выводов, обсуждении полученных результатов и подготовке публикаций.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения и списка цитируемой литературы из 35 наименований; изложена на 69 страницах, включая 28 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Во введении описано состояние исследований к моменту начала работы, дано обоснование актуальности и необходимости проведения дальнейших исследований, сформулированы решаемые задачи и основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе диссертации дан обзор работ по проблеме.

Если быстрая заряженная частица движется вдоль главных кристаллографических осей, то она претерпевает серию отклонений на ближайших атомах цепочки. Подобный режим называют каналированием заряженных частиц в кристаллах. Атомы кристаллической решетки вдоль основных кристаллографических направлений формируют, так называемые, каналы, которые ограничиваются плотно упакованными атомными рядами или плоскостями. В этом случае траектория частицы, проходящей вдоль главных кристаллографических направлений вблизи середины каналов, может иметь определенную стабильность. На частицы, движущиеся вдоль каналов, действуют периодические силы, главным образом фокусируя их и иногда дефокусируя. Поперечное движение частицы в канале приблизительно является длинноволновым колебанием с коротковолновой вибрацией с периодом решетки.

В последнее время для исследования структуры поверхности кристаллов и процессов, происходящих в поверхностном слое, большое распространение получили методы поверхностного каналирования и поверхностной дифракции пучков частиц. Так как энергии частиц, используемых в данных экспериментах не очень большие, от нескольких кэВ до десятков МэВ, данные методы позволяют производить неразрушающий анализ. Различие данных методов заключается в направлении пучков рассеивающихся частиц относительно плотноупакованных кристаллических направлений. При поверхностном каналировании частицы рассеиваются

вдоль плотноупакованных атомных рядов, а при дифракции - поперек. На возникающие при этом угловые распределения частиц может влиять как структура поверхности, так и характер взаимодействия и процессы, протекающие в поверхностном слое кристаллов.

При достаточно небольших энергиях (1..100 кэВ) в угловые распределения рассеянных частиц большой вклад вносит эффект радужного рассеяния. Также в угловое распределение вносят огромный вклад процессы, протекающие в поверхностном слое кристалла. Данное явление позволяет напрямую судить о характере потенциала взаимодействия между атомами и поверхностью кристаллов по угловым распределениям рассеянных частиц. Некоторые распределения рассеянных частиц представлены на рис. 1. Как видно из рисунков, в распределении наблюдаются четко выраженные максимумы вблизи так называемых радужных углов.

azirreifhal exit engte (dee)

Рисунок 1 - Угловое распределение атомов Al, Na, Аг с энергией 10 кэВ, рассеянных от поверхности А1(001) по данным работы [3]

Наблюдаемыми особенностями в подобных экспериментах, являются зависимости от полной и поперечной энергии углов радужного рассеяния нейтральных атомов от поверхности кристаллов. Подробные экспериментальные данные рассеяния нейтральных атомов от поверхности металлов даны в работах [3 - 5]. Некоторые экспериментальные данные приведены на рисунках 2 и 3.

Рассеяние нейтральных атомов от поверхности позволяет определить характер взаимодействия частицы с поверхностью кристалла(металла или диэлектрика). Проведенные эксперименты показывают расхождение в зависимости радужного угла от поперечной энергии для различных видов атомов (рис. 2). Для Аг (он же является благородным газом, у которого все электронные оболочки заполнены) зависимость является монотонной. Для атомов Ыа и А1 эта же зависимость не является монотонной и возрастает при небольших поперечных энергиях частиц.

пшта! ттщу С, Ш)

Рисунок 2 - Зависимость углов радужного рассеяния (rainbow angle, tf) атомов Na, Al, Ar от поверхности Al(l 11) от начальной нормальной энергии

по данным работы [4]

so

I

St

s

r

~ 20

0 20 #0 S® 80

projedile enarg^ E, itoSVJ

Рисунок 3 - Зависимость углов радужного рассеяния (rainbow angle, ü) атомов N и О от поверхностей LiF(001), А1(111) и А1(001) от полной энергии (projectile energy) частиц по данным работы [5]

Следующей интересной проблемой рассеяния нейтральных атомов от поверхности металлов является зависимость угла радужного рассеяния от полной энергии налетающей частицы. В работе [7] исследовалась зависимость углов радужного рассеяния от полной энергии частиц для атомов О и N, рассеивающихся от поверхностей AI(001), А1(111) и LiF(OOl), LiF(l 11). Для атомов N зависимость угла радужного рассеяния от начальной поперечной энергии может иметь как монотонный характер, при больших энергиях полных энергиях частиц, так и немонотонный характер, при малых полных энергиях частиц. Было установлено (рис. 3), что в случае рассеяния атомов N от поверхности LiF, наблюдается только монотонное поведение кривой зависимости угла радужного рассеяния от поперечной энергии, для всего интервала полных энергий частиц, используемых в работе.

Теоретическое описание эффекта зависимости угла радужного рассеяния от начальной полной и поперечной энергии частицы сталкивается

i—■—»-г

Н • LiFfPCUji

í t__L___JL._i.__L

с рядом трудностей, связанных прежде всего с определением траекторий частиц. Наиболее эффективным методом в данном случае является метод компьютерного моделирования рассеяния быстрых заряженных частиц от атомов.

Во втором разделе на основе анализа экспериментальных данных и численного моделирования траекторий атомных частиц дана интерпретация наблюдаемым явлениям и показаны некоторые следствия используемой модели.

Результаты измерений, проведенных, например, в [3,4], показали существенное различие в ориентационной зависимости угловых распределений рассеянных атомов благородных газов и атомов некоторых металлов. Причиной этому является поляризация падающих на поверхность мишени нейтральных атомов, которая может приводить не только к особенностям рассеяния, но и к новым, ранее не исследованным, эффектам. Действительно, при изучении процессов, требующих малых прицельных параметров, при которых происходит значительное взаимное проникновение электронных оболочек сталкивающихся частиц, обычно пренебрегают дальнодействующими силами притяжения. Для правильного описания столкновений с большими прицельными параметрами необходим учет дальнодействующей части потенциала, которая в частности, зависит от поляризуемости сталкивающихся частиц. Именно такая ситуация возникает при скользящих падениях ускоренных нейтральных атомов на поверхность кристалла. При малых углах подлета к поверхности кристалла важную роль начинают играть большие прицельные параметры в формировании углового распределения рассеянных частиц. Поскольку поляризуемость атомов металлов намного превосходит поляризуемость атомов инертных газов, то естественно ожидать именно для них существенного поляризационного эффекта (например, поляризуемости атомов гелия и аргона равны, соответственно, 1,39 и 11,1 а.е., а натрия и калия 157 и 250 а.е.).

11

Для описания процесса рассеяния частиц от поверхности наиболее эффективно использовать методы математического моделирования. Что позволяет более точно рассчитать траектории рассеянных частиц.

Особого обсуждения требует выбор потенциала ион-атомного взаимодействия У(Я). В соответствии с вышеизложенным, потенциал ион-атомного взаимодействия запишем в виде:

к(й)=к(пг,(д)+Им)(Л), (1)

где - короткодействующая часть потенциала, а

дальнодействующий поляризационный потенциал ион-атомного взаимодействия. Для короткодействующего двухчастичного потенциала взаимодействия используют различные аппроксимации. Например,

в модели Томаса-Ферми хорошим приближением является аппроксимация Мольера.

Для поляризационного потенциала У(Р01\К) будем использовать известное приближение (см., например, [4]):

= (2) 1 ' 2(Й+Д0)4'

где /? - поляризуемость атома, ()е - заряд иона мишени, - радиус обрезания, который можно принять, например, равным сумме радиусов электронных оболочек иона мишени и налетающего атома. На рис. 4 для сравнения показаны усредненные потенциалы усредненных атомных цепочек для атомов натрия и аргона.

При моделировании рассеяния частиц от поверхности кристаллов

начальные условия задавались в виде координаты точки влета и начального

полярного угла в относительно атомных цепочек. Координаты начальной

точки генерировались случайным образом, а начальный азимутальный угол

12

ф считался равным нулю, т.е. частицы падали на поверхность кристалла вдоль атомных цепочек.

Рисунок 4 - Потенциалы атомных цепочек А1 <001> для атомов натрия и аргона

Зависимость азимутального угла рассеяния Ф(/>) при заданной поперечной энергии от прицельного параметра относительной выбранной атомной цепочки имеет выраженные максимумы (рис. 5), что свидетельствует об эффекте радужного рассеяния на системе атомных цепочек.

При малых поперечных энергиях атомов натрия радужный угол начинает возрастать (рис. 6). Такое поведение объясняется тем, что при уменьшении начальной поперечной энергии падающих частиц угловое распределение формируется процессами рассеяния с большими прицельными параметрами, и поляризационный вклад в потенциал взаимодействия оказывается существенным. Поскольку поляризуемость атомов натрия намного больше поляризуемости атомов аргона, то для последних эффект практически не проявляется. Если не учитывать поляризационный вклад в потенциал (1), то, как показал наш анализ, немонотонная зависимость радужного угла от поперечной энергии для атомов натрия пропадает.

20 -10 -

0 -1-1-л-1-.-1-.-

0 5 10 15 20

В , ЭВ

Рисунок 6 - Зависимость угла радужного рассеяния от начальной поперечной энергии атомов N3 и Аг при скользящем падении на поверхность А1 вдоль направления <001 >

Рисунок 5 - Зависимость азимутального угла рассеяния от прицельного параметра при падении нейтральных атомов Аг с энергией 10 кэВ на поверхность А1 вдоль направления <001 > с начальной поперечной

энергией 4 эВ

Вследствие эффекта поляризации падающих атомов потенциал их взаимодействия с поверхностью кристалла имеет минимум, и падающий атом, потеряв энергию при столкновении с поверхностью кристалла, может попасть в поверхностное связанное состояние в потенциальной яме. Находясь в таком состоянии атом, будет двигаться вдоль плоскости, совершая небольшие осцилляции в поперечном направлении. Отметим, что аналогичное явление рассматривалось в работе [8], в которой однако эффект был обусловлен поляризацией поверхности мишени пролетающий точечной заряженной частицей.

Для оценки возможности захвата атома с энергией в несколько десятков кэВ, подлетающего к плоскости под малым углам, в связанное состояние будем считать, что потери энергии обусловлены столкновениями с поверхностными электронами мишени.

Если скорость частицы велика по сравнению со скоростью атомных электронов мишени, то для оценки флуктуации энергии частиц из-за неупругих столкновений воспользуемся известным приближением свободных электронов [9].

В соответствии с этой моделью сечение рассеяния тяжелой нерелятивистской частицы 2Х на электроне с передачей ему энергии е равно:

где V - скорость частицы, те - масса электрона.

Максимальная энергия £тт, передаваемая электрону при столкновении, определяется кинематикой соударения и при условии М » те (где М - масса частицы) равна:

с1(У- 1к22еА / (ту-е2 )с1е,

(3)

Средний квадрат энергии, теряемой частицей на единице пути, найдем из соотношения:

сшзх

<е2 >=п | £гй<7 = А7т21еА, (5)

о

где п - число электронов в единице объема мишени.

Далее учтем, что согласно модели свободных электронов в результате взаимодействия тяжелой частицы с электроном последний получает импульс в направлении, перпендикулярном к траектории частицы. Если угол подлета к плоскости кристалла 1, то потери энергии при столкновении частицы с поверхностью приведут к изменению в основном ее поперечной составляющей Ех = Ед~. Следовательно, для того чтобы в результате столкновения с электронами частица потеряла достаточную долю поперечной энергии для захвата в потенциальную яму необходимо чтобы, с одной стороны, она пролетела вдоль поверхности расстояние I > Е[/< е2 >, а с другой стороны, это расстояние не должно быть больше зоны /' однократного контакта частицы с поверхностью. Последнее расстояние можно оценить как /'« а0 / г) = о0 / / Е .

Таким образом, соотношение 1'>1 определит критический угол подлета к плоскости, необходимый для захвата в связанное состояние. Как нетрудно установить из приведенных выше формул угол подлета для захвата

/22\"5

в связанное состояние должен удовлетворять условию г?<(а0<е >/Е ] .

Из этой оценки следует, что при значении энергии, например, £' = 100 кэВ, соответствующий критический угол для атомов калия, падающих на поверхность алюминия, примерно, равен 10"2 рад.

В третьем разделе представлены результаты математического моделирования и теоретического исследования влияния потерь энергии

частицей в свободном электронном газе при рассеянии от поверхностей металлов. Дана интерпретация наблюдаемым особенностям в угловых распределениях рассеянных частиц.

В ряде недавних работ были обнаружены особенности в рассеянии ускоренных до энергии в несколько десятков кэВ нейтральных атомов от кристаллических поверхностей. Одной из обнаруженных в [4] особенностей является различная ориентационная зависимость рассеяния атомов благородных газов и некоторых металлов, что является следствием поляризация падающих на поверхность мишени нейтральных атомов. Количественное объяснение эффекта зависит от правильного выбора дапьнодействующей части потенциала взаимодействия.

Другая особенность была описана в работе [5] и состоит в нетривиальной зависимости радужного угла рассеяния от полной энергии атомных частиц, падающих на поверхность металлических и диэлектрических кристаллов. А именно, при фиксированной начальной поперечной энергии значение радужного угла рассеяния атомных частиц от металлической поверхности уменьшается с увеличением полной начальной энергии частиц. Эффект наблюдается только при рассеянии поверхностью металлов и отсутствует при рассеянии атомов диэлектрическими поверхностями.

Как уже указывалось выше, при рассеяния частиц ориентированной поверхностью кристалла вдоль атомных цепочек эффект радужного рассеяния возникает, когда зависимость азимутального угла рассеяния Ф(/з) от прицельного параметра р относительно выбранной атомной цепочки имеет экстремумы. Значение азимутального угла рассеяния в экстремуме и есть радужный угол .

Для вычисления траекторий частиц использовался метод бинарных столкновений. Этот метод дает наибольшую правдоподобность при проведении численных экспериментов. Суть метода заключается в

вычислении взаимодействия рассеиваемой частицы по отдельности с каждым атомом мишени.

Потенциал взаимодействия между ускоренной частицей и поверхностью кристалла определяется следующим образом:

= (6)

1

где, - описывает потенциал бинарной системы состоящей из

рассеянной частицы, находящейся на расстоянии г и атомом мишени ],

находящимся на расстоянии г}. В качестве потенциала взаимодействия

используем двух частичный потенциал модели Томаса - Ферми в известных аппроксимациях.

Для анализа зависимости эффекта радужного рассеяния от начальной энергии падающих на поверхность кристалла атомов отметим два важных обстоятельства. Во-первых, энергия атомов в цитированных выше экспериментах такова, что их скорость меньше или сравнима со скоростью внутриатомных электронов. В этом случае удельные электронные потери энергии возрастают с увеличением скорости частиц, а зависимость тормозного сечения Бе от скорости частиц может иметь нелинейный характер. Во-вторых, в этих условиях торможение атомов или ионов в веществе определяется большим числом различных физических процессов, а используемые теоретические модели оказываются достаточно упрощенными и не могут охватить весь интервал скоростей V. Поэтому для практических целей используются различные эмпирические и интерполяционные формулы.

Мы будем использовать выражение для тормозного сечения из модели свободного ферми-газа, учитывающее квадратичные по скорости члены [10],

8е=4жа2Му2,

где а - длина рассеяния электроном атомной частицы, М - масса атомной частицы. Длину рассеяния оценим как а = кай, где ад - боровский радиус, к -феноменологический поправочный коэффициент, который введен для учета вклада внутренних и внешних электронов в тормозное сечение и, вообще говоря, зависит от скорости атомной частицы.

Силу торможения, направленную против вектора скорости атомной частицы, запишем как

^ =-4кагпеМу2п,

где .., пе - электронная плотность, которая в общем случае является функцией координат. Усредненную по продольному направлению электронную плотность вблизи поверхности можно оценить, зная потенциал и(х,у), из уравнения Пуассона

"е (х< у) = -&и(х, у) / Але .

Зависимость рассчитанного азимутального угла рассеяния Ф(р) атомов азота при заданной поперечной энергии от прицельного параметра относительно выбранной атомной цепочки на поверхности кристалла алюминия имеет выраженные максимумы, что свидетельствует об эффекте радужного рассеяния.

Увеличение полной энергии приводит к уменьшению угла радужного рассеяния Ф^ (рис.7), как это и наблюдалось в экспериментах [7]. Причем зависимость от энергии появляется только при учете потерь энергии, которые при скользящих падениях на поверхность металлического кристалла определятся главным образом электронным торможением.

Физическая причина явления заключается в том, что в исследуемом энергетическом диапазоне увеличение скорости сопровождается возрастанием потерь, как полной энергии, так и ее поперечной

составляющей. В результате отражение атомной частицы от поверхности кристалла происходит в области меньшего значения ее потенциальной энергии, т.е. на больших расстояниях от поверхности кристалла, где рельеф потенциала более пологий и, следовательно, азимутальный угол рассеяния меньше. Атомная частица с полной энергией £, большей, чем Е2 отражается в силу указанных выше причин от поверхности кристалла с рассеянием на меньший азимутальный угол.

Рисунок 7 - Зависимость относительного азимутального угла рассеяния Фк(£) /ФЛ(£'0) (Ей= 70 кэВ) от полной энергии нейтральных атомов азота при падении на поверхность А1 (100) вдоль направления <100> с начальной поперечной энергией 8 эВ. Сплошная линия —результаты расчетов, • -результаты измерений согласно [7]

В заключение отметим, что более подробное изучение энергетической зависимости радужного рассеяния атомных частиц от поверхности кристаллов позволит реализовать идею экспериментального разделения ядерных и электронных потерь энергии, что не удается сделать при изучении тормозных потерь в экспериментах на прохождение.

Основные результаты и выводы

1. Построена модель взаимодействия атомных частиц с поверхностью кристаллов, учитывающая процессы поляризации нейтральных атомов в поле ионных остовов кристаллической структуры.

2. На основе компьютерного моделирования процессов рассеяния атомов от поверхности кристаллов с использованием построенной модели показано, что существенную роль в описании процессов отражения нейтральных атомов от поверхности могут играть поляризационные эффекты. Поскольку поляризуемость атомов некоторых металлов намного превосходит поляризуемость атомов инертных газов, то именно для них наблюдается существенный поляризационный эффект.

3. Поляризация ускоренных нейтральных атомов при скользящих падениях на поверхность кристалла может приводить при выполнении определенных условий к образованию связанных поверхностных состояний. Захваченный в такое состояние атом будет двигаться вдоль плоскости на расстоянии нескольких атомных единиц, совершая небольшие осцилляции в поперечном направлении.

4. Учет влияния поверхностного слоя электронного газа в металлических кристаллах впервые позволил дать интерпретацию недавно экспериментально обнаруженным динамическим эффектам в радужном рассеянии нейтральных атомов при скользящих падениях на поверхность металлических кристаллов. Показано, что указанные особенности могут быть объяснены электронным торможением рассеиваемых атомных частиц вблизи поверхности кристалла.

Список цитированной литературы

1. Robinson М. Т., Oen O.S.. // Proc. of Conf. «Bombardment Ionique» (CNRS, Paris)-1961.

2. Lindhard J. Influence of Crystal Lattice on Motion of Energetic Charged Particles // Mat.-Fys. Medd. Dan. Vid. Selsk. - 1965. - V. 34. - #. 14.

3. Schuller A. et al. Interatomic potentials from rainbow scattering of keV noble gas atoms under axial surface channeling. / A Schuller, S. Wethekam, A. Mertens, K. Maass, H. Winter, K. Gartner // Nucl. Instr. And Meth. in Phys. Res. - 2005. - V.B230. - P. 172-177.

4. Schuller A., Winter H. Interaction potentials for Na, Al and Ar atoms from rainbow scattering under axial surface channeling from Al(lll) and Al(001) surfaces. // Nucl. Instr. And Meth. in Phys. Res. - 2007. - V. B256. -P. 122125.

5. Schuller A., Winter H.. Diffraction of fast atoms under axial surface channeling conditions. // Nucl. Instr. And Meth. in Phys. Res. - 2009. - V. B267.-P. 628-633.

6. Schuller A., Winter H. Supernumerary Rainbows in the Angular Distribution of Scattered Projectiles for Grazing Collisions of Fast Atoms with a LiF(OOl) Surface. // Phys. Rev. Lett. - 2008. - V. 100. - P. 097602.

7. Schuller A., Winter H. Dynamic dependence of the interaction potentials for grazing scattering of fast atoms from metal and insulator surfaces. // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. - 2009. - V. В 267. - P. 2621-2624.

8. Ohtsuki Y.H., Koydma K., Yamamura Y. Skipping motion of the surface scattering of ion beamsfo //Phys. Rev. В - 1979. - V. 20. - P. 5044 (1 - 5).

9. Ремизович B.C., Рогозкин Д.Б., Рязанов М.И.. Флуктуации пробегов заряженных частиц. // М.: Энергоатомиздат - 1988. - С. 240.

10. Ахиезер И.А., Давыдов JI.H. Теория электронного торможения тяжелых ионов в металлах. // УФН - 1979. - Т.129, № 2. - С. 239 - 254.

Основные публикации автора

1. Казаков, A.B. Эффект поверхностного каналирования нейтральных атомов. / A.B. Казаков, B.C. Малышевский // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования - 2011. - № 8. - С. 25-28.

2. Казаков, A.B. О динамическом взаимодействии нейтральных атомов с поверхностью кристалла при скользящих падениях. / A.B. Казаков, B.C. Малышевский // Письма в ЖТФ - 2011. - вып. 17. - т. 37. - С. 98-103.

3. Казаков, A.B. Моделирование рассеяния ускоренных ионов кристаллической поверхностью. / A.B. Казаков, B.C. Малышевский // Тезисы докладов XXXIX международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. - Москва - 26-28 мая 2009 г. - МГУ им. М.В.Ломоносова - С. 21 (http://danp.sinp.rnsu.ru/ tulin_conf.htm).

4. Казаков, A.B. Эффект поверхностного каналирования нейтральных атомов. / A.B. Казаков, B.C. Малышевский // Тезисы докладов XL международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. - Москва - 25-27 мая 2010 г. - МГУ им. М.В.Ломоносова - С. 28 (http://danp.sinp.msu.ru/tulin_conf.htm).

5. Казаков, A.B. О динамических эффектах в радужном рассеянии ионов поверхностью кристалла. / A.B. Казаков, B.C. Малышевский // Тезисы докладов XLI международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. - Москва - 31 мая -2 июня 2011 г. -МГУ им. М.ВЛомоносова- С. 7 (http://danp.sinp.msu.ru/tulin_conf.htm).

Сдано в набор 26.10.2011. Подписано в печать 26.10.2011. Формат 60x84 1/16. Цифровая печать. Усл. печ. л. 1,0. Бумага офсетная. Тираж 100 экз. Заказ 2610/01.

Отпечатано в ЗАО «Центр универсальной полиграфии» 340006, г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 140, телефон 8-918-570-30-30

www.copy61.ru e-mail: info@copy61.ru

Введение.

1 Ориентационные эффекты.

1.1 Рассеяние заряженных частиц в кристаллах.

1.2 Потери энергии атомных частиц в конденсированных средах.

1.3 Эффект радужного рассеяния.

1.4 Рассеяние частиц кристаллической поверхностью.

2 Взаимодействие ускоренных нейтральных атомов с поверхностью кристаллов.

2.1 Радужное рассеяние поверхностью кристалла.

2.2 Поверхностное каналирование.

2.3 О поляризационных потерях энергии.

3 О динамическом взаимодействии нейтральных атомов с поверхностью кристалла при скользящих падениях.

3.1 Влияние электронного торможения.

3.2 Метод бинарных столкновений.

3.3 Результаты моделирования.

Актуальность темы

Пучки заряженных и нейтральных частиц представляют собой эффективный инструмент для исследования состава и структуры твердых тел и модификации их поверхностей, поэтому широко применяются в науке и технике. Исследования многообразных физических процессов, сопровождающих взаимодействие быстрых заряженных частиц с веществом, приобретают все большую научную и практическую значимость, а их исследование далеко не завершено.

Начиная с 60-х годов прошлого столетия был открыт целый ряд, так называемых, ориентационных эффектов, возникающих при прохождении быстрых заряженных частиц через кристаллы [1-2] (каналирование, эффект теней и блокировки). Эти эффекты уже нашли широкое применение в физике конденсированного состояния, радиационной физике твердого тела и ядерной физике. За последние годы появилось несколько экспериментальных работ [3 - 7], в которых обнаружены необычные особенности в рассеянии ионов и нейтральных атомов от кристаллических поверхностей. В частности, были обнаружены новые эффекты в радужном рассеянии нейтральных атомов при отражении от ориентированной кристаллической поверхности. Результаты измерений зависимости угла радужного рассеяния нейтральных атомов от полной и поперечной (нормальной к поверхности кристалла компоненты) энергии показали существенное различие эффекта для атомов благородных газов и атомов некоторых металлов, что нуждается в теоретической интерпретации. Наиболее надежным способом количественного описания рассеяния ионов от кристаллической поверхности является метод математического моделирования процессов ион - атомных соударений.

В связи с повышенным интересом к проблеме модификации и анализа приповерхностных слоев кристаллов, развитие теоретического описания процессов рассеяния атомных частиц кристаллической поверхностью, представляется актуальным и своевременным, поэтому тема диссертации является актуальной.

Цель работы: теоретически описать процессы рассеяния ускоренных атомных частиц поверхностью кристаллов и дать физическую интерпретацию обнаруженным ориентационным эффектам.

В соответствии с поставленной целью в диссертации решались следующие задачи.

1. Построить модель взаимодействия атомных частиц с поверхностью кристалла и разработать алгоритмы для моделирования процессов их рассеяния.

2. Определить роль поляризационных эффектов в рассеянии атомных частиц от поверхности кристаллов при скользящих падениях.

3. Дать интерпретацию динамическим эффектам в азимутальных угловых распределениях атомных частиц, рассеиваемых поверхностью кристаллов металлов.

Научная новизна основных результатов

С использованием методов математического моделирования дана теоретическая интерпретация экспериментально обнаруженным особенностям радужного рассеяния при отражении атомных частиц от поверхности кристаллов при скользящих углах падениях. Установлено, что существенную роль в описании процессов отражения атомов от поверхности играют поляризационные эффекты и правильный выбор потенциала взаимодействия ионов с атомными цепочками и плоскостями. Дана интерпретация обнаруженным динамическим эффектам в радужном рассеянии при скользящих углах падения нейтральных атомов на поверхность металлических кристаллов. Указанные особенности объясняются электронным торможением рассеиваемых атомных частиц вблизи поверхности кристалла. Предсказан новый эффект, заключающийся в том, что поляризация ускоренных нейтральных атомов при скользящих падениях на поверхность кристалла может приводить к образованию связанных поверхностных состояний. Получено пороговое условие для угла подлета атомов к поверхности кристалла, при котором возможен захват в такие состояния.

Практическая значимость основных результатов

Проведенные в диссертации исследования позволяют, во-первых, по-иному взглянуть на традиционные задачи физики каналирования, а во-вторых, могут существенно расширить возможности метода каналирования для получения уникальной информации не только о структурных особенностях кристаллов, но и о физике ион - атомных столкновений. Дальнейшее изучение радужного рассеяния атомных частиц от поверхности кристаллов позволит реализовать идею экспериментального разделения ядерных и электронных потерь энергии, что не удается сделать в экспериментах на прохождение.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Причиной немонотонной зависимости угла радужного рассеяния от начальной поперечной энергии является поляризация падающих на поверхность кристалла ускоренных атомных частиц.

2. При скользящих падениях на поверхность кристалла поляризация ускоренных нейтральных атомов может приводить к образованию связанных поверхностных состояний. Захваченные в такие состояния атомы будут двигаться вдоль поверхности на расстоянии нескольких атомных единиц от нее, совершая небольшие осцилляции в поперечном направлении.

3. Наблюдаемые экспериментально динамические эффекты в рассеянии нейтральных атомов при их скользящих углах падения на поверхность кристаллов объясняются электронным торможением рассеиваемых атомных частиц вблизи поверхности металлических кристаллов. Физическая причина этого явления заключается в том, что в исследуемом энергетическом 5 диапазоне 1.100 кэВ увеличение скорости сопровождается возрастанием потерь, как полной энергии, так и ее поперечной составляющей.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на 39-ой, 40-ой и 41-ой Международных конференциях по "Физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами" (Москва, Россия, 2009, 2010 и 2011 (http://danp.sinp.msu.ru/tulin conf.htm); Международной конференции «Charged and Neutral Particles Channeling Phenomena» (Феррара, Италия, 2010) (http://www.lnf.infh.it /conference/channeling2010/home.html). Результаты работы обсуждались на семинарах кафедры теоретической и вычислительной физики физического факультета ЮФУ.

Публикации

Основные научные результаты опубликованы в 2 статьях журналах: «Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования», «Письма в «Журнал технической физики»», а также в 3 тезисах докладов на международных конференциях. Список основных публикаций автора приводится в конце автореферата.

Личный вклад автора

Автором разработаны алгоритмы для компьютерного моделирования и выполнены все численные расчеты. Автор принимал непосредственное участие в постановке целей, задач и формулировании основных научных положений, результатов и выводов, обсуждении полученных результатов и подготовке публикаций.

Основные результаты, полученные в работе:

Г. Проведенный анализ показывает, что существенную роль в описании процессов отражения нейтральных атомов от поверхности могут играть поляризационные эффекты, вследствие того, что поляризуемость атомов некоторых металлов намного превосходит поляризуемость атомов инертных газов, для атомов металлов наблюдается существенный поляризационный эффект.

2. Поляризация ускоренных нейтральных атомов при скользящих падениях на поверхность кристалла может приводить, при выполнении определенных условий, к образованию связанных поверхностных состояний. Захваченный в такое состояние атом будет двигаться вдоль плоскости на расстоянии нескольких атомных единиц, совершая небольшие осцилляции в поперечном направлении.

3. Впервые дана интерпретация обнаруженных недавно динамических эффектов в радужном рассеянии нейтральных атомов при скользящих падениях на поверхность металлических кристаллов, на основе электронного торможения рассеиваемых частиц вблизи поверхности кристалла.

4. Влияние флуктуаций заряда атомных частиц при прохождении через ¡конденсированные среды не всегда можно описать введением в тормозную способность равновесного или эффективного заряда. Если скорость иона меньше боровской скорости, то влияние корреляций флуктуаций заряда на поляризационные потери энергии нельзя описать в терминах равновесного или эффективного заряда. В противоположном случае V» у0 длина свободного пробега между двумя актами перезарядки намного больше длины продольных поляризационных волн. В этом случае корреляционный вклад в поляризационные потери энергии сведется к замене равновесного заряда иона на эффективный заряд, который зависит от энергии иона и среднеквадратичной флуктуации заряда

Благодарности

Автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность своему научному руководителю доктору физико-математических наук Малышевскому B.C. за многостороннюю помощь в исследовании и обсуждении затронутых в диссертации вопросов. Автор также выражает благодарность организаторам и участникам ежегодной международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами за обсуждения и критические замечания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Развитие физики каналирования заряженных частиц в кристаллах послужило толчком для исследования структуры поверхности кристаллов и процессов, происходящих в поверхностном слое, большое распространение получили методы поверхностного каналирования и поверхностной дифракции пучков частиц. Метод поверхностного каналирования позволяет исследовать по полученным угловым распределениям частиц как структуру поверхности кристаллов, так и характер взаимодействия и процессы протекающие в поверхностном слое кристаллов.

1. Robinson М. Т., Oen O.S. // Proc. Of Conf. «Bombardment Ionique» (CNRS, Paris)-1961.

2. Lindhard J. Influence of Crystal Lattice on Motion of Energetic Charged Particles // Mat.-Fys. Medd. Dan. Vid. Selsk. 1965. - V. 34. - №14.

3. Thompson M.W. The Channeling of Particles in Crystals // ConTemp. Phys. 1968.-V. 9.-№4.-P. 375.

4. Бережной Ю.А., Кузниченко A.B., Онищенко Г.М., Пилипенко В.В. Радужное рассеяние в ядерных столкновениях. // ФЭЧ и АЯ 1987. -вып. 2. - т. 18. - С. 289 - 322.

5. Schuller A., Winter H. Interaction potentials for Na, Al and Ar atoms from rainbow scattering under axial surface channeling from Al(l 11) and Al(001) surfaces. // Nucl. Instr. And Meth. in Phys. Res. 2007. - V.B256. -P. 122125.

6. Schuller A., Winter H. Diffraction of fast atoms under axial surface channeling conditions. // Nucl. Instr. And Meth. in Phys. Res. 2009. -V.B267.-P. 628-633.

7. Schuller A., Winter H. Supernumerary Rainbows in the Angular Distribution of Scattered Projectiles for Grazing Collisions of Fast Atoms with a LiF(OOl) Surface. // Phys. Rev. Lett. 2008. - V. 100. - P. 097602.

8. Gravielle M.S., Miraglia J. E. Influence of the polarization in grazing scattering of fast helium atoms from LiF(OOl) surfaces. // Phys. Rev. 2008. -V. A78.-P. 022901.

9. Schuller A., Winter H. Interaction potentials for Na, Al and Ar atoms from rainbow scattering under axial surface channeling from Al(l 11) and Al(001) surfaces. // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. 2007. - V. B256. - P. 122125.

10. Schuller A., Winter H. Dynamic dependence of the interaction potentials for grazing scattering of fast atoms from metal and insulator surfaces. // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. 2009. - V.B 267. - P. 2621-2624.

11. Дедков Г.В. Межатомные потенциалы взаимодействия в радиационной физике. // УФН 1995. - Т.165. - № 8. - С. 919 - 953.

12. Ziegler J.F., Biersack J.P., Littmark U. The Stopping and Range of Ions in Solids. // New York: Pergamon 1985. - P. 321.

13. O'Connor D.J., Biersack J.P. Comparison of theoretical and empirical interatomic potentials. // Instr. and Meth. in Phys. Res. 1986. - V. В 15. -P. 14-19.

14. Никитин E.E., Смирнов Б.М. Атомно-молекулярные процессы в задачах с решениями. // М. Наука 1988. - С. 83.

15. Ремизович B.C., Рогозкин Д.Б., Рязанов М.И. Флуктуации пробегов заряженных частиц. // М.: Энергоатомиздат 1988. - С. 240.

16. Ахиезер И. А., Давыдов JI. Н. Теория электронного торможения тяжелых ионов в металлах. // УФН 1979. - вып. 2. - Т. 129. - С. 239254.

17. Kim Y.S., Gordon R.G. Ion-rare gas interactions on the repulsive part of the potential curves. // J. Chem. Phys. 1974. - V. 60. - P. 4323 - 4332.

18. Фирсов О.Б. Вычисление потенциала взаимодействия атомов. // ЖЭТФ. 1957.-Т. 33.-С. 696-699.

19. Жукова Ю.Н., Иферов Г.А., Тулинов А.Ф., Чуманов В.Я. Рассеяние протонов в тонком монокристалле золота. // ЖЭТФ -1972. Т.63. - С. 217.

20. Zhukova Yu.N., Iferov G.A. The impact-parameter dependence of energy losses in proton scattering by gold atoms. // Phys.stat.sol. 1982. - V. 110.-P 653.

21. Ахиезер А.И., Пелетминский С.В. Методы статистической физики // М.: Наука-1977.-С. 368.

22. Miskovic Z.I., Davison S.G., Goodman F.O., Liu W.K. Stochastic treatment of charge states for ion stopping in solids. // Phys. Rev. 1999. - V. B60. -P. 14478-14480.

23. Malyshevsky V.S. Effect of heavy ion charge fluctuations on Cherenkov radiation. // Phys.Lett. 2008. - V. A372. - P. 2133 - 2136.

24. Малышевский B.C., Серба П. В., Ольховский А. А. Корреляционные эффекты в черенковском излучении многозарядных ускоренных ионов. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2009. - N 3. - С. 104-108.

25. Ландау Л.В., Лифшиц Ю.М. Электродинамика сплошных сред // М.: Наука-1982.-С. 620.

26. Агекян Т.А. Теория вероятностей для астрономов и физиков. // М.: Наука-1974.-С. 264.

27. Bohr N., Lindhard J. // Mat. Fys. Medd. Dan. Vid. Selsk. 1954. - V. 28. -№7.i