Рассеяние тяжелых ионов низкой энергии поверхностью металлов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

РГб од

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ЕВСТИФЕЕВ Виктор Васильевич

РАССЕЯНИЕ ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ НИЗКОЙ ЭНЕРГИИ ПОВЕРХНОСТЬЮ МЕТАЛЛОВ

01.04.07 — физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

МОСКВА 1994

Работа выполнена в научно-исследовательском институте прикладной физики Ташкентского государственного университета.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Ю. В. Мартыненко; доктор физико-математических наук, профессор В. А. Курнаев; доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Г. Д. Танцырев.

Ведущая организация — Санкт-Петербургский государственный технический университет.

Защита диссертации состоится « _» ___р 1994 г.

в ~~_ час. на заседании специализированного совета Д-053.03.01 в

Московском государственном инженерно-физическом институте (техническом университете) по адресу: 115-109, Москва, Каширское шоссе, Д. 31, 1сл. 323-91-67.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Автореферат разослан «_

п

1994 г.

И. о. ученого секретаря специализированного совета

А. С. Чернов

ОЕЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. В последнее время фундаментальные исследования процессов, происходящих, при взаимодействии атомных частиЦ с поверхностью твердого тела, получили широкое развитие в мировом масштабе. Актуальность таких исследований обусловлена: развитием и внедрением в практику новых прогрессивных технологий, использующих методы ионного и ионно-ялгзкенного напыления, ионной имплантации и молекулярной .зпктагссии, проблемой первой стенки управляемых тер-коядоргагл реакторов и ионных двигателей, получением новых материалов с зздалньки свойствами, требующих эффективных методов контроля я, з частности,методов, основанных на диагностике поверхности ионными цучками. Реферируемая работа базируется на тагах исследованиях и направлена на решение проблем, связанных с установлением механизма рассеяния положительных ионов атомам« кристаллической решетки з области низких энергий (Е =10-10^ эВ) и с. возможностью использования низкоэнергетического рассеяния в качестве нового метода изучения физических свойств поверхности твердых тел ионными пучка:-:;;. Явленна рассеяния в этой области энергий изучено менее полно. Данная область находится как бы на-стеке двух достаточно изученных' областей энергий: область сверхнизких или теплопил энергий (50=1и~~-Ю эЗ), где отражение налета-гс~их частиц от поверхности рассматривается как "от стенки", к область средних анергий (Е =10^-10° эЗ), ?дэ отражение объясняется з рамках известной бинарной модели, в которой рассеяние кпте^претпруат как. акт упругих столкновений бом-бардкрунцего кока с отдельными, несвязанными мекду собой атомами твердого тела.

Цель работы - установление механизма рассеяния ткяелнх кснов кязкой энергии поверхностью металлов и разработка научных основ использования данного явления V, диагностике поверхности твердых тел кокнули пучка.'.::!.

Нзутгнап новизна»

I. Впервые- получена экспериментальные и теоретические результата, устанавливающие* нилтаэ границу применимости

модели последовательных парных столкновений (ППС) и механиза многочастичных взаимодействий тяжелых ионов с поверхностны® атомами кристаллической решетки в области низких энергий.

2. В результате сравнительного исследования экспериментальных и рассчитанных на ЭВМ энергетических характеристик рассеянных частиц установлено, что для адекватного описания механизма рассеяния медленных тяяелых ионов упорядоченными структурами машинные расчеты следует проводить методом моле-нулярной динамики (МД).

3. Впервые проведены экспериментальные исследования, подтверждающие влияние сил связи поверхностных атомов твердого тела на характер рассеяния медленных ионов. Установлено, что с уменьшением атомной массы мишени влияние связи возрастает.

4. Впервые экспериментально и теоретически установлено влияние ориентации монокристалла на величину энергии рассеянных ионов. Показано, что ориентационные эффекты полностью обусловлены многочастичными взаимодействиями.

5. Впервые изучено рассеяние тяжелых ионоз металлами, находящимися при низкой температуре. Установлено, что в зависимости от рода металл а. низкая температура (Т^78К) селективно влияет на энергетические характеристики отраженных частиц. Для металла с высоким коэффициентом теплового расширения и небольшой атомной массой она приводит к заметнсьу сдеигу энергораспредёленкй в высокоэнергетическув часть (энергия рассеянных ионов возрастает), тогда как для металла с малым коэффициентом расширения и большой атомной массой это смещение практически не наблюдается (энергия рассеянных ионов не изменяется).

6; Впервые реэмпирическим методом МОДКАО (метод молекулярных орбиталей, построенных в виде линейной комбинации атомных орбиталей) исследована электронная структура системы К^.-V. Рассчитанный потенциал ион-атомного взаимодействия'

(г) оказался более дадьнодействующим, чем общепринятые потенциалы Борна-Майера и Циглера-Бирзака-Диттмарка. Проведенное сравнительное моделирование рассеяния ионов К1" низкой энергии поверхностью ванадия с использованием этих по-

тенциалов показало, что вид ион-атомного потенциала и выбор метода расчета существенно сказываются на величине энергии рассеянных частиц.

7. На примере рассеяния ионов Сз+ двухкомпанентными пленками 1Г+Со и СЙ+Со показано, что нкзкоэнергетическое рассеяние тяжелых ионов может быть использовано как новый метод исследования физических свойств поверхности твердого тела.

Научная и практическая значимость. Экспериментальные и теоретические результаты проведенных исследований 'устанавливают механизм взаимодействия атомных частиц с веществом в области низких энергий. 3 работе показано, что низкоэнергетическое рассеяние ионов поверхностью твердого тела - процесс существенно многочастичный, в котором принимают'участие бомбардирующий ион, атомы мишени и их электронные оболочки. Роль многочастичных эффектов увеличивается с уменьшением энергии бомбардирующих частиц. Установленные закономерности рассеяния проливают сзет на понимание других процессов взаимодействия ионов с веществом. В частности, з случае распыления твердого тела ионной бомбардировкой независимо от начальной энергии бомбардирующих частиц при описании процессов, преетестн'лх:::>: остановке частиц (Е ^ 100 эВ), деляны учитываться мксгочастичные эффекты, что существенно изменит интегральные характеристики распыления. Полученные результаты-такде создает,осноцу для разработки совершенно новых методов анализа поверхностей твердых тел и тонких пленок, связанных с определением межатомных потенциалов-взаимодействия, мена-томных расстояний и сил связи. Например, низкоэнергетическое рассеяние тяжелых конов поверхностью твердого тела можно использовать как метод контроля плотности пленок любой толщины (вплоть до десятка ангстрем) в производстве пленочных изделий и микроэлектронике. Результаты могут быть полезны, а в отдельных случаях необходимы при создании новых конструкционных материалов с заданными свойствами.

На защиту -вносятся сл едущие положения:

I. Устаноатена нижняя граница (по энергии) применимости

известной модели последовательных парных столкновения, которая определяется соотношением масс и родом сталкивающихся частиц и для конкретной пары "бомбардирующий ион - атом мишени" соответствует вполне определенно^ значению энергии первичных ионов.

2." Установлен механизм рассеяния тяжелых ионов поверхностью твердого тела в области низких энергий, заключающийся в одновременно:.* взаимодействии налетавшего иона с несколькими ближайшими в момент столкновения связанными между собой атомами кристаллической решетки. Многочастичные зффек тц зависят от межатомных расстояний и вида потенциала ион-атомного взаимодействия.

3. Полученные результаты сравнительных исследований экспериментальных и расчетных энергетических характеристик рассеянных частиц свидетельствуют, что для адекватного описания механизма рассеяния медленных тяжелых иоков упорядоченными- структура-ми машинные расчеты следует проводить мето дом молекулярной динамики с использованием дальнодейстщгю-щих потенциалов. При этом помимо многочастичных взаимодействий необходимо учитывать дополнительное отталкивание, шз ванное перекрытием электронных оболочек сталкивающихся частиц, или силы связи поверхностных атомов решетки.

4. Установлено влияние ориентации монокристалла на величину энергии рассеянных тяжелых ионов низкой _энергии, связанное с изменением плотности упаковки атомов, ближайших к линии движения иона. При это« ориентационные эффекты полностью обусловлены мкогочастичными взаимодействиями.

5. Экспериментально доказано влияние сил связи поверхностных атомов твердого тела на величину энергии, сохраняемого рассеянными ионами. С уменьшением атомной массы мишени влияние связи возрастает.

6. Низкая температура (Т=78К) мишеней с мальма атсм-.„ными массами и высокими коэффициентами теплового расширения вызывает сдвиг энергетических распределений а стороцу высоких значений энергии рассеянных ионов. Обнаруженный эффект подтверждает механизм многочастичного взаимодействие

7. Результаты исследования рассеяния тяжелых ионов

низкой энергии поверхностью изученных объектов составляют научную основу новых методов анализа поверхности твердых тел применительно к изучению поверхностных потенциалов, межатомных расстояний в приповерхностных слоях и сил связи.

Апробация работы: Основные экспериментальные и теоретические результаты данной работы обсуждались на: ХУ (Киев, 1973), XIX (Ташкент, 1934), XX (Киев, 1937), XXI (Ленинград, 1990) Всесоюзных конференциях по эмиссионной электронике; Л1 (Минск, 1934), УШ (Москва, 1937), IX (Москва, 1991) Всесоюзных конференциях по взаимодействию атомных частиц с твердых талом; Всесоюзном сове-даши-семинаре по диагностике поверхности ионными пучками (Ужгород, 1935; Донецк, 1938; Одесса, 1990); Всесоюзном симпоз!уме по взаимодействию атомных частиц с тверда?.! телом (Тапкент, 1939); У (Харьков, 1933) и У1 (Харьков/ 1991) Всесоюзных семинарах по зторично-ионкой и ионко-фотонной эмиссии; 1У Всесоюзном семинаре по аморфному магнетизму (Владивосток, 1936).

Сбтем и структура паботы. Диссертация состоит кз введения, сечи глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 225 страницах машинописного текста, включая. 10 таблиц и списка литературы кз 193 наименований, и содержит 141 рисунков- на 117 страницах.

СОДЕРгАНЛЕ Д10СЕРТА1{Я

Систематические исследования рассеяния заря:::ек:щх частиц твердь.'!.« телами качались з 50-е годы, когда ::олучили широкое развитие микроэлектроника и техника полупроводниковых материален и приборов. Актуальность таких исследований гоз-расла в связи с проблемой первой стенки з управляемых тертс-ядерккх реакторах. Изучение физики данного явления сопровождаюсь практическим использование:.-: результатов в диагностик поверхности искнтан тучками.

К момент;/ проведения данных исследований ко:::лс считать устакотглекккм тэт фа::т, что в области средних окерптй персич--нкх ионов (Е > 10° эЗ) :::с рассеяние происходит на отдельных изолированных атомах ;:::пенн. При от си для расчетов Э'Ьфезстав-кэго еечекия рассеяприменяю? срзрпчесгл-екьыотркшие по- ■ а зкергкэ рзсселдонх ионов опрода-шот "з ззкэнэз

сохранения энергии и импульса при упругом столкновении. Область низких энергия 10^ эВ) оказалась мало изученной. Наметившиеся к тому времени две концепции на механизм рассеяния ионов поверхностью твердого тела в области низких энергий (модель парных столкновений [1,2] и механизм групповых взаимодействий [3]) не могли однозначно ответить на вопрос, когда и при каких условиях реализуется тот или иной механизм. Не.были известны границы применимости бинарной модели и оставался не выясненным вопрос, связанный с влиянием ближайших атомов кристаллической решетки на рассеяние налетающего иона. В теоретическом плане это было связано с тем, что при расчете" ниэкоэнергетического рассеяния, как правило, используют короткодействующие сферически-симметричные потенциалы, удовлетворительно описывающие рассеяние частиц в газовой фазе. Однако, неизвестно, насколько правомерно приложение этих потенциалов к случаю рассеяния медленных' ионов, когда энергия атома отдачи по порядку величины сравнима с энергией электронов в тех энергетических зонах, для которых имеет место весьма существенное расщепление энергетических уровней, т.е. и существенное изменение пространственной конфигурации электронного облака атомов решетки.

С другой стороны,хотя вопросу о рассеянии иоков низкой энергии и были посвящены экспериментальные работы [4-8], в них, по сути дела, не ставилась задача опытного выяснения механизма взаимодействия сталкивающихся частиц. В некоторых из них [5,6] заключение о применимости теории парных столкновений делалось декларативно, на основании опытных доводов, не специфичных исключительно для этой теории. В других [7, 8] результаты получены в случае рассеяния только легких ионов, когда заведомо выполнялась эта теория. Поэтому цель исследований, поставленная в реферируемой работе, и задачи, решаемые для её достижения, на наш взгляд являются актуаль--аыми. ■ -

Изучение энергетических спектров рассеянных ионов при бомбардировке поверхности металлов проводили на специально разработанной сверхвысоковакуумной экспериментальной установке с безмасляной системой откачки, обладающей высоким угловым^( д^^О^б0). ^ энергетическим ( дЕ/Е=1/125) разрепе-

кием. Углы -падения могли плавно изменяться от 0 до 9С°, а угли рассеяния от 0 до ПО0. Экспериментальная аппаратура позволяла проводить анализ вторичных ионов по массам с использованием времяпролетной методики и по энергиям с помочью электростатического энергоанализатсра типа сферический дефлектор. Регистрация вторичных ионов осуществлялась дчумя способам;;:

а) з статическом ра-киме (для больших плотностей тока

Г

j ~I,5'ICi~° А/с'Г :i. энергий первичных ионов Е > 500 эВ) ;

6} п режиме счета отдельных импульсов (для мал^х плотностей то кг. j 5-Ю-7 А/см2 и энергий Ео<500 эВ).

Исследуем»«: образцами служил:: кишен:: кз полк- и монокристаллов ряда металлов ( U , Rs , VI , Та , Мо\ Со , NL , Cz , V , TL , SL , АС ), а такяе двухко:<панентные металлические пленки (U+ Со и Gd+Co). Бомбардирующими ионами являлись ионы Cs+ и К+, полученные в термоионном источнике з процессе поверхностной ионизация на раскаленных поверхностях с болыгоП работой выхода. Измерения проводили с нагретых до шсокой температуры (Т=0,7+0,0 Т , Т^-тсм-■ пература плавления) мкпенеЯ. (Специальные, исследования были проведены при ?-:::з;:о;1 температуре (Т=73а)).

Первая сприя намерений относится к случаю и -■ >I, когда кассг ато.ча мизени М существенно больше массы нале-•гг:-:-сго ;п : К"- Та , W , RG («=4,5-4,8) и Cs+- U238 (,u -1,7"0 ). Исследования показали, что модель парных стол-

г-::-:: - р.vi о г пет го пс«?и ксслодопанном интер-дле знерги," Е„-£ -ГСЗ г>1, о чел свидетельствовали независимость относительно;; оиергаи рассеян; rjx ионов Е/Е0 от энергии бомбардировки Б. :•. точное совпадение положения максимума энергетике скн:: ¡гясцр?долспкГ: со значения:.« E/EQ, рассзгаанньш для napsr-:y упруги:-: соударений. !Ip:t переходе к друг::-.: парам "ион-атом . с :.'<:ньз.ми значения:«: ß ( + МО

(^ц-2,45) и Cs+— Га. . W , йе {jx-1,25-1,<Y.;)) , набладается

зависимость 3/E«, от Е , свидетельствуя о кацузении бинар-

0 0 ^

з-ол модели. Устансгленэ, что дня Сс—Га , w , Rs граница применимости модели парных столкног-еки'1 соотпетстзуст энергии Со~40С-оС0 эЗ, а для К+—Мо она равна ~100-150 эЗ. С увеличением /и эта граница смещается в область меньших зна-

ченкй Eq. Ниже этих значений относительная энергия рассеянных ионов существенно возрастает с дальнейшим уменьшением Eq. Этс связано с тем, что при низких энергиях Ь'0(малых скоростях) возрастает время взаимодействия иона с атомами твердого тела. Помимо основного атома, с которым происходит сильное столкновение, ион испытывает влияние соседних атомот что приводит к увеличению сохраняемой энергии. Это находите* в согласии с представлениями о механизме многочастичного (группового) взаимодействия бомбардирующего пена с атомами поверхности. Впервые идея такого механизма была высказана в 63-х годах H.H. Петровым и далее развита в работах 3.;1. Векслера.

В налей интерпретации под многочастичным взаимодействием понимается взаимодействие налетающего иона (как сложной системы) одновременно с несколькими ближайаими в момент столкновения связанными между собой атомами кристаллической решетки. Потенциал такого взаимодействия отличается своим дальнодействием от обычно используемых в расчетах короткодействующих сферически-симметричных потенциалов.

Екли изучены .так&е угловые зависимости энергетических спектров рассеянных ионов Cs+ при бомбардировке поверхностных гране Г. монокристалла вольфрама под разными углами для энергий Eq=I90-II40 эЗ. Установлено, что спектры обладает структурой, которая проявляется в наличии нескольких (1-3) пикоз. Для 500 эВ природа их образования объясняется в райках модели последовательных парных соударений налета-•1;и;его иона с отдельными атомами поверхностных цепочек основных кристаллографических направлений; показана роль эти цепочек б реализации дву- и трехкратных столкновений, ¡¡да Ео<500 эВ происходит сглаживание структуры и сдвиг энерго распределений в высокоэнэргетический диапазон. 3?и эффекты связаны с многочастичными взаимодействия:®.

Анализ всей совокупности представленных в данной сери измерений результатов показывает, что в ряде случаев в pea лизации механизма многочастичного или парного столкновение важную роль играют не только соотношение масс атома мшпеш; и бомбардафущего иона, но и электронные оболочки сталкивающихся частиц, определяющие вид ион-атомного и межатомне

— —

го потенциалов. (Для кандой пары "ион-атом мишени" и разных металлов они различны). Действительно, сравнение результатов К'— Мэ с результатами Сэи показывает, что несмотря на то, что отноиенио масс атома молибдена и иона калия (/(=2,45) значительно больше, чем отношение масс атома урана и иона цезия (. ц---1,7?>), нижняя граница применимости модели'парных столкновений для соответствует большим значениям

энергии^бомбардирующих частиц (Е =103*150 эВ), чем для Сз""-*- и (Е ^43 эЗ). Этот факт позволяет сделать предположение о том, что потенциал ион-атомного взаимодействуя для пары цезий-ура;; спадает с расстояние* гораздо круче, чем для

пары калий-молибден, а связь атомов урана сказывается на ве-

* *

личине энергии рассеян^зх ионов значительно слабее, чем з случае молибдена.

Следующая серия исследований относится я случаю ц>,1 (1Г- Сг , V , П ) и ¡х < I (С5+-*- Мо , Сэ , № , , А£ ), когда масса атома '.г.гаенл меньше массы бомбардирующего иона.

Отличительной особенностью рассеяния тк>гелых ионов лег— к.'.'.та атомами является наличие предельного угла однократного соударения = агез'ах^ . Для углов у > одно!фаткое

рассеяние ионов невозможно. В эксперименте, угли рассеяния были больше, чем > так исключалась возмоггность ре-

гистрации ионов, испытавших однократные соударения.

Устачог-~еко,- что для всех исследованных пар "кон-атом »:;ае:!:»и имеет место отражение на углы ц/ , значительно прев1.:- • дт-щ;:? предельные углы ^ . 3 области энергий 2С0 эЗ с:г;/:::"гз с-.жтров, как правило, исчезает; спектра :г-.эат гид полокодооСрасних кривых, положения максимума которых соотр-гтитвушт г-'соккм сначеникм энергии отраженных частиц, а ?ор.;а спектров не зависит от угла падения. Во всем исследованном интервале энергий Ео-20-433 эЗ наблюдается резкая завислость относительной энергии рассеянных поной от энергии С уменьпепнем анергии Е . величина Е/Е возрастает, а щлц-ап зависимости К/30 от Е0 станй2'..гтся Солее крг.'тэй для кйпензй с мял;-7'.:;: стошгкми массами. Так при уменьшении Е ст 333 .до 23 эВ величина относительной онер- ■ гпш рассеянных ноноз Сг~ (в мат{си.\ум-з крхвой энергетического

распределения) возрастает в случае отражения от молибдена в 4 раза, от никеля и кремния в 11,5, а от алюминия в 15 раз. .(Углы падения и рассеяния удовлетворяли условию зеркального отражения и соответственно равны 45 и 90°). В угловых зависимостях интенсивности и энергии отраженных частиц обнаруживается максиу^ум при угле ^ , равном или близком углу зеркального отражения. (Интенсивность определялась как площадь под кривой энергетического распределения рассеянных ионов).

jaKT сохранения рассеянными ионами больших значений энергии Е, резкая зависимость относительной энергии от EQ 'и независимость формы энергетических распределений от углов падения указывают на то, что низкоэнергетическое рассеяние -процесс существенно многочастичный.

Для углубления понятий о низкоэнергетическом рассеянии .•кжелых частиц были изучены энергетические спектры исков Cs+, отраженных от различных поверхностных граней монокристалла молибдена, и их угловые характеристики. Обнаружено влияние ■ ориентации кристалла на величину энергии рассеянных ионов. Установлено, что наибольшую энергию ион сохраняет в случае бомбардировки поверхностной грани (IIG) при своем движении в плоскости {110} вдоль кристаллографического направления <GDI> и грани (001) при движении в той se плоскости вдоль направления <110> . Наименьшую энергию он сохраняет в случае отражения от грани (ПО) при движении в плоскости {^01} вдоль направления <П0> . Наблюдаемый ориентационныл оффект объясняется механизмом многсчастнчных взаимодействий, когда на подлетающий к поверхности с малой скоростью ион оказывают отталкивающее действие одновременно несколько ближайших в момент наибольшего сближения атомов поверхностного и .приповерхностного слоя кристаллической решетки. Естественно, он будет выражен тем сильнее, чем меньше межатомное расстояние поверхностных атомов и меньше глубина залегания атомов "второго слоя (что имеет место для первого случая). При увеличении угла рассеяния (и уменьшении угла падения, связанном с сохранением условия;зеркального отражения) ориентацион-ный эффект ослабевает. Уменьшается различие в энергии, сохраняемой ионом при отражении от'указанных граней. Тем не ме-

нее и здесь ион сохраняет большую долга энергии при рассеянии на. грани (113) в направлении <С-С1>(имеющем более плотную упаковку атомов), чем в других направлениях.

С ростом энергии Ё (Е0> 420 эЗ) в спектрах возникает структура, свидетельствующая о возможности появления выделенных многократных столкновений. Однако, на эти столкновения накладываются ечё многочастичные эффекты, в результате чего энергия рассекших, иоков-достаточно велика и не мо-г.ет быть объяснена в чистом взде в рамках бинарной модели. И только при энергиях Е0> 3~С эЗ рассеяние ионов Сб^" на молибдене целиком и полностью объясняется механизмом многократных столкновений. .

Влияние плотности упаковки на .энергетические характеристики 'рассеяния было таете установлено и в случае рассеяния ионов 1С" поликристалла:«! ■ Сг , V и II . Выбор указанных материалов был сделан из следующих соображений. Атомные массы . хрома, ванадия и титана примерно одинаковы и не :.согут влиять на возможные различия в энергии рассеянных ионов. Ь'слк ста различия будут кметь место, то они обусловлены разной плотностью упаковки (заполнения) а атотгов указанных металлов, так как многочастичные взаимодействия существенно зависят от иекатемньтх расстояний. Результаты эксперимента'показали, что дм * энергии, сохраняемая ионами Кт при рассеянии на хроме

'П---3.33*1"—- с-.'"4-') к ванадии значительно выше,

о о

"-.:».; т:г>: рассеянии титане (5,70*10~~), Это свидетельствует о -го уе-яченче плотности упако?ки атсмо^ приводит к б злее сильному з^рт-лу шюгочасткчкагс взаимодействия на:: .::•: пен''-; с атомами метеки.

Ига к, пся еэ-с-гу-нссть экспериментальных результатов, полученкг'х данной серии'исслэдоранйй, указывает на сугубо учогочасслчккй характер вза:в.голеПств;'я тяг;:ел!лс консз с порерхкостньг'и атомами крис?алл;гчес::ой рзястхх. 'При «ного-

частпчн-'х г.з-аимод«:йстепях

- исчезает структура энергетических спектров рзсееяспгх поков;

- нзблвдаатся Ьегыса высокие зкачвггля относительной энергии рассе^гних конов и её зависимость от пер-:г-"не:"; энергии;'

- обнаруживается зависимость относительной энергии от плотности упаковки атомов и от кр и с т ал л о г р а.;;; ч е с к: :х направлений;

- имеет место существенное увеличение относительного изменения доли энергии, сохраняемой рассеянными ионами при изменении энергии бомбардировки, с уменьшением атомной массы мишени;

- наблюдается резкое падение интенсивности рассеяния (для легких металлов вплоть до нуля) с увеличением энергии первичных ионов.

Било изучено такяе рассеяние ионов С5+ различными металлами, находящимися в криогенных условиях. Показано, что в зависимости от- рода металла низкая -температура (Т-73К) селективно влияет на фортку дифференциальных энергетических спектров и положение их максимума на энергетической шкале. Для металла с высоким коэффициентом теплового расширения и небольшой атомной массой (например, АЕ ) она приводит к заметному смешению энергораспределений в высокоонергетичес-кий диапазон, тогда как для металла, имеющего небольшой ' коэффициент теплового расширения и сравнительно большую атсцную массу (например, У,о), это рмацение практически отсутствует. Установленные факты доказывают ыкогочастнчный характер взаимодействия тяжелых ионов с поверхностей твердого тала к влияние сил связи атсыов решетки.

Вопрос о влияний связи атомов кристаллической решетки на процесс рассеяния медленных ионов мо:шо решить непосредственно, исследовав энергетические спектры различных металлических ионов, отраженных поверхностями тех неметаллов. К сожалению, нала установка не обладала возможностью проведения таких экспериментов, поэтому данный вопрос нами решался опосредованно . При бомбардировке ионами С5+.различных металлов была.изучена зависимость относительного изменения „Золи энергии, сохраняемой рассеянным ионом для разных значений Е0,«от атомной массы мишени. Полученную зависимость сравнивали с зависимостью удельной теплоты плавления, характеризующей определенным образом энергию связи атомов в твердом теле, от атомной массы тех ле металлов,"Обнаружена

корреляция в ходе обеих кривых. На основании этого было сделано заключение о влиянии связи атомов на величину энергии рассеянных ионов, причем связь сказывается сильнее для м-,гленей с меньшими атомными массам.

С целью выяснения возможности использования низкоэнергетического рассеяния з диагностике поверхности были изучено! энергетические .спектры рассеянных ионов Сз + двухкомпонентни-ми металлическими пленками и+Со и &1->-Со толщиной 630-

о

2".. д, пэлученнь-ул в процессе ионно-плазмэнного напыления из соответствующего сплава на молибденовую подлояку. ,Проведений анализ структуры измерекгых спектров показал, что при температуре ?.г;глек:1 Т=330К в спектре помимо пиков, обусловленных отражением конов Сз+ от элементов (уран (гадолиний) и кобальт), кз которых состоит пленка, наблюдается ещё низкоэнергетический пик, связанный с рассеянием ионоз С5+ на адсорбированных ;:з пучка атомах цезия. Нагревание мклевги до Т-П03К привод;-:? к исчезновения этого пика. Механизм отрпко-тп!я исков Сз~ от ат0550!> урана (гадолиния) и адатомов цезия точно сппсыпаетсл парь-ым:: столкновениями. Что ™э касается пика, связанного с рассеянием ионоз С5Т ка атомах кобальта,, то он обусловлен >;ногочастичным взаимодействием иона с атомами Со. 31;- сравнения положений пиков и к Со -ч энергетических слсктрач 3;-"-*- и +Со и макст^умов энергораспределениП ненов Сз", рцссе-л-гг;'. поликристаллами урана п кобальта, следует , что различия в их онергстическом лолстг,-нн" нс и'..'.■Jлnл:i-;-тv.;,. Мсгодп из зтого, было сделано гвтлкг-ение с теем :г кпевме пленки в процессе кеннэ-плаемснюге ::лвмлен:~ :::■:к::;егкт в кластеров, .состоящих тслько из атоме?. кобальте. ::л:; гте.юп урана. Именно это когяет обусловить ввт >к:'лп-<ве рассеяние понев Сз + на г.т'.:••'е- кобальта пленки и -Ог:"пг»-! :л-:ого'-т.сг;:чнс.ч ^вакмедеЛотвмм. Если бы лтеми Со :: и--"- б;--;; рагпглс.аат в чередующем порядке, то тсгда картг'на энергетического глепределе-вля расселн-Г"-: "снов б;: -.п-ая. 3 случае рассеяния иенев С5" на урана строение ллй.-?-:ги не т^гр":м:вСеЛ роли, поскольку оно происходит па отдель-атом.":;.

0С)су:;:.кеетел вопрос о во<гме.л:;:остп использования«низко-

¡энергетического рассеяния тгякеяыж коков а качестве инструмента, позволяющего следить за структурным состоянием сложных поверхностей и, в частности, тонких пленок.

В работе особое внимание было уделено изучению влияния поверхностных условий на вид энергетических распределений рассеянных ионов. Установлено, что пучки ионов щелочных металлов (ионы Cs+) с дозой облучения S4 4-I01-" см и энергией Eq <100 эВ не приводят к загрязнению поверхности, влияющее , на вид энергетических распределений. Заметное влияние адсорбции атомов из пучка на форму спектров начинает сказываться при больших дозах облучения и энергии бомбардирующих ионов.

Влияние адсорбции молекул остаточного газа (в основном Е) и СО) на интенсивность рассеяния начинает существенно сказываться при экспозициях p-t 4-Ю-0 тор-с. Оно приводит к уменьшению.интенсивности рассеянных ионов и смещению их энергетического спектра в•низкоэнергетический диапазон. Счистка поверхности от адатомов остаточного газа ионным пучком начинается при энергии бомбардировки Е0 =» 100 эЗ.

При бомбардировке свежих необезгазенных поверхностей АI, Со , Mo, IV , U , U + Со ионами Cs+Maiux энергий (EQ i ICO эВ) в спектрэ вторичных частиц обгирувен пик, соответствующий значениям энергии Е,-близким или.равным энергии первичных ионов. .Согласно напал представлениям природа образования ото-го "экзотического" пика связана с отклонением иона.от первоначального направления в результате зарядки отдельных окисленных M'.tKtоучастнов поверхности ионным пучком. Нагревание ■ мишеней до высокой температуры или увеличение--энергии перЕНч-ных ионов до значений EQ>100 эВ приводит к разрушения диэлектрических участков и, как следствие, исчезновению данного -пика.

Теоретическое'изучение проблемы связано с' компьютерными . расчетами энергетических характеристик рассеяния тяжелых ионов низкой энергии упорядоченными структурами. При этом были использованы.два метода расчета: метод последовательных парных столкновений (ГШС) и метод молекулярной динамики (ЗД). По степени согласия результатов расчета-с экспериментом делается заключение о применимости того или иного метода.

При «одояироракин рассеяния конов 05^ поверхностью металлов с СЦК-регеткой в приближении 1111С построение траектории двккеник бомбардирующего иона осуществлялось методом асимптот, суть которого заключается в замене реальной траектории отрезками пряггвх (асимптот) движения кона в поле рас-сеигч-»п:[его а?о?.са. В расчетах потенциал ион-атомного взакш- 1 дс;:ствия обирался ь езду

[ (г) + с , г «а/2

V / ('-. 1 — ' ( ' )

[_ з г > а/2

ГД- потеггэтал

Констант а С находится из условия равэистса потенциала С::рсо?-,г. и точке обрезания потенциалу Борна-Иайера: '

с - - \<9(г0)

гг.е потенциал Варна-"айера;

Ър - радиус оброзг-п-я потенциала. Кзнечгп-."! результатом расчетов являлись гистограммы энергетических распределен;'.': рассеянных ионов для фикскровашсв: углов падения и разгах энергий первичных кокэв (Ео=19Э-1М0зЗ). "

При моделировании рассеяния ионоз С5+ на грачи (001) монокристалла вольфрама (Т=1ВССК) под углем V!/-92° з криетал-лрггп'ччсскс1: напраг"ен;п! <ПЭ> г;:с?огрв*я.п-т зкергстпчес:::::: г.а-гпгег.элс-":-': г"о:зт структуру, состопп,уп из нескольких ппкэс.

гнет.':•:>• '.-.мы состоят из дтух, а для из

'гго:. п::':г--.., СЬа^кон::-; "аалчптанкин энергетических распределен:^ с онеп^сечгчтельнг:;": сгегтра:/!!, похсрентлдмл для экэтг:?:: Е^-1',4-. оЗ :: • гасметр:::: бси-Зарргрочки, указывает на

согласие ргсчета и з::спср::ме:-:та, Согпадв-'. пнно" '"а знспср^енталк-лп" спектрах к гисто-грз-.:«:'. к;; "олг.чоеттдля сзот:-пгсг-упц;:х углов у , а лак-•:п правильна •тоот.чг.лс-:-.;':; их иьтсксикюстаЯ сппдетельстгупт о пр:а.:ен-".;аег;; мапел;; ;.Г!7; для лгнпа'1 анерги-;. Наблтадеегтие п;п::: г/епт е:-:ол,н~е г'наганр'^тпеа

л'чеа;";;:; пик аСЧ'Сло^глеп кратности 1-3, птиче;:

сгленао " . i. ит>а 'с'енлп пнине: "и ~ поит. пеа —

попит -ч столичолеплп с птом'л: реретнп. а ьстсл улч он

"деторанп^аетгл" па данного угла 'н ~ результате .где нес-

кольких скользящих столкновений. Это согласуется с расчета-' ми, выполненными ранее З.Е. Юрасовой с сотрудниками, где взаимодействие названо "квазиоднократным". Еысокознергети-ческие пики обусловлены столкновениями с кратностью '¿-А , где сильное изменение энергии и имцульса налетающего иона происходит в дцух соударениях. Такое взаимодействие по аналогии названо "кваз ид ц/кратным". При уменьшении энергии бомбардирующих ионов (Ео=520 эВ) экспериментальный спектр смещается в стороцу больших значений энергии рассеянных частиц. Тем.не менее, согласие между экспериментальным и рассчитанным спектрами еще сохраняется.

Совершенно иначе обстоит дело при ЕС=19Э эВ. Здесь не только отсутствует совпадение в положении пиков (экспериментальные пики существенно сдвинуты в шсокоэнергетическую часть спектра по сравнению с расчетный!), но и неправильно предсказано отношение.их кнтенсивнсстеП. И если различие з интенсивности можно было бы отнести к плохому знанию потенциала в данной области энергий, то различие б положении пиков, независящем от вида потенциала, этим объяснено быть не колгет. Ькцё большие несоответствия кекду рассчитанными и экспериментальными данными наблюдаются в случае рассеяния тяжелых ионов легкими шсенямл, когда имеет !.:есто предельный угол однократного рассеягпя. Так в случае рассеяния конов Сз+ поверхностной гранью (100) монокристалла молибдена при Дскзешга иона в плоскости {110} установлено, что да-:.:э при энергии Ь'о=700 эВ наблюдается существенное смешение о ксперкменталькых спектров в область болших значений Е по сравнению с рассчитанными Наблюдаемый эффект не мс^ет быть интерпретирован в раиках модели ППС, поэтому была про. ведена теоретическая оценка пр,ие-н:е.:ост:: модели последовательных парных столкновений в зависимости от энергии Е0 и радиуса действия потенциала. Величина энергии рассеянного -.цона определяется числом атомов, существенно влияющих на ' изменение.траектории движения. В модели 1И1С рассматривают один, блгскайащй атом, а влиянием остальных пренебрегают. Ошибку,- вносимую этим пренебрежением, можно оценить по величине остаточного члена в потенциале ион- атомного взаимодействия, характеризующего дей-

ст-пе всех остальных атомов. ,В качества парного потенциала был вся? потенциал Борна-Кайера:

4(1) - A■Qxp(-f) ' (2).

Показано, что с уцоньпсжнгм энергии Е0 погрешность в опре-делепяя энергии гас соя: ¡по го копа, глюс:г:ал пренебрежением влияния на «он соседних атомов рошет'^1, увеличивается. Эта погрезность существенно зависит от табора параметра о , Для обычно ;:спользус-::ого параметра 0 =0,^19 А модель парных столкновений • пртгыега'ма во веек исследованном Интерполе энергий вплоть до —10 гВ. При увеличении 6 погрешность возрастает я для о > 0,5 А и Е0«г 300 оЗ ска составляет белез Это означает, что модель ППС становится неприменимо ¡1. Проведенная сценка позволяет такгле сделать вывод о том, что потенциал взаюгодеПстзия иона с атомами твердого тела з области анэргий Е =Ю-Ю3 зЗ должен скачительно отличаться ст потакала (2).

Итак, рассеяние тяжелых ;:опоз поверхность'.:! твердого тела в области низких онзргкЯ мо-.ет быть описано только в рамках ?:оханчс:-'а тлкогочзстичного зза:й50деЯс?с:!я. Поскольку иногочасгичнос г.?.?кчод9Йствяо - задача »яогях тел, которая в аналитическом к:-;дс кз рсгастся, атсдатог.! этапом наших коетмтертле рзечзтоз ярилось иоделкроганяо рассеяния "оноп уперлдочегакз» структурна! методе?.» уэлекулярноП дина-плки. Впсргао г.::..">улскт:Л Впяьярдем к проблема динамики ра-гуяигюггыс: .:'е!9пто:;, г.тот метод япеследстЕяе получил-широкое использование! г. модзлирзвгиша рассе/Я51н атомных частиц

ПЩеСТЕСМ.

В г-:а.~еп г/сдели •гнлгзкь СДК-тппа была выбрана в виде кластера, с^столт/гго кг> носсолыг.ес (Ы~-9~13) атомов, и отличалась от чодс.-еи, челотьзусг'чх з других ргоэтах и глдп ггнкроириеталл::"! СВ.чкьярд) или блока а?о:-.'эп (ЮрпсогЫ. болья:гг колите-аггел? атомов,'то мок»:одсйсте:::. ото с^-ест;;?:--:^ сут~?л6 с страта таеткного врз?.:с:-п:.

Если гок ?гстггодеЛет г.'в"' с.;/ атс-.с?»ч крлсталлнч.-ско'; резетгщ, то г--;.гль~и'г;:агг такой еистегл: птхг'ется в -Ш'де

" = +t/oi(*) (3),

где P и m - айцульс и касса налетащего ясна;

и М - импульс и масса t -того атома мишени; Vc: (z) - потенциал парного ион-атомного взаимодействия.

Производные от (З)'по импульсам (обобщенным импульсам) я координатам (обобщенным координатам) дают уравнения движения з гамильтоновой ¿эрме.

Ъ- Эх

эч_

L

дН dpi

(4), где 1=1. N' ( /■■/'- полное ч:-;сло частиц в системе)

Данная система (система обыкновенных диЪ5ереншалъкцх уравнений) имеет решение для М' =2 (задача двух тел). Для. ,\!'>2. 'единственны?.! способом решения является метод численного интегрирования.

Проведены маожшие расчеты полеяекия шгхоч и етпеыениЛ их интенсивности и спэктрах рассеянных ионов при бомбардировке поверхностной грани (001) монокристалла всльорг-.-ма (Т=1£00 К) в кристаллогра|аческо?,1 направлении <110> с использованием потенциалов Еорна-?.!аЛзра ЧЕЛ) и Цкглера-Б::р-зака-Лкттмарка (Ц21) для фикенрозапньг-: углов падения и разках значений энергии Е . Результаты сравниваются с экспериментальными спектрам; и гистогра?,петли энергетических распределений, рассчитанными в прибли-энип ШС. Показано, что результаты расчетов методом УД с потенциалом ЕМ соспадают с расчетами по бинарной модели к сильно отличаются от зкеперл-.цектапьных данных. Это связано с короткодейстьпе:.: ЕМ-потегч-цпала. Использование более двльнодейстцузщего потенциала ЦЕЛ улучшает совпадение с опытна?,га данными и указывает на то что моделирование"рассеяния методом глолекулярной динашки

л

j

лучсе согласуется с экспериментом, 'тем •лоделярояаиаа методе?! ППС. Однако, полного согласия эчепержентадьгах и теоретических. данных не наблюдается. Ото согласие достигается с введением умета сил связи атсмоз кристпллпчсеке;: решетки млн дополнительно го отталкивания от чегузетЬиих областей .кластера, связанного с об.мекн-в! п слпн-пслярнзацпо-клл.! изан??оде'"стеме,в иерекрнвагщхсся элехтрогоЕК оболо^егг бен-бардигг/шцего иона и кластера, аоетоящеге из 5лнале"т:;п;: атомов мишени.

В наших расчетах влкпнпэ с:ш селен учитывалось введением парного потенциала гармонического осциллятора ¡масто-та-подгенс;;ег! параметр), который с-зязц-ал атемн в кластере (состоящем из 5 атомов) ме.~ду собой:

(5),

где (¿2 - равновесное расстояние ме.мду атоми.гд ' вишени; и гj - рац;г/с-ве::торы атомов м/глени; к - постоянная потенциала гармонического осциллятора.

Атскя кластера балл связаны с 13 атски" неподевекноП .матрицы, модел;трух'лей влияние всех остзлыпе-: атогаз твердого тела, предотвращая разлет миленл при бомбардировке налетающего иона. Интегрирование уравнений дв:~ення позволяет расспггывать окергин пиков "квазнеднзкратного' и "нвазидву-краткаго" рассеяния ц относительные интенсивности этих пиков с учетом ¡гяогсиастлчного взаимодействия и с;:д связи (Таблица I).

Таблица I: Положения пиков в энергетических спектрах рзссеяыак (001) V-/ ионов С$+, рассчитанные различными способами и наблюдаема экспериментально (Ео=190 зЗ, .

Способы расчета ч =3? V е/Е3 53°, Е/е

пек I шак П пик I пик П

Эксперимент 0,19 0,34 0,23 • 0,44

Метод Ш1С 0,15 0,24 0,15 0,23

Метод !.Щ с потенциалов Щ 0,15 0,26 С.,15 0,23 -

То лге с потекцяалоа Е.! »-суясь 0,15 0,20 0,15 0,23

То ко с потенциалом ЦШ С,22 0,36 0,19 0,30

То ке с потенциалом ЦБД+сиязъ, 0,22 0,36 0,21 ' 0,32

Дополнительное отталкивание учитывалось потенциала:.'

, глд ■

' ' £ г В

где й - нереальная к рассеигяед&л поверхности координата;

. Л ¡: В « конс.такты. Конслнга А подбиралась для лучшего совпадения с экспе— р;:..:гнго.-:, а кокета;:?*:. В ваодаухрсь для исключения особенности при Е =0.

Тогда тЬмьтокиагг. еист-змы, включающей бомбардирующий кон и yлй^■cp^ сэжохз-;?. кг. /V ьталв СЦК-реззтки, предс.тавит-

с-л

. . н = н0'+ У(2> (7),

где Н0 'выраглетсп формулой (3).

Он аналогичен гамильтониан, ^спользованноцу б. работе [5].

Расчета показали, что уча? дополнительного отталкивания приводит к лучше?;у согласна с эксперименте:*, чет учет сил связи»

Дальнейшие исследования били нацелены на изучение влияния пространственной ориентации кристалла на энергия рассеянных тякелых ионов. Методе?.« !Щ с учетом дополнительного отталкивания прозедсно моделирование рассеяния ионов Сз"1" поверхностны?.:!! гранями (COI) i: (ПО) монокристалла молибдена (Т=130С К) в различных кристаллографических направлениях для условий, соответствующих экспорт:сигаль:~г,г ( t> -55° и ^=70°). Прицельные парамзтры равномерно распределялись ст - d/2 до +d/2 вдоль выбранного кристаллографического направления ( d'—- ¡гелатегиое расстояние). Расчеты проводили с потенцлалогг Пдглера-Енрзака-Лпттгхарка.

Моделирование паяв ил о качественно, различный характер рассегзпгя в направлениях <1С0>' и <П0> . Знергетпчзскяв спектры яоков Cs+, рассояяких п хрисгаллогра-^ггеском направлена <ÍI0> состоят" ту дтух ronco з, соотвгзстгукцгк: "кзлзкодкократному" рассэянгсз.

Здесь, как и ранее-, под. ¡с^асподиокргткцц подрагу:дакге?ся -тс.ксй акт г.зпгюдэ'Лстглп, прп' истоло": энергии отдачи пзро-дг.ал'ся з основном одко::\* are?.-/ ?г,алс:л!» Езслглсдзйстппе л:о с осталькалгл атс?»аг;г поаголяст'рассеяться на угол Ф , с*0Л1Л!;;'1 предельного угла- одчокра-гкого ссударекчя Аналогично, для к-азпдг, "Кратно го рассеяния энергия отдача распределяется э оспозкогг- г.'.слег/ дгупл атсма.-л' цепочки <П0> .

При рассеянии tf KtaíjSaSieraa <Ю0> когда «szsTors-нсе расстоянию уменьшается ст aдо а. (а.- постоянная решетки), энергия отдачи плавно перераспределяется :?е:кду д"/?<я атоками цепочки в зависимости от параметра удара, что приводит к исчезновению структуры спектра (квазиодно-крзтный к квазндтукратный пики не разрешены, спектр кгеет колоколообразный вид). Это отрззеко з таблице 2, где приводятся рассчитанные значения энергия рассеянных ноноз и • энергии отдачи атомов нстенн для ддух значений параметра

А, входящего в л-ор^/лу (6). Из таблиц» так-ле вадно, что рас-" сеяние при ^?:е?ргпк напетгягцих частиц эВ происходит

исключительно на поверхностно: атомах.

Различий характер рассеяния в направлениях <П0> -ц < 1ГГ > свчзя.н с уменьшение.'.: межатомного расстояния. Это приводит к то;.;у, что влияние соседей настолько велико, что рассеяние в направлении <ГГ> происходит от кластера как единого целого. Однако, экспериментальные спектры имзэт колоколо-образк-гП пид при К «51 ГС эВ для лвбцх направлений. Главной причиной исчезновения структура спектров и 'уьеличекиг. долг, энеггпн, сохраняемо рассеянию« частицами, является дальнодействие реального кон-ато;,:ного по?енциала на бэльпик расстояниях ( -¿>1,5 А) по срарнен;пз с используегсг»: ЦБП-потек-ипал:л.:. 7см к-з г.:енео расчет;; по данной модели-находятся в достаточно ягрозоч: согласии с экспериментом.

!.!одйЛ1:рог<и?ие рассеяния в направлении <11 "> приводит к п-л-яг-ненп:-: одного пика в энергетичеекг;-.: спектре, псэто;.у в сто:.: случае возможно прямое сравнение с экспериментальными зависимостями относительной энергии, сохраняемо.*: х;ассе-яг:яц:.:и иенами, от начально?. энергии Ь'0. Установлено, что при лт.бык значениях параметра А в феноменологическом потенциале (С) разгеяииг. на грани (Ги) дает бсльзие значения ссхр'н-^-е^оп- энергии по гривнеказ с рассеянием на грани

За" сс".":/.;устзя. с экспт-р'.-.ме.--:том и указывает кн. а*, -:; '• '.--а :-:*;.- - ;-г-а-,-:7,.п-нок»ыо г области низко); зпзр-

гпн сгя?ч?л-' с ;.:?г.">го:;аст::ч:-:;г^:;; г-эа::чо-

.-.*. ..-;• '.-•.'... "-' "а/ аа.- "г.олкпте.лькзго отталхитакия сдгигаст расчет1:-'? гриппе в область более ицеэких стксси-тсльг:;-;: акаагп:; :■: у",г-:л:г.ст согласие с экспериментам.

'..".::тгдг;-.: ,%:олс-ху.*:.-р:л": орбита.-ей, построении ъ гиде . :ан:е:и::п атомных срОитале*:, проу-едены расчета

:-:3!-:-ат-.''>:нсгг, потенциалу изаимедс^етция У5 (г) для система: К~~~ V » ера ;чптель::ое ис-деллрзк'игис рассеяния коков К1, попср::::ос." ьк ванадия с использованием рассчитанного потен--пиала и :;сте::циалоь Езрча-.МсГ.орл п Цпглерз-Бпрзаха-Днттмар-

Таблица

Экспериментальные (п максимуме энергетического распределении) и рассчитанные значения анергии рассеянных ионов Cs1' и энергии отдачи атомов мишени. ( ^ -55°, у =70°, Е -¿¿0 оВ).

грань, направление эксперимент расчет, ûB>Â2 Энергия, coxpa-' няемап ионсм Энергия отдачи атомов мишени СэЗ).

E/E, оВ отн. I о 3 4,5 и,6 - 7,9

(CCI), 0,39 h--Q 26 O, Jû 12,5 39,5 з, .3 0 Li

<IlC> A-5 31,4 0,39 10,1 37,4 v,02 V. о1 С, 3.1

(COI), 0,49 _ - A-G 25. . 0,31 36 14,4 • 0,32 0,74 С, 31

15 0,10 60 0,14 Vi 0,24 С ,35

< IIG > A-5 3ô,9 0,46 23,1 19,1 C',û . Û,;I

••■о О f Сл 0, 2d 56,2 2,1 0,1с 'л " 4 0,2 0,2

(IIC), 0,43. A-C ■ - 30,4 ¿o, 5 10,6 -.3 Л 3,5 0,1 i

<00I> A-5 34,7 0,43 9,9 34,1 ч. , . ^ u, 47 0,Л

(IIC), 0,35 A-0 36,3 0,46 16,6 14,5 ... О 5,1 к,

26, b' 0,33 4b, о 0,1 1,2 \ ° -J 1

<ÏIC> A-5 . 42, о 0,54, 12,6 14,3 3 4,5 ^ i vO

26,Ü 0,3ô 45,6 С, 13 6,-4 0 1,4 и, Ь

Парные ион-атомные потенциалы, используемые в моделировании рассеяния конов на атомах кристаллической решети:, как правиле, получены из экранированного кулонззского потенциала. При этом 'Ъ/ккиия экранирования вычислялась двумя способа'.::'.:

на основе статистической модели атома Томаса-*ерми -пли Томась- 1ерии-Дирака (потенциалы Томаса-1>ерми, Томаса-»-ерми-Г'ирсова, Мог. ьера)и гу тем варьирования параметров фикции эк-ранирования до получения совпадения, с экспериментом (потенциалы Зорка-Майера, •Цпглера-Бирзака-Лкттмарка). Другим способом получения потенциалов парного взанмодейст- ■ вия является проведение самосогласованных расчетов электронной структуры друхатомных к;оле:ул.

Вычисленные полные энергии квззимолекулы к"- v , мина гГ :: атома V позволяют вычислить потенциал взакмздей-

С?РЛ~. В 7Г.110

V, (г) = - Е^ - £у . _ (с)

Рассчлтккга:.': потенциал был аппроксимирован дцухзксяэненшг-

альной тун'сцпсГ: т;

4г [гШ -ехр (-5.5/7г '¡I- 171.2 • ехо(- С?)

г'<лос;'нл о.;::..*'' ко;:.', ^е.-,: ги:

н;:-: с о !■., онер:';;), зззичэде -стгс.\ в э..;'.

' ■ (г) оказатс.л бел?е да.льмодейстгг,'-Цег:.грч-Бирэа.^а-Литил-рка. С :" г ;.-:с:-:он::л алиями." пила лотенниало на вслкчк;-/ исаЩГлсног^соеян'ллм ::о::э?.: энергии при гнзгочастичч:,::-: г.Рг.с,:оде.':ст1;:;ях бь^с проведено компьютерное модзл.тсоь лше с:трах-:енг..ч покер К" пт :.:око~ и поликристалла ванадия и, ти-тлгй. с ;-:спольэо?ак;:-.--м разлишпл: потенциалов. 3 качестве шузекн ГСч-?;;па. был выбран кластер, состо.сдей из ? сто:.;:-з.

падения к рассеяния соответствовали экспериментальным С ц' -£5С и и- =7Г-°). Температура мишени, как и в эксперименте, С.'ола равна --'1201' К. Рассчитанные по модели гпасте-

pa с разными потенциала:.« траектории деления ионов !С, рассеянных V (112) в направлении <П"> и <Ю">, для энергии В эТ оказались существенно отличассдаися друг от друга. Это обусловлено различным характером рассеяния при использовании соответствующего потенциала. Сбредает на себя внимание тот ¿акт, что в случае перехода от менее дзльнодеЛструхцего потенциала БН к более дальнодеЛсттуетлм Ц£1 и Ys(z) наблюдается увеличение расстояния наибольшего сбл'.гленпя налетающих ионов с пог-ерхносгья. Так ддл БМ-пэтенциала при рассеянии ч направлении <11J> имеет место проникновение ионов в глубь решетки и отпадение от второго слоя, тогда как для ЦБ.'!- л Vs (г) - потенциалов проникновение отсутствует при любых, параметрах удара.

Для более плотноупакоззнного направления ¿I - .> проникновение ионов не имеет места ни при каком потенциале. Однако, характер рассеяния различен. 3 случае использования рассчитанного потенциала отклонено ионов от первоначально го напраятения происходи? на больших расстояниях от кластера, чем при использовании потенциалов Борна-Иайора и Циглера-Нлрз-ака-Л иттмзрка. Это указывает на увеличение ор'Ьекта мно-гочастлчгепс взаимодействий для дальноде.Тствушщего потенциала. т.е. ка существенное влияние соседних атомов на траекторию нона. Как уде отмечалось выше, такое злллтлвэ особенно сказывается на давлеронцпалькьпс энергетических распределение рассеянных ионов, приводя к их сдвигу в область Солее высоких значении относительно;*! энергия.

Я таблице' 3 приведены рассчитанные значения относительной энергии рассеянных ионов Kf з направлении <ПО и < ICO монокристалла ванадия для условия зеркального отражения ( ^'=55° и ф =70°), а та:ске положения пиков з экспериментальных спектрах при их отражении от поликристалла. В расчетах использованы далькодейстёукщке потенциалы Цш и Vs(z) . Результаты расчетов показывают, что энергетические спектры состоят из ддух пикоз, пелопенпл которых на знергетическо-л шкале соответствуют высоким значениям энергии и в основном

t—<

» V

4 Cl

i «

ir:

О л г'

с * -

о *—* ci.

*—■ с?

V г:

TT о

Г г>

С." с» il

Ш

О W. с-

7" с>

.1 г;

О !.. с.

X X

с? Г"

Ï- о И

О

О Г-

О

1

Р г; р4

О

и: Г—

О

с."

...» г-

л

fTi

í ti

£ s •*-»

CT *

Ь— «

п *->

«

sí?

jtrr SC 5». с_>

<о

■сг

LO 41

CT *

О"

•о

то

•о

СГ

о

«о

CÍ"

-ч-

«о

«

i=¡ »-»

ЕЕ »о

' ers

(С

•о

<Zí'

s •

о ■

С!

с>

-ч-

«о СГ

I

«чг- m О»

ос? «ufl

.. г- оГ t С5

-ч- оГ -V

о

I

о

О

ci

П.*

г-j

о О tTî

•"П чг Vi

О от 5 ^

-í- -

S i

i

i

К

в

эе

t

Таблица рассчитанное значения относительной энергии поноп '-г1-, рассеянных Tí (ПО) п кристаллографическом направлении ¿IIO> и <ЮО> , с использованием 1ГЕЛ nVs(i1- потенниплог« и экспериментальные данные и Ч' := 70°)

SKCflSPHMEHM, ПОАИШСШЩ Ршет , i'H0> PACUSfí, <W>

VijSA K) Vi Vll«A fl) Vi (i)

эЕ КУ Rl £ íí- fL'fl'V 4U ¡íisíilSII" скЗкзаь Ji«' h í/h Ц1Ш2Н- слизень •T|; J» m0 Ш1ШН -CHcilOCüU J< JA E/Eo HnmíH -сийнос ть : Зг

1пнк llieblli JüJí ItiHK Яш InsK Япки IfiUX íí fina 1ПИЙ ЯмК

so - - - fts'3 •i: 0,74 0,15 0,57 b-0,2 Í>ÍÓ - - 0,24 0,5 s V. 0,75

so •- 0,36 - 0,53 0,68 4:0, í S Q2J Г- 0,3 QSO 0,59 J: ? 0,52 4: 0,7

№ ф 0,55 •• w 0,63 b" q<57 0,23 í|57 1 M 0,40 0,59 0,0.4 0,22 0,55

■150 w - - -- ... - ~ - - - ~ — ■

200 0,33 H 43* VOJi <Vá 452 1.4 1:0,7 a o,r/ 0,50 f: 0,60

Воо 0,25 Ш - - - - - - - •• -

согласуются с экспериментальными данными. В ряде случаев я~я малых энергий (Е <100 эЗ) пики становятся неразрешенными. Это указывает на сильное влияние соседних атомов решетки на процесс рассеяния и свидетельствует о то?.?, что отражение ионов от кластера происходит как от единого целого. Аналогичные результаты были получены при бомбардировке ионами гГ монокристалла титана с использованием тех не потенциалов (таблица А).

Та к и?.: образе«, проведенные теоретические исследования рассеяния ионов К~ низкой энергии поверхностью ванадия и титана у стана в-ли раит многоч.чстичний характер взаимодействия ионов с поверхностными атомами кристаллической резетки. Выбор потенциала взаимодействия и метода расчета энергетически): характеристик рассеянных частиц существенно сказывается на их численном значении.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ЕЖОДУ I. На специально разработанной сверхпысоковакуумкзй экспериментальной установке, обладавшей высоким угловым и энергетическим разрегпе-гнем и способной с помог,ыо премяпро-летной методики контролировать вторичные иены по массам, изучено рассеяние цэлочных ионов низкой энергии (Е =¿0--114:: оВ) поверхностен поли- и монокристаллов многих ;/е-таллоо. н-лходя^цгел при температуре 7-0,7--С.,с 'С -•

а; ¿ля случая у-! > I механизм рассеятлл ионов тверд:.-.: телом полностью огг/.сн-ается моделью парных столкновений вплоть до энергии 4.": оВ, о чем свидетельствует независимость относительной энергии.рассеянных ионов от энергии бомбардиревга? Е0.

б) Для случая /1^1 в области малых энергий (Е0*г 500 эВ) оэнарухивается нарушение бинарности столкновения и квййыонц« «погочас'ймги^х «заимодайеткйй, на что указывает каблцдаеш з&вяеакйс-гь ежоеяшыюя оггергня В/Е0 о? Е .. Определена шашяя граница' (по онер.л«:) применимости модели последовательных парных столкновений. Установлено, что эта граница определяется соотнесением масс и родом

~;3I -

«

сталкивающихся частиц.

в) Для случая механизм рассеяния тяжелых ионов поверхностью описывается многочастичными взатаодействиями. Установлено, что независимо от соотношения масс атома мсте-ни л налетающего иона имеет место рассеяние на углы >]/ , значительно превышающие предельные углы при парном соударении , а относительная энергия рассеянных нонэв нелинейно возрастает с уменьшением энергии EQ, сзндетельстцуя

о многочастичном характере взаимодействия их с поверхностью. Кривые зависимости энергии рассеянных ионов и их интенсивности от угла падения имеют максимум при угле и> , равном или близком углу "зеркального" отражения, а энергетические спектры независимо от углоз падения и рассеяния имеют вид гладких колоколообразных кривых и существенно сдвинуты в высокоэнергетическиЯ диапазон.

г) При рассеянии ионов монокристаллами с энергией 20> 500 эЗ в спектрах наблюдается структура в виде наличия нескольких пиков, природа образования которых связана с парными одно- и многократными столкновения^! иона с отдельными атомами поверхностных цепочек. 3 области малых энергий структура спектров исчезает. Отектры представляет собой :«з-локолообразше кривые с четко шраз-екным макси:,5уцом, положение которого на шкале энергий соответствует высоким значениям энергии рассеянных частиц. Наблюдаемый эффект обусловлен механизмом многочасткчного взаимодействия налетающих ионов с поверхностными атома?я; кри с т ал л ич е с к о и решетки.

д) При рассеянии ионоз монокристалла",гл обнаружено влияние ориентации кристалла на величину сохраняемой ssmm энергии. Ориентацнонкые .эффекты свидетельствует о многочастичном характере взаимодействия, который проявляется тем сильнее,. чем меньше межатомные расстояния и энергия бомбардирующих частиц.

2. При рассеянии тяжелых ионов .мппентзи находящимися в криогершых у ал овиях, установлено, что в зависимости от рода мишени низкая тегтпература (Т=78К) селективно влияет

па фору спектров и положение их иаксгоума на энергетической шкале. Для металлов с еысоким коэффициентов теплового расширения и небольшой атомной массой она приводит к эа-ьззткоцу смещению энергораспределенкй в Еысокоэнергетичес-кий диапазон, тогда как для металлов с небольшим коэффициенте:.-* теплового расширения и достаточно большой1ато?.шой кассой ото смещение практически отсутствует. Обнаруженный эффект подтверждает механизм многочастичного взаимодействия к свидетельствует о влиянии с*.1Л связи атомов реаетки на энергетстеекпо характеристики рассеяния. Установлено также, что связь сказывается сильнее в случае отражения конов от ккаеней с ь:сньш;ап1 атомными массам;:.

3. Энергетические спектры тяжелых ионов, рассеянных, металлическим пленками сложного состава, порченными в процессе иокно-плазценного напыления, обладают структурой в виде наличия нескольких пиков, обусловленных отражение»; налетающих ионов от элементов, из которых состоит пленка. Показано, что низкознергеткческое рассеяние тяжелых ионов «окно использовать в качестве инструмента, позволяющего судить о структурном состоянии сложных поверхностей к, в частиост:;, как катода контроля плотности пленок любой

исследовано гл*дянзе адсорбция гтечов из пзрвкчного пучка :: к'зге;с/д остаточного газа в прибери на' вид энергетических епеитрег рассеянных ионов. Установлено, что г.етод обратного расс2ягс-:я конов'низкой энергии весьма чувствителен к зсгрясиенст поверхности чужеродными атома«::. Изменение фот;..г,.; ся-ьктро» просматривается уг.о при степени покрытия поверхности атоааии из первичного пучка 9 =5 -Ю""'".

5, Предложен истод аналитической оценки погреснастк приближения последовательных парных столкновений по величине остаточного члена полного потенциала взаимодействия ионе; с .поверхностью твердого тела. Показано, что погрешность, вносимая в энергия рассеянного кона из-за неучета взаимодействия его с остальными атома:.;;: решетки, возрастает

с уменьшением энергии Е0 и с увеличением радиуса действия парного потенциала.

6. Методом ППС проведены расчеты энергетических распределений тяжелых ионов, рассеянных упорядоченными структура,'«. Из сравнения результатов расчета и эксперимента определена нижняя граница применимости метода для моделирования рассеяния этих ионов поверхностью твердого тела. Показано, что данный метод становится неприменимым при энергии бомбардировки Е0< 5СС эЗ.

7. Методом молекулярной динамики с использование?! потенциалов Борна-Майера и Циглера-Бирзака-Литтмарка проведено моделирование рассеяния тянелых ионов низкой энергии мияенями СЦК-типа. Установлено, что расчеты методом 7Д лучзе согласуются с экспериментальными данными, а сам метод блике к реально.'^/ механизму взаимодействия бомбардирующих частиц с поверхностью, чем метод ППС.

8. Исследовано влияние дополнительных взаимодействий, уточняющих модельный гамильтониан метода молекулярной динамики, на рассеяние ионов монокристаллами. Установлено, что учет дополнительного отталкивания, связанного с взаимодействием перекрывающихся электронных оболочек сталкивающихся частиц, или сил связи атомов твердого тела приводит к сдвигу пиков в спектре рассеянных частиц в область более высоких относительных энергий и существенно' улучшает согласие

с экспериментом.

9. Методом молекулярных орбиталей, построенных в виде линейной комбинации атомных орбиталей, проведены квантово-химические расчеты потенциала ион-атомногс взаимодействия для системы и К4"— Т£. . Рассчитанный потенциал оказался более Дальнодейстгопощим, чем потенциалы Ш и ■ ЦЕЛ. Изучено влияние вида потенциала на энергию рассеянных ионов. Показано, что моделирование рассеяния с использованием ,У;(г) потенциала приводит к лучаему согласию с экспериментом, чем моделирование с потенциалами Еорна-Майера и Циглера-Бирзака-Литтмарка.

Публикации. По теме диссертации оцубликовано 23 научных статей, более 20 тезисов и кратких содержаний докладов в сборниках материалов Всесоюзных конференций, совещаний-семинаров и симпозиумов; получено I авторское свидетельство об изобретении.

В том числе

1. З.й.Векслер, В.В.Евстифеев. Групповые и последовательные парные столкновения при рассеянии ионов Cs+ монокристаллом вольфрама //ЕЭТЗ, 1973, т.64, Х- 2, с.5Св-575.

2. А.С.Аваков, С.5.Белых, З.З.Евстифеев, Р.Н.Евтухов. Источник ионов щелочных металлов //ГПЭ, 1972, 4, с.33-34.

3. Ю.А.Агадаанов, З.И.Векслер, В.В.Евстифеев. Угловые деформации энергетических спектров ионов С>+ при рассеянии их

поверхностью монокристалла молибдена.//iTT, 1976, т.17, вып.6, c.I8IG-I8I2.

4. З.Н.Зехслер, З.З.Евстифеев, К.М.Крылов, Л.Б.£\удряпова. Временные зависимости рассеяния медленных ионов щелочных металлов //Поверхность, ¿из. ,хич.,мех., 1937, .V 5,

с.149-151.

5. Н;Н.Назарбаев, В.В.Евстифеев, Н.М.Крылов, Л.Б.^удряиова. Рассеяние тяжелых ионов малых энергий //Поверхность, inc.,хим.,.мех., 1968, У; 9, с. 140-142.

6. V.V.Evatifcov, I.Y.Ivanov. Computer ai~-alation of Сл ior.

. *

sciitterir.G iron а V/(lOO)surface //Surieoo Science, 1S5S', v.211, p.L373-I>376.

7. H.H.Назарбаев, З.В.Евстифеев, К.M.Крылов, Л-Б.Кудряпова, Влияние ориентации кристалла на энергия рассеянны?: конов.//Письма в НГ5, 1990, т.16, вып.7, с.63-91.

3. В.В.Евстифеев, И.З.Иванов. Компьютерное моделирование влияния ориентации монокристалла ГЛо на рассеяние низко-снергетичесгсас конов C,s~ //iril'O, 1931, т.61, вып.12, с.132-135.

9. В.В.Евстифеев, И.З.Иванов. Компьютерное моделирование влияния сил связи на рассеяние медленных коков CsT кокскрксталлом V.' /Известия АН СССР, сер.фаз., 1990, т.54, .V 7,' с. 1244-1245.

-т-35 -

10. Евститюев B.3., H.W.Крылов, Л.Б.Кудряшова. Сравнительное изучение рассеяния тяжелых и легких ионов упорядоченными структурами //Поверхность, ¿из.,хим.,мех., 1992, ?? 5,

с.24-26.

11. З.З.Еясти*еев, Я.З.Иванов, Н.М.Крылов, Л.Б.Кудряшова. Рассеяние ионов Cs+ низкой энергии на грани (001) Mo. //Поверхность. 2из.,хим.,мех., 1932, 6. с.59-62.

12. В.З.Евстиреев, И.З.Лванов, Н.М.Крылов, Л.Б.Кудряпова. Окспериментальное исследование и компьютерное моделирование рассеяния ионов низкой энергии поверхностью металлов //Поверхность, ¿из.,хнм.,?/ех., 1993, .'," 3,

с.35-41.

13. З.З.Евститеев, И.3.Иванов. К расчету потенциала взаимодействия K+-V //Письма в 1992, т. 1с, вып.Id,

с.69-74.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Парилис Э.С., Тураев H.D., Умаров S.5., Нияняя С.Л. Теория рассеяния атсмов средних энергий поверхностей твердого тела. Тапхент.:2ан, 1967, 210 с.

2. Майкова Е.С., Молчанов В.Л. Рассеяние ионов средних энергий поверхностями твердых тел. М.:Атомиздат, 1950, 255 с.

3. Векслер В.И.,Вторичная омиссия атомных частиц. -Ташкент.: Фан, 1974, 265 с.

4. Арифоп У.А., Алиев A.A. Угловые закономерности взаимодействия атомных частиц с Тверда.» телом. Тапкент. : 5ан, .. 1974 , 285 с.

5. Ермаков Г.Е. Исследование взаимодействия медленных щелочных ионов с поверхностью металла при помсци вторичной ионной эмиссии. Канд.дисс. Ташкент, 1976.

о. Арифов ^.А..Аюханов А.Х.,Груич Д.Д. К вопросу о рассеянии медленных щелочных ионов с поверхности металлов.// Изв.АН ССиР,сер.физ.,19о0,т.24,)р7,с.710 - 714.

7. Hart K.G.,"Cooper С.В. Invectit~oiion of the binary model of scattering of 1 keV to 25 eV Ar+ 1опз from a Ca sur-fucc. // Surface Science, 1979, V.82, p.L283-L287.

8. Tugluuer Ii., Hciland >7. Surface analysis v.-ith low energy ion acatterlnc. // Appl. Phya., 1976, V.9,-I."4,p.261-275.

9. Hulpke E., ¡.'.aim K. Surface rainbow scattering of olkoli ions from motel surfaces. // Surface Science, 1983, v»1 33 p.171.