Захват рассеянных ионов спектрометром ионного циклотронного резонанса для исследования поверхности твердых тел тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи УДК 343.01

ФРАНКЕВИЧ ВЛАДИМИР ЕВГЕНЬЕВИЧ

ЗАХВАТ РАССЕЯННЫХ ИОНОВ СПЕКТРОМЕТРОМ ИОННОГО ЦИКЛОТРОННОГО РЕ301£АНСА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

01.04.17 - химическая физика, в той числа физика горения п взрыва

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

Москбэ 1093

Работа выполнена в хикичесгой физики РАН.

Институте энергетических проблей

Научные руководители; доктор физико -математических наук

E.H. Николаев

доктор химических наук', член-корреспондент РАН З.Л.Тальроэе

Офицначьние сппоненти; доктор физико-математических наук

И. И. Морозов

кандидат фмз:>> о-натематичеекмх наук Г.В.Карачевиев

Бгсдувдя организация: Московский инженерно-физический

институт

Защита состоится " "___199Э г.

в__часоэ на заседании Специализированного совета К

063.91.06 в Московской Фиэико-Техничрггои институте по адресу: 141000, Косконская обл. гор. Долгопрудный, Институтский проезд,

д.9.

С диссертацией можно ознакомится » библиотеке МФТИ. Автореферат разослан " "__Х993 г.

Учений секретарь

Ci'viiiJci fiHjiipoßaHHnro совета

haii,'it!r'i<»T физикс-чзятемнтичвег.их наук Кс^втуи В. В.

Общая характеристика работы

AKTjraльность_П£облеиы. , Спектроскопия ценного

циклотронного резонанса (ИЦР ) явчяется в настоящее вреня быстро развивающимся масс-спектронетрическим методом. В этом методе измеряется частота вращения ионов в магнитном поле ч по чей определяется их масса. В последнее десятилетие продемонстрирована возможность применения метода ИЦР для ретення различных задач, связанных со сеерхточнми определением масс атомов и молекул, изучением ионно-молекулярных реакций, анализом твердых тел. Универсальность метода HUP связана со следующими уникальными возможностями:' сверхвысоким масс-спектрэльнык разрешением," высокой чувствительностью. большим диапазоном регистрируемых масс, возможностью селективного разделения ионоз, □ также их длительного удержания, которые в Настоящее зремя перекрывают весь диапазон применения традиционной сектормо/i. время-пролетной, квадрупольной масс-слектрометрин.

В "последние годы появилось много аналитических • триловений HUP спектрометрии, связанных. - с исследованием юверхности тверд!« тел.

Цель_£а6отн. , Целью работы 4 является развитие метода :пектронетрии ИЦР в применении к исследовьнию поверхности твердых тел методом рассеянния медленных ионов и разработка ¡етодоэ внешнего ввода ионов с измерительную ячеПку :пектроиетра.

<г

Научная новизна. 3 работе впервые показана возможность юлользования спектрометра ИЦР для- анализа поверхности методом пссеяния медленных иоиов (РГ111).

На£чно-П[эактнчРская ценность. ~ Разработаьчая сх®на пектрометра ИЦР дли исследования поверхности методом РИЦ ткрыпает новые возмоззчости э области аналнэа твердых тг\л. Эта хема позволяет проводз-1ть комплексный анализ поверхности твердых ел как методом РКП, так и методом вторично-нинной эмиссии. Эго оэволит определять как состав поверхности так .ч ее структуру с ннимальнын разрушением объекта.

Разработанные методы захвата внешних ионог» могут найти

-г-

применение в различных аналитических приложениях ИЦР спектрометрии. связанных с исследованием поверхности твердых тел методами лазерной десорбции, вторично - ионной насс спектронетрии н другини, а также с исследоилниен ионнно молекулярных реакций с вродимыми извне ионами.

Полученные экспериментальные и теорегическне результаты ногут служить основой для разработки новых типов насс спектрометров ИЦР для анализа поверхности твердых тел.

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на семинарах лаборатории магнитных процессов ИНЭП ХФ РАН (Москва. 198В-1993). на 8-й конференции французского обпдастпа иесс-спектронетрнстов (Франция 1990), па 1-й ^рролейсгой конференции по спектроскопии ионного циклоторонного резонанса дБигефельд. 1991 I. на 12-й конференции по насс спектрометрии (Амстердэн, 1991на 2-й Европейской конференции по спектрометрии ионного ннклогронного резонанса (Бельгия, 1992 ). на Семинаре пользователей фирмы Брюкер по ИЦР -спектронетрии (Цюрих, 1992 к на 39-й научной конференции МФТИ (Долгопрудный, 1993).

материалам диссертации опубликовано 5 научных работ л получено _1 авторское свидетельство.

Объем^^т^кт^^диссе^тации^ Диссертация состоит из введения, четырех глав и общих выводов. Работа изложена на 106 страницах, содержит. 40 рисунков, списох цитируемой литературы ('Б наименований).

обоснована актуальность темы диссертации и сформулирована цель исследования.

В__пе£вой_;_главе дэн обзор литературы по методам , исследования — поверхности. рассмотрены ионные методы исследования, основанные на.изучении рассеянных ионов, такие как

"метод рассеяния медленных ионов и метод вторично - ионной

✓ 1

эмиссии.

* §2_212Е2Й главе описаны основы спектрометрии ИЦР, дан

обзор . аналитических приложений спектрометрии ионно циклотронного резонанса, связанных с исследованием поверхности.

В___1Е£1ьей_главе рассматривается предложенная

комбинация спектрометра ИЦР с методом РМИ. Исследуется разрешение и чувствительность данного метода при использовании — источника. произподящего ионы различной массы. Проведен сравнительный анапиэ предложенной схемы с уже известными схемами реализации метода РМИ. Показана возможность исследоэания поверхности гак методом РМИ, так и методом ЭИМС. j - В 2£I25EI22_C52Be проводится анализ процесса захвата и

..,овлния внешних, то есть получянньк вно измерительной ячейки, иснов. Рассмотрены различные механизмы захвата. как ухе известные, так и предложенные нами.

В_заключении приводятся основные полученные результаты и краткие вывали.

Основное содержание работы излагается низе в той последовательности, которая принята в дияеергации.

Методы исследования поверхности.

В общем случае при исследовании поверхности нас обычно

интересует структура поверхности. ее химический состав и

информация об ее электронной структуре. Существует нножество

методов и экспериментальных установок для исследования

поверхности твердых тел.

Наиьолее информа пиил методом исследования поверхности

является нетод рассеяния педленных ионов (FMH). Б метоле РИИ

исследуемая поверхность бомбардируется ионами, в качестве

которых в основном применяются ионы инертных газов с энергией в

несколько сотен эВ, и измеряется энергетический спектр

рассеянных ионов. Несмотря но то, что атомы в твердом теле

связаны между собой, кинетика первичного столкновения иона' с

атомом поверхности достаточно точно описывается г nr. простой

двухчастичное соударение свободных атомов. Можно показать на

основе законов сохранения энергии и импульса, если налетающий

ион с энергией Е^ и массой И соударяется с поиерхностным атомоп

с нассой (рис.1 ) и при зтои рассеивается на угол О , то

рассеяный ион имеет энергию , определяемую выражением: Е 1

* , ,2 , i/a я _ - ------- t COBn + (ft -sin П) ) . ,

К2. (1+А." "

где А = о. н знак см относится к д > 1. а знак ( - ) к А < 1

ГП I

При этон атои приобретает энергию, и если предположить вначале он покоите^, то о» отскакивает

углом О

так что Е_

4 А

- г------ сое о

Е„ ( 1+А >

энергией Е ^ под

(2)

М> Ео

М, Е,

м2Е2

Рис.1.

Схена упругого рассеяния ионов на атомах поверхности.

Закон сохранения энергии требует, чтобы выполнялось

соотношение

Е +

обеспечивает, таким оьраэон.

однозначное соответствие между О^ и О . Энергия рассеянных ионов для определенного угла выхода определяется только отношением пасс рассеивателя ' и • рассеяной частицы. Изучение рассеянных ионов и их энергии дает гакин оьраэом потенциальную возможность анализ» состава.

В экспериментах РМИ на поверхность направляется почти моиоэнгргетическиЛ пучок ионов с энергией 0,5 3 кэВ. и ' лзмеряе 1 сп энергия' рассеянных ионов. Направления падения I и раьсеянил хорошо определены, в этон случае величины Е , М н П

в , уравнении (1 ) фиксирована, так что измеренные энергии Е^ рассеянных частиц позволяют определить мае су рассенвате М^ (Смит, 1971 г. ).

Надо отметить, что метод РГО1 является чувствительный к первому монослою поверхности, т.к. в форнирова ни полезного сигнала принимают участие только однократные столкновении.

Другим нетодом исследования поверхности, основанным на изучении ионов, образующихся при иойноЛ бомКор-днровке поверхности твердого тела, является метод вторично - нл'чеП эмиссии. Основной информацией. получаемо?'в экспериментах Ш1МС, является спектр мэсс вторичных ионсв' как положительных, тэу. и отрицательных. Надо отмстить, что нетод Е И Г'Ю йеляпся чррзрычзПно чувствительным к составу повегхностч.

Как видно из вышеописанных,методов РМ»1 и перзый из

''них чрезвычайно поверхностно чувствителен, '""и с его нопошью , возможно определение структуры поверхности, второй - ГН'МС, обладает болыьоЛ информативностью по составу поверхности и-гозлоююстыо'пос-пойного анализа твердых тел

Представляет интерес объединение . этих методов дня комплексного анализа твердых тел. Это оказалось вознстнып, г ак будет показано в данной работе, при использовании п кач?стйе дзтектора спектрометра ионного циклотроннпгс резонанса Крэн? того, оказалось, что при зтон значительно улучтактс*! такие характеристики нетодов Р11М и ВК!1С как разрешающая способность а чувствительность, по сравнению с классчческнни схемами и>. реализации.

^ з-кспорименты по применению спектрометра НЦР длл

исследования поверхности били сделаму в начале 1060 годов 1: были связаны с использование!! ионных методов иссл^ доения поверхности, таких как комбинация МЦР-Спектрпм(?т ра с лазерной десорбцией и методом вторично-ионьой эмиссии (ЕИНС; (Кастро. Расселл, , 1901.), комбинации с методом плазно-лесорбини, нногофотонноИ ионизацией .

Основы спектрометрии И11Г

Спектрометр ионного циклетронного

резонанс а

(;.ШР I

основан на резонансном поглощении йеной, вращающейся в нагнитно» поле с циклотронной частотой и>о- чВ/т , энергни переменногс электрического лоля той *е частоты, приложенного перпендмкулярнс магнитному полю в плоскости вращения иона.

Для измерения насс ионов этим нетояон ионы запирают е ловушку, создавагмую параллельными электрическим и магкитньш полями. В плоскости, циклотронного движения ионов создают возбуждающее переменное электрическое? поде, частота изменения которого совпадает "с циклотронной частотой, и 'детектирует сигнал, наводимый этими ионами на пластины измерительной ячейки спектрометра, типичная ячейка спектрометра ИЦР представляет собоЯ куб, ссстсяя!ий из ь-ти изолированных пластин: двух торцевых (перпендикулярных магнитному полю), создающих

I

потенциальную яму, 2-х возбуждающих и -2-х регистрирующих (параллельных нагнитнону полю!. Последовательность импульсов для измерения спектрз^ионного циклотронного резонанса следующая: сначала идет импульс ионизации, в течении которого некоторым образом (например электронным ударом или вводом извне ) в ячейке создается ансамбль ионов, затем -импульсом резонансного электрического поля ионы раскручиваются до определенного радиуса и регистрируется сигнал, наводимый этими ионами на пластинам, включенных в детектирующую цель широкополосного усилителя. Сигнал представляет собой ^сумму косинусоид, частоты которых соответствуют- цнклотроииьэт частотам ионов, раскрученных-импульсом возбуждения. Через аналого-цифровой преобразоЕ-атель этот сигнал в цифровой форме поступает в память ЭВМ и, с по.чоцью преобразования Фурье, определяются эти частоты и количество нонов, соответствующее каждой из них.

Для реализации основного преимущества ИЦР-спектрометрии высокой разрешающей способности эксперименты должны проводиться три очень низкон давлении { < 10 8 Горр ). Эти требования к давлению несколько ограничивают набор типов ионизационных н^тодезкоторые когут быть использованы сезнестнс с ИЦР - пасс-анамкоп. Длл того чтобы устранить эти ограничения было предложено два варианта схем: это использование двойней ячейки ИЦР и' применение внешнего ввода иониь.

Ячейка спектрометра ИЦР/ЛФ может захватывать ионы не только' созданные внутри нее. но и вводимые извне. Захва. может быть осуществлен путем понижения потенциала.одного из эапираюиих электродов с последующим быстрым его повышением или к-дкин ли6г> другим способом. Внешний ввод ионов значительно расширяет возможности метода ИЦР ПФ в мелом, так как позголяет применить все разработанные методы ионизации дпя создания ненов, в частности, нето'ды ионизации твердых тел.

Использование внешнего овода ионов позволяет реализовать предложенный нами метод исследования поверхности, основанный на комбинации метода рассеяния медленных ионов со спектрометром ИЦР

Реализация метода РМИ на спектрометре ИЦР

Способность измерительной ячейки ИЦР захватывать внешние ионы определенной энергии была использована нани для создания установки на базе спектрометра ИЦР, позволяющей исследовать поверхность твердого тела методом рассеяния медленных ионов.

Схема установки для исследования твердых тел показана ча рис.2. Первичные ноны, образованные в. ионном источнике, ускоряются, проходят через измерительную ячейку и соударяются с исследуемой поверхностью. Ионы, отраженные- от поверхности, эахватаваются и дет актируются измерительной лчейкоП спектрометра. Как идзестно ячейка ИЦР может захват'лвать внешние иены с энергией, равной U » ди, где Д!1 - разрешение я leflrn г<о энергии, которое зависит от типа применяемого способа захвата внешних ионов Если изменять теперь потенциалы - катода и noaepytjocrii, но так, чтебы полная энергия ионоз сохранилась той же. то ячейкой ИЦР будут эахяатызаться и детектироваться ионы с различной энергией. Изменяя потенциалы катода и поверхности, можно получить весь энергетический спектр отраженных о-поверхности ионов. Используя величины потенциалов катода и поверхности в диапазоне 100-3000 оольт мотшо использовать рее выводы, полученные при рассмотрении стандартной схемы РМ1. и знергетнческий спектр рассеянных ионов должен нести информацию о поверхности. ^

Для исследования возможности использования комбинации методов РМИ и ИЦР ПФ был проведен эксперимент по исследованию состава тонких' п пенок Ь'е СЬвжЭ- Со С13Ю- Т'тС20!0. применяемых для магнитооптической записи. В качестве зондирующих ионов использовались ионы Ыь*.

01Ц-

Рис.2. _

Схема установки для исследоЕвния поверхности тверди* тел комбинированным неюдон РМИ/ИЦР.

1-термоионный катод, 2,З-управляюшие диафрагмы, 4-направление мьгнитного поля, 5,в-за^енленные диафрагмы у торцов ячейки, 6-торцевая пластина с изменяющимся потенциалом. 7-ячейка опектрометрз, 9-исследуеная поверхности 10,11-связанные источники питауия к'втода и поверхности.

Ча рис. 3 показан энергетический спехтр ионов, оЛрааинных от. Псьерхности ^-Со-То. И:* формулы С\? ноино определить пассу атомов рассяииателей. В нашем случае угол рассеяния

- 13*

180. И формула и ) упрощается: ,

Е " Е * ' " СА + 1?

Si

с

58 .ES

1

11

100,00 200 00 УООЮ дсо.по rc&oo ecc.oo 700.Э0 , Energy

P>:c. 3. "

Энергетический спектр рассеянных ионов от ллен mi Fe-Oo-To.,

Значения энергии, соответстпующие максимумам пиног в спектре, вычисленные по форнуле /СЭ), xodoujo согласуются о полученными экспериментально.

Разрешающая способность комбинации методов РМИ и ИЦР П<Т»

Использование уникальной способности ИЦР-спектрометрии одновременно регистрировать ионы о широком циапзэоче i?cc позволяет улучшит» разрешающую способность . метода Р?1И по сравнению с классической схемой реализации.

Разрешающая способность nb массе определяется следующим тралением: \

" ' АИ Г А - 1 1

Е. I ¿A J

11

■

Ai ■2sin f

jft2 - ain2 t

■ K.

(43

где К =

A +■ ein

ain С + cos g '. A - ain С ,'

2

coa t (A - nin ? )

РдЭ7>ешзю1'дая способность достигает своего максимального значения, равного

С

П 4 А__

"ЭТ Д£- СЛ -• 1ЭСА + I} '

при угле рассеяния ? - 180°. ,

С классической схеме ' РМИ достичь угла f - 180°

невозможно из-за конечных размеров .детектора.

М М Разрешающей способность наксинальна при А «----»

1 . т. е. в случае, когда масса налетающего иона ш приближается

по величине к массе атома поверхности М.

Из вышесказанного видно, что для достижения высокой

степени разделения ликов РМИ необходимо выпопнекир следующих

условий:

1.» угол рассеяния ( - п; ¿О ' угол сбора •» 0;

35 для любого атома поверхности А •> 1 ;

4Э разрешающая способность , знергоаналиэато'рз

максимальна.

В классической схеме метода PIH1 выполнение всех этих условий невозможно, в схеме хе с использованием ИЦР-спектрометра они могут быть выполнены.

Процесс соударения первичного поив с поверхностью в схеме РМИ - HUF происходит в сильном магнитном пол», обладающем фокусирующим действием для заряженных частиц.

Эффективный угол сбора ионов не зависит от расстояния между исследуемой поверхностью и диафрагмой:

•i ал t-1

/ ч

гх.е о ~ заряд иона, и fc^ - пасса и энергия отраженного иона, Pj - напряженность магнитного поля, г - радиус диафрагмы. С учетом этих особенностей формула для разрешающей способности может быть записана следующим образом:

СА + ДЗСА - 1 j AEi геИ . (А ] ) 1Л - 1 ) у 7

И 4А ' К ,-— .2 - • *

2 1 <4 пг ,-Ь. ¿h

- а-

Комбинация методов РНИ и ИЦР Пв> в миогоиоином вариант«-

Используя нсиочник ионов, который позволяет производить

ТЬ состав?: Кв - '70 X; ТЬ - ЗОЯ. В качестве источника ионог была использована губчатая керамика, содержащая соли КС1, КЫ*. которая при косвенном нагреве выделяла одновременно иочы К* Н КЬ*.

На рис. 4 показаны спектры ряэчичных ионов, получении.» при использовании в качестве первичных ионов К » КЬ .

Мазз (о т.и.) Рис. 4

Энергетические спектры рассеянных ионов от поверхности пленки Р<;-ТЬ.

одновременно ионы различных насс. можно повысить разрешающую способность нетода. С целью проверки формулы для разрешающей способности был выполнен эксперимент по исследованию пленки Не -

Полученная нами разрешающая способность по массе при

использовании ионов К составляет:

V

Разрешающая способность по масс^е для пика ТЪ при использовании ионов Яь* составляет:

(ЗН

I ТЬ J.

= 0.018.

кь

, Разрешающая способность по массе для пика Тъ'выше при использовании более близкого к нему по массе иена _

I »ь Jtí^ (. ть

Эти величины хорошо согласуются с теоретическими, полученными из формулы С7Э.

Используя первичные ионы с различными массами, можно достичь увеличения разрешен.,* всех пиков в энергетическом (масс) спектре рассеянных ионов,

I

Ксмвннацня метода РМИ и метода масс-спектрометрии ьторичных ионов

При соударении с поверхностью нсслед?еиого образца ионы, иопол!зованные в методе РИД. вызывают эмиссию вторичных ионов с поверхности. Эти ионы наблюдаются в эксперименте при разности потэнциалйв иеяду ячейкой и исследуемой .поверхностью < 10 Б. В этом реками система превращается в стандартную систему для исследования ' поверхности неуодом масс--спектрометрии вторичных ионов С|*СВИЭ на спектролетре ИЦР ПФ. Такая комбинация дает ьозмоьзюсть сочетать высокую чувствительность метода 11СВИ с гиэножностянп ксличесIвеннсго анализа пегодп РМИГ Причем последний дает информацию о самой верхнем монослое.

, Для экспериментального- подтверждения возможности -юследоеьния . г.оверхносги твердых тел методом вторично иенной эмиссии был проделан эксперимент по получению пасс- спектра *\Торичньь< ■ исков из поверхности, покрытой солью СвСЗ. Был получен

масс- спектр ионов в диапазоне масс от 100 до 3000 а

Для исследования характеристик комбинированного ч-^юда РМИ/ИЦР, таких как разрешающая способность. чуаствигельн^огь необходимо знать механизмы захвата ионов ячейкой спептоом^тра ИЦР. Процесс захватл ионов является ваадым вопросом и зо ньогпх других приложениях ИЦР - спектрометрии, связен ньт: с использованием внеинмх источников ионов.

Исследование захвата внешних ионоь спектрометром ИЦР

В качестве источника внэптих ионе», гак для предложенной 1 нами схемы спектрометра для исследования поверхности, так л для исследования процессов захвата ионоь, мы использов зли ТерМОИОННKIÍ! источник.

Термоионные источники имеюг евои преимушестга пи сравнению с дифференциально откаиирземыип источникам.* ионсз. Эти преимущества связны, во первьтх, с простэтсГ! изготовление н размещения внутри вакуумной системы, они не повышают значительно давления вблизи измзрительной ячеЛки, с их использованием возмогло получение ионов в широгом диапазоне масс ( Li, Па, К, Rb, Cal.

М?тод ИЦР- ПО позволяет регистрировать ионы в Ц'ироком диапазоне масс, и для некоторых экспериментов было бы удое но, если бы ионный источник производил ионы различной маг.г:и одновременно. Эго было достигнуто путем использовании в качг-ст ве катода сплава солей с гь?та ллосодерхзщей керамикой с не э^висич w его нагревом. . Мы нспо^ьзовалн такой катод, производящий одновременно ионы Ы 4, Ыа, Kt Rb и Cs+

Захват^ внешних ионов в методе, ссно^екном иь икпупьснсм изменении потенциала торцевсП пластины я'шПки, можя &ыть объяснен на простой модели., пред лохе нноП Кофзлом к 1991 г. Н нем ячейка спектрометра ИЦР рассматривается как два пстенциеГльчьк барьера, р?елологзнных на расстоянии "с ' друг' от др\та Л ¿родни:! потенция льнг-ífi (-„ ьер может имлульсно опускаться го нулевого потенции л а, лэдни и остаот ся фиксированные и У^ ^ ^

1'лсгмотрим пуч'м: ионов, в ле г<поп*:-:х п ячеигу. Пу--ть гдии

ИЗ Г^арь^рсв ОПу'»РМ {ЛЧ^Г'КЛ ОТ'СрЬТЬ ) , _ :I Ич-'НL' mil .'I с

распределение по энергии. В этом случае найдутся ионы, которые пройд/т ячейку, не задерживаясь в ней ( при fi > qVt). и ьоны, которые отразятся' от потенциального барьера < при Е QVt). Теперь, fc-сли ячейка закрыта в результате мгновенного поднятия потенциала, все ионы с энергией между О и будут заперты в

ней. Полное число ионов, которые могут Curb заперты в ней, будет равно

- »'I

N= .г sum )=-?.-.- I-;,--; . < VKM) ) О)

Это уравнение показывает, что чувсгеигельность ячейки ИЦГ-спектрометра сильно зависит от кинетической энергии внешних иснос и пропорциональна нонночу тогу и времени продета ионов через я>:еЛгу.

Считая это вренл равным нескольким сотням микросекунд, а время возбуждения/де1 актирования требует уже миллисекунд и более, напучим. что полезиьЛ цикл составляет лишь делю процента. Попучэется, что ме:од поднятия потенциалов оказывается неэффективным для непрерывных ионизационных источников.

Нами била ■ исследована эффективность захвата ионов в метода инпульсчого поднятия погзчциалоа гак функция их эиерги* так кек эта зависимость определяет разрешающую способность г'етсло РМИ при его оеализании на HUP спектрометре.

Для исследования захвата ионов с различной кинетической гнергиеП в направлении оси z 'ячейки ИЦР - спектрометра был проделал: эксперимент по захвату вчэиних ионоз Na+. образованных в' -ермоионнон источнике из соли Na£l- Е»лла получене зависимость сиги? « ионов Na+ о) потенциала катода при нулевых по посг голиному н.злряженик: бокозых элекч родах.

Полученная эае^симость приведен« via рис.^, величина потенциала торцевой пластины при этом была 3 В запирающей 3 1

У «1 Р., а полученное значение разр-шаюшей способности

1 ■

чченки, сак r-лелуег ил результатов эксперимента . 1 . 5 S.

У

/ \

a \.z \л r.e iA z.%- re s

Рис.5;

Энергетические разрешение измерительной ячейки спектрометра ИЦР при использовании метода зажег*та внешни* поной путем импульсного изменения потенциала торцевой пластины.

По результатам эксперимента был сделан еи^од, что ячеЯ>а спектрометра HUP с использованием' механизма захвата внешних ионов импульсным поднятием потенциала торцевой пластины является анализатором частиц не только по массе,, но и по энергии, причем с высоким рязоешепнем по энергии Е/ДЕ.

Для увеличения чувствительности 1ШР - спектроиетра необходимо накопление исноь, чего нельзя достичь применяя для захвата ионов не год импульсного поднятия потенциала торцевой ^пластины.

Аккумуляция ионов, вводимых извне в ячеПку ИЧГ наблюлатась ранее и предлагались рчэличны<з объяснения этому

яг> пению.

В простейшей мололи, предложенной Шлрпом (197£ г. )» потеря энергии объяснялась столкновениями с частицами остаточного гаэа, однако это может происходить j?niüb при достаточно высоком давлении (> 10 4 Topp), при котооим нельзя узге получить высокого разрешения, хотя _ в экспериментах наблюдается захвот л при евеохгькгоком вакууме» v ячейге. Другое

9

объяснение, предложенное Гросом (1986 у. ), предполагало протекание ионно - молекулярных реакций в ячеГ!» е спектрометра с участием вводимых извне ионов, з результате которых они теряют избыточную энергию и остаются запертыми. Объяснение захвата иочов, имеющих энергию немного ниже потенциала торцевых пластин, было предложено Лауде в 1992 г."Оно заключалось в тон. чтп ноны попадают в ячейку через отверстие в торцевой пластине, потенциал которого ниже, чем потенциал самой пластины, и затем не могут уже выйти из-за изменения траектории своего 'лвнжения.

При изучении механизмов внешнего ввода ионов нами было замечено, что возможна регистрация ионов, имеющих энергию, превышающую потенциалы торцевых пластин. Эго происходило при наличии некоторой задержки между нмпульсон ввода ионов и импульсом возбуждения, !; изнурительная ячейка спектрометра находилась при этом в статическом режиме, то есть потенциалы всех пластин оставались постоянными.

В ходе эксперимента измерялась ' интенсивность сигнала внешних ионов о зависимости от задержки между нмпульсон ввода ионов и импульсом возбуждения. Полученная зависимость для различных значений превышения энергии ионов ДЕ по сравнению с потенциалом торцевых пластин представлена на рис.6.

Для изучения влияния частиц остаточного газа на -»ахвпт _ / была получена зависимость интенсивности сигнала внешних помог

Се+ от давления инертных газов Kt- и Хл (рчс. 7 1. Видно увеличение

сигнала ионов при определенной давлении, равном для J м! О *

Topp

При использовании источника, производящего ионы различной массы, зависимости, - пеказанные на рис.-в, были сняты для ионов Nt»t Kt iibt Ost На рис.0 по оси X отложена насса нона, а по оси У - характерное время выхода кривой на насыщение.

Как видно из графика, ионам нгньшей массы требуется больше времени лри одинаковые условиях для получения сигнала той хе интенсивности, что и у более тяжелых ионов.

Нами было предложено следующее объяснение полученным результачан.

I II а II II и л II 14

Рис.6.

Зависимость, интенсивности сигнала конов Си* от задержки между импульсом ввода ионов и импульсом возбуждения.

х Рис. 7.

Зависимость интенсивности сигнала ионов Сп от давления газа, а ) ячейка со сплошными торцевыми пластинами б ) ячейка с сетчатой торцевой пластиной

Рис.0.

Значенное гь задержки между импульсом ввода иоиоо и импу пьсом ЕОзС'уяденни от массы вводимых ионов.

г де и , о , <*> - циклотронная». торцевая и иагнетронные частоты

С X, ГГ)

ссотеюIитве но, V ~ ^нач^нне эадерживаюшего потенциала.

^внж^ьне кпнов в ячейке спектрометр«? можно представить к.^к суперпозицию 3-х движений; цик лотрокного с частотой о в пгоскооги Х~7» перпендикулярной магнитному полю» магнетроиного движения с частотой также в плоскости Х~У. которое двигает

центр циклотронного вращения вдоль зкэипот енииаль ньгх линий элсктриче гкого поля, и колебательного движения вдаль оси 2, котоъое представляет собой простое гармоническое колебание нонов споль оси магнитного полл между задерживавшими пластинами.

Относительные величины частот аыглядят -.ак:

(О

кроме того,

14 ....

п

)

(5)

= в<од:юе отверстие торцевой п истины е

¡ейку с энергией, превышающей потенциалы торуреих пластин, >лжны пролете гь ячейку, не захватываясь я ней. Однако гччутрг !ейки возможно наличие небольших »лсптрпчссгих пи пой п юскости х-у. под действием ко горtix мины начнут СОВРрШПТЬ 1Гнетронное движение; это может также произийчи при совладении электрической оси ячейки с геометрнческой о^ьк. ли ион не столкнется с частицами ост а точного г зза. тс он летит д о противоположной. гориевой-и »мст »;ны, но тмеоь, из-за го. что он совергалет магиетронное движение, он булет двигаться точно по пряной л не попадет в выходное от в;.-рс;тие. вдогательно. произойдет его столкновение со стенкой. ч эультатг? чего часть ненов погибнет, а часть отразится, по ух* меньшей энергией.

За одно столкновение со стеикпн ноны потеря» г- -¿¿.сть □ей энергии LXL. Если после этого энергия "лона. ьул^т :it'n0!iie тенцнала торцевой пластины, то он будет эяперт в ячи^ке, где цет совершать торцевые колебания, постепенно уненьиая свею ?ргию. Если энергия иона после соударения со стенкой Е - t -будет больше потенциала торцевой пластины, тп ионы будут гтьше взаимодействовать со стенками ячейки, пока не умень'тат ?ргим до значения потенциала торцевой л паст икы. Как вчдис из >нулы (9J), за вреля движения ионов от одной торцевой пл.ас гины другой Содно торцгЕое колебание) ноны с большей массоП ?лнчпт свой магнетронныЙ радиус на болыгук» величину по !Риению с ионами легких масс, и соответственно б v дут траться с большей вероятностью. Следовательно для получения •енсивчого сигнала легких ионов необходимо белее длительное их спленно, что н видно из зкспЕрчментальных дгмчы-*;, д;:тявленных на р.чс.Э.

Как следует из формулы С 92), •заьисимосто. аналогичлля псиности времени накопления от массы, должна быть и от енциа ла торцевых гсллетнн, что подтверждает зкг'Пбр^иента.гьти: ■£ик. представпоникй на рис.9.

Исходя из нэщ?го предположения о ?ахрлт» внешних ионов, но c^vmchvits и. эксперимент =•. л ьную зависимость и и^ерои в нсгт л нала о г давления.

-го-

Как видно из экспериментального графика, приведенного на рис.7, существуют три характерных области давления. В первой СИ» "-10° Topp} изменения интенсивности сигнала не происходит, и она не зависит от нассы молекул напускаемого газа. Во второй^. (.'10 е- 5*10 * Topp} с увеличением дэвленип происходит увеличение

сигнала, к в третьей С5«10~4 - 5*10"* ТоррЭ - уменьшение

* / v

сигнале.

Рис.9.

Зависимость времени задержки между иипульсси ввода ионов и импульсом возбуждения от потенциала торцевых пластин.

В первой области ионы теряют свою избыточную энергию в ' столкновениях со стенкой (торцевыми электродами ячейки), * поскольку из за большой длины свободного пробега . соударения с молекулами остаточного газа отсутствуют.

Во второй области начинают участвовать уже два процесса: соударения с торцевыми электродани ячейки и с частицани напускаемого газа, при этом эффективность захвата ионов должна возрастатьпосколькуионы, потерявшие часть своей энергии при столкновении с молекулой газа, уге не могут дойти до стенки и

нейтрализоваться на ней..

В третьей области длина свободного пробега ионов становится столь нала, что не позволяет возбудить ионм на достаточно большой радиус, и, соответственно, получить интенсивный сигнал.

Для подтверждения нашей гипотезы об уменьшении энергии ионов за счет столкновений со стенками ячейки и молекулами остаточного газа был. проделан эксперимент с измерительной ячейкой, в которой олмя иэ торцевых пластин-была заменена на сетчатую. Полученная зависимость интенсивности сигнала о г давления Уе показана иа рис. 7 (б). Бидко отсутствие сигнала в первой области с низкий давлением. Появление сигнала в этом случае обусловлено только соударениями с молекулами Я?, в результате чего происходит уменьшение энергии ионов и их захват.

В результате изучения зависимости сигнала от времени задержки была обнаружена интересная закономерность. При снятии зависимости времени задержки между импульсом ввода ионов и импульсом возбуждения с более мелким иагом по времени СЮ ° с} на экспериментальной кривой обнаруживаются периодические увеличении снгнала Срис.ЮЭ.

Зависимость интенсивности сигнала от времени задержки между импульсом ввода ионов и импульсом возбуждения снятая с шагом по вреченп, равным 1>.10"''1С-

Так, при, исследовании пролета ионов с ДЕ — 2 В,

обнаруживаются пики с частотой, равной 20 кГц, при пролете ионоа других мясо эта частота изменяется, так для ионов К*- 28 кГц, д.чя ионэь Св*- 51 кГц.

Значения периодов, а также их зависимость от массы, присели нас г. выводу о том, что они соответствуют периодам торцовых колебаний ионов в ячейке. Ионы, р-'теряв избыток энергии при столккоыс-.чии со стенкой, начинают совершать колебания вдоль оси г ячейки. Увепичечие сигнала обусловлено прохождением ансамбля ионов через центр ячейки, в котором имеются наиболее благоприятные условия для возбуждения иснов и получения максимального сигнала.

Разрешающая способность по энергии при использовании данного механизма Захвата, как видно из вышесказанного, сильно зависит от задержки нежду импульсом ввода ионов и импульсом возбуждения. Тах при задержке 4 0.'о ДЕ "ч 2 В. Общая занисиность разрешающей способности,ячейки по энергии от времени за.пердки показана на рис.11.

ДГЬ

Рис.11.

Зависимость времени задержки между импульсом вчсдэ ионов и нмпульсон во^булдгння от разности энергии ионов и потенциала торцевых ' "пластич '( величины превышения энергии ионоа над потенциалом тсрцезоЯ пластины).

Как видно и? чтой завискности. при на лих энергетическое разрешение при диннон способе захвата не данного хуже, чем при способе захвата путец импульсного изменение потенциалов торцевых пластин ячейки, а его преимущество заключается не только п отсутствии дополнитепьных упразляпттх импульсов, но и в том, что с его испольэованиен ножчо получить интенсивный сигнал ионсв даже от слабогоисточника, особенно если не обязательно достижение высогого разрешения по эп-гргли.

Резонансный механизм захвата ¿юноп Выполненные нами исследования ползали, ч.о эо?мо!:ем такта захват через резок&нсное поглощенн» ионами радиочастотного поля.

Расснотрим процесс пролета ионов с кинетической энергией Ео: < '&> <(у* через ячейку спектрометра |ТПР—Срнс Пэ. На

рисунке показана диаграмма потенциалов ячейки.

РнсЛЗ..

С хеиа резонансного ;?ахоата ионоо чз-иерительной ячейкой спектрометра КЦР.

энергия почоб, находящихся в центре ячейки. опре-д?-7пет~л потемциа-пон И] и и" кинетической энергией

-24-

\

Ео -^fjj + Ekin

При включении резонансного (по отношению к циклотронному •движению) электрического поля ионы начинают увеличивать радиус своего врашения и переходят в область ячейки с потенциалон Цк, который меньше первоначального потенциала llj С переход 1-2 на Phc.IÇD. При этом кинетическая7 энергия ионов Ekm в направлении оси z сохранится; потенциальная, определяемая потенциалом в новом положении, уменьшится на величину, равную разности потенциалов e^Uj и в данной точке СгЭ ячейки. Энергия ионов Е« слределяется теперь: \ >

Ei - <j№<« + &in, . - ■ .

Как видно из рис A'Jt, при энергии ионов Е> такой, что: 1 Ео < q Lh < ()2 ионы останутся в ячейке, где будут колебаться, вдоль оси Z с частотой- торцевых колебаний, и окажутся запертыми.

Энергетическое разрешение данного метода определяется разностью потенциалов Uj и 0.х но как и в методе захвата внешних ионов путем импульсного поднятия потенциалов торцевых пластин, при улучшении разрешения по энергии значительно уменьшается количество захваченных ионов и, соответственно. ннгенсивность ^получаемого сигнала. Кроме того, данным мвтсдом_ захватываются не все влетающие в ячейку ионы, а лишь часть их, удовлетворяющая услозиям захвата. • (

Нерезонансныз! механизм эахпата

Рассмотрим другой механизм 'захвата ионов, основанный на розбуждении ионов нерезонансным электрическим полем.

Как известно, - при сложении колебаний с частотами

и iùx возникают биения с частотой, равной разности частот:

П " Cùt — 0J2

Таким образом, если возбуждать ионы в ячейке радиочастотным полем, чгстота которого отличается от резонансной на некоторую величину Ды, то^ионы будут двигаться то увеличивая, то уменьшая свой радиус, и период би^ннй будет равен : -

Ï - 1 / ¿м

Рассмотрим движение . ионов в- ячейке, вводимых г нее с энергией Ео, qUi <*__ Ео < qtJ2, Срис.ЛЗ^ при наложении, на

\

возбуждающие электроды ячейки нереэонансного поля.

' Предположим, что на ионы, находящиеся в точ«.о 1 с потенциален Ц.- начинает действовать радиочастотное поле с частотой >.

и' • о циклотронная - До Как и в случае с захватом- резонансным полем, ионы, увеличивая свой радиус вращения, переходят в область ячейки с меньшим потенциалом 1)к, где начинают колебаться с частотой торцевь* колебаний и ториеаихСртЭ. Если разность частот приложенного и резонансного электрического поля Ды такая, что: Дел - и тори&вая /2

Рис.13.

Схема нерезонансного захвата ионов измерительной ячейкой спектрометра ИЦР. - 1 ч

то в момент прохождения*центра ячейки Сточка 3 на потенция льмой кривой качнется скрутка ионов, то есть они начнут уменьшать свой радиус вращения до первоначального, и вновь окажутся на _ потенциальной кривой [)), но уже о энергией, меньшей первоначальной. Затеи цикл повторяется вновь, и так далее. В результате такого движения пожцо получить ионы о минимальной кйнетической энергией в центре ячейки:

. Пыводы.

1. Предложен новый иетод анализа внешних конослопв твердых тел с

почоиь» спектрометра ионного циклотронного резонанса, основанный на использовании ячейки спектрометра ИЦР в качестве зняргоана.чиэатора.

'¿. Создана э»слерипектальная установка, реализующая метод РМИ на спектрометре ИЦР в параллельном многоионном варианте, позволяющая проводить одновременный энергетический анализ отра«энных от- поверхности ионов, а также анализировать поверхность методом вторично - ионной эниссии.,

3 Продемонстрирована возможность количественного анализа поверхности твердых тел на примере аморфных пленок состава "редлозенельный металл - переходный металл".

1. Проведено теоретическое рассмотрение зависимости разрешающей способности метода от массы ионов и анализируемых атомов, эна-ргки ионов а геометрических характеристик анализатора и напряженности магнитного лоля.

5 Экспериментально исследован процесс захвата ' ячейкой ИЦР вводимых извне ионов, предложено и экспериментально доказано наличие трех механизмов » хвата: за счет потерь энергии при столкновении ионов с удерживающими пластинами ячейки, за счет потерь энергии при столкновении с молекулами остаточного газа и резонансный захват ионот> путем импульсного изменения и. циклотронного радиуса вращения.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях: 3. Г. H Николаев, A.B. Мордехай, U.E. франкевич. Авторское свидетельство N <1800821/21 от 12.03.1990.

2. A.V. Mgrdehai, V.S. Frankavich and E.H. Uikolaev, Leo Cablera de Spectra 2000, 160 {1S90j.

3. V.S. Frankevich, A.V. Mordahai arid E.N. Uikolaev, Lea Oahlere 4 de Gpeot.ra 2000, 155 Í19&0). '

•1. E.N. Nikoloev, A.V. Mordehai and V.K. Frankevlch, Kapld Com. Haoç Ppectrota. , S, 2Ö0 (19Э11

8. E.tJ. Nikoiaev, V.K. Frankevich, Proc.l2th IMSC, 26-30 Au^uat 1Г.ЙЦ Kleevior, Amsterdam, Iüö2.

6. 'E.N. Uikolaev, Ч.Я. Frankevioh and V?. Abarth, Int.. J. Maea

Cfçotrcw Ion Prосebene, 1993 в печати.