Зарядовые и энергетические распределения вторичных частиц при ионной бомбардировке металлов и высокотемпературных сверхпроводников тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

РГб од

? ' РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им.А.Ф.ИОФФЕ

На правах рукописи

ПОПОВ Александр Борисович

УДК 537.534.8

ЗАРЯДОВЫЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВТОРИЧНЫХ ЧАСТИЦ ПРИ ИОННОЙ БОМБАРДИРОВКЕ МЕТАЛЛОВ И ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ

(Специальность 01.04.04 - физическая влектроника)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1994

Работа ьыполнена в Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе Российской Академии Наук.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук,

ведущий научный сотрудник

A.П.Шергин.

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук,

профессор Н.Н.Петров,

- доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник

B.Н Островский.

Ведущая организация - Московский государственный университет.

им. М.В.Ломоносова.

Защита состоится " Ь> " ЦЮЬ\ 3 1994 г в часов на заседании специализированного совета Д 003.23.01 в Физико-аахничес-ком институте им.А.Ф.Иоффе РАН по адресу: 194021, Санкт-Петербург, Пооштехническая ул., 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН.

Афтореферат разослан

1^1994 г.

Ученый секретарь пешшлизпроьашюго совета Л 003.23.01

:зкдвдзт ¿иг.-мат. наук ' А.Л.Орбе.пи

- 3 -

ОЫ!*.Я ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы диссертации Исследование закономерностей формирования зарядовых состонни частиц, распыляемых при ионной бомбардировке поверхности, является одной из важнейших задач эмиссионной электроники. Актуальность исследования процессов образования заряда связана, с одной стороны, -фундаментальным значением результатов для понимания механизмов взаимодействия атомных частиц с поверхностью твердого тела, с другой стороны, с важньг'Л! практическими пр'тлокениями, такими как вторично-ионная масс-спектрометрия, иогаю-нейтрализчцконпая спектроскопия, широко применяемыми для анализа элементного состава твердых тел.

Основной величиной, характеризующей вторично-ионную эмиссию (В1.Э), является степень ионизации распыленных частиц, т.е. доля заряженных частиц в полном потоке распыленных атомов. На предшествующих этапах иссследований основное внимание было обращено на изучение емиссии положительных ионов, распыляемых при ионной бомбардировке металлов - нэибслее простых для теоретического описания объектов-. Результаты выполненных работ позволяют сделать вывод, что образование вторичных положительных ионов связано с резонансными туннельными переходами между уровнем отлетающей частицы и электронными состояниями зоны проводимости металла. Одним из главных аргументов в пользу данного механизма явились полученные недавно результаты прямых измерений зависимости степени ионизацда от скорости вторичных частиц. Важность изучения скоростных зависимостей степени ионизации для выяснения механизмов ВИЗ связана с тем, что время взаимодействия в системе "частица-поверхность", а следовательно, скорость эмитируемой частицы, определяющим образом влияет на формирование заряда и входит р,э все модели втсрично-ионной эмиссии.

В отличие от положительных ионов, эмиссия вторичных отрицательных иснов является одной из наименее лзучонных областей ВИЗ. Данные о вероятностях выходе и энергетических спектрах отрицательных ионов, распыляемых при ионной бомбардировке металлов, практически отсутствуют. До настояаего времени имелись лишь немногочисленные сведения о вероятностях их образования в зависимости от работы выхода мишеки. Как следствие, оставался открытым вопрос о мех.иш;; мах образования вторичных отрицательных ионов. В сплзи с этим оказываются актуальными прямые измеретля скоростных зависимостей ~-ти -пени ионизации для отрицательных иснсв, позволяющие судить о м^ха-низмэх их форм:грсБЭ1шя.

При емиссии вторичных положительных иоков, в свою очередь, практичес1си не бил изучен важный количественный параметр и^, несущий информацию о характере электронного обмена. Данный параметр в рьмках механизма резонансных ту цельных переходов определяет (наряду с нормальной составляющей скорости распыленных частиц У^) вероятность ионизации: Р+ ~ . Надежные данные о параметре могут быть получены из прямых измерений скоростных зависимостей степени ионизации, а анализ экспериментальных величин V* мог бы связать вероятность ионизации с электронными свойствами системы "распыленный положительный ион -твердое тело".

Большой интерес представляет изучение вторично-ионной эмиссии из но ого класса материалов - высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Одна из осноеных задач таких исследований - выяснение механизмов образования вторичных распыленных ионов. Кроме того, актуальность изучения вторичных частиц, распыляемых при ионном облучении высокотемпературных сверхпроводников, обусловлена и практическими приложениями, связанными с развитием технологий создания раз-, личных ВТСП-материалов. К моменту начала настоящей работы эмиссия вторичных частиц из ВТСП-материалов изучена не была.

Знание закономерностей образования вторичных ионов существенно такз:е для развития методов элементного анализа вещества с использованием масс-спектрометрии распыленных частиц. В настоящее время для елементного анализа широко используется вторично-ионная масс-спектрометрия (ВШС). Метод, обладая рекордной относительной чувствительностью к элементному составу, не является количественным из-за сильной за лсимости выхода вторичных конов от атомного номера и состава вещества. Необходимость количественного анализа повысила интерес к масс-спектрометрии нейтральных атомов, поскольку выход атомов менее чувствителен к матричным аффектам по сравнению с выходом ионов. Однако существующие методы количественного анализа, основанные на детектировании нейтральных частиц, требуют использования стандартных образцов в качестве эталонов для своей калибровки, поскольку без соответствующей коррекции прямые измерения выходов нейтральных частиц дают елементый состав с точностью до фактора 3. Помимо того, что калибровка является достаточно трудоемкой процедуре?., не всегда возможно создание соответствующих эталонных -образ-нов. Как следствие, актуальной представлялась разработка способа Оезэталснного анализа элементного состав«? вещества.

- 5 -

Цель настоящей работы Измерить выходы и энергетические спектры вторичных атомов, пол' мтельнкх и отрицательных ионов, распыляемых при ионной бомоарди ровке металлов и сверхпроводников; определить зависимости степени ионизации от скорости вторичных частиц; установить механизмы образования вторичных отрицательных ионов, распыляемых при ионной бомбардировке металлов; изучить связь между характеристиками вторично-ионной эмиссии и электронными свойствами системы "распыленный положительный ион - металл"; выяснить закономерности ВИЗ из высокотемпературных сверхпроводников; разработать безвталонный метод определения элементного состава.

Научная новизна работы Впервые в одних экспериментальных условиях исследованы выходы и энергетические спектры атомов и отрицательных ионов, распыляемых при ионной бомбардировке металлов. Определены ьависимости степени ионизации от скорости распыленных частиц, которые позволили установить механизм образования атомарных отрицательных ионов.

■ Исследована связь между величинами характеристических скоростей У^ и электронными свойствами системы "распыленный положительнкй ион - металл". Показано, что наличие максимумов на скоростных зависимостях степени ионизации для положительных ионов при скоростях, примерно соответствующих и^, является типичным.

Впервые исследованы энергетические и зарядовые распределения частиц, распыляемых при ионном облучении высокотемпературных сверхпроводников. Показано, что при образовании вторичных ионов определяющую роль играют влектроннообменные механизмы. Установлено, что в отличие от металлов для кислорода выходы нейтральной и заряженной составляющей сра. яимы по величине. Показано, что величины поверхностных энергий связи тесным образом коррелируют с расположением данного элемента в кристаллической решетке.

Научная и практическая значимость работы Полученные в работе зависимости степени ионизации от скорости при распылении металлически* мишеней позволили установить, что определяющую роль в образовании распиленных атомарных отрицательных ионов играют переходы типа Оже: электрон из зоны проводимости металла заполняет вакантный ионизационный уровень вторичной чпепщи, а высвободившаяся при этом энергия уносится вторым олектроном зоны, который захватывается на уровень сродства к электрону распыленного атома.

Показано, что основным механизмом образования вторичных ионов, распыленных из ВТСП-материалов, является механизм резонансных туннельных переходов. Результаты исследования сверхпроводников могут Оиеь ¡i'- пользованы для развития и совершенствования технологии получения тонких пленок ВТСП методами мэгнетронного и ионно-лучевого распыления. Обнаруженная зависимость степени ионизации от потенциала ионизации металлов, входящих в состав В'ГСП-керамкк, имеет практическое значение для элементного анализа дантах материалов методом

вимс.

Разработан.метод, основанный на масс-спектрометрии нейтральных частиц, дополненной анализом их энергетических распределений, позволяла;^ проводить експрэсс-анализ влементного состава вещества без использования эталонных образцов.

Основные положения, заносимые на защиту

1. Измерение в одних экспериментальных условиях выходов и энергетических спектроЕ атомов, положительных и отрицательных ионов, распыленных при ионной бомбардировке металлов.

2. jстановление механизма образования вторичных атомарных отрицательных ио! 'в при ионном распылении металлов.

3. Определение значений характеристических скоростей в системе "распыленный полояштельный ион - металл".

4. Измерение зарядовых и внергетических распределений частиц, распыленных из высокотемпературных сверхпроводников. Выяснение основных закономерностей ВИЗ кз ВТСП-материалов.

5. Создание метода безвталэнного элементного анализа, основанного на испс ьзовании масс-спектрометрг- распыленных нейтральных частиц с анализом их по энергии.

Апробация работы и публикации

Основные резуль-.'зты исследований докладывались на VIII и IX Международных совещаниях по неупругим столкновениям ионов с поверх-ноетью (1990, 1992), XIV Международной конференции по атомным отол-кяобонийм в твердом теле (1Р91), III Международном совещании по применению техники постионизацки при анализе поверхности (1993), IX Всесоюзной конференции по взаимодействию атомных частиц с твердым телом (1939), X и XI Конференциях по взаимодействию ионов с поверхностью (1991, 1993) и VI Всесоюзном семинаре по вторично-ионной и иокно-фстонной эмиссии (1991).

Основные результаты исследг-чэнпй, зск'.-дтих & дюоертацию, опу-Лккхсч.лпи ь 1С уасотап, список глтгму 'v .. - i. конце ззторе^ра-

та. По материалам диссертации получено авторское свидетельство.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит иг введения, трех глав и заключения, работа содержит 132 страницы, з том числе 81 страницу маыикопионого текста, 34 рисункч, 4 таблица и список литературы, включающий 142 наименования.

СОДЕРЖАЩЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулирована цель работы, обсуждены новизна, научная и практическая значимость полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глаза носит обзорный характер. В ней даны представления о механизмах эмиссии нейтральных и заряженных частиц при ионной бомбардировке металлов; рассмотрены основные положения теоретических моделей распыления и формирования зарядового состояния вторичных частиц. Обсуждены экспериментальные метода и результаты исследований. Обоснована необходимость постановки настоящих исследований.

Для теоретического описания ВИЗ из металлов широко применяется подход {13, рассматривающий процесс образования заряда как результат резонансных электронных переходов между уровнем отлетающего атома и электронными состояниями зоны проводимости.

Благодаря развитию экспериментальных методов, получена обширная информация о выходах положительных ионов. Результаты исследований показывают, что при образовании вторичных положительных ионсв определяющую роль играет механизм резонансных туннельных переходов. В то же время, практически не был изучен параметр одели электронного туннелировакия ь'0, определяющий, наряду со скоростью, вероятность ионизации. Акализ величин у* важен д/гя более конкретного выявления закономерностей ВЮ при распылении положительных ионов из металлических мишеней.

Эмиссия отрицательных ионов при ионкоЯ бомсордаионк-;: авердш. тел являлась одной из наименее изученных областей зторично-иоккой эмиссии. Практически не исследованы выхода и енергетичеокче распределения атемеряых отрицательных ионов, распылённых из мэт^ллических мишеней. Как следствие, остевалсн невыясненным механизм олразоьл ния вторичных отрицательных ионов.

Не была изучена эмиссия часгсгц, раигп/лет-т:г из нового класс.) материалов - высокотемпературных сверхпроводников.

Развитый к моменту начала настоящей работы метод количественного анализа элементного состава вещества с помощью масс-спектро-метрии распыленных нейтральных частиц требовал трудоемкой калибровки с использованием стандартных образцов в качестве эталонов.

Во второй главе описан метод измерения выходов и энергетических расприделений вторичных ионов и атомов, распыленных с поверхности твердых тел [2]. Рассмотрены новые элементы и методические приемы, существенные для решения задач настоящей работы.

Э сперименталькый метод, использованный в работе, основан на дополнительной ионизации нейтральных частиц электронным ударом для их последующего анализа. Контроль за процессом ионизации позволяет определять абсолютное число атомов, распыляемых в телесный угол, задаваемый входной щелью энергоанализатсра. Применение в настоящей работе в качестве источника электронов прямонакального вольфрамового катода позволило в несколько раз повысить ресурс его работы и

>

стабих;.. ность эмиссионных характеристик по сравнению с использовавшимся ранее оксидным катодом.

Вторичные коны и нейтральные частицы, преобразованные в ионы электронным ударом, анализировались по энергии в энергоанализаторе типа "цилиндрическое зеркало" с постоянным разрешением &Е = 5 еВ.

Для определения Р+(У) и Р~ (V) необходимо знать число вторичных ионоь и атомов, распыленных.с поверхности, прошедших анализ и зарегистрированных детектором. Прозрачность экспериментальной установки С на участке от выхода энергоанализатора до детектора и эффективность регистрации £ при работе с атомами и поло^тельными гонами -с одной сторона, и с отрицательными ионам:* - с другой, различались, что потребовало в настоящей работе проведения измерений по определению факторов чувствительности т}+ и ( ,т)=£е ) экспериментальной установки к ионам разной зарядности. Величина отношения Г|+/т)- учи- , тывалась при определении абсолютных величин Р* и Р~.

В настоящей работе была осуще ^гвлена автоматизация эксперимента на основе ЭВМ ДВК-2 и сясгзмы САМАС. Автоматизация включала в себя два канала управления (подача напряжения на энергоанализатор и развертка магнитного поля 'масс-спектрометра) и два канала сбора данных. (ивмерение числа вторичных частиц, зарегистрированных детек-ором, и тока первичных конов на образец). Программа обеспечивала управление и контроль за ходом измерений и математическую обработку данных.

¡:гпо"ьзовалнзя для внализа ькергозаеггределений распыленных

частиц методика была развита для целей элементного анализа твердых тел. В главе показано, как процедура измерений енергоспектров вто-рнчннх втомов в сочетании с контролем зз процессом дополнительной ионизации позволяет осуществлять безэталонный анализ элементного состава вещества. Знание енергораспределений необходимо, т.к. для атомов разных элементов и для одного и того ке элемента, но в раз -ных матрицах, енергоспектры могут существенным образом различаться, что и приводит (при отсутствии таких измерений) к ошибке до 300% и необходимости качибровки. Кроме того, эффективность дополнительной ионизации а+ является функцией энергии распыленных нейтральных частиц. Поэтому только измерение энергетических спектров позволяет корректно учесть а+ при определении концентраций различных компо-не -тов в исследуемом объекте. Разработанный способ был аппробирован при элементном анализе многокомпонентных соединений - иттриевой и висмутовой ВТСП-кервмик.

В третьей главе диссертации приведены и обсувдены результаты исследований.

• В насиящей работе изучены выхода и энергетические распределения атомов, положительных и отрицательных ионов, распыленных пучком Аг+ о энергией Е = 5,5 кэВ из металлических мишеней и ВТСП-керамик.

Для установления закономерностей образования вторичных отрицательных ионов в работе измерены выходы и энергетические спектры частиц, распыленных из поликристаллических образцов Си. РЪ и Аи. Для спектров положительных ионов характерной особенностью является наличие максимумов при энергиях 105-20 еВ и достаточно медленное спадание распределений а ростом энергии. Спектры отрицательных ионов заметно отличаются: максимумы расположены при энергиях Е < 4 еВ, а опадание распределений с увеличением энергии происходит значительно быстрее.

Согласно общепринятой каскадной модели распыления Зигмунда, энергетические распределения атомов описываются формулой:

<Ш/(Ш ~ £/(Е+Уь)3"гт, (1)

где Уь - энергия связи атомов, т - параметр. При сравнении экспериментальных спектров со спектрами, рассчитанными по формуле' (1), наилучшее согласие при Уь - 8 эВ и ш - 0 получено для Р<:. Для атомов С ., и Ли согласие спектров при Уь = 4. 3 и 4 эВ, еоогвететгенио и ш = О наблюдается только до энергий вторичных частиц К =» 25430 оВ. Наблюдаемое превышение экспериментальных спектров над расчетными в области высоких энергий вторитшх частиц может быть св:,ясН'Л!о

влиянием т.н. атомов отдачи, покинувших поверхность в результате первых столкновений.

Выполненные в условиях одного эксперимента измерения енергети-чоиких спектров атомов, положитепышх и отрицательных ионов позво-жли непосредственно определить зависимости степени ионизации Р+ и от скорости вторичных частиц (рис..Г.). Как следует из рисунка, степени ионизации Рл в целом хорошо списываются экспоненциальной зависимостью ~ ехр(-У^/1' ), предсказываемой моделью елэк-

трогшого туннелировашм. В отличие от Р4 (), Р~ для Си, А^, и Аи являются убиваюдолн функциями скорости. Зависимость Р~ (V для Pt имеет минимум. Такое поведение Р~ () резко расходится с предсказаниями модели [1], согласно которой Р~, так же как и Р*, должна

Рис Л. Зависимости степени ионизации Р+ и Р~ от нормальной состаз-лягддей скорости распыленных частиц. Штриховые линии - зави-Г^л.-ст, ?+ ~ ехр(-и+/1>, ).

О 1

Нами было предположено, что наблюдаемое поведение Р~(1>1) при образовании отрицательных ионое связано с проявлением внутриатомного кулоковского взаимодействия 11 електроноЕ, захваченных в различные состояния распыленной частицы. Данный эффект, не учитываемый моделью [1], предполагает многоканальность характера электронного обмена: в этом случае возможны переходы между поверхностью и, по крайней мере, двумя состояниями распыленной частицы (например, ионизационным уровнем £+ и уровнем сродства к электрону е~). Как следствие, существует корреляция между процессами формирования положительных и отрицательных иоков. Одно из проявлений корреляций - образование отрицательных ионов путем переходов типа Оже. Данный механизм, приводящий к убывающей завлсимости , был предложен недавно [3] при анализе рассеяния ионов Н+ на поверхности 71: электрон из зоны проводимости заполняет вакантный б+-уровень, высвободившаяся при этом энергия уносится вторым електрогюм зсны, который захватывается на е~-уровень. Число таких переходов в единицу времени растет с уменьшением скорости отлетающей частицы. Таким образом, наблюдаемое при распылении Си, Аи и Pt уменьшение Р~ с ростом и является существенным аргументом в пользу Оже-механизма образования вторичных отрицательных ионов.

Дополнительное свидетельство в пользу данного механизма следует из анализа абсолютных величин вероят юстей Р+ и Р~ Скорость протекания Оке-перегодов Д^ будет тем больше, чем шире энергетический интервал Де зоны проводимости металла, из которого возможны перехода типа Оже. Ширины Дд при одновременном протекании в системе "растленная частица-поверхность" резонаскых и Оже-переходов оценены в работе в квазиклассическом приближении из системы уравнений для вероятностей п+ и п~ нахождения электрона на уровнях е+ и б", соответственно. Для найденных таким образом ширин переходов типа Оже наблюдается отчетливая корреляция между величинами Дд и де.

Оже-процесс по своей природе - двухэлектронный процесз; его вероятность должна бьчь меньше вероятности одноэлектронзшх переходов на е^-уровень при выполнении условия резонанса (когда уровень частицы Е+ расположен напротив заполненной зоны проводимости). В работе показано, что для всех металлов, за исключением А.и, ширины Ад много меньше ширин , ответственных зе образование вторичных положительных ионов.

Втопой раздел главы госвяг;г.г; изучению величия харЕКтеристкч'.-с-скоростей и* в системе "распыленный положительный ион - ме-

талл". В раОоте измерены энергетические спектры вторичных положительных ионов и атомов А1, Т1, 1г» Р^ А\д, определены Р+ (и^) и величины Од для этих металлов. При ©том непосредственно определяются из наклона зависимостей 1пР+ (у~1), В рассмотрение включены значения характеристических скоростей, полученных в данной работе и работах по прямому определению

Экспериментальные величины характеристических скоростей приведены на рис.2. Как видно, V* имеют порядок 10® см■о1. Из полученных значений и* определены ширшш атомного уровня в системе "распыленный положительный ион - металл", задаваемые в рамках модели [1]. Ширины атомного уровня в точке его пересечения о уровнем Ферми имеют значения 0,02 + 0,3 еВ. Анализ величин показал, что елек-тронные переходы осуществляются главным образом в момент близости атомного уровня к уровню Ферми.

5

н

I

Я о

"а

3 .

2 -

ф Ве

*-А1

^Ои

I

°нъ

Эп

« РЬ

20

-40

60

80

Р*с.2. Зависимость характеристических ско5?остей 1>0 от атомного но-

мера распыленных чвотиц. настоящей работы; пустые

Сплошные значки -- 14].

данные [2] и

4

В рамках модели (11 используется приближаете широкой зоны с постоянной плотностью электронов р. Как следствие, У* должна быть

пропорциональна р. Обнаружено, что для простых металлов ( Ве, А1, Зп, РЬ ) величины У* растут с увеличением концентрации електронов п в зоне проводимости, рассчитанных по модели свободных електронов. На свойства остальных исследованных металлов значительное влияние оказывает наличие й-зоны. В етом случае приближение свободных електронов неприменимо, и прямой связи меаду V* и П не наблюдается.

В работе [2] на зависимостях Р+ (0) для РЬ и 8п наблюдались максимумы при больших скоростях вторичных частиц. Как следует из результатов настоящих исследований, максимумы обнаружены для большинства исследованных в работе металлов. Кроме того, положение максимума г/^ на зависимости Р+( 1} примерно соответствует величине характеристической скорости Уд. Предаог;ено объяснение такого поведения Р+(и1) - перераспределение. заселенностей различных состояний вторичного атома вследствие многоканального характера формирования зарядового состояния распыленной чаотзщы.

Третий - раздел главы посвящен изучению эмиссии вторичных частиц из высокотемпературных сверхпроводников - керамик 'УВа?Си307._;1 и

В1,.8гЗГ1.73Са1.25Сиг.20*-

В масс-спектрах обнаружены атомы металлов, входящих, в соствв

керамик, и молекулы типа МеО (ГЛе-металл), что является следствием слоистой структуры сверхпроводников и сильной химической связи между атомами металлов и кислородом. Аналоги*шую структуру имеют масс-спектры вторичных положительных и отрицательных ионов. Установлено, что,выходы кластерных образований типа МеО составляют до 20430% от полного потока распыленных частиц. Показано, что для кислорода выходы нейтральной а отрицательно заряженной составляющих сравгпшы по величине, что резко контрастирует с распылением атомов металлов.

Согласно (1), положение максимума Е в спектрах нейтральных

Ш8ЛС

частиц определяется величиной поверхностной енергии связи У^ атомов в образце: Е = и. /2. Найденные величины V. для ВТСП-керамик кме-

П1&Х | о о

ют существенно большие значения, чем для чистых металлов, чао связано с ионным или ионгэ-ковалентньгм типом химических связей в ВТСП-материалах. Установлено также, что величины 1)ъ тесным образом коррелируют с расположением атомов данного елемента в кристаллической решетке.

Из сопоставления выходов вторичных ионов и атомов определены степени ионизации Р+ и Р" основных элементов, входящих в состав ис-с.ч-эдуемых ВТСП-керамик.

Результаты настоящей работы позволяют заключить, что определя-

юцую роль при образовании вторичных ионов, распыленных из ВТСП- материалов, играют элвктроннообмениые механизмы. Об етом свидетельствуют степени ионизации вторичных частиц - основных компонентов керамик - в зависимости от : для всех элементов, кроме В1, при скоростях вторичных частиц, соответствующих энергиям Е > 5 еВ, Р+ и Р~ в целом неплохо описываются соотношениями Р+ ~ ехр(и^/1>А) и Р~ ~ ехр(и~/1>1). Данный вывод подтверждается такжэ обнаруженной экспоненциальной зависимостью степени ионизации для ионоь Ба+, Си+, Бг+, Са+ от потенциала ионизации I атомов перечисленных элементов (рис.3).

Р+

I, эВ

Рис.3. Зависимость величин Р+ от потенциала ионизации I элементов, входящих в состав кттриевой (1) и висмутовой керамик (2).

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Измерены энергетические спектры и выходы положительных ионов и атомов Д1, Т1, N1, Си, 1г, Pt и Аи» отрицательных ионов Си, А£, 14 и Аи, распыленных пучком Аг+ с энергией Е = 5,5 кэВ из соответствующих поликристзллических мишеней. Для положительных ионов абсолютные величина степени ионизации Р* лежат в диапазоне

..<Т „О ' _ р с

10 ч10 для отрицательных ионов Р имеют порядок 10 +10 .

2. Впервые проведено экспериментальное исследование зависимости степани ионизации' от скорости распыленных частиц для отрицательных ионов. Для 0и~, Ас~, Р^" и Аи~ обнаружен опадавший характер

Р~ о ростом скорости, что находится б резком противоречии с предсказаниями модели электронного туннэлирования.

3. Показано, что основным механизмом образования вторичных отрицательных ионов являются переходы типа Оже: электрон из зоны проводимости металла заполняет вакантный ионизационный уровень вторичной частицы, а высвободившаяся при этом енергия уносится вторым электроном зоны, который захватывается на уровень сродства к электрону распыленного атома.

4. Определены экспериментальные величины характеристических скоростей Уд в системе "распыленный положительный ион - металл". Показано, что для простых металлов существует корреляция между величинами и^ и плотностью электронов в зоне проводимости. Предположено, что на характер электронного обмена для благородных и переходных металлов оказывает влияние наличие ¿-электронов зоны проводимости. Установлено, что наличие Максимумов на зависимостях -(У.)

+ х

при скоростях, примерно соответствующих значениям У0, является достаточно типичным.

5. Впервые методом масс-спектрометрии вторичных атомов и ионов измерены выходы и энергетические спектры атомарных частиц, распыленных при ионной бомбардировке БТСП-керамик: УВа2Си^07_х и В:Ц 8гБг1 73Са, ^С^ Определены поверхностные энергии связи 1/ь атомов, входящих в состав керамик. Установлено, что величины тесным образом коррелируют с расположением атомов данного элемента в кристаллической решетке.

Обнаружены большие (до 20+30% от полного потока распыленных частиц) выходы кластерных образований типа МеО. Показано, что для кислорода выходы нейтральной и отрицательно заряженной фракций сравнимы по величине.

Определены степени ионизации распыленных частиц. Обнаружена экспоненциальная зависимость степени ионизации для положительных ионов + + + + +

У , Ва , Си , Эг , Са о"1 потенциала ионизации атомов перечисленных элементов. Установлено, что при образовании вторичных ионов определяющую роль играют электроннообменные механизмы.

6. Предложен способ, основанный на масс-спектрометрии распыленных частиц, в котором измерение энергетических распределений нейтральных частиц и контроль за процессом дополнительной ионизации позволяют проводить безэталошшй анализ влемензного состава вещ-:-ааа.

Основные результаты, полученные в настоящей работе и вошедшие

в диссертацию, опубликованы в рьботах:

1. Макаренко Б.Н., Попов A.B., Шоргкн А.П. Зависимос1ь степени ионизации меди от скорости распыленных частиц // Тез. докл. IX Всес. конференции по взаимодействию атомных частиц с твердым телом. - Москва 1989. - с.242-244.

2. Makarenko В.К., Popcv A.B., Shcrgin А.P. Positive and negative ionization probability of sputtered copper partióles // Proo. YIII Intern. Workshop on Inelastic Ion-Surface Collieions. -Wien 1990, p. 16.

3. Макаренко Б.Н., Попов А.Б., Шергин А.П. Зависимость степени ио- . низации меди от скорости распыленных частиц // Изв. АН СССР, сер. фаз. - 1990. - Т. 54. - с. 1331-1333.

4. Попов A.B., Каблуков С.Б., Макаренко Б.Н., Шергин А.П. Вероятности образования положительных и отрицательных ионов, золота, распыленных при ионной бомбардировке поверхности // Тез. докл. X Всесоюзной конференции по взаимодействию .ионов с поверхностью. - Москва 1991, т. Í. - с. 20С-202.

5. Popov A.B., Kablukov S.B., Makarenko-B.N., Shergin A.P. Charge state formation probability oí gold atoms sputtered under ion bombardment of surface // Proc. XIY Intern. Conf. on Atondo Col" '.sions in Solid's. - Salford 1991, p. 67.

6. Попов А.Б., Каблуков С.В., Макаренко Б.Н., Шергин А.П. Вероятности образования положительных и отрицательных ионов золота, распыленных при ионной бомбардировке поверхности // Изв. РАН, сер. физ. - 1992. - т. 56. - N6. -с. 110-115.

7. Popov A.B., Kablukov S.B., Makarenko B.N., Shergin A.P. Charge state formation probabilities of sputtered gold atoms // Vaouum. - 1993. - v. 44. - p. 903-905.

8. Попов A.B., Каблуков С.Б., Макаренко Б.Н., Шергин А.П. Характеристические скорооти в системе "распыленный положительный ион -твердое тело" // Тез. докл. XI Всесоюзной конференции по взаимодействию ионов с поверхностью.- Москва 1993. - т. 2. - с. 16-18.

9. Попов A.B., Макаренко Б.Н., Шергин А.П. Характеристические скорости в системе "распыленный положительный ион - металл" // Письма в ЖТФ. - f 994. - т. 20. - вып. 3. - с. 1-6.

10. Попов A.B., Макаренко Б.Н., Шергин А.П. Характеристические скорости в системе "распыленный положительный ион - твердое тело" // Изв. РАН, сер. физ. - 1994. - т. 58. - N3. - с. 47-53.

11. Попов А.Б., Макаренко Б.Н., Шергин А.П. Электронные корреляции при образовании вторичных ионоз//Письма в ЖГФ. - 1994. - т. 20. - вып. 6. - с'. 55-61.

12. Попов A.B., Каблуков С.В., Макаренко Б.Н., Шергин А.П. Зарядовый состав атомов, растленных из УВагСи307_х~керамики // Тез. докл. YI Всесоюзного семинара по вторично-ионной и ионно-фотоя-ной емиссии. - Харьков, 1991. - с. 66-68.

13. Popov A.B., Kablukov S.B., Makarenko B.N., Shergin A.P. Ionization probabilities of particles sputtered from high-To~super-conduotors // Proc. IX Intern. Workshop on Inelastio Ion-Sur-íaoe Collisions. - Aussoíb, 1992. - p. 36.

14. Попов A.B., Каблуков С.В., Макаренко Б.Н., Фйшер А.Ю. Шергин А.П. Зарядовые л енергетические распределения частиц, распыленных из высокотемпературных сверхпроводников Y-Ba-Cu-0 и Bi-Sr-Ca-Cu-0 // Сверхпроводимость. - 1993. - т. 6. - N1. - с. 111-120.

15. Popov A.B., Kablukov S.B., Makarenko B.N., Shergin A.P. Ionization probabilities of particles sputtered from high-Tc~Buper-oonduotors// Nuol.Inetr. and Methods.- 199Э-- V.B78.- p.290-293.

16. Makarenko B.N., Popov A.B., Shergin A.P. Non-etalon quantitative analysis of imlti-oomponent samples with energy resolved eJeotron beam SNMS // Proo. Ill Intern. Workshop on Postioniza-tion Technique in Surface Analysis.- Kawgguohi, 1993.- p. 19-20.

17. Макаренко Б.Н., Попов A.B., Шергин А.П. Способ определения еле-метного состава поверхности твердых тел // A.c. N 4929Í70/2Í от

23.04.91; положительное решение от 27.07.92.

Цитированная литература

1. Lang N.D. Ionization probability'of sputtered particles // Phye. Rev. - 1983. - v. B27. - p. 2019-2029.

2. Makarenko B.N., Popov А.В., Shaporenko A.A.. Shergin A.P. Velocity dependence of ionization probabilities of Be, Cu, Ag, W, Sn and Pb atoms sputtered under 5>,5 keV Ar1 bombardment // Radiat. Ei'f. and Defeots in Solids. - 1990.- v. 113. • p. 263-268.

3. Nakaniehi H., Kasai H., 0ki,1i A. Electron correlation effeote on oharga transfer and energy dissipation in atom or ion eoattery?g from irie-tal surfaoea // Surf. Soi. - 1991. - v. 242. - p. 410-416.

4. Wucher A., Oeohsner H. Emission energy dependenoe of ionization probabilities in secondary ion emission from orygen covered Та, Nb and Ou Burfaoes // Surf. Soi. - 1988. - v. ' 39.- p. 567-57S.

Pl'll ГОШ, 3Sii.I99, тир. 100, уч.-изд.лЛ; И./1У-1994Г. Бесплатно