Рассеяние металлических ионов поверхностью твердых тел в области низких энергий

• Автор: Костина, Наталья Владимировна
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Пенза
• Количество страниц: 140 с. : ил

Глава 1. Модели и методы теоретического изучения рассеяния ионов
поверхностью твердых тел 1
Глава 2. Модель рассеяния ионов поверхностью кристаллов методом молекулярной динамики
2.1 Физические основы создания модели
2.2 Информационная структура программной модели
Глава 3. Рассеяние щелочных ионов низких энергий поверхностными гранями монокристаллов тугоплавких металлов
3.1 Рассеяние ионов Сз+ монокристаллами и Мо
3.2 Сравнение результатов моделирования рассеяния
Сз+—> W для двух потенциалов взаимодействия
Выводы
Глава 4. Рассеяние металлических ионов кристаллическими поверхностями собственных металлов (Ме+-> Ме)
4.1 Рассеяние Ме+-» Ме с ОЦК - решеткой
4.2 Рассеяние Ме+-> Ме с ГЦК - решеткой
4.3 Сравнительное изучение рассеяния металлических ионов низких энергий с большим и малым атомными номерами поверхностью
4.4 О методе анализа наноразмерных металлических пленок
Выводы
Заключение
Список литературы
Приложение А. Программа компьютерного моделирования рассеяния ионов поверхностью кристаллов методом молекулярной динамики
В последние 20-30 лет особенно возрос интерес к исследованиям явлений и процессов, происходящих при взаимодействии атомных частиц с поверхностью твердого тела [1-4]. Актуальность таких исследований обусловлена развитием и внедрением в практику новых прогрессивных технологий, использующих методы ионного и ионно-плазменного напыления, ионной имплантации и молекулярной эпитаксии [5,6]. Необходимость изучения поверхностных явлений связана с проблемой «первой стенки» в управляемых термоядерных реакторах и ионных двигателях, а также с получением новых материалов с заданными свойствами [7,8], что требует применения эффективных методов контроля и, в частности, методов, основанных на диагностике поверхности ионными пучками [9-11]. Помимо уникальных физических экспериментов, проводимых учеными с целью изучения явлений, наблюдаемых на поверхности твердого тела при ионной бомбардировке, используются численные методы, приобретающие все более широкое распространение в связи с совершенствованием компьютерной техники [12,13].
Одним из наблюдаемых явлений является рассеяние атомных частиц поверхностью твердых тел. Наиболее полно изученными являются область сверхнизких или тепловых энергий (Ео=10"1-10° эВ), где отражение налетающих частиц от поверхности рассматривается как «от стенки» и учитывается эффект аккомодации, и область средних энергий (Ео=103-105 эВ), где отражение объясняется в рамках известной бинарной модели, в которой рассеяние интерпретируют как акт упругих столкновений бомбардирующего иона с отдельными несвязанными между собой атомами кристаллической решетки.
Менее изученной оказалась область энергий бомбардирующих частиц Е0, лежащих в диапазоне десятков и сотен эВ. Для этой области не
существует однозначного подхода к механизму рассеяния ионов поверхностью. Одни исследователи стоят на позиции бинарных столкновений иона с атомами мишени [14,15], другие - на позиции
многочастичных (групповых) взаимодействий [16,17].
В связи с этим цель настоящей диссертационной работы состоит в
1) установлении механизма взаимодействия ионов с поверхностью твердого тела в области низких энергий бомбардировки и определении границ его применимости;
2) создании методических основ анализа поверхности твердых тел и пленочных структур ионными пучками низкой энергии.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1. Развит метод численного моделирования рассеяния ионов упорядоченными структурами на основе молекулярной динамики с использованием дальнодействующих потенциалов взаимодействия.
2. Проведено компьютерное моделирование рассеяния щелочных ионов низких энергий поверхностными гранями монокристаллов тугоплавких металлов с применением дальнодействующего потенциала взаимодействия Циглера-Бирзака-Литтмарка. Изучены дифференциальные энергетические и угловые распределения ионов Сэ, рассеянных монокристаллами W и Мо.
3. Проведено компьютерное моделирование рассеяния металлических ионов кристаллическими поверхностями тех же металлов (Ме+-»Ме) в области низких энергий бомбардирующих частиц (Ео=40ч- 500 эВ). Изучены дифференциальные энергетические распределения, угловые распределения интенсивности и угловые распределения по энергиям и интенсивности металлических ионов,
нормальному, происходит наибольшее их сближение с поверхностными атомами. Как показано на рисунке 3.9а, при малом увеличении расстояния г между ионом и атомом мишени в области малых значений г потенциал ЦБЛ спадает более резко, чем БМ-потенциал, что, по-видимому, ответственно за одинаковое действие на ион дальнодействующего потенциала ЦБЛ и короткодействующего БМ. Сравнение гистограмм энергетического распределения рассеянных частиц с экспериментальным спектром [16] для Ео=580 эВ показывает, во-первых, что как и в эксперименте рассчитанные спектры не содержат ионов низкой энергии и, во-вторых, интенсивность низкоэнергетического пика в гистограммах, полученных в процессе компьютерных расчетов, превышает интенсивность этого пика в экспериментальном спектре [16] (рис. 3.10). По-видимому, это связано с недостаточным набором рассеянных ионов, попавших в детектор (0,1% общего числа частиц, попадающих на мишень). Компьютерные расчеты показали, что для большого набора детектируемых частиц, требующего очень большого машинного времени, улучшается согласие расчетных спектров с экспериментальными.
2) Исследование угловых распределений интенсивности рассеянных ионов (рис. 3.11) показало, что в области энергий Ео<100 эВ для обоих потенциалов взаимодействия рассеяние ионов «вперед» отсутствует, т.е. нет проникновения ионов внутрь мишени. Отраженные ионы наблюдаются только для угла ^90° (ЦБЛ) и для ^/>76° (БМ), тогда как при заданной геометрии мишени и первичного пучка рассеяние «вперед» должно было бы наблюдаться и в интервале углов 0<^<71°.
3) Из угловых распределений относительных энергий рассеянных ионов (рис. 3.12) следует, что в области энергий Е0< 100 эВ для обоих потенциалов взаимодействия рассеяние наблюдается в ограниченном