Рассеяние и распыление частиц при бомбардировке твердых тел атомами, молекулами и кластерами

• Автор: Шульга, Владимир Иванович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 241 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
1. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АТОМНЫХ ТРАЕКТОРИЙ
1.1. Потенциалы межатомного взаимодействия
1.2. Упругое и неупругое торможение
1.3. Методы компьютерного моделирования
2. ЛИНЗОВАЯ ФОКУСИРОВКА ИОННЫХ ПУЧКОВ В КРИСТАЛЛАХ
2.1. Фокусировка двухатомной линзой
2.1.1. Плотность потока рассеянных ионов
2.1.2. Энергия двухатомной фокусировки
2.2. Фокусировка четырехатомной линзой
2.3. Фокусировка парой атомных цепочек
2.4. Численные расчеты. Обсуждение результатов
2.5. Основные выводы
3. РАССЕЯНИЕ ИОНОВ ТОНКИМИ МОНОКРИСТАЛЛАМИ ПРИ ОСЬ-ПЛОСКОСТНЫХ ПЕРЕХОДАХ
3.1. Программа ASTRA
3.2. Угловые осцилляции коэффициента прозрачности
3.3. Модель резонансного деканалирования
3.4. Линзовая фокусировка ионов в тонком монокристалле
3.5. Обсуждение результатов
3.6. Основные выводы
4. ПОВЕРХНОСТНОЕ КАНАЛИРОВАНИЕ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ
4.1. Режимы поверхностного каналирования
4.2. Численный расчет энергии фокусировки полуканала
4.3. Рассеяние молекул цепочкой атомов
4.4. Рассеяние молекул поверхностным полу каналом
4.5. Экспериментальное определение энергии фокусировки полуканала
4.6. Определение ионно-атомных потенциалов из данных по отражению
4.7. Основные выводы
5. РАССЕЯНИЕ ПОВЕРХНОСТЬЮ ТЯЖЕЛЫХ АТОМОВ, МОЛЕКУЛ
И КЛАСТЕРОВ
5.1. Нелинейные эффекты при рассеянии тяжелых ионов
5.2. “Кулоновский взрыв” быстрых молекул при скользящем рассеянии
5.3. Торможение кластеров низких энергий в тонких пленках
5.4. Рассеяние и распыление кластеров при столкновении с поверхностью .
5.5. Эффект двукратного рассеяния
5.6. Основные выводы
6. РАСПЫЛЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ ИОННОЙ БОМБАРДИРОВКОЙ
6.1. Программа OKSANA
6.1.1. Модель
6.1.2. Тестовые расчеты
6.2. Угловые закономерности распыления
6.2.1. Коэффициенты и эффективности распыления
6.2.2. Угловое распределение распыленных атомов
6.2.3. Механизмы преимущественного распыления
6.3. Корреляция распыления и ионно-фотонной эмиссии
6.4. Изотопические эффекты в распылении
6.5. Основные выводы
7. РАСПЫЛЕНИЕ АМОРФНЫХ ТЕЛ ИОННОЙ БОМБАРДИРОВКОЙ
7.1. Эффекты атомной плотности в распылении
7.1.1. Распыление Ge
7.1.2. Распыление различных мишеней
7.1.3. Угловые зависимости
7.2. Корреляция углового и энергетического распределений распыленных атомов
7.3. Соотношение между средней энергией распыленных атомов и коэффициентом распыления
7.4. Основные выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Взаимодействие атомных частиц с твердым телом представляет собой быстро развивающуюся область современной физики. При воздействии потока частиц на поверхность твердого тела происходит ряд сложных процессов. Бомбардирующие атомы или ионы, попадая на поверхность твердого тела, могут рассеяться поверхностью как с изменением, так и без изменения заряда. Частицы, проникающие в твердое тело, после многократных столкновений выходят из мишени, либо останавливаются в ней, потеряв энергию на упругие и неупругие взаимодействия. Молекулы и сгустки атомов или молекул (кластеры) могут диссоциировать при взаимодействии с поверхностью, а их отдельные фрагменты отражаться от нее. Одновременно с отражением и внедрением бомбардирующих частиц происходит выход атомов твердого тела за пределы мишени — распыление. Распыление может быть результатом прямой передачи кинетической энергии от падающих частиц атомам мишени в каскадах столкновений (физическое или столкновительное распыление), результатом сильного возбуждения электронной подсистемы твердого тела быстрыми и многозарядными ионами (неупругое распыление), либо результатом химических реакций (химическое распыление). Отражение и распыление являются важнейшими процессами, определяющими энерго- и массообмен при взаимодействии потоков частиц атомного масштаба с поверхностями твердых тел.
Процессы рассеяния и распыления имеют важное значение для многих областей науки и технологии, таких как физика плазмы, физика твердого тела, физика поверхности, радиационная физика, микроэлектроника и космическая техника. Распыление материалов термоядерного реактора (ТЯР) под действием топливных частиц и само-распыление влияют на время удержания плазмы и эрозию поверхности первой стенки ТЯР и других конструкционных элементов. Ионное рассеяние является основой многих современных технологий, включая субмикронные технологии. Определение релаксации поверхностных слоев, амплитуды тепловых колебаний поверхностных атомов и положения адсорбированных атомов, исследование структуры границ раздела (интерфейсов) и структурных фазовых переходов, это лишь некоторые примеры применения ионных пучков для исследования поверхности на атомном уровне. Ионно-плазменные технологии широко используются в микроэлектронике, например, в производстве СБИС. Распыление лежит в основе метода вторичной ионной масс-спектроскопии (ВИМС) — основного метода определения состава приповерхностных слоев твердых тел.
Процессы, происходящие при взаимодействии атомных частиц с твердым телом,

Для потенциала С/#п из формул (2.32) и (2.33) с учетом (2.34) находим:

(2.36)
(2.35)
Зависимости, рассчитанные по формулам (2.35) и (2.36) для п = 2, показаны на рис. 2.7. Видно, что две энергии фокусировки реализуются одновременно лишь при близких значениях ах и ау. Энергия фокусировки Е}х^ всегда меньше Е}х^ , причем разница растет с уменьшением ау и увеличением ах- Таким образом, рассеяние на атомах 3 и 4 (рис. 2.6, а) может сильно влиять на величину Е;х^- Это связано с тем, что яг-ые составляющие поперечных импульсов, получаемых ионами от атомов 1 и 2, вычитаются, а от атомов 3 и 4 — складываются.
Аналогичное рассмотрение для прямоугольной линзы (рис. 2.6, б) приводит к выражению
где а = (а-х + ау)1/2 — радиус линзы. Для квадратной линзы (ах = ау = а/у/2)
Такая же формула следует из (2.32) и (2.33) при ах = ау = а.
Подставляя (2.25) и (2.27) в (2.37), находим энергии фокусировки прямоугольной линзы для потенциалов Борна-Майера
(2.37)
(2.38)
(2.39)
и Мольера
(2.40)
где 7к — /?*а/в5- Выражения для энергии фокусировки можно получить из (2.39) и (2.40), заменив X на У и У на X. В случае квадратной линзы

(2.42)
для потенциалов Борна-Майера и Мольера соответственно.