Троян Физические основы методов исследования наноструктур и поверкхности 2014

1967 г. впервые явление рассеяния медленных ионов было применено как метод исследования поверхности при бомбардировке поверхности никеля и молибдена пучками ионов благородных газов He+, Ne+ и Ar+ с энергией 3÷5 кэВ.

4.2. Физические основы СРМИ

Процесс рассеяния медленных ионов атомами поверхности твердого тела достаточно точно описывается кинематикой парного соударения упругих шаров. Для описания тонкой структуры спектров необходимо учитывать влияние окружающих атомов и периодичность поверхностной кристаллической решетки.

Энергия рассеянного иона E1 полностью определяется массой атома-рассеивателя М, массой m и энергией Е0 рассеивающегося иона и углом рассеяния . Используя закон сохранения энергии

где индексы 0, 1 и 2 соответствуют налетающему иону, рассеянному иону и испытавшему отдачу атому поверхности, нетрудно полу-

чить так называемое кинематическое соотношение:

E1 kE0 ,

где коэффициент k называется кинематическим фактором и определяется выражением

где M / m – отношение масс атома-рассеивателя и иона, знак «+» выбирается для случая 1 (рассеяние на тяжелом атоме), и знак «-» - для 1 (рассеяние на легком атоме). Схематически

геометрия рассеяния представлена на рис.4.1.

Энергия отдачи, приобретаемая поверхностным атомом,

152

Таким образом, зная угол рассеяния, задаваемый геометрией установки (углом между ионной пушкой и анализатором) и массу иона, по энергии пика рассеянных ионов можно однозначно определить массу поверхностных атомов, на которых произошло рассеяние.

Рис. 4.1. Схематичная диаграмма упругого двухчастичного соударения налетающего иона с массой m, кинетической энергией E0 и скоростью v0 и атома поверхности с массой M, кинетической энергией отдачи Е2 и скоростью v2 [5]

Для каждого конкретного спектрометра значение угла либо фиксировано (так, для спектрометра XSAM-800 фирмы Kratos он

составляет 125 ), либо может варьироваться. Поворот самого образца относительно спектрометра приводит к изменению угла скольжения , что не влияет на угол рассеяния и положение

спектральных линий. Однако варьирование угла скольжения может использоваться для изменения условий каналирования и многократного рассеяния, что важно при определении структуры поверхности в методе СРМИ.

Помимо акта упругого рассеяния иона на атоме поверхности, возможны дополнительные неупругие потери энергии на возбуждение электронов и ионизацию поверхностных атомов, которые приводят к сдвигу спектральной линии и могут быть учтены введе-

нием фактора неупругих потерь энергии Q, от которой теперь за-

висит коэффициент k в (4.1):

153

Обычно при энергии падающих ионов E0 ~ 1 кэВ величина неупругих потерь составляет единицы электронвольт ( Q E0 ) и не

мешает проведению анализа элементного состава поверхности образца. Неупругие потери энергии также могут приводить к асимметрии спектральных линий и в ряде случаев к появлению сателлитов, по наличию которых можно судить о химическом состоянии поверхностных атомов.

4.3. Общий вид обзорного спектра РМИ

Типичный вид спектра рассеяния медленных ионов He+ с энергией 1 кэВ на поверхности сплава Al, Cu Pb, полученный для угла

рассеяния 900 , представлен на рис.4.2.

Рис.4.2. Типичный обзорный

поверхности сплава [8]

Спектр состоит из широкого плавно меняющегося с энергией фона, обусловленного неупругорассеянными ионами, и отдельных линий, отвечающих упругому рассеянию ионов Не+ ( m 4 а.е.м.) на атомах O ( M 16 а.е.м.), Al ( M 27 а.е.м.), Cu ( M 64 а.е.м.)

154

лых атомах сопровождается меньшими потерями энергии, поэтому пик О в спектре имеет наименьшую, а пик Pb – наибольшую энергию.

Ширина пиков рассеяния определяется следующими факторами:

1)распределением по энергии в первичном пучке ионов (степенью немонохроматичности);

2)расходимостью первичного пучка (вследствие взаимного отталкивания ионов невозможно создать строго параллельный ионный пучок);

3)углом сбора рассеянных ионов и разрешающей способностью энергоанализатора;

4)кинетической энергией рассеянных ионов.

С увеличением энергии ширина пиков рассеяния возрастает. Так, например, ширина спектральной линии рассеяния ионов Не+ на

Основной характеристикой любого спектрометра является разрешающая способность. Для метода СРМИ разрешающая способ-

рассеивателей и энергий рассеянных ионов, для которых две линии в спектре еще будут разрешаться. На рис.4.3. приведена зависи-

мость разрешающей способности по массе RM от угла рассеяния

для ионов Не+, взаимодействующих с поверхностью золота ( 49.3 ), молибдена ( 24) и меди ( 15.9 ).

155

там легче первичного иона. Следовательно, с этой позиции выгоднее использовать самые легкие ионы.

Таким образом, оказывается невозможным одновременно достичь максимальной интенсивности и наибольшего диапазона регистрируемых элементов.

4.4. Интенсивность спектральных линий. Сечение рассеяния

Интенсивность спектральной линии рассеянных ионов определяется следующим выражением:

рассеяния, 0 – телесный угол сбора рассеянных ионов анализатором и Pi – вероятность того, что после рассеяния зарядовое состоя-

ние иона не изменится (т.е. не произойдет его нейтрализация). Сечение рассеяния определяется потенциалом взаимодействия

иона и атома-рассеивателя V (r) .

На практике в качестве таких потенциалов используются следующие:

1) кулоновский потенциал, описывающий взаимное отталкива-

Такой вид потенциала взаимодействия, однако, не учитывает электроны, экранирующие отталкивание ядер. Учет электронной экранировки осуществляется в следующих модельных потенциалах:

2) боровский экранированный потенциал

157

Поскольку потенциал Борна–Майера, в отличие от всех других приведенных потенциалов, не содержит кулоновской части, то он применим для описания «мягкого» рассеяния, т.е. рассеяния при больших значениях прицельного параметра и малых углах рассеяния.

Характерное значение сечения рассеяния для энергии первичных ионов E0 10 кэВ для ионов He+, рассеивающихся на атомах Au, составляет 3.3 10 19 см2, а для ионов Ar+ - 2.2 10 18 см2.

4.5. Эффект нейтрализации ионов

Процесс взаимодействия иона и атома-рассеивателя при определенных условиях может сопровождаться электронным обменом, приводящим к изменению зарядового состояния рассеивающегося иона: его нейтрализации, а также, возможно, последующей ионизации. Процесс нейтрализации оказывает существенное влияние на интенсивность спектральных линий, поскольку нейтральные частицы не регистрируются энергоанализатором. В то же время нейтра-

158

лизация является одной из главных причин исключительной поверхностной чувствительности метода СРМИ.

Существует несколько механизмов нейтрализации иона у поверхности твердого тела, показанных на рис.4.4.

Резонансная нейтрализация. Схема резонансной нейтрализации иона представлена на рис.4.4, а в виде энергетической диаграммы. Нейтрализация имеет место при совпадении энергии иони-

зованного валентного уровня иона E и заполненных уровней валентной зоны поверхности EVB . Поскольку в валентной зоне заполненные электронные уровни образуют непрерывный спектр вплоть до энергии Ферми EF , условие резонансной нейтрализации

можно записать как E EF . На рисунке показан случай рассея-

ния иона на поверхности металла с валентной зоной, заполненной до уровня Ферми. В этом случае при сближении иона и поверхностного атома происходит туннелирование электрона из валентной зоны поверхности в свободное состояние иона через потенциальный барьер, высота которого составляет величину порядка работы выхода образца, а ширина равна минимальному расстоянию, на которое сближается ион и атом-рассеиватель. После нейтрализации возможен обратный переход электрона в зону проводимости образца, т.е. повторная ионизация рассеивающейся частицы.

Квазирезонансная нейтрализация. Квазирезонансная нейтра-

лизация (см. рис. 4.4, б), в отличие от резонансной, имеет место при близких значениях энергии свободного уровня иона и отдельного

связанного уровня поверхностного атома E1 , не образующего ва-

лентную зону. Поскольку точное совпадение энергий уровней E и E1 в этом случае почти невозможно, туннелирование происходит не резонансным, а квазирезонансным образом, т.е. с небольшим изменением энергии в меру различия величин E и E1 .

Оже-нейтрализация. Процесс оже-нейтрализации осуществляется посредством электронного оже-перехода между незаполненным уровнем иона, заполненным уровнем поверхностного атома с эмиссией оже-электрона либо из валентной зоны поверхности образца (см. рис. 4.4, в), либо с вышележащего, но заполненного

159

уровня иона (см. рис. 4.5, г). В первом случае конечным состоянием является основное, а во втором – возбужденное состояние нейтрального атома.

Рис.4.4. Процессы резонансной (а), квазирезонансной (б) и оже-нейтрализации (в, г) иона у поверхности твердого тела [7]

Обычно свободные уровни иона являются уширенными. Это уширение связано с конечным временем жизни ионизованного состояния, которое равно времени нейтрализации валентного уров-

ня n ~ / . Валентные уровни также могут быть уширены вслед-

ствие перекрытия их волновых функций с волновыми функциями электронов поверхности образца.

Величина, обратная времени нейтрализации Rn 1/ n , называ-

ется скоростью нейтрализации, т.е. числом актов нейтрализации в единицу времени. Скорость нейтрализации зависит от ширины туннельного барьера s и на больших расстояниях, когда туннелирование определяется перекрытием хвостов волновых функций, может быть представлена в виде [9]:

сти нейтрализации иона должно учитывать матричный элемент электронного перехода.

Полная вероятность «выживания» иона при рассеянии на поверхности может быть записана в виде [9]:

160