книги из ГПНТБ / Арифов У.А. Угловые закономерности взаимодействия атомных частиц с твердым телом

На рис. 73 приведены осциллограммы распределения вторич­ ных ионов по энергиям, полученные при бомбардировке грани (001) монокристаллического сплава Мо—W (Mo + 51%W) ионами Rb+ с энергией 1 кэв под углом Ф = 70°. Анализу по энергиям под­ вергались вторичные ионы, распространяющиеся (в плоскости па­ дения) под углом Ф = 70°. Осциллограммы 1—•3 снимались в слу­ чаях, когда плоскость падения совпадала с направлениями [100], [ПО], [010] соответственно. Мишень ориентировалась относительно пучка первичных ионов вращением ее вокруг оси [001] на углы

Ф= 45, 90°.

Вслучае осциллограмм 1 и 3 наблюдается три пика, а в'случае

сеяния р, как и в случае чистого однородного кристалла,

атомах W.

Зависимость т|2 от азимутального угла поворота мишени ср (где т)2 — отношение энергии вторичных ионов Rb+, претерпевших дву­ кратные столкновения с атомом Мо, к энергии первичных ионов Ао) показывает, что значения г)2, найденные измерением энергети­ ческого положения двукратного пика в зависимости от угла ср, изменяются скачкообразно. Максимумы и минимумы кривой т]2(ср) наблюдаются при определенных углах ср, что связано, повидимому, с упорядоченным расположением атомов Мо и W на грани (100) Мо—W. Поскольку в данном случае углы Ф и 0 сра­ внительно малы (Ф = 0 < 70°), т. е. не близки к скользящим углам,

характер кривой г|2(Ф) нельзя объяснить изменением числа по­ вторных столкновений иона, рассеивающегося вдоль различных кристаллографических направлений, что и приводило бы к анало­ гичным изменениям значения т]2 от ср. Изменение значения т]2 от ср здесь можно объяснить, предположив, что на грани (001) моно­

1S0

кристалла сплава Мо — W, атомы их расположены по диагонали равностороннего параллелепипеда о. ц. к. решетки. Если учесть сказанное, то не трудно представить, что поворот кристалла Мо—W вокруг оси [001], лежащей в плоскости падения, вызывает чередо­ вание атомов одного наименования атомами другого (атома W атомом Мо), и наоборот.

Аналогичные результаты были получены при бомбардировке граней (ПО) и (111) монокристалла сплава Мо—Nb ионами Na+,

К+ и Rb+.

Результаты исследования показывают, что изучение энергети­ ческих спектров ионов, рассеянных поверхностью монокристалла

М

Рис. 74.

сложного состава, позволяет однозначно определить симметрию расположений атомов различных наименований, из которых со­ стоит образец, на плоскостях и направлениях. Кроме того, по виду энергетического спектра можно судить о совершенстве граней монокристаллических сплавов.

На рис. 74 приведены полярные диаграммы углового распреде­ ления вторичных ионов, полученные при бомбардировке грани (001) монокристалла сплава Мо—Nb нонами Na+. Полярные диаграммы 1—4, получены при различных углах падения (45, 60, 70, 80°) первичных ионов, а полярная диаграмма 5 — при продол­ жительной бомбардировке. Вращение цилиндра Фарадея осуществ­ лялось вокруг мишени на плоскости рассеяния, проходящей через ось [010] кристалла.

Как и в случае бомбардировки грани (100) монокристалла Мо, угловое распределение имеет тонкую структуру, обусловленную упорядоченной структурой кристалла сплава Мо—Nb. При сравнении расположения максимумов и минимумов, наблюдаемых на фоне углового распределения, оказалось, что структура кри­ сталла сплава Мо—Nb имеет ту же структуру, что и его компонен­

181

ты (молибден и ниобии), т. е. объемно-центрированную кубическую (о. и. к.) решетку.

• Дальнейшие исследования полярных диаграмм углового распре­

поверхностных слоях его. Результаты исследования позволяют оп­ ределить (индицировать) грани и направления, оканчивающиеся атомами различных наименований.

§6. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ

В § 3, 4 гл. II рассматривалось изменение углового, про­ странственного и энергетического распределений рассеянных ио­ нов в зависимости от температуры монокристаллической мишени, что объяснялось влиянием тепловых колебаний атомов решетки на процесс рассеяния. Большой интерес представляет исследование этих распределений в случае монокристаллической сплавной ми­ шени, так как, кроме влияния тепловых колебаний атомов решетки, здесь необходимо учитывать и воздействие процесса диффузии атомоз более летучего компонента сплава изнутри на поверхность мишени.

На рис. 76 а представлена серия осциллограмм распределения вторичных ионов по энергиям, полученная при бомбардировке грани (100) монокристалла сплава W—Мо ионами Rb+ с энергией 800 эв. Здесь углы падения первичных и вылета анализируемой части вторичных ионов были равны 70 и 60° соответственно. Анали­ зу по энергиям подвергались вторичные ионы, лежащие в плоско-

182

(■

t)

~m ts6

Рис. 76

стн рассеяния, параллельной атомному ряду [011] кристалла W—Мо. Осциллограммы 1—6 сняты при различных температурах мишени (1 — 300, 2 — 1000, 3 — 1400, 4 — 1800, 5 — 2000, 6 — 2200°К).

При сравнительно небольших температурах мишени в осцилло­ грамме распределения вторичных ионов по энергиям наблюдаются три пика в высокоэнергетической области спектра. Измерения энер­ гетических положений этих пиков показывают, что главные пики / и II спектра соответствуют энергиям ионов, претерпевших одно­ кратные соударения с атомами Мо и W, а пик III — двукратные соударения с атомом W в направлении [011]. С увеличением темпе­ ратуры мишени относительная интенсивность пика III уменьшает­ ся, что связано с тепловыми колебаниями атомов решетки. Даль­ нейшее увеличение температуры мишени (см. осциллограммы 5 и 6) приводит к превращению пика III в покатую ступеньку, что почти не разрешается в виде пика. Однако при этом появляется пик IV, энергетическое положение которого свидетельствует о по­ явлении атома Мо, между атомами W в направлении [011]. По­ следнее произошло в результате диффузии атомов более летучего компонента сплава изнутри на поверхность. Учитывая сказанное, можно утверждать, что в случае сплава W—Мо более летучим компонентом является молибден и наиболее вероятным местом первоначального нахождения его атомов на поверхности мишени служит центр грани (100) монокристалла сплава W—Мо. Послед­ нее в свою очередь приводит к резкому увеличению плотности упаковки атомов в направлении [ПО] кристалла и соответственно к появлению в спектре пика IV. Такое резкое изменение характера энергетического спектра ионов, рассеянных кристаллами сплава, в зависимости от температуры мишени указывает на возможность исследования динамики диффузии летучих компонентов сложных образцов.

На рис. 76 б показана зависимость относительной интенсивно­ сти двукратного пика III от азимутального угла поворота мишени ср. Бомбардировались грани (010) монокристалла сплава W—Мо ионами Rb+ с энергией 1200 эв. Полярные диаграммы 1—5 снима­

анизотропия пространственного распределения сначала несколько

сколько восстанавливается и наблюдаются дополнительные мак­ симумы в других направлениях.

На рис. 77 представлены полярные диаграммы, характеризую­ щие угловое распределение вторичных ионов, полученные при бом­ бардировке грани (010) монокристалла сплава Мо—W ионами Na+ с энергией 1500 эв. Угол падения первичных ионов был равен 30°, а распределение вторичных ионов по углам изучалось в плос­ кости рассеяния, параллельной атомному ряду [100] кристалла.

184

Полярные диаграммы 1—5 сняты при различных температурах мишени: / — 300; 2 — 600; 2 — 900; 4 — 1200; 5 — 1500°К.

Как видно из рисунка, в отличие от полярных диаграмм, полу­ ченных в случае однородного монокристалла (W или Мо), здесь

М

Рис. 77.

в зависимости от температуры мишени наблюдается сглаживаниетонкой структуры углового распределения. Наблюдаемое в данном случае заметное сглаживание ани­ зотропии углового распределения, по-видимому, опять связано с обра­ зованием на поверхности пленки атомов Мо, которые и нарушают выход вторичных ионов вблизи ос­ новных кристаллографических на­ правлений мишени.

На рис. 78 представлена зависи­ мость коэффициента рассеяния ио­ нов /Ср от угла падения первичных ионов Ф, полученная при бомбарди­ ровке грани (100) W—Мо ионами Na+ с энергией 1500 эв. Изменение угла падения осуществлялось в пло­ скости падения, параллельной атом­ ному ряду [100] кристалла. Кривая 1 соответствует изменению функции Яр/Ф при температуре мишени я^300°К, кривая 2 — при ~1500°К, а

кривая 3 — после нагрева мишени до 1500°К в течение 20 час. Здесь также в зависимости от температуры наблюдается заметное сглаживание анизотропии коэффициента Д'р в зависимости от Ф,

185-

энергетическом спектре, соответствующем углу рассеяния |3 боль­ шему, чем предельные углы однократных соударений легких ком­ понентов сплава, и наличие этих пиков в спектрах, полученных внутри предельного угла.

Рассмотрение углового и энергетического распределений ионов, рассеянных поверхностью сложных (сплавных) образцов, показы­ вает, что все основные угловые и энергетические характеристики их аналогичны закономерностям, обнаруженным при изучении рас­ сеяния ионов', мишенями, изготовленными из материалов, пред­ ставляющих собой компоненты сплава.

Изменения энергетического спектра ионов, рассеянных монокристаллическими сплавными образцами, в зависимости от азиму­ тального угла поворота мишени связаны с упорядоченным распо­ ложением различных атомов в узлах кристаллической решетки. Действительно, если, например, в случае монокристалла W—Мо атомы на грани (001) расположены таким образом, что по диагона­ ли находятся одноименные атомы, то при повороте такой мишени вокруг оси [001] (по азимутальному углу ср) двукратное рассеяние иона на атоме Мо происходит в направлении [100] и на атоме W— в направлении [ПО] и т. д. Это в свою очередь приводит к резкому изменению положения двукратного пика в спектре, что и наблю­ дается в эксперименте (см. § 4, гл. IV).

Таким образом, обнаруженные особенности углового и прост­ ранственного распределений ионов, рассеянных сложными (сплав­ ными) образцами, в основном обусловлены концентрацией от­ дельных компонентов сплава и изменением их в зависимости от внешних воздействий (температура, бомбардировка и др.). В слу­ чае монокристаллического сплава особенности распределений за­ висят от расположения атомов различных наименований в узлах

ми указывают на возможность использования их для определения узлов решетки на атомном уровне, т. е. устанавливать принадлеж­ ность атомов к тем или иным наименованиям, уточнять индексы решетки, для изучения динамики диффузии отдельных компонен­ тов сложного образца, для контроля покрытия поверхности его тем или иным составным компонентом в процессе тепловой обра­ ботки и т. д.

Результаты исследования позволяют выделить следующие экс­ периментальные факты.

1. В энергетическом спектре ионов, рассеянных сложным (сплавным) образцом, обнаруживается система пиков, соответст­ вующих ионам, претерпевшим однократные соударения на атомах компонентов сплава.

2. В случае, когда масса бомбардирующего иона больше массы атома отдельных компонентов сплава, система пиков, относящихся к однократно рассеянным ионам на атомах всех компонентов, на­

187

Г л а в а V

УГЛОВЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОХОЖДЕНИЯ ИОНОВ СРЕДНИХ ЭНЕРГИЙ ЧЕРЕЗ ТОНКИЕ ПОЛИ- И МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ПЛЕНКИ МЕТАЛЛОВ

До настоящего времени угловые закономерности-'про­ хождения тяжелых ионов средних энергий (5—50 кэв) через веще­ ство были почти не изучены. Энергетическое распределение ионов, прошедших через тонкие пленки металлов и полупроводников, рассматривалось в некоторых работах, однако в них не исследова­ лось изменение этих распределений в зависимости от угловых па­ раметров прохождения частиц. Ориентационные эффекты, обнару­ живаемые при изучении прохождения заряженных частиц через кристаллические решетки, открывают новые возможности для ис­ следования в области твердого тела, в частности, при помощи эф­ фекта теней удается различать узлы решетки разрезов кристалли­ ческих плоскостей.

В последние годы проблема определения тормозной способно­ сти вещества, ее связь со скоростью и сортом частицы, с парамет­ рами кристаллической решетки интересует многих исследователей. Это обусловлено развитием перспективных направлений современ­ ной науки и техники, требующих знания характера торможения заряженных частиц в веществе.

Изучение угловых закономерностей прохождения ионов через тонкие пленки металлов может дать новые сведения о характере торможения, потерях энергии и других свойствах частиц при про­ хождении.

§1. КРАТКИЙ ОБЗОР ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ УГЛОВОГО И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ИОНОВ, ПРОШЕДШИХ ЧЕРЕЗ П0ЛИ-

ИМОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ПЛЕНКИ МЕТАЛЛОВ

Всуществующих теоретических исследованиях прохож­ дения быстрых атомных частиц через вещество [206, 325, 327, 367] дано качественное описание процесса, экспериментальные же дан­ ные [92, 204, 256, 345, 390, 392] весьма скудны и зачастую противо­ речивы. Подробно ранние теоретические и экспериментальные ра­ боты по изучению прохождения ионов через вещество рассмотре-

189