АндрееваНВ_УсиковаМА_Методы_элементного_анализа_материалов_и_структур

Таблица 1.1

Характеристические параметры модельного спектра обратного рассеяния

Исходя из внешнего вида спектра можно предположить, что образец представляет собой полубесконечную подложку из алюминия (рис. 1.13) с тонкимипленками. Оналичиитонкихпленоксвидетельствуютпики, расположенные в энергетических диапазонах 1000…1250 кэВ и 1250…1500 кэВ (рис. 1.11 и 1.12). Характерный вид пиков, а именно наличие в каждом пике двухступенек, позволяетсделатьвыводоналичиидвухпленок(двеступеньки у каждого пика) двухкомпонентного состава (платиноникелевый сплав). При этом содержание никеля в ближайшей к подложке пленке меньше, чем в верхнейпленке, посколькувысотаступенькипикадляникелявдиапазонебольших энергий выше (рис. 1.12). Соответственно, вид пика для платины свидетельствует о том, что содержание платины в ближайшей к подложке пленке больше, чем во второй пленке, поскольку высота ступеньки в области меньших энергий пика выше. Таким образом, структура представляет собой алюминиевую подложку с двумя тонкими платиноникелевыми пленками.

Справочные данные, необходимые для дальнейших расчетов, сведены в табл. 1.2.

Проверим предположение о структуре образца и найдем кинематические факторы для содержащихся в нем элементов:

Ki Mi M He 2

Mi M He

* Молярная масса – масса одного моля вещества. Эта величина, равная отношению массы m вещества к количеству вещества n, имеет единицу измерения килограмм на моль (или грамм на моль). Молярная масса, выраженная в граммах на моль, численно равна относительноймолекулярной массе (для веществ атомного строения – относительной атомной массе, измеряемойватомных единицах массы(а. е. м.)).

21

и, соответственно,

KAl 26.98 4 2 0.55;

26.98 4

KNi 58.69 4 2 0.76 ;

58.69 4

KPt 195.08 4 2 0.92 .

195.08 4

Материалы в поверхностном слое определяются по совпадению расчетной энергии правого края соответствующих пиков с энергией, определенной по модельному спектру обратного рассеяния( E1Al/Ni/Pt ). Для расчетных энергий:

K E1 E1 KE0 E0

и, соответственно,

E1Al KAlE0 0.55 1600 880 кэВ; E1Ni KNiE0 0.76 1600 1216 кэВ; E1Pt KPtE0 0.92 1600 1472 кэВ.

Сравнивая расчетные значения со значениями по спектру (см. табл. 1.1) с учетом разрешения детектора 15 кэВ, можно сделать вывод о том, что в поверхностном слое присутствуют Ni и Pt, что подтверждает сделанное ранее предположение о структуре образца.

Для дальнейших расчетов можно принять, что структура состоит из двух платиноникелевых слоев разного состава: Ptx1Ni y1 и Ptx2Niy2 на Al-под-

ложке. Будем считать, что индекс 1 в обозначении состава слоя относится к внешнему слою структуры, другими словами, к первому слою на пути аналитических ионов гелия.

Определимсоставпервогослоя (Ptx1Niy1)-слоя. Всоответствиис(1.12)

22

где N1,2Pt и N1,2Ni – содержаниеплатины( x1 и x2 ) иникеля( y1 и y2 )* впервоми второмслояхструктурысоответственно. Дляпростотыбудемопределятьзначения выходов рассеяния по правой границе ступенек пиков соответствующих элементов модельного спектра (см. рис. 1.11, 1.12). Тогда для первого слоя:

для второго слоя:

Определим содержание платины и никеля в слоях структуры. Для этого вычислим плотности сплавов первого и второго слоев:

21.45 8.9 (0.3 195.1 0.7 58.7) 13.6 г/ см3;

0.3195.1 8.9 0.7 58.7 21.45

(N Pt M Pt N NiM Ni )

Pt Ni 2 2 N2Pt M Pt Ni N2NiM Ni Pt

21.45 8.9 (0.5 195.1 0.5 58.7) 16.2 г/ см3.

0.5195.1 8.9 0.5 58.7 21.45

Следуетиметьввиду, чтов(1.12) входитмолярнаядоля(илиатомнаядоля) элементавсплаве(N). Приопределенииплотностисплаваиспользуетсямассовая

* Под содержанием в данном случае понимается объемная концентрация частиц. 23

доляэлемента, т. е. отношениемассыэлементаввеществекмассевсеговещества (например, в воде массовая доля водорода составляет 2/18 = 1/9). Атомная доля элемента (x) – это отношение количества атомов элемента к количеству всех атомов вещества (для воды атомная доля водорода составляет 2/3). Соответственно, вдальнейшемпривосстановленииструктурыобразцавозникнетнеобходимость пересчета атомной доли x, определенной по выходу рассеяния с использованием модельного спектра обратного рассеяния, в массовую долю ω.

Определим количество формульных единиц Ptx Ni y в единице объема в

где NA – постоянная Авогадро.

Для определения толщин слоев необходимо учесть потери энергии ионного пучка на траектории входа и выхода. Потери будут определяться сечением торможения, зависящим от элементного состава рассматриваемого слоя, а также текущим для рассматриваемого слоя значением энергии ионов гелия. Толщина слоя определяется по пику спектра обратного рассеяния для одного изэлементов слоя. Длядальнейших расчетов выберем пик платины. Будемиспользовать приближение «поверхностной аппроксимации энергии».

Таким образом, энергия ионов гелия, испытавших обратное рассеяние от атомов платины на границе раздела первого и второго слоев структуры и заре-

гистрированных детектором ( E2Pt ) (рис. 1.14), будет определяться с использованием (1.18) следующим образом:

24

Определение значений сечений торможения для промежуточных табличных значений энергии производится графически по зависимости значения сечения торможения ионов гелия от энергии для элементов, входящих в состав образца (рис. 1.15). Для построения графической зависимости ε от энергии налетающихионовдлярассматриваемогоатомаиспользуютсятабличныеданные (см. прил. 1).

Рис. 1.15. Зависимость сечения торможения ионов гелия на атомах никеля от энергии

Такимобразом, потериэнергииионовгелиянатраекториивыходасоставляют:

Решая уравнение (1.21) относительно t1 , найдем толщину первого слоя платиноникелевого сплава:

26

27

на траектории выхода: