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 уровня иона (см. рис. 4.5, г). В первом случае конечным состоянием

159

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 Γ связано с конечным временем жизни ионизованного состояния, которое равно времени нейтрализации валентного уров-

ня τn ~ =/ Γ . Валентные уровни также могут быть уширены вслед-

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

Величина, обратная времени нейтрализации Rn =1/τn , 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 по-

160

где rmin – минимальное расстояние траектории движения иона от поверхности, v – нормальная к поверхности составляющая скорости иона. Для ионов с достаточно большой кинетической энергией

размерностью скорости. Эта величина оказывается весьма мала и для ионов Не+ с энергией 1 кэВ составляет Pi ≤ 0.01, что означает,

что из 100 падающих на поверхность ионов гелия 99 нейтрализуются и лишь один не изменяет своего зарядового состояния. Из выражения (4.11) следует, что любой процесс, удерживающий ион вблизи поверхности (т.е. уменьшающий нормальную составляющую скорости иона) приводит к увеличению вероятности нейтрализации

и уменьшению величины Pi . По этой причине при проникновении

иона в глубь поверхностных атомных слоев образца вероятность нейтрализации существенно возрастает, и рассеявшиеся частицы не дают вклада в измеряемый спектр. Этот эффект объясняет чувствительность СРМИ к первому атомному слою поверхности.

Вероятность нейтрализации, наряду с сечением рассеяния, определяют зависимость интенсивности спектральной линии рассеян-

ных ионов от энергии первичного пучка I (E0 ) . Эта зависимость

имеет немонотонный вид и схематически представлена на рис.4.5. Возрастание интенсивности при малых энергиях ионов обусловлена

увеличением с ростом E0 нормальной составляющей скорости иона вблизи поверхности (и, следовательно, возрастанием Pi ), а

уменьшение интенсивности при больших энергиях – уменьшением сечения рассеяния. Помимо этого, для некоторых материалов (например, In, Sn, Sb на рис.4.5) наблюдаются осцилляции интенсивности, связанные с квазирезонансным обменом зарядом между рассеивающимся ионом и поверхностью в случае заполненных электронных уровней, близких по энергии к свободному (ионизованному) уровню рассеивающегося иона [8].

161