ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, < 8, с. 10-14
УДК 537.533.78
ОРИЕНТАЦИОННАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИОНОВ, ПРОШЕДШИХ ЧЕРЕЗ ТОНКИЕ КРИСТАЛЛЫ
© 2004 г. А. А. Алиев, 3. Э. Мухтаров, Ф. Ф. Умаров
Институт электроники им. У.А. Арифова АН РУз, Ташкент, Узбекистан Поступила в редакцию 09.09.2003 г.
Исследовано энергетическое распределение ионов №+, К+, ЯЪ- с начальными энергиями 10-50 кэВ, прошедших через монокристаллические пленки меди и серебра различных толщин (150-1000 А), в зависимости от угла падения пучка ионов и азимутального угла поворота кристалла. Показано, что в энергетическом распределении обнаруживается тонкая структура, обусловленная различными потерями энергий ионами, испытывающими осевое, плоскостное и гибридное каналирование.
ВВЕДЕНИЕ
В области высоких энергий пучка протонов Эргинсой и Вегнер [1-5], а также другие авторы исследовали характер энергетического распределения и потери энергии протонами, прошедшими через тонкие монокристаллы кремния и германия толщиной 25-30 мкм, в зависимости от ориентации кристалла по отношению к направлению пучка протонов. Было получено энергетическое распределение протонов, прошедших через кристалл, в случаях, когда направление пучка параллельно осям (110), (111) и плоскостям {111}, {110}, а также в случае, когда направление пучка не совпадало ни с осью, ни с плоскостью кристалла. По энергетическим распределениям прошедших протонов определялась общая потеря энергии протонами при различных ориентациях кристалла. Анизотропию потерь энергии протонов, прошедших параллельно различным плоскостям и осям, авторы объясняют различием плотностей валентных электронов вдоль этих направлений простреливаемых кристаллов и ве. Проводилось сопоставление энергетического распределения с расчетами, полученными по известной теории замедления протонов среди валентных электронов кристаллов и ве.
В связи с этим нами проводилось исследование энергетического распределения сравнительно тяжелых ионов (Ка+, К+, ЯЪ+), прошедших через монокристаллические пленки меди. Результаты этих исследований сообщались в [6, 7] в виде тезисов докладов, а в работе [8] более подробно. В этих работах было показано, что в энергетическом распределении ионов, прошедших через тонкую монокристаллическую пленку, обнаруживаются три максимума (пика), связанные, по нашему мнению, с различными потерями энергии
ионами в результате осевого и плоскостного ка-налирования.
Однако для строгого объяснения природы обнаруженных максимумов в энергетическом распределении прошедших ионов требовалось дальнейшее экспериментальное и теоретическое исследование процесса прохождения сравнительно тяжелых ионов через монокристаллические пленки металлов, что и выполнено в данной работе. Энергетические распределения прошедших ионов исследовались с помощью электростатического анализатора типа цилиндрического конденсатора с равновесной траекторией Я = 100 мм и разрешающей способностью АЕ/Е = 0.2% в автоматическом режиме записи. Энергия ионов варьировалась от 10 до 50 кэВ, угол падения пучка ионов - от 0° до 80°, угол азимутального поворота кристалла - от 0° до 180°, толщина медной пленки - от 150 до 1000 А.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
На рис. 1 представлены энергетические распределения ионов К+ с начальными энергиями Е = = 18 и 16 кэВ, прошедших через монокристаллическую пленку меди толщиной 550 А. Пленка меди с ориентацией (100) и известными кристаллографическими направлениями, которые определялись с помощью метки на подложке (100)КаС1, устанавливалась на гониометрическое устройство (держатель мишени-пленки). При этом обращалось внимание на то, чтобы плоскость падения пучка первичных ионов совпадала с плоскостью (001) монокристаллической пленки Си(100), а начальное направление пучка первичных ионов совпадало с осью (100) кристалла.
Видно, что в энергетическом распределении обнаруживаются три максимума с хорошим разрешением (три линии). Первый, главный высоко-
^(Е), произв. ед.
I
К+ ^ Си(100) ^(Е), произв. ед.
К+ ^ Си(100)
16 14 12 10
8 6 4 Е, кэВ
Рис. 1. Энергетические распределения ионов К+ с начальными энергиями Е0 = 18 (а) и Е0 = 16 кэВ (б), прошедших через монокристаллическую пленку меди толщиной 550 А и ориентацией Си (100).
энергетический максимум I, очевидно, обусловлен эффектом осевого каналирования ионов К+ вдоль направления (100) пленки Си. При такой траектории ион будет двигаться вдоль оси канала благодаря фокусирующей силе атомных цепочек, создающих данный канал. Известно, что плотность электронов в канале гораздо меньше, чем на периферии, что приводит к уменьшению потери энергии ионами на неупругое взаимодействие. Кроме того, отклонения траектории ионов от оси канала приводят к взаимодействию их с атомами цепочки канала и рассеянию на малые углы. Последнее, в свою очередь, снова фокусирует ионы вдоль оси канала, и в результате они проходят через каналы с меньшими потерями энергии.
Второй максимум (II) энергетического распределения, по нашему мнению, обусловлен ионами, испытавшими плоскостное каналирование. Действительно, при такой выбранной ориентации кристаллической решетки простреливаемой пленки меди, как в нашем эксперименте, пучок первичных ионов направлен вдоль нормали к грани (100)Си, т.е. совпадает с осью (100) кристалла,
а плоскость падения пучка ионов - с плоскостью (001) кристалла. При такой ориентации кристалла по отношению к направлению пучка ионов нетрудно представить себе, что в данном случае осуществляется условие параллельности пучка ионов оси (100) и одновременно плоскости (001) кристалла. В гранецентрированной кубической решетке плоскость {001}Си эквивалентна плоскости {100}Си. Эти условия, как нам представляется, приводят к одновременной реализации как осевого, так и плоскостного каналирования ионов. Энергия ионов, претерпевших плоскостное каналирование, меньше, чем энергия ионов, испытавших осевое каналирование, так как в первом случае ион, отклонившийся за пределы одного канала и попавший в соседний, теряет достаточно заметную энергию вследствие его отклонения на большие углы.
Кроме того, следует отметить, что использование нами в качестве анализатора плоского цилиндрического конденсатора, который обладает фокусировкой первого порядка, дало возможность, не ухудшая его разрешающей способности
Na+ ^ Cu(100)
Е, кэВ Е, кэВ Е, кэВ
Рис. 2. Изменение формы энергетического распределения ионов прошедших через монокристаллическую пленку Си(100). Е0 = 16 кэВ (х = 500 А) при различных ориентациях кристалла: направление пучка совпадает с направлением (100), а плоскость падения - с плоскостью (100) кристалла (а); направление пучка не совпадает с осью кристалла (б); направление пучка ионов не совпадает ни с осью (100), ни с плоскостью кристалла Си(100) (в).
по энергиям, сделать длину входной щели (диафрагмы) значительной. Она была равной -12 мм, и соответственно угол захвата по азимуту был достаточно большим и равнялся ~10°. Последнее позволило более четко выявить максимум, обусловленный ионами, испытавшими плоскостное каналирование.
Третий максимум (III) энергетического распределения с наибольшими потерями энергии, по нашему мнению, связан с ионами, прошедшими монокристаллическую пленку сначала при осевом, а затем при плоскостном каналировании или наоборот. Однако здесь следует отметить, что по величине потери энергии этот максимум несколько смещен в сторону больших энергий распределения по сравнению с энергетическим положением максимума, наблюдаемого в случае поликристалла при прочих равных параметрах пучка ионов и той же толщине пленки.
Для подтверждения сказанного выше нами было изучено изменение формы энергетического распределения ионов Na+ при изменении угла падения ф на 35° (рис. 26) и азимутального угла поворота кристалла на ß = 45° (рис. 2в).
В первом случае направление пучка уже не совпадает с осью (100) кристалла, но его параллельность плоскости {001} Cu сохраняется, так как изменение угла падения пучка ионов происходит в той же плоскости. Во втором случае отсутствует параллельность направления пучка ионов оси (100) и плоскости {001} кристалла Cu.
Видно, что в энергетическом спектре (рис. 26) отсутствует максимум осевого каналирования, и обнаруживаются только два максимума, соответствующих ионам, испытавшим плоскостное и ги-
бридное каналирование. В случае, представленном на рис. 2в, уже отсутствуют максимумы, обусловленные ионами, претерпевшими осевое и плоскостное каналирование, и наблюдается только максимум гибридного происхождения.
Характер изменения тонкой структуры энергетического распределения ионов К+, прошедших через кристалл, в зависимости от ориентации его по отношению к пучку первичных ионов является хорошим подтверждением того, что обнаруживаемые три группы (три максимума) прошедших ионов с определенными дискретными потерями энергии обусловлены эффектами осевого и плоскостного каналирования, а также имеют гибридное происхождение, когда ион проходит кристалл при осевом и плоскостном каналировании.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
Для подтверждения вышеизложенных механизмов появления многопиковых структур энергетического распределения ионов, прошедших через монокристаллическую пленку меди, нами проводились компьютерные расчеты. В области начальной энергии (10-50 кэВ) пучков ионов К+, ЯЪ+ длина волны иона много меньше постоянной решетки кристалла. Это дало нам основание применить для расчета законы классической механики. Описана кинематика элементарного акта столкновения двух частиц ион-атом с кристаллом, дающая возможность установить связь между характеристиками частиц до и после столкновения. Величина энергии (скорости) налетающего иона (атома) с массой т1 и атома отдачи с
N(E), произв. ед. 1.5
N, отн. ед.
K+ ^ Cu(100)
16
E, кэВ
Рис. 3. Расчетная гистограмма энергетического распределения ионов К+, прошедших через монокристаллическую пленку Си(100); Е0 = 18 кэВ, х = 500 А.
1.5
0.5
К+ - Cu(100), E0 = 10 кэВ, T = 300 К х = 350 А
№
/\ /I
' \ /I
' \ / Г+1 * / \
9
E, кэВ
Рис. 4. Расчетное энергетическое распределен
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.