ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2004, том 96, № 3, с. 444-450
СПЕКТРОСКОПИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА
УДК 543.423
СПЕКТРОСКОПИЯ РАСПЫЛЕННЫХ ВОЗБУЖДЕННЫХ ЧАСТИЦ ПРИ ИОННОЙ БОМБАРДИРОВКЕ Zn, Сй И ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ЭТИХ МЕТАЛЛОВ
© 2004 г. В. В. Грицына, Ä. Г. Коваль, С. П. Гоков, Д. И. Шевченко
Харьковский национальный университет, 61077 Харьков, Украина Поступила в редакцию 11.06.2002 г.
В окончательной редакции 15.09.2003 г.
Исследованы основные параметры оптического излучения (спектры, эффективности возбуждения и заселенности уровней, кинетические энергии) возбужденных частиц, распыленных пучком ионов Аг+ с поверхности металлов ¿п и Cd и их химических соединений с электроотрицательными элементами (О, Те, Бе, Б). Показано, что при бомбардировке соединений исследуемых металлов по сравнению с чистым металлом появляется дополнительный механизм образования возбужденных частиц, обусловленный ионностью химических связей, что приводит к несоответствию выхода возбужденных частиц коэффициенту распыления соответствующего материала. Также установлено влияние электронной структуры твердого тела на выход возбужденных частиц и их скоростной состав.
ВВЕДЕНИЕ
Оптическое излучение вторичных возбужденных частиц (ОИВВЧ) или ионно-фотонная эмиссия (ИФЭ) является одним из явлений, механизм которого недостаточно изучен вплоть до настоящего времени [1]. Изучение влияния объемных свойств твердого тела (таких, например, как электронная структура, тип химической связи и физико-химическое состояние его поверхности) на основные параметры ОИВВЧ дает важную информацию как о механизме явления ИФЭ, так и о возможности его использования в прикладных целях.
В работе проведены исследования ОИВВЧ соединений различного химического состава одного и того же металла (¿п или Cd). В ряду ¿п исследовались соединения ¿пТе, ¿пБе, ¿пБ, ¿пО и цинкит - минерал, содержащий ¿пО. В ряду Cd -соединения CdTe, CdSe, CdS. Исследованы спектральные составы, измерены квантовые выходы и пространственные распределения излучения возбужденных частиц. Проведено сопоставление полученных параметров ОИВВЧ с электронными, объемными и поверхностными физико-химическими характеристиками исследованных материалов.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
Исследования проводились на экспериментальной установке, описанной в работе [2]. Бомбардировка мишеней осуществлялась пучком ионов аргона с энергией 20 кэВ и плотностью тока 10-20 мкА/см2 под углом бомбардировки 45° от-
носительно нормали к поверхности мишени, что обеспечивало близкое к максимальному значение коэффициента распыления. Исследования производились в остаточном вакууме Рост ~ 10-4 Па (по кислороду Р0 ~ 105 Па). Металл ¿п исследовался как в остаточном вакууме, так и при напуске кислорода до тех пор, пока изменения в интенсивности наблюдаемого излучения не становились незначительными. Максимальное давление кислорода при этом составляло Р0 ~ 103 Па. Излучение, испущенное возбужденными частицами, регистрировалось и анализировалось при помощи фотоэлектрической системы регистрации (монохроматор МДР-3, охлаждаемый ФЭУ-106), чувствительной в области длин волн 250-800 нм и работающей в режиме счета отдельных фотонов.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Исследование спектрального состава излучения, испущенного возбужденными частицами при бомбардировке цинксодержащих мишеней, показало, что наиболее интенсивные линии принадлежат спектру атома цинка, обусловленного переходами 4snx-4s4p, где n = 5, 6, 7 и x = s,p, d, f, и относятся к синглетной и триплетной системам переходов. Также наблюдались достаточно сильная линия X = 307.5 нм интеркомбинационного перехода 4s4p P° - 4s2 1S0 в спектре ZnI, слабые линии ионного спектра цинка и некоторые линии спектров SII, Tel и Teil для мишеней ZnS и ZnTe соответственно. В спектре цинкита присутствуют интенсивные линии железа и марганца. Это объ-
Таблица 1. Квантовые выходы излучения из цинкосодержащих мишеней (у^ х 106, фотон/ион)
к, нм Zn Zn + O2 ZnO Цинкит ZnTe ZnSe ZnS
275.6 - - - - - 0.6 1.9
277.0 - - - - 0.2 1.5 4.9
280.0 0.6 0.7 2.3 1.5 0.8 3.0 7.5
301.8 - 0.25 - - - 0.4 0.65
303.5 - 0.3 - - - 0.75 1.9
307.5 3.0 3.2 26.7 5.3 2.4 15.5 60.3
328.2 0.9 1.5 2.7 1.4 1.1 4.3 13.2
330.2 1.7 2.1 9.0 3.3 1.8 9.0 26.0
334.5 2.6 3.1 14.8 5.7 2.4 14.3 43.0
468.0 0.6 1.4 6.8 3.7 0.9 3.5 12.5
472.2 1.5 4.5 21.4 9.7 2.4 9.6 35.5
481.0 2.8 7.3 35.1 19.2 3.8 16.6 59.0
636.2 4.8 11.2 3.8 16.0 5.1 20.5 70.0
ясняется тем, что цинкит является минералом, содержащим большое количество объемных примесей. При бомбардировке мишеней, содержащих кадмий, наблюдались следующие эмиссии: ряд интенсивных линий синглетной и триплетной систем спектра CdI, которые отвечают переходам 5snx - 5s5p, где n = 6, 7, 8 и x = s, p, d, f; очень сильная линия CdI (k = 326.1 нм) интеркомбинационного перехода 5s5p 3P° - 5s2 1S0; несколько ионных линий спектра CdII, обусловленных распадом низковозбужденных долгоживущих бейтлеров-ских состояний (4d95s2 и 4d105s); несколько слабых линий спектров SII, TeI и TeII для мишеней CdS и CdTe соответственно.
Исследования проводились для линий, принадлежащих спектрам ZnI и CdI. Остальные наблюдаемые эмиссии вследствие их слабой интенсивности подробно не исследовались.
Для всех исследуемых линий спектров ZnI и CdI рассчитывался квантовый выход излучения Yk, определяемый как число фотонов данной длины волны Nk, приходящееся на один падающий ион,
Y k = Nk N
(1)
Из полученных значений квантовых выходов излучения рассчитывались эффективности возбуждения < подуровней ] уровня г по формуле
G j =
Yk
hAjkx j
(2)
где gj - статистический вес возбужденного состояния, соответствующего j-му подуровню г-го уровня, Ajk - вероятность электронного перехода j-k, Yх - квантовый выход излучения с длиной волны X, соответствующей переходу]-к, т - радиационное время жизни ^го подуровня. На основании наших многочисленных экспериментов было установлено, что эффективности возбуждения различных подуровней одного уровня примерно оди-
Таблица 2. Квантовые выходы излучения из кадмий-содержащих мишеней (Yk х 106, фотон/ион)
где N - число ионов, падающих на эмитирующую возбужденные частицы площадь поверхности в единицу времени. В табл. 1, 2 приведены полученные значения Yх для отдельных эмиссий спектров 2и1 и Сё1. Как видно из таблиц, значения Yх для спектра 2и1 находятся в интервале от 10-7 до 7 х 10-5 фотон/ион (для линии X = 636.2 нм 2и1). В случае спектров Сё1 значения Yх лежат в интервале 10-7-10-5 фотон/ион.
k, нм Cd CdTe CdSe CdS
228.8 2.9 3.1 7.0 18.0
288.1 - 0.75 1.2 1.6
298.1 0.3 0.35 1.4 1.6
308.0 0.7 0.45 1.6 2.47
326.1 23.0 15.5 85.0 155.2
340.3 0.4 0.4 1.0 2.1
346.6 0.6 0.8 2.7 5.7
349.9 0.2 0.2 0.3 0.4
361.0 0.75 1.1 4.7 8.8
467.8 0.5 0.3 1.4 2.0
479.9 1.0 1.1 2.4 5.0
508.5 1.2 2.4 6.3 9.6
643.8 3.3 4.9 12.2 14.0
Таблица 3. Суммарные квантовые выходы излучения, заселенности возбужденных уровней и эффективности образования возбужденных частиц цинк- и кадмийсодержащих мишеней
Мишень
Ъух х 105,
5 фотон
ион
Щ х 105, В<пГ). атом*
ион
а х 105,
возб. атом расп. атом**
5,
расп.- -атом ион
Степень ионности I
¿п 1.9 2.8 0.12 22.81 -
¿пТе 2.1 2.9 0.68 4.26 0.39
¿пБе 10.0 14.4 3.65 3.94 0.40
33.6 49.0 18.5 2.65 0.44
¿пО 15.7 22.5 16.8 1.34 0.58
Цинкит 6.6 8.3 - - -
¿п + О2 3.7 4.4 - - -
Cd 3.6 8.6 0.5 16.9 -
CdTe 3.1 6.8 1.5 4.4 0.38
CdSe 12.7 30.2 7.7 3.9 0.42
CdS 22.5 55.1 12.0 4.6 0.45
* Возбужденный атом. ** Распыленный атом.
наковы, т.е. а1 ~ а2 ~ ... ~ ат. Это дает возможность рассчитать заселенности тех подуровней у, с которых не наблюдалось в данной работе переходов у —► к или же значения у, не могли быть измерены по какой-либо причине. Для этой цели рассчитывалось среднее значение эффективности возбуждения у-го подуровня а у по измеренным переходам по формуле
а у = У1 т' (3)
у
где т - число измеренных подуровней г-го уровня. С использованием полученных а у были рассчитаны заселенности подуровней у
пу = 8уау (4)
и заселенности пг г-го уровня согласно формуле
т
п = У Пу. (5)
у = 1
Также в работе были определены суммарные квантовые выходы излучения Уух, суммарные
заселенности уровней возбуждения Упг и эффективности образования возбужденных частиц а, определяемые как число возбужденных частиц, приходящихся на одну распыленную частицу,
а = п */£, (6)
где п* и 5 - полное число возбужденных частиц, распыленных из данного материала, и его коэффициент распыления. Расчет коэффициентов
распыления 5 для исследуемых в работе материалов производился при помощи компьютерной программы ТЫМ-95. Следует отметить хорошее соответствие между рассчитанными значениями 5 и данными по коэффициентам распыления из работы [3]. Полученные значения перечисленных параметров, а также степени ионности1 соединений представлены в табл. 3. Как видно из табл. 1, 2, квантовый выход излучения отдельных атомарных эмиссий у,, суммарные атомарные
квантовые выходы излучения Уу,, суммарные
заселенности уровней Упг и эффективности образования возбужденных частиц а увеличиваются при переходе от металла к соединению, они также возрастают при увеличении степени ионности г соединения. На рис. 1 приведены зависимости Упг, Уу, и а от г для ряда соединений.
Видно, что эти зависимости носят линейный характер и число возбужденных частиц существенно возрастает с ростом г соединения. Причем доля возбужденных частиц а среди распыленных атомов цинка и кадмия значительно увеличивается
по мере роста г. В то же время значения Упг,
Уу, и а в случае образцов ¿пО и цинкита не укладываются в линейную зависимость от г. Это может быть объяснено тем, что мишень ¿пО спрессована из порошка и имеет существенно меньшую поверхностную плотность атомов цинка, а цинкит, как оказалось в ходе эксперимента, со-
1 Смещение центра тяжести электронного облака связи от центра (ковалентная связь) в сторону одного из партнеров называется степенью ионности [4].
держит значительные примеси железа и марганца, которые сегрегируют на поверхности и частично ее экранируют. Обращает на себя внимание резкое возрастание интенсивн
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.