ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2008, том 72, № 7, с. 954-957
УДК 532.533
ВТОРИЧНАЯ ИОННАЯ ЭМИССИЯ ПРИ БОМБАРДИРОВКЕ ВИСМУТА
КЛАСТЕРНЫМИ ИОНАМИ Bim И Aum
© 2008 г. С. Н. Морозов, У. X. Расулев
Институт электроники им. У.А. Арифова Академии наук Республики Узбекистан, Ташкент
E-mail: serg.moroz@sarkor.uz
Исследованы масс-спектры вторичных кластерных ионов Bi+ (n = 1-9) при распылении висмута кластерными ионами Aum (m = 1-9) и Bim (m = 1-5) в диапазоне кинетических энергий бомбардирующих ионов 6-21 кэВ. Обнаружены новые особенности проявления режима плотных нелинейных каскадов и тепловых пиков. Сделан вывод о существенном вкладе режима теплового пика в механизм формирования малых кластерных ионов с количеством составляющих их атомов до семи для висмутовой мишени.
ВВЕДЕНИЕ
Исследование вторичной ионной эмиссии с использованием кластерных бомбардирующих ионов вызывает в настоящее время большой интерес в связи с широкими перспективами усовершенствования метода вторично-ионной масс-спектрометрии (ВИМС) и продвижения его в области био- и нано-технологий [1-10]. Кластерная бомбардировка дает уникальную возможность резкого увеличения удельной потери энергии бомбардирующего иона йЕ/йх ~ т, где т - количество атомов в кластере, и приводит к развитию нелинейных каскадов высокой плотности. При этом наблюдается сильное неаддитивное увеличение выхода вторичных ионов, особенно кластерных и молекулярных. Наибольшее усиление вторичной ионной эмиссии наблюдается для тяжелых кластерных бомбардирующих
ионов Аит и В1т, которые наряду с ионами С60 наиболее перспективны для использования в ВИМС [11, 12]. Одним из интересных явлений стало наблюдение квазитепловых вторичных ионов при кластерной бомбардировке ряда металлических мишеней [13-17]. Наблюдается существенное неаддитивное увеличение выхода вторичных кластерных ионов и квазитепловых атомарных ионов, а для мишеней Аи и 1п - также квазитепловых ионов димеров и тримеров [16, 17] с ростом количества атомов в бомбардирующих кластерах. Наиболее естественно связать эмиссию квазитепловых ионов с возникновением режима тепловых пиков при образовании плотных каскадов столкновений, примыкающих к поверхности. Открытым является вопрос о роли тепловых пиков в эмиссии кластеров. Таким образом, исследования в этой области могут существенно продвинуть фундаментальные представления по распылению и вторичной ионной эмиссии и создать базу для дальнейшего усовершенствования популярного метода анализа поверхности ВИМС.
Проведенные в настоящей работе сравнительные экспериментальные исследования спектров вторичной ионной эмиссии при бомбардировке
мишени В1 кластерными ионами Аит и В1т обнаруживают новые особенности проявления режима плотных нелинейных каскадов и тепловых пиков. Выбор тяжелых бомбардирующих ионов связан, с одной стороны, с наибольшей эффективностью и перспективой их использования в ВИМС; с другой стороны, в комбинации с тяжелой мишенью В1 достигается условие существования плотных каскадов столкновений.
МЕТОДИКА И УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
Эксперименты проводились на модернизированной экспериментальной установке, имеющей в
своем составе источник кластерных ионов Аит и
Bi:
, магнитный сепаратор первичных ионов и
магнитный анализатор вторичных ионов на базе масс-спектрометра мИ-1201 [8]. Первичные отрицательные кластерные ионы Aum и Bim получались путем распыления соответствующих мишеней ионами Cs+ с энергией 4.5 кэВ. Исследуемая мишень представляет собой скол от монокристалла висмута высокой чистоты. Первичные ионы бомбардировали поверхность мишени Bi под углом 45°, а сбор вторичных ионов осуществлялся по нормали к поверхности, при этом на мишень подавался потенциал 2000 В. Токи первичных ионов, измеренные с помощью цилиндра Фарадея, в области исследуемой мишени составляли для кластерных
ионов Au-, Au2, Au3, Au5, Au7, Au9 1 : 0.22 : 0.35 : : 0.035 : 0.012 : 0.005 нА, а для Bi1, Bi2, Bi3, Bi4 , Bi5 0.1 : 0.4 : 0.28 : 0.1 : 0.11 нА соответственно.
Плотность тока первичных ионов Аит и Б1т на мишени составляла от 0.3 до 30 нА ■ см-2 для разных т. Диапазон энергий бомбардирующих ионов составлял Е0 = 6-21 кэВ. На стадии измерений откачка проводилась только ионно-сублимационными насосами, при этом вакуум был не хуже 3 ■ 10-6 Па. Чистота поверхности мишени достигалась длительной предварительной бомбардировкой.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Масс-спектры вторичных кластерных ионов Б1+, измеренные при бомбардировке поликристаллической мишени Ы ионами Аит (т = 1-9) и
Б1т (т = 1-5) и нормированные на ток первичных ионов, приведены на рис. 1. Как видно из рисунков, основные структурные особенности спектров близки для обоих типов бомбардирующих ионов. При этом относительный выход вторичных кластерных ионов Б1+ в случае бомбардировки ионами Б1т в 2-4 раза выше, чем при бомбардировке
ионами Аит для равных т. Возможно, это связано
с большей массой атомов висмута, а также с различием пространственной и электронной структур кластеров висмута и золота.
В области спектров, где количество атомов в распыленных кластерных ионах п < 5 наблюдается резкий рост выхода вторичных ионов с ростом количества атомов т в бомбардирующих кластерах с
тенденцией к насыщению при т > 5 для Аит и т>
> 4 для Б1т . Для относительно больших распыленных кластеров п > 5 наблюдается менее выраженный рост выхода вторичных ионов при увеличении количества атомов в бомбардирующих кластерных ионах до 5 (Аит) и до 3 (Б1т), а при дальнейшем увеличении т наблюдается спад выхода вторичных ионов. Такое аномальное поведение зависимости выхода вторичных ионов от п и т при моноэнергетическом режиме бомбардировки в менее выраженной форме наблюдалось нами ранее для мишеней Аи и 1п [16, 17]. Зависимость выхода вторичных кластерных ионов от количества составляющих их атомов п рассматривается как одна из существенных характеристик масс-спектров, по которой можно сравнивать различные механизмы кластерообразования. В ряде работ установлен степенной закон уменьшения выхода нейтральных кластеров с ростом п: 1(п) = п-8, где 5 уменьшается с ростом коэффициента распыления для различных комбинаций ион-мишень (см., например, [18]). Расчет с помощью программного пакета ТРИМ для случая бомбардировки висмутовой мишени
Количество атомов в Б1+, п
Рис. 1. Нормированный на ток первичных ионов выход
кластерных ионов Б1+ при бомбардировке Бьмишени
ионами Аит (а) и Б1т (•) с энергией 18 кэВ.
кластерными ионами Аит и Б1т в аддитивном приближении показывает монотонный рост суммарных коэффициентов распыления с ростом количества атомов в бомбардирующих кластерах. Например, для обоих типов бомбардирующих ионов при Е0 = 18 кэВ суммарный коэффициент распыления монотонно возрастал от 17 до 42-44 с ростом т от 1 до 7. Если предполагать независимость коэффициентов ионизации от т, как это допускают большинство авторов, можно качественно оценить зависимость показателя степени 5 от т по наклону падения выхода вторичных кластерных ионов с ростом п из рис. 1а,б. Как видно, наблюдается рост показателя степени 5 с ростом т и соответственно с ростом суммарных коэффициентов распыления при количестве атомов в распыленных кластерных ионах висмута более 5. Из подобного аномального поведения можно предположить, что возникающий в нашем случае выраженный режим тепловых пиков приводит с одной стороны, к повышению выхода малых вторичных кластеров и с
956
МОРОЗОВ, РАСУЛЕВ
101
100
102
101
100
Рис. 2. Зависимость коэффициентов неаддитивности выхода вторичных кластерных ионов Б1+ от количества составляющих их атомов для бомбардирующих ионов Аит (а) и Б1т (•).
другой - способствует понижению выхода больших вторичных кластерных ионов с n > 5.
Более точное и наглядное представление о влиянии кластерной бомбардировки на ионную эмиссию можно получить, определяя коэффициенты неаддитивности выхода вторичных ионов с ростом количества атомов в бомбардирующих кластерах. Для этого необходимо проведение измерений эмиссии при равных кинетических энергиях, приходящихся на атом в бомбардирующем кластере (E0/m = const). Одна из характерных особенностей кластерной бомбардировки - это неаддитивный рост выхода вторичных ионов, особенно кластерных, с увеличением количества атомов в бомбардирующих ионах ("молекулярный эффект"). Фактор неаддитивности выхода вторичных кластерных ионов определялся по формуле
K . = m'Y
-*vm, m ± n, m
fmY„
где 7п, т и 7п, т - выходы вторичных кластеров, содержащих п атомов, при бомбардировке кластерными ионами, содержащими т и т' атомов, с одинаковой энергией на атом. Коэффициенты Кт, т характеризуют дополнительный неаддитивный
рост выхода вторичных ионов Б1+ при переходе от бомбардирующих кластерных ионов, состоящих из т' атомов, к ионам, состоящим из т атомов. На рис. 2а,б приведены графики зависимости коэффициентов неаддитивности Кт, т от количества
атомов п в распыленном ионе для бомбардирующих ионов Аит и Б1т при энергиях Е0/т = 6 кэВ (К21 и К31) и 4 кэВ (К53).
Наблюдаются резкий рост коэффициентов К21 и К31 в области п < 5, а далее переход через максимум и спад. Коэффициенты К53 переходят через максимум уже при п = 3, а далее приближаются к единице и даже становятся меньше единицы в случае бомбардирующих ионов Б1т при п > 8. Такое необычное поведение коэффициентов неаддитивности наблюдается впервые, поскольку для большинства ранее проведенных экспериментов с другими мишенями Аи, Та, №>, V, 1п) [7-10, 13-17] коэффициенты неаддитивности выхода вторичных кластерных ионов существенно возрастали с увеличением количества составляющих их атомов.
Измерение распределения вторичных ионов по кинетическим энергиям показало, что кластерные
ионы Б1+ с п > 2 имеют необычно низкие энергии, близкие к квазитепловым, даже при бомбардировке атомарными ионами. Для сравнения энергетических распределений вторичных ионов измерена полная ширина энергетических спектров на полувысоте максимума распределения (ПШПМ) при
распылении висмута кластерными ионами Аит и
Б1т. На рис. 3 приведены графики зависимости
ПШПМ вторичных ионов Б1+ для различных типов бомбардирующих ион
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.