научная статья по теме АНИЗОТРОПИЯ ЭМИСCИИ ВТОРИЧНЫХ ИОНОВ ИЗ МОНОКРИСТАЛЛА NI4MO Физика

Текст научной статьи на тему «АНИЗОТРОПИЯ ЭМИСCИИ ВТОРИЧНЫХ ИОНОВ ИЗ МОНОКРИСТАЛЛА NI4MO»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2009, < 12, с. 33-36

УДК 539.537.534.2

АНИЗОТРОПИЯ ЭМИССИИ ВТОРИЧНЫХ ионов ИЗ МОНОКРИСТАЛЛА Ni4Mo

© 2009 г. К. Ф. Миннебаев, С. С. Еловиков, К. В. Крюков, Ä. Ä. Хайдаров, В. Е. Юрасова

Физический факультет Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова,

Москва, Россия Поступила в редакцию 28.05.2009 г.

Исследовано распределение по азимутальному и полярному углу вылета ионов Ni+ и Mo+, эмитированных из упорядоченного монокристалла Ni4Mo при облучении его ионами Ar+ с энергией 10 кэВ. Обнаружено различное азимутальное распределение для ионов Ni+ и Mo+, выходящих с грани (001) Ni4Mo: максимумы эмиссии наблюдались в направлениях (011) для Ni+ и в направлениях (001) для Mo+. Показано, что вид полярных распределений вторичных ионов никеля меняется с его энергией. Полученные закономерности объяснены коррелированными соударениями в верхних слоях монокристалла Ni4Mo.

ВВЕДЕНИЕ

Исследования закономерностей эмиссии нейтральных и заряженных частиц при ионной бомбардировке монокристалла упорядоченного соединения №4Мо представляют интерес для понимания механизмов взаимодействия ускоренных ионов с поверхностью и для практических приложений, например, во вторичной ионной масс-спектрометрии, в катализе и др.

Для интерметаллических соединений с большой разницей масс компонентов, таких как №4Мо, характерно отличие структуры, состава и свойств поверхности от тех, что имеются в объеме [1-4]. Сюда относятся такие свойства, как поверхностная сегрегация, поверхностное упорядочение и реконструкция. Процессы упорядочения (ближний порядок) в кристаллах №4Мо исследовались экспериментально [5-7] и путем компьютерного моделирования [810]. Обычно в эксперименте для получения упорядоченной структуры проводится термическая обработка соединения [11-14]. Однако оказалось, что к упорядочению кристаллов, в том числе и №4Мо, может приводить также электронное [11, 15-17], нейтронное [15] и ионное облучение [18-22]. При этом, как показано в [11], происходит процесс радиацион-но-стимулированного упорядочения, который не связан с дополнительным нагревом при облучении.

В настоящей работе проводилось исследование закономерностей вторичной ионной эмиссии (ВИЭ) с грани (001) упорядоченного монокристалла М4Мо. В процессе эксперимента кристалл облучался ионами Аг+ с энергией 10 кэВ при малых плотностях ионного тока (~100 мкА ■ см-2). Никаких признаков изменения структуры образца не наблюдалось, что, по всей вероятности, связано с происходящим процессом радиационно-стимулированного упорядочения, о котором говорилось выше.

Вторичная ионная эмиссия и распыление соединения №4Мо впервые изучалась в работе [23] экспериментально и при компьютерном моделировании. Наблюдался преимущественный выход никеля (легкого компонента) и сегрегация молибдена на облучаемой поверхности (001) №4Мо. Последнему процессу способствует меньшая энергия связи у N1, по сравнению с Мо, и больший размер атомов Мо, что вызывает их выталкивание из глубины кристалла. Были получены разные угловые распределения эмитированных вторичных ионов для упорядоченного и неупорядоченного монокристалла. Однако установка, используемая в эксперименте [23], не позволяла независимо менять направления падения первичных ионов и наблюдения вторичных ионов. В настоящей работе упомянутый недостаток был устранен, что позволило провести корректные исследования азимутальных и полярных угловых распределений вторичной ионной эмиссии N1 и Мо для разных значений энергий частиц, выходящих из монокристалла №4Мо.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Упорядоченный монокристалл №4Мо получали методом индукционной вакуумной плавки из чистых материалов. Он имеет тетрагональную решетку с параметрами: а = 5.720 А, с = 3.564 А, в которой атомы N1 и Мо образуют плотнейшую кубическую упаковку. Атомы Мо находятся в центрах кубоок-таэдров из атомов N1 (рис. 1).

Измерения эмиссии вторичных ионов проводились на автоматической установке с подвижным 180-градусным сферическим энергетическим анализатором, соединенным с квадрупольным масс-спектрометром. Разрешение по энергии составляло 0.5 эВ (при энергии пропускания 20 эВ); диапазон

н м

-а* l?Le 9

Рис. 1. Кристаллическая структура упорядоченного монокристалла №4Мо. Крупные кружки - атомы Мо, мелкие - атомы N1. Заштрихованные кружки - атомы, находящиеся внутри решетки.

к 2500

00,

и н о

А Н О

о и м

5

И <D Н И

К

2000 1500 1000 500 0

1 о0п

П 0 п

О Q О

о о о,

Л0°0

00

1

О Л0 0о° оо

...................

-180-135 -90 -45 0 45 90 135 180 ф, град

Рис. 2. Распределение по азимутальному углу выхода ф вторичных ионов N1+ (1) и Мо+ (2) с грани (001) №4Мо, облучаемой ионами Лг+ с энергией 10 кэВ при нормальном падении; полярный угол наблюдения 6 = 45°; энергия #1 вторичных ионов N1+ и Мо+ равна 20 эВ.

[001]

[011]

Рис. 3. Расположение атомов в плоскости (100) монокристалла №4Мо. Крупные кружки - атомы Мо, мелкие - атомы N1. Стрелками указаны направления преимущественной эмиссии вторичных ионов.

массовых чисел: 1-350 а.е.м. В рабочей камере с помощью магниторазрядного насоса поддерживалось давление 5 х 10-8 Торр. Пучок ионов Л+ с энергией Е0 = 10 кэВ падал на образец по нормали к поверх-

ности; плотность тока j = 100 мкА • см-2. Изучались массовые и энергетические спектры в зависимости от угла эмиссии и угловое распределение для разных значений энергии Е1 вторичных ионов, распыленных с грани (001) упорядоченного монокристалла Ni4Mo. Все углы отсчитывались от нормали к поверхности.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Азимутальные угловые распределения вторичных ионов. Распределения по азимутальному углу выхода ф вторичных ионов Ni+ и Mo+ с грани (001) Ni4Mo при облучении нормально падающими ионами Ar+ с энергией 10 кэВ показано на рис. 2. Наблюдение проводилось при полярном угле 0 = = 45° для различных значений энергии Е1 вторичных ионов Ni+ и Mo+. На рис. 2 приведены данные для Е1 = 20 эВ.

Максимумы эмиссии ионов Ni+ на рис. 2 соответствуют направлениям (011), минимумы - направлениям (001) (кривая 1). Для эмиссии ионов Mo+ наблюдается противоположная картина: максимумы -в направлениях (001), минимумы - в (011) (кривая 2).

Для объяснения полученного результата рассмотрим расположение атомов в плоскости (100) Ni4Mo, показанное на рис. 3. Здесь крупные кружки соответствуют атомам Mo, мелкие - атомам Ni. Стрелками указаны направления преимущественной эмиссии вторичных ионов.

Известно, что преимущественный выход распыленных частиц из монокристаллов одноэлементных и ряда бинарных соединений происходит в направлениях плотнейшей упаковки благодаря коррелированным (фокусированным) столкновениям. Для кристалла Ni4Mo цепочки атомов с плотнейшей упаковкой находятся в направлениях (011). Они состоят из последовательностей четырех атомов никеля и одного атома молибдена (рис. 3). В том случае, когда такая цепочка заканчивается на поверхности атомом Ni, создаются благоприятные условия для распространения по ней фокусированных соударений в нескольких верхних слоях решетки. Обычно считается, что присутствие в плотноупако-ванной цепочке атомов с большой разницей масс мешает распространению вдоль нее сфокусированных соударений. Однако в работе [24] было показано, что и в этом случае возможно возникновение фокусонов. Таким образом, возникновение максимумов в азимутальном распределении вторичных ионов Ni+ (рис. 2, кривая 1) объясняется преимущественным распылением никеля вследствие фокусированных столкновений в плотноупакованных направлениях (011) монокристалла Ni4Mo.

Ранее было показано, что при бомбардировке ускоренными ионами монокристаллов коррелированные столкновения происходят не только в самом плотноупакованном направлении [25], но и в следу-

АНИЗОТРОПИЯ ЭМИССИИ ВТОРИЧНЫХ ИОНОВ ИЗ МОНОКРИСТАЛЛА Ni4Mo

35

ющем за ним по плотности упаковки (например, в (001) для ГЦК-решеток) [26—30]. В последнем случае возникает так называемая ассистированная фокусировка (assisted focusing), в которой участвуют цепочки по обе стороны от данного направления. То же происходит с распылением и вторичной ионной эмиссией с грани (001) Ni4Mo в направлениях (001), куда могут вылетать частицы - как Ni, так и Mo (рис. 3). Между тем, более благоприятные условия выхода в этом направлении имеют атомы Mo с большим эффективным радиусом взаимодействия. В результате в азимутальном угловом распределении эмиссии ионов Mo+ наблюдаются максимумы в направлениях (001) (рис. 2, кривая 2).

Полярные угловые распределения вторичных ионов. Нормированное распределение по полярному углу выхода 0 вторичных ионов Ni+ с разной энергией Е1 показано на рис. 4. Распределение получено для эмиссии ионов в плоскости (100), где находится максимум распределения Ni+ по азимутальному углу выхода, т.е. для азимутального угла наблюдения ф = 45°. Тот же результат получен для эмиссии Ni+ в плоскости (110), в которой лежит минимум в азимутальном распределении вторичных ионов Ni+. Энергия Е1 вторичных ионов равна 10, 20 и 30 эВ.

Видно, что при 0 ~ 45°, т.е. вблизи направления (011), преимущественно эмитируют ионы с малой энергией (Е1 = 10 эВ), что характерно для фокусированных столкновений [31]. Для частиц, выходящих с большей энергией (Е1 = 20 и 30 эВ), процесс фокусировки менее вероятен. Здесь преобладает эмиссия ионов при больших углах 0, когда частицы выходят из поверхностных слоев после малого числа столкновений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследовано угловое распределение вторичных ионов N1+ и Мо+, распыленных с грани (001) упорядоченного монокристалла №4Мо ионами Аг+ с энергией Е0 = 10 кэВ при нормальном падении.

Показана роль радиационно-стимулированного упорядочения, благодаря которому структура кристалла не меняется при ионном облучении (Аг+, Е0 = = 10 кэВ, j ~ 100 мкА • см-2).

Обнаружена различная анизотропия азимутальных угловых распределений вторичных ионов N1+ и Мо+. Для N1+ максимумы эмиссии наблюдаются в направлениях (011), а для Мо+ - в направлениях (001).

Установлено, что полярные угловые распределения вторичных ионов N1+ заметно отличаются для разных значений энергии Е1

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.

Показать целиком