научная статья по теме ЭМИССИЯ ВТОРИЧНЫХ ЧАСТИЦ ИЗ ФЕРРОМАГНИТНОГО БИНАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ Физика

Текст научной статьи на тему «ЭМИССИЯ ВТОРИЧНЫХ ЧАСТИЦ ИЗ ФЕРРОМАГНИТНОГО БИНАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ»

ЭМИССИЯ ВТОРИЧНЫХ ЧАСТИЦ ИЗ ФЕРРОМАГНИТНОГО

БИНАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ

К. Ф. Миннебаев, К. А. Толпин, В. Е. Юрасова*

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова 119991, Москва, Россия

Поступила в редакцию 24 июля 2012 г.

Экспериментально и путем моделирования с помощью методов молекулярной динамики исследована вторичная ионная эмиссия из бинарного соединения в ферро- и парамагнитном состояниях. В качестве объекта выбрано широко используемое соединение К1Р(1, которое облучалось наклонно падающими ионами аргона с энергией 10 кэВ. Обнаружено значительное уменьшение эмиссии ионов К1+ и Р(1+ при переходе поликристалла К1Р(1 из ферромагнитного состояния в парамагнитное. Полученный эффект объяснен изменением поверхностной энергии связи, плотности электронных состояний вблизи уровня Ферми и кумулятивным процессом при распылении. Проведено совместное исследование энергий и направлений выхода вторичных атомных частиц из поли- и монокристаллов К1Р(1 в ферромагнитном состоянии. Установлено отклонение в сторону нормали к облучаемой поверхности максимума углового полярного распределения вторичных частиц при уменьшении их энергии. Наблюдалось различие азимутального распределения эмитированных частиц N1 и Р(1 при ионном облучении грани (001)К1Р(1, объясненное особенностями коррелированных соударений. Наилучшее согласие экспериментальных распределений с данными моделирования получено при учете в расчетах изменения состава трех верхних атомных слоев 1ч1Р(1, установленного ранее в эксперименте [39].

DOI: 10.7868/S0044451013020028 1. ВВЕДЕНИЕ

Исследования в области вторичной ионной эмиссии (ВИЭ) активно развиваются в настоящее время. Это связано как с необходимостью решения фундаментальных вопросов ВИЭ [1 9], так и с разработкой чувствительного метода анализа поверхности с помощью вторично-ионной масс-спектрометрии [3,4,10,11]. Несмотря на значительное количество работ в области ВИЭ, многие вопросы в механизме формирования вторичных ионов еще не получили ответов. К ним относятся, в частности, закономерности вторичной эмиссии нейтральных и заряженных атомных частиц при ионной бомбардировке металлов в области температур магнитных фазовых переходов. Этот вопрос впервые был исследован в работе [12], где было обнаружено, что распыление монокристалла никеля резко меняется, когда образец переходит из ферро- в парамагнитное состояние так

E-mail: yurasova'fflphysics.msu.ru

называемый квантовый эффект в распылении (см. также [9,13,14]). В дальнейшем этот эффект наблюдался для ВИЭ из никеля [9,15 19], а также для распыления и ВИЭ из гадолиния и тербия [17 22] и был частично объяснен с использованием результатов из работ [23,24].

Остался неясным также ряд вопросов, связанных с ВИЭ из монокристаллов простых веществ и соединений. Для их решения необходимо принимать во внимание результаты, полученные для процесса эмиссии нейтральных частиц, и прежде всего анизотропию распыления монокристаллов. Она была обнаружена в работе [25] при распылении монокристалла меди медленными ионами ртути с энергией Ео, не превышающей 200 эВ. На экране, расположенном параллельно бомбардируемой грани (001), были видны четкие пятна из распыленного осадка, соответствующие кристаллографическим направлениям (110) с наибольшей плотностью упаковки атомов. Появление пятен из распыленного вещества было объяснено процессом коррелированных соударений в цепочках атомов в направлениях (110) [26], названным прямой фокусировкой.

При более высоких энергиях ионов анизотропию выхода распыленных частиц удалось наблюдать впервые в работе [27], где грань (001 )Сп облучалась ионами аргона с энергией до Е0 = 5 кэВ. Тогда преимущественное распыление происходило не только в направлениях (110), но и в следующем за ним по плотности упаковки направлении [001] и тем больше, чем выше энергия ионов. Этот эффект исследовался затем в ряде работ (например, [28 30]) для более быстрых облучающих ионов и был объяснен процессом «ассистированной» или «дополнительной» фокусировки [31,32], в котором принимают участие ряды атомов, ближайших к основной цепочке коррелированных соударений.

Для бинарных упорядоченных соединений пространственное распределение распыленных частиц впервые изучалось в работах [33,34] при ионной бомбардировке монокристаллов соединений АШВУ (InSb и GaAs). Было обнаружено, что компоненты А и В распыляются в различных плотноупакован-ных направлениях. Так, при ионном облучении грани (111) монокристалла InSb атомы индия выходят в направлениях (110) (благодаря прямой фокусировке), а атомы сурьмы в направлении [111] (за счет дополнительной фокусировки). Это явление было названо анизотропией пространственного распределения распыленных частиц по направлению и составу. Недавно тот же эффект был обнаружен при моделировании с помощью методов молекулярной динамики (МД) распыления упорядоченного бинарного соединения нитрида бора вюрцитной структуры [35].

Выход компонент при ионном облучении бинарного неупорядоченного соединения впервые изучен в работе [36], где был рассчитан с помощью МД-мо-делирования ряд характеристик распыления грани (OOl)NiPd ионами Аг с энергией Е0 = 0.1 5 кэВ для кристаллов с различным составом верхних слоев, установленном в работах [37 39].

В настоящей работе ставилась задача совместного экспериментального и МД-исследований пространственного и энергетического распределения при эмиссии вторичных частиц из бинарного неупорядоченного соединения NiPd в ферро- и парамагнитном состояниях. Это соединение широко используется практически, например, в электрохимии, электронике, катализе, медицине (при магнитно-резонансной томографии и фиксировании необходимых участков для локального нагрева) и в других областях [36,40].

1

Рис. 1. Схема эксперимента: 1 — образец; 2— энергетический анализатор, соединенный с масс-спектрометром

2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Измерения ВИЭ проводились па установке [41] с подвижным 180-градусным сферическим энергетическим анализатором, соединенным с неподвижным квадрупольным масс-спектрометром. Разрешение по энергии составляло 0.5 эВ (при энергии пропускания 20 эВ); диапазон массовых чисел 1 350 а.е.м. В камере с помощью магниторазряд-ного насоса поддерживалось давление 2 • Ю-6 Па. Проводилась длительная очистка поверхности мишени периодическим нагревом до 650° С и охлаждением с одновременной ионной бомбардировкой при малых дозах облучения (порядка 10-1В ион/см2). Электронно-микроскопические исследования показали, что поверхность мишени после такой очистки состояла из мелкого рельефа высотой от десятка до сотни ангстрем. По окончании очистки температурные н угловые распределения ВИЭ не изменялись со временем ионного облучения. Наблюдалась хорошая воспроизводимость результатов. Схема эксперимента показана на рис. 1. Пучок ионов Аг+ с энергией 10 кэВ падал на кристалл Х1Рс1 под углом а = 45° или о. = 60° от нормали к поверхности. Плотность ионного тока была 400 мкА-см-2. Полярный угол наблюдения в менялся в пределах 90° путем вращения энергоанализатора; азимутальный угол изменялся поворотом образца на угол 3. Ток вторичных иоиов компонент соединения NiPd определялся интегрированном масс пика при определенной энергии или путем интегрирования энергетических спектров иоиов. Выход иоиов и их энергетические спектры измерялись как при нагреве, так и при охлаждении образца. Точка Кюри определялась по перегибу кривых намагниченности.

3. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Расчет распыления соединений МРс! проводился по МД-модели [42,43] с подвижным монокри-сталлнческнм блоком атомов в полубесконечной среде [44,45]. В каждый момент времени рассматривалось взаимодействие движущейся (активной) частицы (энергия которой была больше энергии обрезания потенциала взаимодействия) с атомами мишени.

Перестройка блока происходила при смене атома, ближайшего к активному. Поскольку процесс распыления атома протекает в очень короткое время (порядка Ю-13 с с момента удара иона [46]), нестабильность блока атомов не успевала проявиться.

Уравнения движения интегрировались по модифицированной схеме Эйлера предиктор корректор, которая является стабильной [42,46,47]. Неупругие потери рассчитывались по формуле Фирсова [48]. Тепловые колебания считались некоррелированными. Постоянные решетки (1 и энергия связи атомов Еь брались из экспериментальных данных для МРс!: (1 = 3.72 А, Еь = 4.20 эВ [49]. Использовался потенциал взаимодействия

пмп. / с

и (г) = АЬт ехр

г \ Аь ( 2г \

--Н--ехр--

иьт ) 'I' \ ЧЬт)

где АЬт = 52(ад)3/4 [50], аЬт = 0.219А, Аь = = к(е2Е 1^2), и 2-2 атомные номера иона и атома мишени, г радиус-вектор, к подгоночный параметр порядка единицы. При расчете фиксировались импульс распыленного атома, длина траектории каскада, приведшего к распылению, номер поколения распыленного атома и глубина разворота импульса, приведшего к распылеишо.

Представленные далее экспериментальные и расчетные кривые приводятся в единицах, нормированных на максимальное значение.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

4.1. Вторичная ионная эмиссия вблизи точки Кюри

Исследование влияния магнитного фазового перехода (Тс = 190 °С) на ВИЭ из поликристалла МРс! проводилось для наклонного падения под углом а = 45° ионов Аг с энергией 10 кэВ. Анализировались ионы 58М1+ и 106Р(1+ с энергией 20 эВ. Результат показан на рис. 2. Видно, что эмиссия ионов М1+ при переходе МРс! из ферромагнитного состояния в

Рис.2. Температурная зависимость эмиссии вторичных ионов ,81\Н+ с поверхности поликристалла 1ч1Р(1 (Тс = 189 °С) при падении ионов Аг с энергией 10 кэВ под углом о = 45°

парамагнитное (/ /¿-переход) уменьшается примерно в два раза. При нормальном падении бомбардирующих ионов это различие меньше [51]. Заметим, что согласно работе [52], коэффициент распыления поликристалла МРс! ионами Аг с энергией 10 кэВ при о. = 45° также в два раза больше, чем в случае нормального падения, вследствие увеличения числа и длины цепочек соударений, приводящих к распылению.

Увеличение длины каскадов соударений в МРс! при наклонном падении ионов должно сказываться на эмиссии не только нейтральных, но и заряженных ча

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