ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 4, с. 89-94
УДК 537:534.8/9
МОНОМОЛЕКУЛЯРНЫЙ РАСПАД И МЕХАНИЗМ ФОРМИРОВАНИЯ
КЛАСТЕРНЫХ ИОНОВ 81+
© 2015 г. Н. Х. Джемилев, С. Ф. Коваленко, С. Е. Максимов*, О. Ф. Тукфатуллин, Ш. Т. Хожиев
Институт ионно-плазменных и лазерных технологий Академии наук Республики Узбекистан,
100125 Ташкент, Республика Узбекистан *Е-таИ: maksimov_s@yahoo.com Поступила в редакцию 10.07.2014 г.
При бомбардировке поверхности кремния ионами Хе+ методом вторично-ионной масс-спектро-
метрии исследованы зависимости эмиссии и фрагментации распыленных кластеров 81 + с п = 1 — 11 от давления кислорода вблизи поверхности. Показано, что с учетом взаимной обратимости реакций
образования и мономолекулярного распада процесс образования кластеров 81+ при ионном распылении может быть описан в рамках механизма комбинаторного синтеза.
Ключевые слова: ионное распыление, кремний, образование кластеров, мономолекулярный распад, механизм комбинаторного синтеза.
Б01: 10.7868/80207352815040071
ВВЕДЕНИЕ
При бомбардировке поверхности твердых тел ускоренными ионами происходит эмиссия кластеров, содержащих от единиц до сотен атомов в заряженном или нейтральном состояниях [1, 2]. Несмотря на значительный интерес к кластерам с точки зрения задач современных нанотехнологий и вторично-ионной масс-спектрометрии, природа процессов их образования при ионном распылении все еще остается во многом не ясной даже на качественном уровне. При обсуждении экспериментальных результатов был предложен ряд коллективных механизмов, построенных на предположениях об образовании на поверхности мишени в месте попадания пучка ударной волны [3], о процессе колебательной релаксации в объеме с высокой плотностью энергии [4], а также о термических процессах [5]. Однако преодолеть основную трудность, связанную с корректным описанием массовых и энергетических распределений распыленных кластеров, данные модели, так же как и ранние рекомбинационные модели [6, 7], не смогли. В то же время все указанные механизмы и модели образования кластеров не учитывают их мономолекулярную фрагментацию и существенную трансформацию массовых и энергетических спектров кластерных ионов с момента их формирования до момента регистрации детектором, т.е. построены без учета релаксации внутренней энергии распыленных кластеров после эмиссии.
Недавно в [8] был представлен механизм комбинаторного синтеза молекулярных кластеров 81вО-в+1 при рекомбинации над поверхностью ионов, атомов и молекул, независимо распыленных в индивидуальных каскадах, согласно которому кластеры формируются путем последовательного присоединения продуктов распыления 81, О, 81О и 81О2 (мономеров) к активным анионам О- и 81- в результате парных столкновений при их различных сочетаниях между собой. Кластерный ион приобретает внутреннюю энергию, достаточную для обратного распада. В рамках данного механизма был успешно объяснен ряд особенностей процессов мономолекулярной фрагментации кластеров оксидов металлов [9, 10] и энергетических спектров распыленных кластеров 81 пОт [11]. Целью настоящей работы является изучение влияния условий распыления на процессы эмиссии и
фрагментации гомоядерных кластеров 81 + при напуске кислорода на бомбардируемую поверхность и анализ возможностей описания полученных закономерностей в рамках механизма [8].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Исследования процессов образования, эмиссии и фрагментации распыленных кластеров 81+ выполнялись на вторично-ионном масс-спектрометре [12] с двойной фокусировкой в обратной гео-
1010 г
81+
108 г
10
13
О О
я
<ч
В 106
В
В
И
105
дят распады кластеров во временном диапазоне 10—5—10—4 с.
Если реакцию распада во второй бесполевой зоне Z2 представить в виде:
Мп ^ т + т0,
(1)
где М± — масса материнского иона и т± и т0 — массы заряженного и нейтрального осколков соответственно, то кинетическая энергия Е, образующегося в зоне Z2 заряженного осколка равна:
г т Тт Е, = — еио,
М±
(2)
где и0 — напряжение ускорения, приложенное к образцу (обычно 5000 В).
Осколочные ионы, образовавшиеся в результате реакции (1) в первой бесполевой зоне Z1, можно зарегистрировать путем настройки масс-анализатора на пропускание ионов с кажущейся массой [12]:
104 г
103
10-5 10-4 10—3 Давление О2, Па
Рис. 1. Зависимость выходов кластерных ионов 81+ от давления кислорода в камере бомбардировки.
метрии по методике, аналогичной [8—11, 13—15]. Первичные ионы Хе+ с энергией 8.5 кэВ бомбардировали исследуемые мишени 81 под углом 45° при сканировании по поверхности растра размером 1.5 х 1.5 мм. Ионные токи составляли 0.4—0.5 мкА при плотности тока ~10—4 А • см—2. Для исследований изменения выходов кремниевых и кремний-оксидных кластеров в зависимости от давления кислорода вблизи бомбардируемой поверхности была использована система напуска, позволяющая плавно изменять давление в камере бомбардировки от 2 х 10—6 Па до 5 х 10—3 Па. Выход ионов измерен при разрешении М/ЬМ ~ 300. Относительная ошибка измерения выхода вторичных ионов с напущенным кислородом в камеру мишени составляла ±20—30% и обусловлена точностью измерения давления кислорода.
Методика исследований фрагментации основана на том, что в приборе [12] имеются зоны, в которых возможна прямая регистрация распадов вторичных ионов, протекающих в различных временных диапазонах. Первая бесполевая зона Z1 позволяет регистрировать фрагментацию кластеров во временном диапазоне 10—6—10—5 с после эмиссии, во второй бесполевой зоне Z2 происхо-
М* =
(т±)2 Мп
(3)
при одновременной настройке энергоанализатора на энергию Е, определяемую соотношением (2).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
При распылении кремния ионами Хе+ без напуска кислорода на бомбардируемую поверхность при остаточном давлении не более Р = 2 х 10—6 Па
масс-распределение 81 + характеризуется монотонным спадом интенсивностей с усилением выхода кластеров 81 + и 81+, причем эмиссия кластеров 81 + с п > 11 не наблюдается, как было отмечено ранее в [16]. В процессе напуска кислорода в
камеру образцов масс-спектр 81 + существенно трансформируется с ростом давления (рис. 1): выход мономеров монотонно возрастает, выходы
кластеров 81 + с п > 7, напротив, спадают; в спектрах кластеров 81 + с п = 2—7 наблюдаются слабо выраженные максимумы. При этом выход ионов
кислорода и гетероядерных кластеров 81п От с ростом давления увеличивается. Указанные закономерности зависимости выходов 81 + и 81пОт от давления О2 вблизи мишени согласуются с данными [17], которые получены при распылении 81 ионами аргона. При достижении давления кислорода
Р = 5 х 10—3 Па распределение 81 + и 81пОт соответствует описанному ранее в [14].
Одним из основных положений модели [8] является взаимная обратимость реакций формирования распыленных кластеров и их мономолекулярного распада. Процесс эволюции кластерных ионов
+
можно разделить на две стадии: на первой происходит образование кластеров с их одновременной активацией, а на второй — их спонтанный распад:
X + У± ——^ (ХТ±)*, (4)
(ХГ±)* ———> X + У±, (5)
где к и т — константа скорости реакции образования активированного кластера и время его жизни до распада соответственно. Мономолекулярная фрагментация кластерных ионов рассматривается как вторая половина (5) бимолекулярной химической реакции. Каналы распада кластеров в соответствии с [8] указывают, таким образом, на то, из каких исходных кластеров образуется данный кластерный ион. Сравнивая зависимости ин-тенсивностей выходов кластерных ионов ХУ±, "исходных" кластерных ионов У± и фрагментных
ионов ХУр, образующихся в бесполевых зонах прибора и И2, можно описать в рамках [8] формирование различных групп кластерных ионов 81+.
Для решения указанной задачи были исследованы (таблица) каналы фрагментации 81 + по всем стехиометрически возможным направлениям, которые, как указывалось, являются обратными по отношению к каналам их образования. Для
большинства 81+, как было показано ранее в [16], характерно наличие нескольких фрагментационных каналов, что отражает комбинаторный характер процесса образования данных кластеров:
синтез 81 + происходит в нескольких одновременно и параллельно идущих цепных реакциях по различным каналам. Так, например, для кластера
81 + наблюдаются имеющие разные вероятности
распады с образованием осколочных ионов 81+,
81 + и 81+. Для всех 81 + одно из направлений распада в большинстве случаев является преобладающим: так, для 81 + с п = 1—8 основным является распад с выбросом нейтрального атома 81. В то же время интенсивности распадов 81 + с образованием атомарного иона 81+ низки и находятся на пределе чувствительности экспериментальной методики.
Пусть для кластера 81 + наблюдается основной канал распада вида:
81 + ——^ 81 + 81х. (6) Из (6) следует, что изменение интенсивности выхода 81 + с ростом давления кислорода вследствие обратимости реакций образования и распада должно зависеть от концентрации заряженных
81 +-к и нейтральных 81к частиц. В то же время, как указывается в [18], если в реакции образования концентрация одной из двух компонент значительно больше, то концентрация конечного продукта пропорциональна концентрации меньшего
Каналы и вероятности распадов Р(%) в первой бесполевой зоне ^ кластеров 81+, (т = 2—8), распыленных с поверхности кремния ионами Хе+ при напуске кислорода до давления Р(02) = 4 х 10-3 Па
Ион Канал распада Р, %
81+ 81+ + 81 5.3 х 10-2
81+ 81 + + 81 0.15
81+ + 812 2 х 10-2
81+ 81+ + 813 1.7 х 10-2
81 + + 812 0.15
81+ + 81 0.26
81+ 81+ + 814 3 х 10-3
81 + + 81з 2.5 х 10-2
81+ + 812 8 х 10-2
81 + + 81 2.0
81+ 81+ + 815 2 х 10-3
81 + + 814 1 х 10-2
81+ + 813 3 х 10-2
81 + + 812 0.1
81+ + 81 2.2
81+ 81+ + 816 2 х 10-3
81 + + 815 6 х 10-3
81+ + 814 2 х 10-2
81 + + 81з 5.5 х 10-2
81+ + 812 0.2
81+ + 81 5.0
81 8 + 81+ + 817 6 х 10-3
81 + + 81б 7 х 10-3
81+ + 815 1 х 10-2
81 + + 814 6.7
81+ + 813 4 х 10-2
81+ + 812 0.1
81 + + 81 9.1
из реактантов, т.е. уравнение концентрации является уравнением первой степени. Извест
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.