ВКР: Эффекты фокусировки по азимутальному углу атомов, эмитируемых с поверхности граней (001) Ni и (001) Au

Введение
Распыление, т.е. выбивание поверхностных атомов при бомбардировке твердого тела ускоренными ионами происходит в результате столкновений между бомбардирующими ионами и атомами в поверхностных слоях мишени. С тех пор, как распыление наблюдалось впервые, прошло более 150 лет, однако до сих пор не было представлено удовлетворительной количественной теории, описывающей это явление, в частности, для случая ионной бомбардировки монокристаллических мишеней. Наибольшую трудность представляет описание механизма вылета распыленных атомов с поверхности. В 1955 г. Г. Венер обнаружил эффект преимущественного выхода распыленных атомов в направлениях вблизи основных кристаллографических осей при ионной бомбардировке монокристаллов [1], т.е. эффект анизотропии углового распределения распыленных атомов. Для ионной бомбардировки грани (001) Ag полученные угловые распределения представлены на рис. 1. Это открытие привело к всплеску научного интереса к распылению. В последующие годы проводились активные исследования в этом направлении и было предложено несколько теоретических механизмов для объяснения особенностей распыления монокристаллов. В 1957 г. Р. Силсби предложил идею последовательных фокусированных столкновений – фокусонов, которые осуществляют передачу импульса из глубины кристалла в направлении низкоиндексных кристаллографических осей (плотноупакованных направлений в кристаллической решетке) [2]. В середине 60-х г.г. прошлого века, приблизительно через десятилетие после опубликования работы Р. Силсби, К. Леман и П. Зигмунд [3], а также Д. Харрисон [4] предположили, что максимумы эмиссии не обязательно обусловлены распространением фокусированных цепочек столкновений, как это предполагал Р. Силсби, а могут быть обусловлены упорядоченным расположением атомов лишь двух приповерхностных атомных слоев. Р. Нельсон и М. Томпсон в качестве возможной причины появления “пятен Венера” (т.е. максимумов углового распределения распыленных атомов в направлениях, близких к направлениям плотной упаковки) предложили механизм линзовой фокусировки, согласно которому импульс фокусируется линзами из нескольких атомов [5]. Однако в этих механизмах не учитывается изменение траектории эмитируемого атома в процессе его вылета с поверхности кристалла, за исключением учета роли плоского или сферического потенциального барьера. Однако известно, что траектории атомов могут меняться более сложным образом, чем просто преодоление поверхностного потенциального барьера [6-7]. До настоящего времени не выяснен вид дважды дифференциального распределения атомов, эмитируемых с поверхности монокристалла, по полярному и азимутальному углам. Компьютерное моделирование распыления позволяет определить, насколько сильно наблюдаемое распределение эмитированных атомов по углам зависит от вида распределения атомов, покидающих поверхность кристалла. Также представляет интерес задача о восстановлении исходного распределения атомов, сформировавшегося в каскаде столкновений, по наблюдаемому распределению распыленных атомов. В ряде работ изучались эффекты, обусловленные рассеянием эмитируемых атомов в процессе вылета с поверхности: эффект блокировки и его роль в формировании угловых распределений распыленных атомов [8-10] и поверхностный механизм фокусировки эмитируемых атомов [9, 10]. На стадии эмиссии происходит сильное перераспределение вылетающих атомов по углам и энергии, такое, что, повидимому, стадия эмиссии играет определяющую роль в формировании углового и энергетического распределений распыленных атомов. Оказывается, что в расчетах
2. Модель расчета
Была рассчитана эмиссия атомов с поверхности граней (001) Ni и (001) Au. В расчетах были использованы функции распределения эмитируемых атомов по начальным углам и энергии cosϑo/Eo 2 [22, 23] и 1/Eo 2 (см. работу [24]). В модели поверхности граней (001) Ni и (001) Au были представлены минимальным фрагментом кристалла – кольцом из четырех атомов поверхности, ближайших к узлу решетки, из которого проходила эмиссия атома (рис. 16). Для расчета эмиссии использовался метод молекулярной динамики. Взаимодействие эмитируемого атома с ближайшими атомами описывалось потенциалом отталкивания, а на достаточно большом удалении атома от поверхности вводился плоский потенциальный барьер. В качестве потенциала взаимодействия атом-атом использовался потенциал БорнаМайера U(r) = Aexp(– r/b) с параметрами для эмиссии с грани (001) Ni A = 23853,96 эВ и b = 0,196 Å из работы [25], высота потенциального барьера (энергия связи) составляла 4,435 эВ. Атом выбивался из узла на поверхности с энергией Eo под углами ϑo (отсчитывался от нормали к поверхности) и ϕо (отсчитывается от направления <100> на центр линзы из двух ближайших атомов поверхности). Начальная энергия Eo изменялась от 0,5 до 100 эВ. Шаг по Eo составлял 0,1 эВ. Шаг по ϕо был равен 3o , по (1 – cosϑo) – 1/45. В более детальных расчетах шаг по ϕо был равен 0,2о , по (1 – cosϑo) – 1/450.