Борман В.Д. - Физические основы методов исследования наноструктур и поверхности твёрдого тела (1027497), страница 26
Текст из файла (страница 26)
рис. 4.4, в), либо с вышележащего, но заполненногоуровня иона (см. рис. 4.5, г). В первом случае конечным состоянием159является основное, а во втором – возбужденное состояние нейтрального атома.Рис.4.4. Процессы резонансной (а), квазирезонансной (б) и оже-нейтрализации (в,г) иона у поверхности твердого тела [7]Обычно свободные уровни иона являются уширенными.
Этоуширение Γ связано с конечным временем жизни ионизованногосостояния, которое равно времени нейтрализации валентного уровня τ n ~ = / Γ . Валентные уровни также могут быть уширены вследствие перекрытия их волновых функций с волновыми функциямиэлектронов поверхности образца.Величина, обратная времени нейтрализации Rn = 1 / τ n , называется скоростью нейтрализации, т.е. числом актов нейтрализации вединицу времени.
Скорость нейтрализации зависит от ширинытуннельного барьера s и на больших расстояниях, когда туннелирование определяется перекрытием хвостов волновых функций,может быть представлена в виде [9]:(4.10)Rn = A e − as ,где А и а – константы, по порядку величины составляющиеA ≈ 3 ⋅ 1017 с-1 и a ≈ 3 Å-1 [9]. Более точное выражение для скорости нейтрализации иона должно учитывать матричный элементэлектронного перехода.Полная вероятность «выживания» иона при рассеянии на поверхности может быть записана в виде [9]:⎡ ∞ e − as ⎤Pi = exp ⎢ A ∫ds ⎥ ,⎢⎣ rmin v ⊥ ⎥⎦160(4.11)где rmin – минимальное расстояние траектории движения иона отповерхности, v ⊥ – нормальная к поверхности составляющая скорости иона.
Для ионов с достаточно большой кинетической энергиейrmin ≈ 0 .можносчитатьПриэтомполучаемPi = exp(− A / av ⊥ ) ≡ exp(− v0 / v ⊥ ) , где v 0 = A / aконстанта сразмерностью скорости. Эта величина оказывается весьма мала идля ионов Не+ с энергией 1 кэВ составляет Pi ≤ 0.01 , что означает,что из 100 падающих на поверхность ионов гелия 99 нейтрализуются и лишь один не изменяет своего зарядового состояния. Из выражения (4.11) следует, что любой процесс, удерживающий ион вблизи поверхности (т.е.
уменьшающий нормальную составляющуюскорости иона) приводит к увеличению вероятности нейтрализациии уменьшению величины Pi . По этой причине при проникновениииона в глубь поверхностных атомных слоев образца вероятностьнейтрализации существенно возрастает, и рассеявшиеся частицы недают вклада в измеряемый спектр.
Этот эффект объясняет чувствительность СРМИ к первому атомному слою поверхности.Вероятность нейтрализации, наряду с сечением рассеяния, определяют зависимость интенсивности спектральной линии рассеянных ионов от энергии первичного пучка I ( E 0 ) . Эта зависимостьимеет немонотонный вид и схематически представлена на рис.4.5.Возрастание интенсивности при малых энергиях ионов обусловленаувеличением с ростом E 0 нормальной составляющей скорости ио–на вблизи поверхности (и, следовательно, возрастанием Pi ), ауменьшение интенсивности при больших энергиях – уменьшениемсечения рассеяния. Помимо этого, для некоторых материалов (например, In, Sn, Sb на рис.4.5) наблюдаются осцилляции интенсивности, связанные с квазирезонансным обменом зарядоммежду рассеивающимся ионом и поверхностью в случаезаполненных электронных уровней, близких по энергии ксвободному (ионизованному) уровню рассеивающегося иона [8].161Рис.4.5.
Зависимость интенсивности спектральнойлинии РМИ от энергии первичных ионов для рядаэлементов [8]Рис.4.6. Сравнение спектров рассеяния ионов Ne+ с энергией 5 кэВ на Аu на угол90° при детектировании ионов и нейтральных частиц (а) и одних только ионов (б),измеренных с помощью времяпролетного (а) и электростатического отклоняющего анализатора (б) [8]Экспериментальным результатом, наглядно демонстрирующимэффект нейтрализации, является сравнение спектра рассеянных ионов, зарегистрированного энергоанализатором и спектра как ионов,так и нейтральных частиц, полученного с помощью массспектрометра при облучении одного и того же образца пучком ионов (рис.4.6).
Как видно из рисунка, нейтрализованные ионы даютзаметный вклад в общий спектр рассеянных частиц, формируя за-162тянутый хвост со стороны меньших энергий пика упругого рассеяния, обусловленный потерями энергии при многократном рассеянии и неупругих столкновениях в глубоких слоях образца.С увеличением энергии первичного пучка в спектре рассеянныхионов наблюдается уширение пика упругих потерь и появление затянутого хвоста со стороны меньших энергий, обусловленного неупругими потерями при проникновении в более глубокие поверхностные слои образца.
Так, на рис.4.7 представлены спектры рассеяния ионов Не+ на поверхности золота при энергиях первичногопучка ионов E 0 = 2 , 5, 10 и 25 кэВ. Отсутствие указанного хвостав спектре рассеяния медленных ионов свидетельствует о том, что вэтом случае рассеяние без изменения зарядового состояния ионовпроисходит, главным образом, на атомах первого поверхностногослоя, а рассеяние на более глубоких атомных слоях сопровождаетсянейтрализацией.Рис.4.7.
Спектры рассеяния медленных, средних и быстрых ионов Не+ на поверхности Au [7]4.6. Структурные эффекты в СРМИКак уже упоминалось во введении, с помощью метода СРМИможно не только идентифицировать элементный состав поверхно-163сти твердого тела, но и получить информацию о ее атомной структуре. Эта возможность связана с рядом эффектов, которые и будутрассмотрены в данном разделе.4.6.1. Эффект затененияЭффект затенения заключается в экранировании атомами первого атомного слоя поверхности следующих атомных слоев. Эта особенность связана с существованием так называемого конуса затенения, т.е.
«невидимой» для рассеивающихся ионов области второго и более глубоких атомных слоев поверхности. Наличие такойобласти объясняется зависимостью угла рассеяния иона от прицельного параметра, схематически проиллюстрированной нарис.4.8.Рис.4.8. Траектории рассеяния ионов на поверхностном атоме, расположенном вначале координат, иллюстрирующие образование «конуса затенения» [8]Чем больше значение прицельного параметра, тем меньше уголрассеяния.
Набор траекторий движения рассеивающихся ионов сразличными значениями прицельного параметра не захватываетнекоторую область (конус затенения) непосредственно за атомомрассеивателем, который как бы отбрасывает тень на атомы болееглубоких слоев, делая их «невидимыми» для ионов. Как следствие,рассеяние происходит преимущественно на атомах первого атомного слоя, что также является одной из причин поверхностной чувствительности методики СРМИ.164Рис.4.9.
Конусы затенения для ионов Не+ с энергией 1 кэВ от атомов верхних слоев поверхности Ni(100), спроецированные на более глубоколежащие атомы и делающие их «невидимыми» для рассеивающихся ионов [8]Ориентация конуса затенения зависит от угла падения ионов(рис.4.9), что позволяет исследовать атомную структуру поверхности по угловым зависимостям интенсивности спектральной линиирассеяния медленных ионов I (ϕ ,ψ ) , где ϕ – угол скольжения, ψ– азимутальный угол.Рис.4.10. Зависимость интенсивности спектральной линии рассеяния нейтральныхатомов Ne и ионов Ne+ с энергией 2 кэВ на поверхности Pt(111) от угла скольжения ϕ при фиксированном угле рассеяния ϑ = 165° .
Низкая интенсивность спектра рассеяния ионов обусловлена высокой вероятностью нейтрализации в процессе рассеяния, а наблюдаемые максимумы зависимости интенсивности от угла падения для рассеяния нейтральных частиц связаны с влиянием эффекта затенения[5]Зависимость интенсивности линии от угла скольженияI (ϕ ) позволяет судить о взаимном расположении атомов различ-165ных элементов в атомных плоскостях, параллельных поверхности.Изменяя угол падения, можно изменить положение конуса затенения относительно других атомов-рассеивателей, расположенных наразной глубине относительно первого атомного слоя (рис.4.10).
Таким образом, например, можно узнать, где находятся адсорбированные на поверхности атомы – сверху первого атомного слоя поверхности или под ним.Зависимость интенсивности линии от азимутального углаI (ψ ) позволяет судить о взаимном расположении атомов в плоскости поверхности.
Для иллюстрации рассмотрим структуру поверхностной кристаллической решетки, образуемой атомами кислородана поверхности Ni(100), представленную на рис.4.11.Рис.4.11. Эффект затенения, создаваемый поверхностными атомами при рассеяниимедленных ионов. Данный пример приведен для случая рассеяния ионов Аr+ сэнергией 1 кэВ на поверхности Ni(100) с адсорбированными атомами кислорода,образующими поверхностную решетку 2 × 2 R 45° - O : а – вид сверху на поверхность; b – сечение вдоль направления [001], в котором имеет место затенениеатомов Ni, являющихся ближайшими соседями к атомам кислорода (отмеченыстрелкой А); с – сечение вдоль направления [011], в котором затенение указанныхатомов Ni отсутствует [4]При малых углах падения в зависимости от азимутального углавнутри конуса затенения от атомов кислорода могут оказыватьсяили не оказываться атомы Ni .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
