Физические основы методов исследования наноструктур (1027625), страница 28
Текст из файла (страница 28)
Многократное рассеяние имеет место, когда падающийион нацелен на точку между соседними атомами поверхности, рассеяние происходит на них обоих.Кинематическое соотношение при многократном рассеянии дляn парных соударений на суммарный угол рассеяния θ имеет следующий вид:kn =1(1 + μ )2n[cos(θ / n) ± (μ1672− sin 2 (θ / n ) )]1/ 2 2n.(4.12)Так для двукратного рассеяния последовательно на углы θ 1 и θ 2потери энергии составляют ΔE (θ 1 ) = E 0 − E1 = (1 − k (θ 1 ) )E 0 иΔE (θ 2 ) = E1 − E 2 = [1 − k (θ 2 )]k (θ1 ) E 0 , причем общая потеря энергии при двукратном рассеянии на суммарный угол θ = θ 1 + θ 2 ока-зывается меньше, чем потеря энергии при однократном рассеяниина тот же угол θ : ΔE (θ 1 ) + ΔE (θ 2 ) < ΔE (θ 1 + θ 2 ) , поскольку кинематический фактор монотонно уменьшается при увеличении угларассеяния (рис.4.13).
Так, при θ1 = θ 2 = 30° и μ = 10 , согласноk (θ1 ) = k (θ 2 ) = 0.97 , k (θ 1 + θ 2 ) = 0.90 иΔE (θ 1 ) + ΔE (θ 2 ) ≈ 0.03 < ΔE (θ1 + θ 2 ) = 0.10 . В силу этого в(4.1)получаемспектре СРМИ пик двукратного рассеяния всегда располагается состороны больших энергий относительно пика однократного рассеяния (общий угол рассеяния задается геометрией установки и одинаков как для однократного, так и для двукратного рассеяния).k1.00.90.80.70.60306090120 150 180θ , град.Рис.4.13. Теоретическая зависимость кинематического фактора k отугла рассеяния θ для μ = 10В качестве примера на рис.4.14 показан спектр рассеяния ионовНе с энергией 1 кэВ на поверхности ZnS, в котором наблюдаетсяпик однократного и двукратного рассеяния.
Интенсивность пикадвукратного рассеяния меньше интенсивности пика однократногорассеяния вследствие увеличения вероятности нейтрализации (возрастает время пребывания иона вблизи поверхности).+168Рис. 4.14. Спектр рассеяния ионов Ne+ сэнергией 1 кэВ на поверхности монокристалла ZnS (угол рассеяния равен 45°),состоящий из пиков однократного (Zn) идвукратного (Zn-Zn) рассеяния [7]Рис.
4.15. «Петли» рассеяния вугловой зависимости энергиирассеянных ионов от угла рассеяния для ионов Ar+ с энергией 1кэВ, рассеянных на регулярнойлинейной цепочке атомов Cu.Результаты расчета относятся куглам скольжения 25 и 30о [8]В случае, когда плоскость падения-отражения ионов совпадает сатомными рядами на поверхности образца, возможно многократноерассеяние на цепочке атомов. В этом случае возможны две комби-169нации актов парного рассеяния на цепочке атомов, приводящие кодному и тому же суммарному углу рассеяния, но разным потерямэнергии. Это приводит к появлению так называемой петли рассеяния в зависимости энергии рассеявшегося иона от угла рассеяния(рис.4.15).
Нижняя часть петли рассеяния соответствует псевдобинарным актам рассеяния, потери энергии для которых близки к потерям энергии при однократном рассеянии, в то время как верхняячасть петли связана с двукратным соударением. Особенностью зависимости, представленной на рис.4.15, является также наличиеминимального и максимального углов рассеяния при малых углахскольжения. Наличие минимального угла рассеяния обусловленосуществованием минимального возможного угла скользящего выхода при многократном рассеянии, а наличие максимального угларассеяния – невозможностью лобового удара при скользящем падении, который мог бы привести к большому углу рассеяния. С увеличением угла скольжения ограничение на угол рассеяния сверхуисчезает.4.6.3. Применение метода СРМИ для определения степенипокрытия поверхностиВвиду чувствительности спектроскопии рассеяния медленныхионов к элементному составу верхнего атомного слоя поверхностиданный метод может успешно использоваться для определения степени покрытия поверхности подложки адсорбированными или осажденными атомами.При постоянном токе падающих ионов степень покрытия θ выражается как отношение интенсивности линии рассеяния ионов наадсорбированных/осажденных атомах I (θ ) к интенсивности спектральной линии рассеяния на сплошной пленке того же вещества(т.е.
при монослойном покрытии) I ∞ :θ = I (θ ) / I ∞ .(4.13)Скорость роста интенсивности спектральной линии адсорбата/конденсата при осаждении и скорость затенения линии подложки позволяет также определить характер роста конденсата.170Рис. 4.16. Зависимости нормированной на сигнал от чистой подложки интенсивности линий Ti от степени покрытия подложки пленкой металла для систем Cu, Fe,Cr и Hf на поверхности TiO2(110), иллюстрирующие различные механизмы ростаостровковых пленок. Справа схематически представлены модели роста пленок дляисследованных металлов 34)Как известно 35), в зависимости от соотношения свободных поверхностных энергий границ раздела конденсат-вакуум, подложкавакуум и конденсат-подложка (или, что эквивалентно, от соотношения энергий взаимодействия между атомами конденсата друг сдругом E c − c и с атомами подложки E c − s ), существует три механизма роста тонких пленок: островковый рост (механизм Фолмера–Вебера), реализующийся при E c − c > E c − s ; послойно-островковыйрост (механизм Франка – Ван–дер–Мерве), когда сначала идет образование одного или нескольких сплошных слоев конденсата, на поверхности которых затем происходит островковый рост, и послойный рост (механизм Странского–Крастанова) при E c − c < E c − s .При послойном росте зависимость интенсивности спектральныхлиний адсорбата/конденсата и подложки от степени заполнения поверхности является линейной, и при достижении θ = 1 линия отатомов подложки полностью исчезает.
При островковом росте затенение сигнала подложки происходит значительно медленнее.34) Ch.T. Campbell // Surf. Sci. Rep. 27 (1997) p.1.35)См.: Е. М. Лифшиц, Л. П. Питаевский, Физическая кинетика, Наука,Москва (1979).171На рис.4.16 представлены результаты исследования методомСРМИ роста пленок ряда металлов (Cu, Fe, Cr и Hf) на поверхностиоксида титана TiO2(110) 36). В случае гафния интенсивность спектральной линии подложки (Ti), нормированная на интенсивностьсигнала от чистой подложки, линейно убывает с увеличением степени покрытия.
Это свидетельствует о послойном росте Hf на поверхности TiO2, что обусловлено сильным взаимодействием Hf скислородом подложки. В то же время для пленки Cu наблюдаетсяостровковый рост.4.6.4. Влияние структуры поверхности на линии спектровРМИКачество поверхности твердого тела оказывает влияние на видспектральных линий РМИ. На поликристаллических и аморфныхобразцах пики рассеяния ионов обычно шире, чем на монокристаллических поверхностях с малым числом дефектов, поскольку в первом случае атомы поверхности разупорядочены и могут иметь различную энергию связи, что приводит к различию в кинематике соударения.Фон неупругих потерь в спектрах РМИ также несет определенную информацию о состоянии поверхности.4.7.
Аппаратура СРМИИсточник ионов (ионная пушка)В качестве ионов в методе СРМИ обычно используют ионы легких благородных газов Не+ и Ne+. Характерное значение ионноготока в пучке составляет I ~ 1 мкА при диаметре пучка 1÷2 мм иэнергии ионов E 0 = 0.2 ÷ 2.0 кэВ. Разброс по энергии ионов в пучке обычно составляет 5÷10 эВ, а его расходимость (разброс по углам) порядка одного градуса. Важным требованием к ионному пучку является отсутствие в нем ионов разного заряда и разной массы(изотопов), которые могут привести к уширению и появлению дополнительных линий в спектре.172Вакуумная системаВ виду своей исключительной поверхностной чувствительностиметод СРМИ накладывает более высокие требования к вакууму,нежели описанные ранее методы электронной спектроскопии. Желательный вакуум в камере анализатора СРМИ должен быть не хуже 10-9 Торр.Энергоанализатор ионовВ качестве энергоанализаторов используют электростатическиеанализаторы, например, типа сферического конденсатора, работающего на пропускание по отношению энергии к заряду.
В комплексной установке для исследования поверхности, оснащеннойрядом аналитических методик, может использоваться один и тот жеанализатор как для электронной, так и для ионной спектроскопии свозможностью смены полярности.Для методов СРМИ также важно наличие прецизионного манипулятора образца, дающего возможность получать угловые зависимости интенсивности линий РМИ.Сравнение возможностей методов СРМИ и СРБИРазличие аналитических возможностей и областей примененияметодов СРМИ и СРБИ основано на зависимости спектров рассеяния от энергии ионов. Так, при переходе к ионам He+ с энергиямиот нескольких сотен килоэлектронвольт до мегаэлектронвольт сечение рассеяния становится малым, конус затенения – узким и нейтрализация перестает играть существенную роль [8].
Посколькуэффективная нейтрализация и большая ширина конусов затененияявляются основными причинами поверхностной чувствительностиметода СРМИ, то метод СРБИ представляет собой объемный методисследования и в основном используется для анализа приповерхностных областей твердого тела.Однако ряд эффектов, проявляющихся в спектрах РБИ, позволяет также использовать его для исследования поверхностных слоев.К таким эффектам относится эффект «каналирования» при паденииионов в направлении кристаллических осей кристалла, сопровождающийся появлением острого пика рассеяния ионов на атомах173первого атомного слоя при затенении атомов всех нижележащихслоев.Таблица 4.1.
Сравнение основных характеристик методов СРМИ и СРБИХарактеристикаЭнергия первичныхионовГлубина анализируемого слояСРМИ0.2÷2.0 кэВСРБИ0.1÷2.0 МэВ1÷2 ML: анализ первого атомного слояШирина линий10÷50 эВ, упруго рассеянные ионыЭффект нейтрализацииДо 99% первичногопучка10-4÷10-3 MLЭлементный состав;структура поверхностной кристаллическойрешетки; характерроста конденсата; вряде случаев – химический составСотни нанометров:анализ толщины тонких пленок, профиликонцентрацииСотни эВ, существенный вклад неупругогорассеянияПрактически отсутствует10-2÷10-1 MLТолщина тонких пленок; профиль концентрации по глубине;структура(аморфн./крист.)ЧувствительностьПолучаемая информацияЭто позволяет использовать метод СРБИ для исследования поверхностной релаксации (см.
раздел 4.8), а также структуры приповерхностных слоев образца (аморфная или кристаллическая). Метод СРБИ с энергиями ионов порядка мегаэлектронвольт называютеще методом обратного резерфордовского рассеяния (ОРР) и широко используют для анализа толщины тонких пленок и распределения концентрации элеменов по глубине. Этот метод также можетиспользоваться для определения поверхностной концентрации атомов в нанокластерах на поверхности подложки, однако в этом случае получаемая информация представляет собой интегральную величину и может быть представлена в виде так называемой номинальной толщины, т.е. толщины сплошной пленки, получающейсяпри равномерном «размазывании» атомов кластеров по поверхности подложки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
