Диссертация (1104349), страница 4
Текст из файла (страница 4)
В результате относительная скорость молекулстановится мала, что и означает возможность образования кластеров.Поскольку при переходе через нормальный скачок большая частькластеров разрушается, для формирования потока кластеров вне бочки Маханеобходимо вырезать часть струи, которая смогла бы пройти сквозь диск24Маха. Если для этого использовать обычную апертуру, ударная волна будетвзаимодействовать с ней, вызывая перераспределение характеристик струи иразрушение бочки Маха. Поэтому кластерный поток получают с помощьюскиммера (показан на рис. 1.8). Основными требованием, обуславливающимформу скиммера, являются отсутствие взаимодействия отраженной отскиммера волны с бочкой Маха.
Кроме того, при достаточно интенсивномпотоке в отверстии скиммера может формироваться пограничный слойбольшой толщины, уменьшающий эффективное сечение отверстия, илиударная волна, проходящая внутрь скиммера. Эффекты, связанные собтеканием скиммера струей, рассматриваются в [27, 34]. В последней работепредполагается, что поскольку кластеризация прекращается при переходе кмолекулярному режиму течения, скиммер выгоднее всего располагать нарасстоянии не более 1/10 расстояния от среза сопла до диска Маха.1.1.3.
Формирование потока ионизированных кластеров.После прохождения скиммера пучок частиц представляет собойстатистический поток, в состав которого входят как мономеры, так икластеры, движущиеся с тепловыми скоростями. Для ускорения, масссепарации и фокусировки сформированный скиммером поток необходимоионизовать. В случае газовых кластеров для этого чаще всего используетсяионизация электронным ударом с помощью сфокусированного пучкаэлектронов или тепловых электронов, испускаемых термокатодом [35]. Впоследнемслучаедляувеличенияэффективностиионизациичастоиспользуют ионизаторы сложной формы. Несмотря на то, что такой способионизации считается низкоэффективным в случае атомных потоков, в случаекластеров его эффективность возрастает, поскольку сечение ионизациикластера, содержащего N атомов, в N2/3 раз больше, чем сечение ионизациимономера.
Наряду с однократной ионизацией кластеров может происходитьмногократная. Однако поскольку ван-дер-Ваальсовское взаимодействие,25удерживающее атомы в кластере, невелико, при многократной ионизациивозникает вероятность кулоновского разрушения кластера. Возможно двамеханизма этого процесса: отрыв простого иона, уменьшающий зарядкластера на единицу, или деление кластера и его заряда на близкие части.Предельный заряд, определяющий критический размер кластера, можноопределить из тех соображений, что энергия кулоновского отталкивания недолжна превышать энергию связи атомов в кластере. Экспериментальнограницы существования многозарядных кластеров исследовались, например,[36, 37, 38]. Там же приведено сравнение с теоретическими моделями.
Втабл.1.2 приведены границы существования некоторых кластерных ионовразличного заряда.Z=2Z=3Z=4ArN+Z92226-(Kr) N+Z69156264(Xe) N+Z54115209(N2) N+Z100216-(CO2) N+Z45109216Табл. 1.2. Нижние границы масс существования кластерных ионов в зависимости отих заряда [38, 39].Таким образом, сформированное после прохождения газа через соплораспределение кластеров по массам может существенно меняться взависимости от условий ионизации.Средний заряд ионизированного и ускоренного потока кластеровизучался в работе [40] на основе независимых измерений средней энергии,приходящейся на заряд, средней скорости и среднего заряда припрохождении пучка через ячейку, заполненную газом. В частности, былоустановлено, что для кластеров аргона, ускоренных до энергии 30 кВ,26средний заряд составляет 3,2 элементарных заряда на кластер при среднемразмере 10400 атомов на кластер.
К сожалению, в работе не приводятсяусловия формирования кластеров и их ионизации.Позже было выполнено измерение распределений кластеров позарядовому состоянию с помощью наблюдения кратеров, сформировавшихсяпосле облучения подложки из SiO2 ускоренными до 20 кэВ кластерамиаргона [41]. Было показано, что в зависимости от энергии ионизирующихэлектронов и давления газа на входе в сопло средний заряд в условияхэксперимента может изменяться от 1 элементарного заряда на кластер (приэнергии электронов менее 20 эВ) до 3,6 элементарных зарядов на кластер.В работе [42] также приведена оценка изменения энергии, размера изарядового состояния кластерных ионов в зависимости от давленияостаточных газов в камере (рис. 1.11).Рис.
1.11. Распределение кластерных ионов по измеряемым энергиям при различныхтолщинах (атомов/см2) проходимой мишени.Распределения кластеров по массам в зависимости от условийионизации и давления на входе в сопло отражены на рис. 1.12. Как ужеобсуждалось, средний размер кластеров растет при увеличении давлениястагнации. При увеличении тока или энергии ионизирующих электронов27средний размер кластера уменьшается из-за разрушения кластера приэлектронном ударе или вследствие многократной ионизации.Рис. 1.12. Распределения кластерных ионов по массам при различных давленияхрабочего газа (а), токах ионизации (б) и энергиях ионизирующих электронов (в) [42].Послеионизациипотокакластерныхионови,чащевсего,предускорения или ускорения, из потока частиц необходимо выделитьнужную фракцию, то есть сформировать пучок с заданным распределениеммасс. В простейшем случае это достигается с помощью постоянного магнита,после прохождения которого заряженные частицы отклоняются от оси наразличное расстояние в зависимости от отношения массы к заряду.
Взависимости от конкретных геометрических параметров можно добитьсяудаления из пучка мономеров и легких кластеров (при небольших магнитныхполях) или получить более детальное разрешение по массам. Развитием этогоспособа масс-сепарации является использование фильтра Вина [43].В [44] описан разработанный авторами компактный радиочастотныймасс-фильтр,действиесообщаемойкластерамкоторогоразличнойоснованомассынаразличнойимпульсомскорости,напряжениявнаправлении, перпендикулярном первоначальному.Наконец, существуют ускорители, в которых выделение кластеровнужной массы происходит на основе времяпролетной методики [45].28При необходимости осуществляется фокусировка ионизированныхчастиц с помощью традиционных устройств электронной оптики.В заключение, приведем в хронологическом порядке некоторые работыс описаниями ускорителей газовых кластерных ионов.
[46, 47, 45, 42, 48 и49]. Отдельно отметим, что токи кластерных ионов, получаемых с помощьюэтих установок, изменялись от десятков и сотен наноампер в первыхэкспериментах до единиц миллиампер в современных ускорителях. В работе[50] описан ускоритель, разработанный для вторичной ионной массспектрометрии органических веществ, и позволяющий получить пучоккластеров аргона, сфокусированный до диаметра менее 10 мкм с плотностьютока 200 мкА/см2.1.2. Взаимодействие атомарных и кластерных ионов споверхностью.1.2.1. Общие характеристики взаимодействия.При облучении поверхности твердого тела ускоренными ионамипроисходит целый ряд процессов: распыление поверхности, эмиссияэлектронов и фотонов, рассеяние падающих частиц и их проникновение вмишень, изменение структуры и рельефа поверхности [51].
Рассмотримосновные характеристики этих процессов.Интенсивностьраспыленияхарактеризуетсякоэффициентомраспыления Y, определяемым как среднее число удаленных их мишениатомов, приходящихся на одну падающую частицу:=числоудаленныхатомовчислопадающихчастиц(1.8)Типичные значения коэффициента распыления Y=1÷5, хотя вообщеговоря, он может принимать значения от нуля до нескольких сотен.Конкретная его величина зависит как от свойств пучка налетающих частиц –29энергии и массы ионов, угла его падения на поверхность, – так и от свойствмишени – кристаллического состояния, энергии связи атома на поверхностии т.д.Коэффициент распыления является интегральной характеристикой,поскольку учитывает все выбитые частицы, не различая их энергии и углыихвылета.Дляболеедетальногоописанияраспылениявводятсядифференциальные характеристики.
Это пространственное и энергетическоераспределения распыленных частиц:=(1.9)∙( )=(1.10)Коэффициент распыления получается в результате интегрированияданных распределений по энергиям и углам:=∫ ∫∫∙∙∙∙∙(1.11)Угловые и энергетические распределения распыленного веществапозволяютсудитьопроцессах,протекающихпривзаимодействииускоренного иона с поверхностью. Так, в 1955 г. Венер обнаружиланизотропиювылетараспыленныхатомовприоблучениимонокристаллической мишени [52]. Оказалось, что распыление происходитпреимущественно вдоль кристаллографических направлений.
Кроме того,позже было обнаружено, что энергия вылетающих частиц превосходиттепловую [53]. На основании этих экспериментов была отвергнутагосподствующая ранее теория термоэмиссионного распыления, котораяпредполагала не зависящий от азимутального угла выход частиц с тепловойэнергией.30Надо отметить, что распыление традиционно разделяется на физическоеи химическое.
В первом случае происходит передача энергии частицаммишени и последующий вылет тех частиц, которые имеют достаточнуюскорость для преодоления поверхностных сил. Во втором случае поддействиемналетающихчастицпроисходитхимическаяреакциясобразованием летучих химических соединений, покидающих поверхностьмишени.Кроме нейтральных атомов, часть потока вторичных частиц составляютионы или кластеры; для них также определяются соответствующиехарактеристики.
Аналогично вводятся коэффициенты ион-электронной ифотонной эмиссии.Наконец, измененияпроисходят в составе и структуре поверхностимишени и приповерхностных атомарных слоев. Эти изменения обусловлены,с одной стороны, внедрением бомбардирующих ионов в мишень, и, с другойстороны, дефектами, создаваемыми ими. Таким образом, можно говорить оконцентрациях внедренного вещества или дефектов и их распределениях поглубине. При этом за счет распыления на поверхности тела формируетсяопределенный рельеф, характер которого зависит, в частности, от составамишени, энергии и угла падения ионов определенного вида, температурныхусловий.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
