Главная страница
Навигация по странице:

  • Взаимодействия ионов с веществом

  • Моделирование взаимодействия ионов с твердым телом .

  • Урок математики в 5 классе «Из истории математики» | Doc4web. Лекция 15. Ионное распыление


    Скачать 194 Kb.
    НазваниеЛекция 15. Ионное распыление
    АнкорУрок математики в 5 классе «Из истории математики» | Doc4web.ru
    Дата05.10.2018
    Размер194 Kb.
    Формат файлаdoc
    Имя файлаУрок математики в 5 классе «Из истории математики» | Doc4web.doc
    ТипЛекция
    #7585
    КатегорияМатематика
    Лекция № 15.ИОННОЕ РАСПЫЛЕНИЕ Ионное распыление. Диссипация энергии атомных частиц при взаимодействии с твердым телом. Торможение быстрых частиц в твердом теле. Эмиссия атомных частиц.
    • Явление распыления твердого вещества в виде атомов под действием бомбардировки его поверхности потоком ионов получило название ионного распыления. Впервые вынос вещества с катода на стенки газоразрядной камеры под действием бомбардировки поверхности катода ионами было обнаружено еще в середине 19-го века (катодное распыление). Ионное распыление принято характеризовать коэффициентом ионного распыления - отношение числа распыленных атомов к числу упавших на поверхность ионов. Количество атомов распыленного вещества , где - масса распыленного вещества, - атомная масса распыленного вещества. Для измерения можно использовать прямой метод взвешивания либо мишени либо коллектора до начала и после бомбардировки ионами. Однако этот метод не всегда приемлем, так как, как правило, мало по сравнению с массой мишени и коллектора.

    Ионное распыление.

    • Косвенные способы основаны либо на измерении по изменению свойств поверхности мишени после бомбардировки, либо на ионизации распыленных атомов и измерении тока этих вновь образованных ионов. Для отделения их от первичных ионов используют масс-спектрометры. Количество ионов ,
    • где - ток ионов на мишень, измеренный таким образом (с использованием цилиндра Фарадея и запирающих потенциалов), чтобы исключить вклад тока вторичной электронной эмиссии, tвремя протекания тока, e – элементарный электрический заряд.
    • Второй характеристикой распыления является скорость катодного распыления, которую выражают как отношение толщины распыленного слоя мишени за время :
    • где - плотность вещества, S – площадь распыления.

    ИОННОЕ РАСПЫЛЕНИЕ

    • Иногда скорость распыления выражают не толщиной а массой вещества, распыленного с единицы площади поверхности . Для определения скорости распыления иногда применяют спектрометрический метод. Исследуемые мишени помещаются в плазму газового разряда. Распыленные атомы в плазме возбуждаются. В спектре излучения плазмы выделяют спектр излучения атомов распыленного вещества и по интенсивности спектральных линий определяют коэффициент и скорость распыления.
    • Эксперименты показывают, что распыляемые с поверхности чистых металлических мишеней частицы в подавляющем большинстве представляют собой нейтральные атомы материала мишени, в виде ионов с поверхности вылетают менее 1% материала мишени. Параметры, влияющие на коэффициент катодного распыления, можно перечислить по степени влияния:
    • а) энергия ионов;
    • б) заряд и масса ядра иона;
    • в) угол падения ионов на поверхность;
    • г) масса и энергия связи атома мишени;
    • д) состояние поверхности (пористость, шероховатость, температура, наличие примесей).

    ИОННОЕ РАСПЫЛЕНИЕ

    • Энергетическая зависимость коэффициента распыления не линейна, на его величину влияет не только количество переданной атомам мишени энергии, но и вероятность их эмиссии с поверхности. Поэтому на зависимости есть максимум и есть пороговая энергия - минимальная энергия ионов, ниже которой распыления не происходит. Пороговая энергия зависит от энергии связи
    • атомов мишени с поверхностью и изменяется от (если массы ионов и атомов мишени близки ) до (если
    • ). Известны эмпирические формулы для расчета пороговой энергии распыления. При где
    • . При
    • Таким образом, по мере увеличения энергии падающих ионов коэффициент Y возрастает, проходит через максимум, положение которого зависит от комбинации ион-мишень, затем убывает.

    ИОННОЕ РАСПЫЛЕНИЕ

    • Значения Y в зависимости от комбинации ион-мишень меняется в широком диапазоне от 10-2 ат/ион (для легких ионов) до 50 ат/ион (для тяжелых ионов).
    • Зависимость Y от атомных номеров как бомбардирующих ионов Zi, так и атомов мишени Za является немонотонной в силу периодической зависимости от Za энергии связи атомов мишени. Значения Y минимальны для тугоплавких W, Re, Ta,Zr,Mo,Nb, максимальны для Cu, Ag, Au.
    • Для расчета коэффициента распыления можно использовать эмпирическую зависимость:
    • С увеличением угла падения вплоть до коэффициент распыления увеличивается согласно зависимости: , где степень
    • После достижения максимального значения при коэффициент распыления резко убывает из-за отражения ионов от поверхности. нергетический спектр распыленных частиц имеет максимум при значениях порядка . Количество распыленных атомов с энергиями больше убывает обратно пропорционально квадрату энергии. Угловое распределение распыленных атомов для нормального падения ионов с большими энергиями подчиняется закону косинуса.

    Взаимодействия ионов с веществом

    • Теории ионного распыления (например, теория Зигмунда) основаны на рассмотрении каскадов упругих столкновений, вызванных передачей кинетической энергии от бомбардирующей частицы атомам мишени. Ион при первом столкновении с атомом вещества передает ему часть своей кинетической энергии, образуя первично выбитый атом, который выбивает вторично выбитый атом и т.д. Этот процесс продолжается до тех пор, пока энергия атомов отдачи не уменьшиться до порогового значения (10-30 эВ) ниже которого не происходит смещения атома из узла кристаллической решетки.
    • Режим прямого выбивания
    • Режим линейных каскадов

    Взаимодействия ионов с веществом

    • В результате один ион с достаточной энергией создает в твердом теле каскад смещенных атомов. По мере увеличения энергии падающих на поверхность ионов возрастает число смещенных атомов, возрастает и энергия смещенных атомов, часть из которых после некоторого числа столкновений в глубине может выйти к поверхности и либо преодолеть поверхностный барьер (выйти из тела), либо выбить поверхностный атом. В результате распыление поверхностных атомов смещенными атомами мишени будет преобладать над распылением первичными ионами.
    • . Режим нелинейных каскадов
    • Ионы высоких энергий взаимодействуют не только с атомами двух-трех слоев решетки твердого тела, основную энергию они теряют в глубине. Различают три режима распыления. Режим прямого выбивания (рис.) реализуется при бомбардировке легкими ионами см. Рис.Режим прямого выбивания
    • энергиями вблизи порога , либо при скользящем падении ионов. В этом режиме протяженность каскадов не велика, основной вклад в распыление дают первично выбитые атомы. Режим линейных каскадов характеризуется малой плотностью распределения выбитых атомов, так что преобладают столкновения в веществе движущихся атомов с неподвижными, а столкновениями движущихся атомов между собой можно пренебречь. Режим нелинейных каскадов реализуется для ионов с большими массами. Плотность распределения выбитых атомов высока, так что большинство атомов в некоторой области вещества находится в движении.

    Моделирование взаимодействия ионов с твердым телом .

    • Движение частицы в веществе по модели парных столкновений
    • Геометрия рассеяния налетающей частицы на атоме среды.

    Моделирование взаимодействия ионов с твердым телом .

    • Динамика парных упругих соударений частиц (массой Мi и координатой ) определяется потенциальной энергией межчастичного взаимодействия W, ,
    • для характеристики которой используют различные потенциалы взаимодействия U = W/e. Очевидно, что при соударении несжимаемых тел (например твердых шаров радиуса a ) потенциал имеет ступенчатый характер U(r) = 0 при r  a и U(r) =  при r < 0.
    • При этом полное сечение взаимодействия  = a2. Наиболее короткодействиющим является потенциал твердых сфер, а наиболее дальнодествующим – кулоновский потенциал. Все остальные потенциалы можно представлять в виде степенных потенциалов вида U  1/rn , где n меняется от единицы до бесконечности, или в виде экранированных кулоновских потенциалов вида или их комбинаций. Для описания взаимодействия налетающих частиц в модели молекулярной динамики используется экранированный потенциал.

    Моделирование взаимодействия ионов с твердым телом .

    • При упругих соударениях любых тел, в том числе и атомных частиц, законы сохранения энергии и импульса приводят к хорошо известному из общей физики распределению сталкивающихся частиц по энергиям в зависимости от угла рассеяния. Выражение для переданной в упругом соударении энергии, которое для первоначально покоившейся частицы соответствует приобретенной ей энергии после соударения:
    • При вычислении упругих потерь энергии пренебрегается влиянием неупругих потерь энергии на упругие потери. Для учета влияния энергии связи на поверхности при падении на нее и уходе с нее частицы используется модель планарного поверхностного порога. Начальная энергия и направление движения частицы изменяются в зависимости от энергии связи частицы на поверхности. Если при уходе частицы с поверхности нормальная к поверхности составляющая ее энергии меньше, чем энергия связи частицы на поверхности ,то частица «зеркально отражается» обратно. В противном случае частица рассматривается как покинувшая поверхность, причем ее энергия и направления вылета опять же изменяются в зависимости от энергии связи частицы на поверхности.
    • Частица считается поглощенной, если при своем движении в веществе она затормозилась до заданной энергии остановки .


    написать администратору сайта