Особенности рассеяния атомных частиц кристаллической поверхностью тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Казаков, Андрей Владимирович

• Казаков, Андрей Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Казаков, Андрей Владимирович

Введение.

1 Ориентационные эффекты.

1.1 Рассеяние заряженных частиц в кристаллах.

1.2 Потери энергии атомных частиц в конденсированных средах.

1.3 Эффект радужного рассеяния.

1.4 Рассеяние частиц кристаллической поверхностью.

2 Взаимодействие ускоренных нейтральных атомов с поверхностью кристаллов.

2.1 Радужное рассеяние поверхностью кристалла.

2.2 Поверхностное каналирование.

2.3 О поляризационных потерях энергии.

3 О динамическом взаимодействии нейтральных атомов с поверхностью кристалла при скользящих падениях.

3.1 Влияние электронного торможения.

3.2 Метод бинарных столкновений.

3.3 Результаты моделирования.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Особенности рассеяния атомных частиц кристаллической поверхностью»

Актуальность темы

Пучки заряженных и нейтральных частиц представляют собой эффективный инструмент для исследования состава и структуры твердых тел и модификации их поверхностей, поэтому широко применяются в науке и технике. Исследования многообразных физических процессов, сопровождающих взаимодействие быстрых заряженных частиц с веществом, приобретают все большую научную и практическую значимость, а их исследование далеко не завершено.

Начиная с 60-х годов прошлого столетия был открыт целый ряд, так называемых, ориентационных эффектов, возникающих при прохождении быстрых заряженных частиц через кристаллы [1-2] (каналирование, эффект теней и блокировки). Эти эффекты уже нашли широкое применение в физике конденсированного состояния, радиационной физике твердого тела и ядерной физике. За последние годы появилось несколько экспериментальных работ [3 - 7], в которых обнаружены необычные особенности в рассеянии ионов и нейтральных атомов от кристаллических поверхностей. В частности, были обнаружены новые эффекты в радужном рассеянии нейтральных атомов при отражении от ориентированной кристаллической поверхности. Результаты измерений зависимости угла радужного рассеяния нейтральных атомов от полной и поперечной (нормальной к поверхности кристалла компоненты) энергии показали существенное различие эффекта для атомов благородных газов и атомов некоторых металлов, что нуждается в теоретической интерпретации. Наиболее надежным способом количественного описания рассеяния ионов от кристаллической поверхности является метод математического моделирования процессов ион - атомных соударений.

В связи с повышенным интересом к проблеме модификации и анализа приповерхностных слоев кристаллов, развитие теоретического описания процессов рассеяния атомных частиц кристаллической поверхностью, представляется актуальным и своевременным, поэтому тема диссертации является актуальной.

Цель работы: теоретически описать процессы рассеяния ускоренных атомных частиц поверхностью кристаллов и дать физическую интерпретацию обнаруженным ориентационным эффектам.

В соответствии с поставленной целью в диссертации решались следующие задачи.

1. Построить модель взаимодействия атомных частиц с поверхностью кристалла и разработать алгоритмы для моделирования процессов их рассеяния.

2. Определить роль поляризационных эффектов в рассеянии атомных частиц от поверхности кристаллов при скользящих падениях.

3. Дать интерпретацию динамическим эффектам в азимутальных угловых распределениях атомных частиц, рассеиваемых поверхностью кристаллов металлов.

Научная новизна основных результатов

С использованием методов математического моделирования дана теоретическая интерпретация экспериментально обнаруженным особенностям радужного рассеяния при отражении атомных частиц от поверхности кристаллов при скользящих углах падениях. Установлено, что существенную роль в описании процессов отражения атомов от поверхности играют поляризационные эффекты и правильный выбор потенциала взаимодействия ионов с атомными цепочками и плоскостями. Дана интерпретация обнаруженным динамическим эффектам в радужном рассеянии при скользящих углах падения нейтральных атомов на поверхность металлических кристаллов. Указанные особенности объясняются электронным торможением рассеиваемых атомных частиц вблизи поверхности кристалла. Предсказан новый эффект, заключающийся в том, что поляризация ускоренных нейтральных атомов при скользящих падениях на поверхность кристалла может приводить к образованию связанных поверхностных состояний. Получено пороговое условие для угла подлета атомов к поверхности кристалла, при котором возможен захват в такие состояния.

Практическая значимость основных результатов

Проведенные в диссертации исследования позволяют, во-первых, по-иному взглянуть на традиционные задачи физики каналирования, а во-вторых, могут существенно расширить возможности метода каналирования для получения уникальной информации не только о структурных особенностях кристаллов, но и о физике ион - атомных столкновений. Дальнейшее изучение радужного рассеяния атомных частиц от поверхности кристаллов позволит реализовать идею экспериментального разделения ядерных и электронных потерь энергии, что не удается сделать в экспериментах на прохождение.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Причиной немонотонной зависимости угла радужного рассеяния от начальной поперечной энергии является поляризация падающих на поверхность кристалла ускоренных атомных частиц.

2. При скользящих падениях на поверхность кристалла поляризация ускоренных нейтральных атомов может приводить к образованию связанных поверхностных состояний. Захваченные в такие состояния атомы будут двигаться вдоль поверхности на расстоянии нескольких атомных единиц от нее, совершая небольшие осцилляции в поперечном направлении.

3. Наблюдаемые экспериментально динамические эффекты в рассеянии нейтральных атомов при их скользящих углах падения на поверхность кристаллов объясняются электронным торможением рассеиваемых атомных частиц вблизи поверхности металлических кристаллов. Физическая причина этого явления заключается в том, что в исследуемом энергетическом 5 диапазоне 1.100 кэВ увеличение скорости сопровождается возрастанием потерь, как полной энергии, так и ее поперечной составляющей.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на 39-ой, 40-ой и 41-ой Международных конференциях по "Физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами" (Москва, Россия, 2009, 2010 и 2011 (http://danp.sinp.msu.ru/tulin conf.htm); Международной конференции «Charged and Neutral Particles Channeling Phenomena» (Феррара, Италия, 2010) (http://www.lnf.infh.it /conference/channeling2010/home.html). Результаты работы обсуждались на семинарах кафедры теоретической и вычислительной физики физического факультета ЮФУ.

Публикации

Основные научные результаты опубликованы в 2 статьях журналах: «Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования», «Письма в «Журнал технической физики»», а также в 3 тезисах докладов на международных конференциях. Список основных публикаций автора приводится в конце автореферата.

Личный вклад автора

Автором разработаны алгоритмы для компьютерного моделирования и выполнены все численные расчеты. Автор принимал непосредственное участие в постановке целей, задач и формулировании основных научных положений, результатов и выводов, обсуждении полученных результатов и подготовке публикаций.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Казаков, Андрей Владимирович

Основные результаты, полученные в работе:

Г. Проведенный анализ показывает, что существенную роль в описании процессов отражения нейтральных атомов от поверхности могут играть поляризационные эффекты, вследствие того, что поляризуемость атомов некоторых металлов намного превосходит поляризуемость атомов инертных газов, для атомов металлов наблюдается существенный поляризационный эффект.

2. Поляризация ускоренных нейтральных атомов при скользящих падениях на поверхность кристалла может приводить, при выполнении определенных условий, к образованию связанных поверхностных состояний. Захваченный в такое состояние атом будет двигаться вдоль плоскости на расстоянии нескольких атомных единиц, совершая небольшие осцилляции в поперечном направлении.

3. Впервые дана интерпретация обнаруженных недавно динамических эффектов в радужном рассеянии нейтральных атомов при скользящих падениях на поверхность металлических кристаллов, на основе электронного торможения рассеиваемых частиц вблизи поверхности кристалла.

4. Влияние флуктуаций заряда атомных частиц при прохождении через ¡конденсированные среды не всегда можно описать введением в тормозную способность равновесного или эффективного заряда. Если скорость иона меньше боровской скорости, то влияние корреляций флуктуаций заряда на поляризационные потери энергии нельзя описать в терминах равновесного или эффективного заряда. В противоположном случае V» у0 длина свободного пробега между двумя актами перезарядки намного больше длины продольных поляризационных волн. В этом случае корреляционный вклад в поляризационные потери энергии сведется к замене равновесного заряда иона на эффективный заряд, который зависит от энергии иона и среднеквадратичной флуктуации заряда

Благодарности

Автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность своему научному руководителю доктору физико-математических наук Малышевскому B.C. за многостороннюю помощь в исследовании и обсуждении затронутых в диссертации вопросов. Автор также выражает благодарность организаторам и участникам ежегодной международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами за обсуждения и критические замечания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Развитие физики каналирования заряженных частиц в кристаллах послужило толчком для исследования структуры поверхности кристаллов и процессов, происходящих в поверхностном слое, большое распространение получили методы поверхностного каналирования и поверхностной дифракции пучков частиц. Метод поверхностного каналирования позволяет исследовать по полученным угловым распределениям частиц как структуру поверхности кристаллов, так и характер взаимодействия и процессы протекающие в поверхностном слое кристаллов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Казаков, Андрей Владимирович, 2011 год

1. Robinson М. Т., Oen O.S. // Proc. Of Conf. «Bombardment Ionique» (CNRS, Paris)-1961.

2. Lindhard J. Influence of Crystal Lattice on Motion of Energetic Charged Particles // Mat.-Fys. Medd. Dan. Vid. Selsk. 1965. - V. 34. - №14.

3. Thompson M.W. The Channeling of Particles in Crystals // ConTemp. Phys. 1968.-V. 9.-№4.-P. 375.

4. Бережной Ю.А., Кузниченко A.B., Онищенко Г.М., Пилипенко В.В. Радужное рассеяние в ядерных столкновениях. // ФЭЧ и АЯ 1987. -вып. 2. - т. 18. - С. 289 - 322.

5. Schuller A., Winter H. Interaction potentials for Na, Al and Ar atoms from rainbow scattering under axial surface channeling from Al(l 11) and Al(001) surfaces. // Nucl. Instr. And Meth. in Phys. Res. 2007. - V.B256. -P. 122125.

6. Schuller A., Winter H. Diffraction of fast atoms under axial surface channeling conditions. // Nucl. Instr. And Meth. in Phys. Res. 2009. -V.B267.-P. 628-633.

7. Schuller A., Winter H. Supernumerary Rainbows in the Angular Distribution of Scattered Projectiles for Grazing Collisions of Fast Atoms with a LiF(OOl) Surface. // Phys. Rev. Lett. 2008. - V. 100. - P. 097602.

8. Gravielle M.S., Miraglia J. E. Influence of the polarization in grazing scattering of fast helium atoms from LiF(OOl) surfaces. // Phys. Rev. 2008. -V. A78.-P. 022901.

9. Schuller A., Winter H. Interaction potentials for Na, Al and Ar atoms from rainbow scattering under axial surface channeling from Al(l 11) and Al(001) surfaces. // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. 2007. - V. B256. - P. 122125.

10. Schuller A., Winter H. Dynamic dependence of the interaction potentials for grazing scattering of fast atoms from metal and insulator surfaces. // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. 2009. - V.B 267. - P. 2621-2624.

11. Дедков Г.В. Межатомные потенциалы взаимодействия в радиационной физике. // УФН 1995. - Т.165. - № 8. - С. 919 - 953.

12. Ziegler J.F., Biersack J.P., Littmark U. The Stopping and Range of Ions in Solids. // New York: Pergamon 1985. - P. 321.

13. O'Connor D.J., Biersack J.P. Comparison of theoretical and empirical interatomic potentials. // Instr. and Meth. in Phys. Res. 1986. - V. В 15. -P. 14-19.

14. Никитин E.E., Смирнов Б.М. Атомно-молекулярные процессы в задачах с решениями. // М. Наука 1988. - С. 83.

15. Ремизович B.C., Рогозкин Д.Б., Рязанов М.И. Флуктуации пробегов заряженных частиц. // М.: Энергоатомиздат 1988. - С. 240.

16. Ахиезер И. А., Давыдов JI. Н. Теория электронного торможения тяжелых ионов в металлах. // УФН 1979. - вып. 2. - Т. 129. - С. 239254.

17. Kim Y.S., Gordon R.G. Ion-rare gas interactions on the repulsive part of the potential curves. // J. Chem. Phys. 1974. - V. 60. - P. 4323 - 4332.

18. Фирсов О.Б. Вычисление потенциала взаимодействия атомов. // ЖЭТФ. 1957.-Т. 33.-С. 696-699.

19. Жукова Ю.Н., Иферов Г.А., Тулинов А.Ф., Чуманов В.Я. Рассеяние протонов в тонком монокристалле золота. // ЖЭТФ -1972. Т.63. - С. 217.

20. Zhukova Yu.N., Iferov G.A. The impact-parameter dependence of energy losses in proton scattering by gold atoms. // Phys.stat.sol. 1982. - V. 110.-P 653.

21. Ахиезер А.И., Пелетминский С.В. Методы статистической физики // М.: Наука-1977.-С. 368.

22. Miskovic Z.I., Davison S.G., Goodman F.O., Liu W.K. Stochastic treatment of charge states for ion stopping in solids. // Phys. Rev. 1999. - V. B60. -P. 14478-14480.

23. Malyshevsky V.S. Effect of heavy ion charge fluctuations on Cherenkov radiation. // Phys.Lett. 2008. - V. A372. - P. 2133 - 2136.

24. Малышевский B.C., Серба П. В., Ольховский А. А. Корреляционные эффекты в черенковском излучении многозарядных ускоренных ионов. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2009. - N 3. - С. 104-108.

25. Ландау Л.В., Лифшиц Ю.М. Электродинамика сплошных сред // М.: Наука-1982.-С. 620.

26. Агекян Т.А. Теория вероятностей для астрономов и физиков. // М.: Наука-1974.-С. 264.

27. Bohr N., Lindhard J. // Mat. Fys. Medd. Dan. Vid. Selsk. 1954. - V. 28. -№7.i