Процессы электронного обмена при рассеянии атомных частиц на тонких пленках и вторичной ионной эмиссии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.04, кандидат физико-математических наук Усман, Екатерина Юрьевна

• Усман, Екатерина Юрьевна
• кандидат физико-математических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Усман, Екатерина Юрьевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА ПЕРВАЯ Литературный обзор.

1.1. Влияние локального разогрева электронной подсистемы на процесс вторичной ионной эмиссии.

1.1.1. Основные модели вторичной ионной эмиссии.

Основные характеристики ВИЭ.

Модель электронного туннелирования.

Модель Шроубека.

Объединенная модель.

1.1.2. Роль электронной температуры в теории ВИЭ.

Понятие локальной электронной температуры.

Применимость понятия электронной температуры.

Электронная температура в каскаде столкновений.

1.2. Процесс перезарядки при взаимодействии атомной частицы с поверхностью твердого тела.

1.2.1. Резонансный электронный обмен.

1.2.2. Модельные потенциалы.

Модель свободных электронов в металле.

Потенциал пленки.

Потенциал иона водорода Н".

1.2.3. Описание метода распространения волновых пакетов (WPP).

1.2.4. Влияние параллельной поверхности составляющей скорости атомной частицы на процесс перезарядки.

ГЛАВА ВТОРАЯ Динамика электронной температуры в каскаде столкновений.

2.1. Разогрев электронной подсистемы.

2.1.1. Эволюция каскада столкновений.

2.1.2. Уравнение баланса энергии для электронной подсистемы.

2.1.3. Энергообмен между электронной и фононной подсистемами.

2.1.4. Неравновесное распределение фононов.

2.1.5. Нагрев электронной подсистемы.

2.2. Динамика температуры электронной подсистемы.

2.2.1. Решение уравнения баланса энергии.

2.2.2. Динамика электронной температуры.

2.3. Влияние поведения электронной температуры на формирование вторичных ионов.

2.3.1. Зависимость вероятности ионизации вторичных частиц от динамики электронной температуры.

2.3.2. Влияние динамики электронной температуры на энергетический спектр вторичных частиц.

2.4. Температура электронной подсистемы твердого тела при бомбардировке поверхности двухатомными молекулами.

2.4.1. Расчет параметров каскада.

2.4.2. Вероятность ионизации вторичных частиц.

ГЛАВА ТРЕТЬЯ Особенности электронного обмена между ионом водорода Н" и тонкой металлической пленкой.

3.1. Перезарядка иона Н" на тонкой алюминиевой пленке при фиксированном расстоянии до поверхности.

3.1.1. Применение метода WPP.

3.1.2. Качественное рассмотрение квантово-размерного эффекта.

3.1.3. Поведение энергии и ширины уровня иона у поверхности пленки (ширины 3 ML и 11 ML).

3.1.4. Предельный случай толстых пленок.

3.2. Изучение электронного обмена иона Н" с тонкой пленкой в динамическом случае.

3.2.1. Вероятность выживания иона Н" при его столкновении с поверхностью тонкой пленки.

3.2.2. Эффективная ширина уровня иона.

3.2.3. Обсуждение различных масштабов времени в задаче перезарядки с тонкой пленкой.

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ Влияние параллельной составляющей скорости на электронный обмен при скользящем рассеянии ионов водорода Н" на тонкой пленке А1.

4.1. Заселенность состояний тонкой пленки.

4.2. Учет влияния параллельной поверхности составляющей скорости атома на формирование ионов Н".

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Процессы электронного обмена при рассеянии атомных частиц на тонких пленках и вторичной ионной эмиссии»

Актуальность проблемы

В последние годы наблюдается большой интерес к исследованию процессов, происходящих при взаимодействии атомных и молекулярных частиц с поверхностью твердого тела. Этот интерес объясняется широким применением этих процессов в различных областях науки и техники. Формирование зарядового состояния рассеянных или распыленных с поверхности частиц является предметом многих исследований. Это обусловлено прежде всего тем, что зарядовое состояние отлетающей частицы содержит информацию как о составе и структуре, так и об электронных свойствах поверхности. Кроме того, процесс электронного обмена является определяющим для многих явлений, происходящих на поверхности при вторичной ионной эмиссии, рассеянии, десорбции, катализе, модификации поверхности. Благодаря этому исследование процесса формирования зарядового состояния частицы у поверхности твердого тела имеет помимо чисто научной ценности большое прикладное значение.

Однако, несмотря на большое внимание к этой проблеме, имеется ряд важных вопросов, не получивших до настоящего времени адекватного теоретического описания. Например, современное понимание механизмов формирования вторичных ионов при ионном облучении различных материалов является еще далеко не полным, некоторые закономерности вторичной ионной эмиссии (ВИЭ) остаются необъясненными. Одним из наиболее важных, но неясных является вопрос о локальном состоянии поверхности в области эмиссии

13 вторичного иона. Маленькое характерное время эмиссии (порядка 10" сек) затрудняет прямые экспериментальные исследования области распыления, поэтому очень важным является развитие соответствующей теории. Для теоретического описания ВИЭ нужны определенные приближения, касающиеся электронных свойств возмущенной области твердого тела, из которой происходит эмиссия. В последнее время активно исследуется возбуждение электронной подсистемы в области эмиссии вторичных частиц, которое характеризуется локальной электронной температурой. Использование такого подхода позволило объяснить ряд экспериментальных закономерностей ВИЭ. Однако, до сих пор не существует теории, позволяющей описать поведение электронной температуры в каскаде столкновений. Адекватное описание процесса вторичной ионной эмиссии актуально и для практических приложений, прежде всего, потому, что ВИЭ лежит в основе одного из самых чувствительных на сегодняшний день методов анализа состава поверхности - вторичной ионной масс-спектрометрии.

Большой интерес представляет изучение перезарядки атомных частиц на тонкой металлической пленке. Благодаря своим особенностям, тонкие пленки широко используются в микро- и нано-электронике. Электронный обмен атомных частиц с пленками, как с системами пониженной размерности, демонстрирует квантово-размерный эффект. Этот эффект появляется, когда линейные размеры системы становятся сравнимыми с длиной волны Де Бройля и в рассматриваемом случае проявляется в сильном влиянии толщины пленки на процесс электронного обмена.

Другой важной особенностью теории зарядового обмена атомной частицы с поверхностью твердого тела является перезарядка при скользящем рассеянии. Суть проблемы состоит в том, что в этом случае, вследствие наличия параллельной поверхности составляющей скорости атомной частицы Vj | изменяется электронная структура твердого тела в системе координат, связанной с этой частицей. Это проявилось в экспериментах по нейтрализации щелочных ионов, а также по формированию ионов Н~ при их скользящем рассеянии на поверхности металла. Влияние V|| при рассеянии на тонких пленках отличается от случая массивного образца и заведомо представляет интерес для исследований.

Цель работы состояла в изучении особенностей процесса электронного обмена при взаимодействии атомной частицы с тонкой металлической пленкой и влияния локального возмущения электронной подсистемы твердого тела при вторичной ионной эмиссии на формирование зарядового состояния вторичных атомных частиц.

Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:

- получено аналитическое выражение для динамики электронной температуры как функции параметров каскада столкновений возникающего при ионной бомбардировке поверхности;

- показано, что при облучении поверхности твердого тела молекулами, состоящими из двух атомных частиц, значение электронной температуры увеличивается примерно в корень из двух раз по сравнению со случаем моноатомной бомбардировки;

- получены положение и ширина уровня иона Н~ в зависимости от расстояния до поверхности тонкой металлической пленки, показано расщепление уровня иона в окрестности дискретного 2D-континуум а пленки;

- определены условия проявления квантово-размерного эффекта при электронном обмене иона Н~ с тонкой пленкой металла;

- получена и проанализирована зависимость вероятности формирования отрицательных ионов при скользящем рассеянии ионов водорода на тонкой пленке А1 от величины параллельной поверхности составляющей скорости Уц, вид рассчитанной зависимости отвечает экспериментальным данным.

На защиту выносятся следующие основные положения;

1. Метод расчета динамики электронной температуры в области каскада столкновений при вторичной ионной эмиссии, основанный на предположении, что разогрев электронной подсистемы осуществляется за счет энергообмена между электронной подсистемой и неравновесными фононами в области каскада.

2. Расчет параметров каскада столкновений при облучении поверхности твердого тела двухатомными молекулами, определяющих значение локальной электронной температуры в области каскада. Расчет показыает увеличение электронной температуры по сравнению со случаем моноатомной бомбардировки, которое приводит к значительному увеличению вероятности ионизации вторичных частиц, наблюдаемое в эксперименте.

3. Расчет основных характеристик отрицательного иона водорода, определяющих процесс его электронного обмена с тонкой пленкой, как функций расстояния до поверхности пленки. Расчет демонстрирует наличие расщепления уровня иона в окрестности дискретного 2Б-континуума пленки.

4. Условия появления квантово-размерного эффекта при электронном обмене между отрицательным ионом водорода и тонкой алюминиевой пленкой, зависящие от толщины пленки, расстояния от иона до пленки и скорости налетающего иона.

5. Расчет зависимости вероятности образования отрицательных ионов водорода от параллельной поверхности составляющей скорости иона при его скользящем рассеянии на тонкой металлической пленке. Вероятность образования Н~ при рассеянии ионов водорода на тонкой металлической пленке более, чем на порядок возрастает по сравнению со случаем рассеяния на полубесконечном металле.

Научная и практическая ценность

Разработанный метод расчета динамики электронной температуры в области каскада столкновений при вторичной ионной эмиссии позволил оценить степень разогрева электронной подсистемы, температура которой может достигать нескольких тысяч градусов. Аналитический расчет динамики электронной температуры может рассматриваться как шаг на пути создания количественного метода вторичной ионной масс спектрометрии (ВИМС), которая, на данный момент, является самым чувствительным методом анализа состава поверхности.

Полученные условия появления квантово-размерного эффекта при взаимодействии отрицательного иона водорода с пленкой металла позволяют расширить наши представления о механизме электронного обмена с системой пониженной размерности.

Апробация работы

По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, из которых 5 опубликованы в центральных реферируемых журналах. Результаты исследований, которые вошли в диссертационную работу были доложены на XVIII и XIX Международных конференциях по атомным столкновениям с твердым телом (Оденс, Дания, 1999; Париж, Франция, 2001), на XIII Международном симпозиуме по неупругому взаимодействию ионов с поверхностью (Барилоджи, Аргентина, 2000), на VI Международной конференции по компьютерному моделированию излучательных эффектов в твердом теле (Дрезден, Германия, 2002), на XIII, XIV, XV Международных конференциях по взаимодействию ионов с поверхностью (Звенигород, 1997, 1999, 2001).

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 107 страниц текста, включая 23 рисунка, и список литературы из 93 наименований.

Заключение диссертации по теме «Физическая электроника», Усман, Екатерина Юрьевна

выводы

На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы.

1. Исследовано поведение температуры электронной подсистемы в области каскада столкновений при вторичной ионной эмиссии. Предложен механизм нагрева электронов, основанный на взаимодействии электронной подсистемы с неравновесными фононами. Получена зависимость локальной электронной температуры от времени и параметров каскада.

2. Анализ процесса развития каскада столкновений при облучении поверхности двухатомными молекулами, показывает увеличение электронной температуры в каскаде столкновений примерно в корень из двух раз по сравнению со случаем бомбардировки моноатомными частицами. Это приводит к значительному увеличению вероятности ионизации вторичных атомных частиц, которое наблюдается в эксперименте.

3. При исследовании электронного обмена между отрицательным ионом водорода и тонкой алюминиевой пленкой были получены характеристики уровня иона

Н~, возмущенного присутствием тонкой пленки, - энергия уровня E(Z) и его ширина T(Z), где Z - расстояние до поверхности пленки. Было показано расщепление уровня иона в окрестности дискретного 20-континуума пленки и резкое изменение ширины уровня в этой области.

4. Проанализированы условия появления квантово-размерного эффекта. Показано, что возможно описание процесса перезарядки с тонкой пленкой с использованием кинетического уравнения, причем при маленьких скоростях

В заключение, хочу выразить глубокую благодарность моим научным руководителям Ильдару Фоатовичу Уразгильдину и Андрею Григорьевичу Борисову за неоценимую поддержку в работе и многочисленные полезные обсуждения.

Я также хочу поблагодарить Жан-Пьера Гайяка (Universite Paris-Sud, France) за сотрудничество и интересные дискуссии при обсуждении научных результатов и Дмитрия Владимировича Клушина за ценные идеи и замечания.

Кроме того, я благодарна заведующему кафедрой физической электроники, профессору А.Ф. Александрову за оказанное внимание к моей работе и полезные советы. И, наконец, спасибо всему веселому и дружному коллективу лаборатории Ц-60 за создание хорошего рабочего настроения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Усман, Екатерина Юрьевна, 2003 год

1. P. Sigmund, Phys. Rev. 184, 383 (1969)

2. P.W. Anderson, Phys. Rev. 124, 41 (1961)

3. D.M. Newns, Phys. Rev. В 178,1123 (1969)

4. R. Brako and D.M. Newns, Surf. Sci. 108, 253 (1981)

5. N.D. Lang, Phys. Rev. 27, 2019 (1983)

6. M.L. Yu and N.D. Lang, Phys. Rev. Lett. 50, 127 (1983)

7. M.L. Yu, in "Sputtering by Particle Bombardment III". Edited by R. Behrish, K. Wittmaack, Springer Series in Topics in Applied Physics 64, 91 (Springer, Berlin, Heidelberg, 1991)

8. Y.L. Wang, Phys. Rev. 38, 8633 (1988)

9. И.Ф. Уразгильдин, Изв. РАН, сер. физ., 60, 7,44 (1996)

10. I.F. Urazgil'din, Phys. Rev. 47,4139 (1993)

11. Z. Sroubek, G. Falcone, Surf. Sci. 197,528 (1988)

12. I.F. Urazgil'din, A.G. Borisov, Surf. Sci. 227, 112 (1990)

13. K. Wittmaack, Phys. Scr. 6, 71 (1983)

14. G. Falcone, A. Oliva, andZ. Sroubek, Surf. Sci. 177,221 (1986)

15. Z. Sroubek, Phys. Rev. B. 25,6046 (1982)

16. Z. Sroubek, Nucl. Instr. Meth. B. 194, 533 (1982)

17. A.L. Krauss and D.M. Gruen, Surf. Sci. 92, 14 (1980)

18. R.G. Hart and C.B. Cooper, Surf. Sci. 94, 105 (1980)

19. T.R. Lundquist, J. Vac. Sci. Technol. 15, 684 (1978)

20. D.V. Klushin, M.Yu. Gusev, and I.F. Urazgil'din, Nucl. Instr. Meth. В 100, 326 (1995)

21. A. Wucher andH. Oechsner, Surf. Sci. 199, 567 (1988)

22. V. Makarenko, A. Popov, A. Shaporenko, A. Shergin, Rad. Eff. and Defects in Solids. 113, 263 (1990)

23. J.R. Goldman and J.A. Prybyla, Phys. Rev. Lett. 72, 1364 (1994)

24. W.S. Fann, R. Storz, H.V.K. Tom and J. Borok, Phys. Rev. Lett. 68, 2834 (1992)

25. X.Y. Wang, D.M. Riffe, Y.S. Lee and M.C. Downer, Phys. Rev. В 50, 8016 (1994)

26. D.V. Klushin, M.Yu. Gusev, S.A. Lysenko, I.F. Urazgildin, Phys. Rev. В 54, 7062 (1996)

27. И.А. Деребас, C.A. Лысенко, Ю.Т. Матулевич, А.А. Промохов, Изв. РАН, Сер. Физ. 58, 4, 158 (1994)

28. A. Yoshimori, К. Makoshi, Prog. Surf. Sci. 21, 251 (1986)

29. R. Brako, D. M. Newns, Rep. Prog. Phys. 52, 655 (1989)

30. A. Nourtier, J. Phys. (France) 50, 311 (1989)

31. J. J. C. Geerling, J. Los, Phys. Rep. 190, 133 (1990)

32. J. Burgorfer, in Review of Fundamental Processes and Applications ofAtoms and Ions, edited by C. D. Lin (World Scientific, Singapore, 1993), p. 517.

33. H. Shao, D. C. Langreth, P. Nordlander, in Low Energy Ion-Surface Interactions, edited by J. V. Rabalais (Wiley, New-York, 1994), p. 118.

34. A. Blandin, A. Nourtier, D. Hone, J. Phys. (France) 37,369 (1976)35. .W. Bloss, D. Hone, Surf. Sci. 72, 277 (1978)

35. R. Brako, D. M. Newns, Surf. Sci. 108, 253 (1981)

36. J. J. C. Geerling, J. Los, J. P. Gauyacq, N. M. Temme, Surf. Sci. 172, 257 (1986)

37. P. Nordlander, D. C. Langreth, Phys. Rev. В 43,2541 (1991)

38. P. Nordlander, J. C. Tully, Phys. Rev. Lett. 61, 990 (1988)

39. D. Teillet-Billy, J. P. Gauyacq, Surf. Sci. 239, 343 (1990)

40. F. Martin, M. F. Politis, Surf. Sci. 356, 247 (1969)

41. J. Merino, N. Lorente, P. Pou, F. Flores, Phys. Rev. В 54, 10 959 (1996)

42. V. A. Ermoshin, A. K. Kazansky, Phys. Lett. A 218, 99 (1996)

43. S. A. Deutscher, X. Yang, J. Burgdorfer, Phys. Rev. A 55, 466 (1997)

44. P. Kurpick, U. Thumm, U. Wille, Nucl. Instr. Meth. Phys. В 125, 273 (1997)

45. M.C. Desjonqueries, D. Spanjaard, Concepts in Surface Physics. Springer Ser. in Surf. Sci. 30, Berlin, Heidelberg, New York (1993)

46. A. G. Borisov, D. Teillet-Billy, J. P. Gauyacq, H. Winter, G. Dierkes, Phys. Rev. В 54, 17166(1996)

47. A. G. Borisov, D. Teillet-Billy, J. P. Gauyacq, Phys. Rev. Lett. 68, 2842 (1992)

48. M. Maazous, A. G. Borisov, Y. A. Esaulov, J. P. Gauyacq, L. Guillemot, S. Lacombe, D. Teillet-Billy, Phys. Rev. В 55, 13 869 (1997)

49. С. Auth, Н. Winter, A. G. Borisov, В. Bahrim, D. Teillet-Billy, J. P. Gauyacq, Phys. Rev. В 57, 12 579 (1998)

50. P.J. Jennings, P.O. Jones, M. Weinert, Phys. Rev. В 37, 3113 (1988) A. Lindgren, L. Wallden, Phys. Rev. Lett. 59, 3003 (1987)

51. E.Yu.Usman, I.F.Urazgildin, A.G. Borisov, J.P. Gauyacq, Phys. Rev. В 64, 205405 (2001)

52. S.Cohen and G.Fiorentini Phys. Rev. A 33, 1590 (1986)

53. See, e. G., in Time Dependent Methods for Quantum Dynamics, edited by K. S. Kulander (North-Holland, Amsterdam, 1991)

54. R. Kosloff, J. Phys. Chem. 92, 2087 (1988)

55. J. P. Gauyacq, J. Phys. В 13, 4417 (1980)

56. F. Aguillon, M. Sizun, V. Sidis, G. Billing, N. Markovic, J. Chem. Phys. 104, 4530 (1990)

57. D. Lemoine,G. C. Corey, J. Chem. Phys. 94, 767 (1991)

58. A. K. Kazansky, K. Taulbjerg, J. Phys. В 29, 4465 (1996)

59. A.G. Borisov, A.K. Kazansky, J.P. Gauyacq, Phys. Rev. В 59, 10 935 (1999)

60. D.R. Bates, M. McCaroll, Proc. R. Soc. London, ser. A 245, 175 (1958)

61. T.A. Green, Proc. Phys. Soc. London 86, 1017 (1965)

62. R. Zimny, H. Nienhaus, H. Winter, Rad. Eff. Def. Solids 109, 9 (1989)

63. G.A. Kimmel, B.H. Cooper, Phys. Rev. В 48, 12164 (1993)

64. F. Wyputta, P. Zimny, H. Winter, Nucl. Instr. Meth. В 58, 379 (1991)

65. A.G. Borisov, D. Teillet-Billy, J.P. Gauyacq, Surf. Sci. 278, 99 (1992)

66. M. W. Thompson, Cambridge, University press 5 (1969)

67. С.И. Анисимов, Б.Л. Капелович, Т.Л. Перельман, ЖЭТФ 66, 776 (1974)

68. А. А. Абрикосов, Основы теории металлов. М. Наука, 1987.

69. Edited by Gray D. E., American Institute of Physics Handbook, 3rd ed., McGraw-Hill, New York, 1973.

70. Z. Sroubek and J. Fine, Nucl. Instr. Meth. В 100, 253 (1995)

71. Каганов М.И., Лифшиц И.М., Танатаров Л.В., ЖЭТФ 31,232 (1956)

72. Р. Пайерлс, Электронная теория металлов, ИИЛ, 1947.

73. Ч. Киттель, Квантовая теория твердых тел, М., 1967.

74. A. Wucher, Н. Oechner, Surf. Sci. 199, 567 (1988)

75. M. D. Fleit, J. A. Fleck, J. Chem. Phys. 78, 301 (1982)

76. C. Leforestier, R. H. Bisseling, C. Cerjan, M. D. Feit, R. Frirsner, A. Gulberg, A. Hammerich, G. Jolicard, W. Karrlein, H. D. Meyer, N. Lipkin, O. Roncero, R. Kosloff, J. Comput. Phys. 94, 59 (1991)

77. J. R. Tailor, Scattering Theory: The Quantum Theory ofNonrealistic Collisions (Krieger, Malabar, FL, 1983)

78. A.G.Borisov and H.Winter, Zeitschrift Phys. D 37, 253 (1996)

79. A.G.Borisov and H.Winter, Nucl. Instr. Meth. В 115, 142 (1996)

80. B.Bahrim, P.Kurpick, U.Thumm and U.Wille, Nucl. Inst. Meth. В 164, 614 (2000)

81. U.Thumm, P.Kurpick and U.Wille, Phys. Rev. В 61,3067 (2000)

82. H.Winter, J. Phys. Condensed Matter 8, 10149 (1996)

83. J.J.C.Geerlings, J.Los, J.P.Gauyacq and N.M.Temme, Surf. Sci. 172, 257 (1986)

84. F. Wyputta, R. Zimny, H. Winter, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. В 58, 379(1991)

85. Ю.Т.Матулевич, И.К.Хрустачев, К.Ф.Миннебаев, И.Ф.Уразгильдин, В.Е.Юрасова, Изв. РАН. сер.физ. 64, 665 (2000)

86. Белых С.Ф., Расулев У.Х., Самарцев А.В., Строев Л.В., Труды XIV Международ, конф. ВИП, 1, 285 (Москва, 1999)

87. I.K.Khrustachev, E.Yu.Usman, A.S.Mosunov, I.F.Urazgildin, Book of abstracts of 6th Internat. Conf. on Computer Simulation of Radiation Effects in Solids, 39 (Dresden, Germany, 2002)

88. M. Ю. Гусев, П. В. Байдаков, Е. Ю. Усман, А. С. Воронков, С.А. Лысенко, И. Ф. Уразгильдин, Изв. РАН, сер. Физ. 63, 411 (1999)

89. Е. Yu. Usman, Yu.T. Matulevitch, I.F. Urazgil'din, Vacuum 56, 293 (2000)

90. Е.Ю. Усман, Ю.Т. Матулевич, Изв. РАН, сер. Физ. 64, 665 (2000)

91. И.К. Гайнулин, Д.Г. Горюнов, Е.Ю. Усман, И.Ф. Уразгильдин, Изв. РАН. Сер. Физ. 66, 1004 (2002)

92. Т. Hecht, Н. Winter, A.G. Borisov, J.P. Gauyacq, A.K. Kazansky, Phys. Rev. Lett. 84, 11,2517(2000)