Процессы формирования газовых кластерных ионов и их взаимодействия с поверхностью тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.04, кандидат наук Иешкин, Алексей Евгеньевич

• Иешкин, Алексей Евгеньевич
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Иешкин, Алексей Евгеньевич

Содержание

Введение

Глава 1. Обзор литературы

1.1. Принципы формирования пучка газовых кластерных ионов

1.1.1. Расширение газа через сверхзвуковое сото

1.1.2. Экспериментальные исследования потока газа, выходящего из сопла

1.1.3. Формирование потока ионизированных кластеров

1.2. Взаимодействие атомарных и кластерных ионов с поверхностью

1.2.1. Общие характеристики взаимодействия

1.2.2. Взаимодействие атомарных ионов с поверхностью

1.2.3. Взаимодействие кластерных ионов с поверхностью

1.3. Выводы по главе 1

Глава 2. Ускоритель газовых кластерных ионов: режим импульсной подачи газа

2.1. Описание экспериментальной установки

2.2. Системы анализа пучка

2.3. Особенности импульсного режима работы

2.4. Выводы по главе 2

Глава 3. Визуализация потока газа из сверхзвукового сопла

3.1. Постановка задачи

3.2. Методика эксперимента

3.3. Исследование истечения газа из сверхзвукового сопла

3.3.1. Кольцевой электрод

3.3.2. Плоские электроды

3.4. Выводы по главе 3

Глава 4. Угловые распределения атомов при распылении кластерными ионами

4.1 Постановка задачи

4.2 Методика эксперимента

4.3 Угловые распределения при распылении однокомпонентных мишеней

4.4. Угловые распределения при распылении многокомпонентных мишеней

4.5. Выводы по главе 4

Глава 5. Сглаживание рельефа поверхности при облучении кластерными ионами

5.1 Постановка задачи

5.2 Методика эксперимента

5.3 Результаты и обсуждение

4.5. Выводы по главе 5

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Процессы формирования газовых кластерных ионов и их взаимодействия с поверхностью»

Введение.

Актуальность исследований.

Интерес к процессам, определяющим взаимодействие ускоренных ионов с поверхностью твердого тела, обусловлен огромной ролью, которую пучки заряженных частиц играют в современных фундаментальных исследованиях и практических приложениях. В последние десятилетия особенно активно в этой области развивается направление, связанное с изучением кластерных ионов.

Кластер - это совокупность атомарных или молекулярных частиц, от нескольких единиц до нескольких десятков тысяч. В случае газовых кластеров (Агм, (N2)^ (СОг)н и Т-Д-) частицы удерживаться вместе Ван-дер-Ваал ьсовскими силами, энергия которых составляет порядка 10 мэВ. Эта величина гораздо меньше энергии связи атомов в кристаллах, что во многом определяет механизмы процессов при столкновении кластерного иона с поверхностью. Понятно, что взаимодействие ионизированного кластера с твердым телом коренным образом отличается от взаимодействия атомного иона при тех же условиях.

Прежде всего, при ударе кластера о поверхность одновременно взаимодействует большое количество атомов. Это делает неприменимой теорию парных столкновений Зигмунда, описывающую взаимодействие в случае атомарного иона.

На каждый из атомов ускоренного кластера приходится небольшая доля всей его энергии. Однако поскольку кластер, в отличие от мономера, не проникает вглубь кристалла, вся эта энергия выделяется локально в небольшом приповерхностном слое. Таким образом, при облучении поверхности кластерными ионами можно ожидать эффекты, не проявляющиеся в случае атомарных ионов.

Пучки заряженных кластеров уже нашли практическое применение для модификации свойств поверхности и её анализа. Так, они используются для

прецизионной бездефектной полировки и травления подложек. При этом, как считается, ключевую роль играет характерное для кластерных ионов угловое распределение распыленного вещества. Поскольку энергия ускоренного кластера выделяется в небольшой области на поверхности, кластеры применяются для повышения эффективности химических реакций. Кластерные ионы используются для имплантации вещества на малую глубину, для осаждения высококачественных тонких пленок. Использование пучка кластерных ионов в качестве зонда повышает точность и чувствительность исследования состава вещества на основе методики вторичной ионной масс-спектрометрии.

Однако процессы взаимодействия ускоренных кластеров с твердыми телами остаются малоизученными. В частности, отсутствуют систематические эксперименты по исследованию угловых распределений распыленного вещества. Неизвестны особенности взаимодействия с многокомпонентными мишенями - угловые распределения распыленных элементов, закономерности сегрегации, селективного распыления.

Понятно, что для изучения этих процессов необходимо обладать инструментом, позволяющим получать пучки кластерных ионов с заданными свойствами.

Поэтому цслыо данной работы являлось получение пучков заряженных газовых кластерных ионов и изучение закономерностей их взаимодействия с одно- и многокомпонентными мишенями.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

• Получение ускоренных газовых кластерных ионов в режиме импульсной подачи рабочего газа.

• Разработка методики визуализации сверхзвуковых газовых струй в условиях ускорителя газовых кластеров. Исследование свойств потока газа, истекающего из сверхзвукового сопла, и оптимизация системы формирования кластеров.

• Разработка систем анализа кластерных ионов и исследование особенностей импульсных пучков кластерных ионов различных газов.

• Экспериментальное исследование закономерностей взаимодействия ускоренных газовых кластерных ионов с одно- и многокомпонентными мишенями. Разработка подходов к описанию полученных закономерностей.

Научная новизна.

• Получены новые экспериментальные данные о структуре сверхзвуковой струи в условиях формирования кластеров.

• Изучены и объяснены закономерности формирования кластеров различных газов в режиме импульсной подачи рабочего газа, показана роль буферного объема между импульсным клапаном и критическим сечением сопла.

• Впервые получены угловые распределения распыленного кластерными ионами вещества, отличные от латеральных. Для их объяснения предложена модель, учитывающая упругие свойства мишени.

• Впервые получены угловые распределения распыленного вещества в случае распыления многокомпонентных мишеней кластерными ионами. Показана нестехиометричность распыленного под различными углами вылета вещества. Обнаружено, что элементы мишени, имеющие наибольшую атомную массу, эмиттируются под большими углами.

Научная и практическая ценность.

• Разработанная методика визуализации сверхзвуковой струи в условиях формирования кластеров позволяет проводить оптимизацию источников кластерных ионов.

• Данные, полученные на основе разработанной методики, вносят вклад в понимание влияния формы сопла и конденсации газа на структуру сверхзвуковой газовой струи.

• Обнаружены и объяснены особенности формирования кластеров различных газов в режиме импульсной подачи рабочего газа.

• Данные об угловых распределениях, полученные в работе, и предложенный механизм распыления важны для создания теории распыления кластерными ионами.

• Получены данные, показывающие перспективность планаризации кластерными ионами поверхности материалов с точностью, необходимой для создания современных устройств электроники, спинтроники, оптики и т.д.

Достоверность результатов обеспечивается их многократной проверкой с использованием современной аппаратуры, а также совпадением с имеющимися в литературе данными в случаях, если такое совпадение возможно.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях:

• XVII Международная конференции по электростатическим ускорителям и пучковым технологиям (Обнинск, 2008).

• Международная Конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, ФВЗЧК (Москва, 2011, 2012, 2013,2014).

• Научно-практическая конференция "Фундаментальные и прикладные аспекты инновационных проектов Физического факультета МГУ" (Москва, 2011).

• 25th International Conference on Atomic Collisions in Solids, ICACS-25 (Kyoto, Japan, 2012).

• XXI международная конференция "Взаимодействие ионов с

поверхностью ВИЛ- 2013" (Звенигород, 2013).

• 26th International Conference on Atomic Collisions in Solids, ICACS-25 (Debrecen, Hungary, 2014).

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Работа содержит 124 страницы печатного текста, 63 рисунка, 7 таблиц. Список литературы включает 110 наименований.

Личный вклад автора.

Автор внес существенный вклад в разработку и создание систем анализа пучка кластерных ионов, в исследование закономерностей импульсного режима работы ускорителя газовых кластерных ионов, в том числе, массового состава кластерного пучка. Автором самостоятельно исследованы и объяснены закономерности формирования кластеров в режиме импульсной подачи газа в зависимости от вида рабочего газа. Разработана система визуализации сверхзвуковой струи и проведены исследования истечения различных газов из сверхзвуковых сопел. Проведены эксперименты по распылению кластерными ионами и исследование приготовленных коллекторов с помощью методики обратного резерфордовского рассеяния, а также анализ полученных экспериментальных данных.

Глава 1. Обзор литературы.

1.1. Принципы формирования пучка газовых кластерных ионов.

В 1951 году Кантровиц и Грей теоретически показали [1], что интенсивность молекулярных пучков, формируемых при расширении газа через сверхзвуковое сопло, значительно выше, чем при использовании эффузионного расширения газа. Увеличение интенсивности достигается за счет того, что распределение молекул по скоростям в формируемом потоке менее широкое, а средняя скорость выше, чем в традиционном источнике; при этом распределение по скоростям может быть сделано более узким при достижении больших чисел Маха (рис. 1.1). В работе отмечается, что для потока газа с достаточно большим числом Маха необходима бОльшая по сравнению с традиционным источником скорость откачки всех камер, определяемая потоком газа и требованиями к длине свободного пробега молекул.

«

н о н

и «

¡г

к «

а

-а

н

м*

и о

н

о

50 60 Скорость, 10 м/с

Рис. 1.1. Распределение молекул по скоростям в коллимированном пучке. Сравнение эффузионного источника и сверхзвукового сопла, температура Т=300 К, число Маха М=4.

В том же году был реализован источник на основе сопла с сужающейся и расширяющейся частями; было продемонстрировано, что интенсивность формируемого пучка молекул аммиака более чем в двадцать раз превосходит

интенсивность традиционного источника при оптимальных условиях работы [2].

Формирование кластеров в газовых потоках, проходящих через охлажденное сверхзвуковое сопло, впервые изучено Беккером и др. для использования в реакциях термоядерного синтеза. В работе [3] было показано, что в зависимости от условий истечения формируются кластеры, содержащие от двух или трех атомов до, предположительно, нескольких тысяч атомов. Более детальное распределение кластеров углекислого газа по размерам было получено Бентли в 1961 году с использованием техники масс-спектрометрии [4]. В потоке газа обнаружено присутствие кластеров (СОг)^, где N=1-^-23; однако автор считает тепловой эффект расширения недостаточным для формирования таких кластеров и предполагает, что они изначально присутствовали в газе.

Таким образом, становится понятно, что основным элементом для получения потоков газовых кластеров является сверхзвуковое сопло. Рассмотрим далее процессы, происходящие при расширении газа через такое сопло.

1.1.1. Расширение газа через сверхзвуковое сопло.

Рассмотрим адиабатическое течение идеального газа по трубе переменного сечения в соответствии с [5] и [6]. Уравнение состояние идеального газа гласит:

скорость звука в таком газе дается формулой

2 р RT

с = у — У — •

Р и

Уравнение Бернулли для стационарного течения имеет вид:

w + y ~ const, (1.2)

где энтальпия политропного газа

с2

w — СгТ =

V Y-1

Поскольку течение газа при условиях, необходимых для формирования кластеров, достаточно быстрое, чтобы не учитывать теплообмен со стенками сопла, воспользуемся уравнением адиабаты:

= const (1.3)

Наконец, запишем уравнение сохранения массы в виде

pvS = const (1.4)

Из уравнений (1.1)-(1.3) можно получить выражение параметров газа в данном сечении - его давления, температуры, плотности - через число Маха М, представляющее собой отношение скорости потока к местной скорости звука:

у

где индекс «О» относится к условиям на входе в сопло (параметры

торможения или стагнации). При этом местная скорость звука, как следует из

уравнения (1.2), связана со скоростью потока следующим образом:

2 2 У~1 2 С = Со--—17 .

2

Далее, из интеграла Бернулли видно, что температура, а так же давление и плотность, падают с ростом скорости вдоль линии тока. Максимальная скорость газа достигается при истечении в вакуум и равна 2срТо. При этом исходя из формул для идеального газа получаем значение конечной температуры Т=0. В действительности же температура не достигает близкого к нулю значения, поскольку происходит конденсация (кластеризация) и образование двухфазной системы.

Значение скорости газа, равное местной скорости звука, называется критическим. Из интеграла Бернулли, критическая скорость газа равна

укрит с0 •

Выражения для критических давления, плотности и температуры получаются при подстановке у=уКрИТ:= скрит, т.е. М=1, в уравнения (1.5), в частности,

У

_ Г 2 \у-1

Ркрит ~ Ро

Для идеального одноатомного газа (у=5/3) /7крит=/?о/2,05, для двухатомного газа (у=7/5) ркрит=р0/1,89.

Рассмотрим уменьшение давления за сужающимся соплом ре от значения ре=ро- При ре<рКрит падение давления до ре происходит внутри сопла, а критические значения, т.е. скорость звука, не достигаются. При Ре^Ркрит критические значения достигаются на срезе сопла, а при дальнейшем уменьшении давления за соплом давление на срезе остается равным ркрИ1 (дальнейшее падение происходит уже во внешнем пространстве), то есть падение давления в сопле остается неизменным, и сверхзвуковая скорость не достигается. Поток газа, выходящего из сопла, также остается неизменным при дальнейшем уменьшении выходного давления.

1 +7

Яптх = \flPmi~Tl) 2(7 1} Згаш.

4 + (1.6)

Наконец, дифференцируя (1.4), можно получить уравнение Гюгонио в виде:

= (1-7)

Из последнего уравнения видно, что при дозвуковой скорости потока (М<1) скорость увеличивается при уменьшении сечения сопла, а при сверхзвуковой скорости течения (М>1) скорость увеличивается при

увеличении сечения. Однако, как уже было сказано, при истечении газа через сужающееся сопло сверхзвуковая скорость внутри сопла не может быть достигнута. Для достижения сверхзвуковой скорости газа на протяжении сопла необходимо сопло сначала сужающееся, а затем расширяющееся. При этом в самом узком его сечении (критическом сечении) скорость газа должна быть равна местной скорости звука, то есть давление на входе в сопло должно обеспечивать достижение критического давления в его перетяжке. В этом случае в расширяющейся части сопла произойдет переход к сверхзвуковому режиму течения, в соответствии с уравнением Гюгонио, газ продолжит ускоряться, а его температура - уменьшаться.

Надо отметить, что для расчета использовалось уравнение адиабаты, которое нарушается при прохождении линии тока через ударную волну, поскольку в этом случае энтропия возрастает. Поэтому сделанные выводы верны в области, в которой отсутствуют ударные волны.

Итак, при адиабатическом расширении газа через сверхзвуковое сопло возможно достижение низких температур, достаточных для начала кластеризации. Формирование кластера начинается с образования димера, из закона сохранения энергии следует, что оно может произойти только при тройном соударении [7]: А1+А1+А1 —> А2+А1. Энергия, выделившаяся при слиянии атомов в димер, уносится третьим атомом. Сформировавшиеся димеры играют роль ядер конденсации для дальнейшего роста кластеров. Если атомов значительно больше, чем кластеров, рост кластеров происходит посредством присоединения мономеров, в противном случае преобладает рост за счет агрегации кластеров [8]. Уменьшение размеров кластера происходит при его охлаждении за счет испарения мономеров с поверхности.

Рост кластеров возможен, если соударения происходят достаточно часто, то есть плотность газа достаточно высока. В молекулярном режиме течения рост прекращается. Исходя из этих соображений, для получения кластерного потока выгоднее использовать коническое сопло. Такое сопло ограничивает расширение потока вбок, повышая таким образом частоту

столкновений, и увеличивает, с другой стороны, поток на оси [9]. Кроме того, для эффективного отвода от кластеров энергии, выделяющейся при конденсации, часто используется добавление к рабочему газу так называемого буферного газа - легкого газа, вероятность конденсации которого невелика. Такой газ не встраивается в кластеры рабочего газа и не образует самостоятельных кластеров, но позволяет повысить количество кластеров рабочего газ более чем 2 порядка (рис. 1.2) [10].

Еще один эффект, связанный с использованием буферного газа, обусловлен особенностями динамики газовой смеси. Если при расширении газа происходит достаточное количество столкновений, то все его компоненты будут двигаться с одинаковыми скоростями, с которыми двигались бы частицы виртуального газа с усредненным значением массы и показателя адиабаты. Поэтому при расширении, например, азота в смеси с гелием, молекулы азота приобретут большую скорость, чем в случае чистого азота, и следовательно, охладятся до низких температур [11]. Таким образом, эффект использования буферного газа определяется исходя из баланса между дополнительным понижением температуры и отводом тепла при большем его содержании и высокой вероятности встречи частиц рабочего газа при меньшем.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 отношение Не/(5Ре+Но)

О 0.2 0,4 0.6 0.8 I отношение Не/(Х+Но)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 отношение НеЛХ+Но)

Рис. 1.2. Интенсивность кластерного пучка в зависимости от количества Не в смеси.

Количественной теории образования кластеров, позволяющей описать формирование кластеров в расширяющемся через сверхзвуковое сопло

потоке газа, на сегодняшний день не существует. Однако возможно использование качественных соображений, эмпирических или численных подходов к описанию. Так, в [12] приводятся следующие соображения (рис. 1.3). Изначально система находится в точке А при давлении ро и температуре То. При расширении система по адиабате переходит в точку В, где адиабата пересекается с двухфазной линией. Однако последующее расширение на происходит вдоль этой линии, а продолжается вдоль адиабаты в «сухую» область неравновесного перенасыщенного состояния. И уже после этого в некоторой точке С происходит разрушение неравновесного состояния, так что система возвращается к равновесной линии рУ(Т). Точка С и дальнейшее поведение системы определяется как термодинамическими свойствами газа, так и кинетикой и временными масштабами расширения, которые задаются геометрией сопла и начальными условиями То, ро-

tog 1

Рис. 1.3. Линия сосуществования газа и жидкости pv(T) и линия расширения газа р(Т) на фазовой диаграмме.

Эмпирически образование кластеров было детально изучено в работе [13]. Использовались звуковые и сверхзвуковые сопла с диаметром перетяжки 0,15 ^ 1,5 мм. Начальная температура газа 120 450 К, давление стагнации 0,13 16 бар, в качестве газов использовались благородные газы, азот, и углекислый газ. В частности, делается вывод, что при использовании

конического сопла для формирования кластеров тех же размеров требуются меньшие давления стагнации, чем при использовании сопел других форм.

На основе полученных эмпирических данных был введен так называемый безразмерный параметр Хагены Г*, позволяющий оценить средний размер формируемых кластеров для данного газа в зависимости от начальных условий и геометрии сопла [14].

0,85

!

То

Г = (,8)

к - постоянная, зависящая от типа газа (см. табл. 1.1.), ро и Т0- начальные давление и температура в милибарах и Кельвинах, соответственно, с1ец -эквивалентный диаметр сопла, выраженный в микрометрах. Для звукового сопла эквивалентный диаметр равен выходному диаметру, а для сверхзвукового конического сопла - выражается как 0,74*с1Д§ а, где с1 -диаметр его перетяжки, а а - угол полураствора.

Не 3,85 н2 184

Ые 185 о2 181

Аг 1650 N2 528

Кг 2890 о2 1400

Хе 5500 со2 3660

сн4 2360

Табл. 1.1. Значение параметра конденсации для различных типов газов (по данным

[15]).

Зависимость среднего размер кластера от безразмерного параметра Хагены представлена на рис. 1.4.

N

10'

10

- / /

> : о & о д /

/ д

д

■ Виск

- Рагдеь е! а1

Надепа. ОЬег!

: / _ X—X—Xх 1

Л-.—1___1 >>1111 . II_1 1 11111,.,

100

1000

10000

Рис. 1.4. Зависимость среднего размера кластеров от безразмерного параметра Хагены, по данным [16].

Более современные исследования влияния формы сопла на размеры кластеров можно найти, например, в [17, 18].

Теперь возникает вопрос о внутренней структуре газовых кластеров. Как известно, отличительной чертой наносистем является немонотонная зависимость ряда их свойств от размера [19]. Особенно ярко это проявляется при анализе масс-спектров кластеров. В работе [20] при исследовании заряженных кластеров аргона было обнаружена повышенная вероятность образования кластеров (Аг)м с N=147, 309, 561. Эти числа соответствуют заполнению третьей, четвертой и пятой икосаэдрических оболочек кластера, соответственно. Такая зависимость позволяет говорить о магических числах применительно к масс-спектру кластеров. Позднее эти выводы были расширены на случай других благородных газов и даже молекулярных кластеров, таких как (СО)м и (СНд)^ На рис. 1.5 изображены масс-спектры

кластеров аргона, криптона и ксенона из работы [21]. В обзоре [22] структура кластеров проанализирована более детально, с учетом различных геометрических форм и возможности переходов между ними.

Г " 309

! не I

5000 f- I .1

К7

150 200 250 300

размер кластера, п

Рис. 1.5. Масс-спектры кластеров Аг, Кг и Хе (сверху вниз) в области, соответствующей заполнению икосаэдрических оболочек N=147 и N=309. Также отмечены другие характерные точки, обозначенные на спектре криптона [21].

Связь атомов или молекул внутри газового кластера осуществляется за счет ван-дер-Ваальсовского взаимодействия. В силу сказанного выше, при небольших размерах кластера энергия связи атома в кластере испытывает колебания в зависимости от количества атомов в нем, а при увеличении размера стремится к энергии связи в объемном теле. Энергия отделения атома для некоторых газов представлена на рис. 1.6.

4 ' 6 8 10 12

Рис. 1.6. Энергия отделения атома от кластера. Темный кружки - теоретические расчеты, светлые кружки - результаты экспериментов, пунктирная линия - энтальпия отделения атома для твердого тела [23].

1.1.2. Экспериментальные исследования потока газа, выходящего из сопла.

Итак, мы обосновали возможность формирования кластеров при расширении газа через сверхзвуковое сопло и описали некоторые их свойства. Рассмотрим теперь вопрос о поведении потока газа на выходе из сопла и о возможности выделения из него образовавшихся кластеров.

Изучение потока газа, под давлением проходящего через сопло, связано, прежде всего, с развитием ракетной техники, и большинство работ, определивших способы описания потока, связаны с этой областью исследований. Поэтому, прежде всего, определим терминологию по [24].

Поток называется перерасширенным, если давление газа на выходе из сопла меньше, чем давление в окружающей среде, то есть газ расширился в сопле слишком сильно. Если же давление на выходе на выходе равно или

больше давлению в окружающей среде, поток называется расчетным или недорасширенным, соответственно. Типичная структура потока представлена на рис. 1.7.

Рис. 1.7. Структура недорасширенного потока на выходе из звукового сопла [25].

На границах выходного сечения сопла при взаимодействии молекул истекающего газа с молекулами окружающей среды формируются волны сжатия, образующие так называемую бочку Маха. Волны сжатия направлены к оси сопла в том случае, если поток перерасширен и от оси, если поток недораширен. На дальней от сопла границе бочки Маха расположен диск Маха, представляющий собой ударную волну. Сверхзвуковое течение, выходящее из сопла, становится звуковым при пересечении диска Маха. Область сверхзвукового течения внутри бочки Маха называется зоной молчания, и в этой зоне верны рассуждения п. 1.1.1. При переходе же течением ударной волны его энтропия возрастает, течение перестает быть адиабатическим.

В идеальном случае расчетного сопла отходящие от его границ волны сжатия параллельны оси, а ударная волна - диск Маха не возникает. Поток остается сверхзвуковым на всем своем протяжении.

волны сжатия

граница струи

отраженная ударная волна

На рис. 1.8. схематически представлены распределения давления на оси потока для различных соотношений давления стагнации и давления в пространстве после сопла, а так же формы потока в перерасширенном, недорасширенном и расчетном случаях.

Рис. 1.8. Распределение давления на оси потока и форма течения, (а) - дозвуковое течение; (б) — скорость звука достигается только в перетяжке, давление равно критическому; (в) - переход от сверхзвукового течения осуществляется внутри сопла; (г) - переход на границе сопла; (д) - переасширенный поток, давление после скачка выше, чем до него; (е) - расчетное течение; (ж) - недорасширенный поток, давление после скачка меньше, чем до него.

Одним из наиболее распространенных методов визуализации неоднородностей течения является шлирен-фотография (теневая фотография) [26]. Суть метода состоит в следующем, Пучок лучей от точечного или щелевого источника света линзой или системой линз направляется через исследуемый объект и фокусируется на непрозрачной преграде с острой кромкой, так что изображение источника проектируется на самом краю преграды. Если в исследуемом объекте нет оптических неоднородностей, то все идущие от него лучи задерживаются преградой. При наличии неоднородности лучи будут рассеиваться ею и часть их, отклонившись, пройдёт выше преграды. Поставив за ней проекционный объектив, можно получить изображение неоднородностей.

Метод шлирен-фотографии использован в исследовании [27] для определения формы недорасширенного потока азота из звукового сопла, рис. 1.9.

Рис. 1.8. Шлирен-фотография вытекающей из сужающегося сопла газовой струи

[27].

Позже была проведена серия экспериментов [25] с различными газами (азот, аргон, гелий, смесь аргона и гелия, СОг и фреон-22), истекающими из сужающихся сопел с выходными диаметрами 0,65 -=- 3 мм. Давления и температура на входе в сопло варьировались в пределах 10,3 ^ 10300 бар и 300 ^ 4200 К, соответственно. Давление в среде после сопла поддерживалось па уровне 10"4 Topp. В результате экспериментов обнаружено, что расстояние от среза сопла до диска Маха можно найти следующим образом:

t = 2'<т)2' (,-7)

где ро и рт - давления перед соплом и в среде после сопла, хт - расстояие до диска Маха, d - диаметр выходного отверстия сопла. В исследованных

диапазонах величин это соотношение не зависит от молярной массы газа, отношения теплоемкостей у, величины конденсации и абсолютных значений давления. В [28] показано так же отсутствие такой зависимости от деталей геометрии среза сопла, а в [29] выводы последней статьи подтверждены с помощью компьютерного моделирования.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Иешкин, Алексей Евгеньевич, 2015 год

Список литературы.

1. A. Kantrowitz, J. Grey. A High Intensity Source for the Molecular Beam. Part I. Theoretical. // Rev. Sci. Instrum. - 1951. - Vol. 22, Number 5. - Pp. 328332.

2. G. B. Kistiakowsky, W. P. Slichter. A High Intensity Source for the Molecular Beam. Part II. Experimental. // Rev. Sci. Instrum. -1951,- Vol. 22, Number 5. -Pp. 333-337.

3. E.W. Becker, K. Bier, W. Henkes. Condensed Atomic and Molecular Beam in Highvacuum. IIZ. Phys. - 1956. - Vol. 146. - Pp. 333-342.

4. P. G. Bentley. Polymers of Carbon Dioxide. //Nature. - 1961. - Vol. 190. -Pp. 432-433.

5. Л.Д. Ландау, E.M. Лифшиц. Теоретическая физика. Т.6. Гидродинамика.// Москва, 2000. - 732 с.

6. Л.И. Седов. Механика сплошной среды. Т.2. // М.: Наука, 1970. - 568 с.

7. О. Hagena in: P.W. Wegner (Ed), Molecular beams and Low Density Gas Dynamics. // Marcel Dekker, New York, 1974. Chapter 2, p.93

8. Б. M. Смирнов. Процессы с участием малых частиц в возбужденном или ионизованном газе. - М.: Логос, 2012. - 191 с.

9. I.M. Goldby. Dynamics of Molecules and Clusters at Surfaces. Ph. D. Dissertation. // Cambridge, 1996, 123 p.

10. I. Yamada, J. Matsuo, N. Toyoda, T. Aoki, E. Jones, Z. Insepov. Non-linear processes in the gas cluster ion beam modification of solid surfaces. // Mater. Sci. Eng.- 1998.-A253.-Pp. 249-257.

11. А.Ю. Карпенко, В.А. Батурин. Источники кластерного пучка. Часть 2. Формирование кластерных пучков в сопловых источниках. // Журнал

нано- та електронноТ ф1зики - 2012. - № 4, Том 4. - Сс. 04015-1 - 0401515.

O.F. Hagena. Nucleation and Growth of Clusters in Expanding Nozzle Flows. //Surf. Sci.- 1981.-Vol. 106.-Pp. 101-116.

O.F. Hagena, W. Obert. Cluster Formation in Expanding Supersonic Jets: Effect of Pressure, Temperature, Nozzle Size, and Test Gas. // J. Chem. Phys. - 1972. - Vol. 56, Number 5. - Pp. 1793-1802.

O.F. Hagena. Cluster ion sources (invited). // - Rev. Sci. Instr. - 1992. - Vol. 63.-Pp. 2374-2379.

R.A. Smith, T. Ditmire, J.W.G. Tisch. Characterization of a cryogenically cooled high pressure gas jet for laser/cluster interaction experiments. // Rev. Sci. Instrum. - 1998. -Vol. 69, Number 11Pp. 3798-3804.

J. Wormer, V. Guzielski, J. Stapelfeldt, G. Zimmerer, T. Moller. Optical Properties of Argon Clusters in the VUV. // Phys. Scr. - 1990. - Vol. 40. - Pp. 490-494.

G. Chen, B. Kim, B. Ahn, D.E. Kim. Pressure dependence of argon cluster size for different nozzle geometries. // Journ Appl Phys. - 2009. - Vol. 106. -Pp. 053507-1 - 053507-6.

G. Chen, B. Kim, B. Ahn, D.E. Kim. Experimental investigation on argon cluster sizes for conical nozzles with different opening angles. // Journ Appl Phys. - 2010. Vol. 108. - Pp. 064329-1 - 064329-5.

В.Ф. Киселев, C.H. Козлов, A.B. Зотеев. Основы физики поверхности твердого тела. // М.: Издательство Московского Университета, 1999. -287 с.

20. I.A. Harris, К.A. Norman, R.V. Mulkern, J.A. Northby. Icosahedral Structure of Large Charged Argon Clusters. // 1986. - Chem. Phys. Letters. - Vol. 130, Number 4.-Pp. 316-320.

21. O. Echt, О. Kandier, Т. Leisner, W. Miehle, E. Recknagel. Magic Numbers in Mass Spectrs of Large van der Wals Clusters. // J. Chem. Soc. Faraday Trans. -1990. - Vol. 86, Number 13. - Pp. 2411-2415

22. F. Baletto, R. Ferrando. Structural properties of nanoclusters: Energetic, thermodynamic, and kinetic effects. // Rew. Mod. Phys. - 2005. - Vol. 77. -Pp. 371-423.

23. R. Parajuli, S. Matt, O. Echt, A. Stamatovic, P. Scheier, T.D. Mark. Binding energies of neon and krypton cluster ions // Chem. Phys. Lett. - 2002. - Vol. 352-Pp. 288-293.

24. B.C. Авдуевский, Э.А. Ашратов, A.B. Иванов, У.Г. Пирумов. Газодинамика сверхзвуковых неизобарических струй. // М.: Машиностроение, 1989. -320 с.

25. S. Crist, P.M. Sherman, D.R. Glass. Study of the Highly Underexpanded Sonic Jet. // AIAA J. - 1966. - Vol. 4, Number 1. - Pp. 68-71.

26. И.А. Знаменская, Л.Г. Гвоздева, H.B. Знаменский. Методы визуализации в механике газа. Учебное пособие. // Москва, 2001. - 57 с.

27. К. Bier, В. Schmidt. Zur Form der Verdichtungsstosse in frei expandierenden Gasstrahlen. HZ. Angew. Phys. - 1961. - Band 13, Heft 11. S. 493-500.

28. A.L. Addy. Effects of Axisymmetric Sonic Nozzle Geometry on Mach Disk Characteristics. //AIAA Jornal. - 1981. -Vol. 19, Number 1. - Pp. 121 - 122.

29. Y. Otobe , H. Kashimura , S. Matsuo, T. Setoguchi, H.-D. Kim. Influence of nozzle geometry on the near-field structure of a highly underexpanded sonic jet. // Journal of Fluids and Structures - 2008. - Vol. 24. - Pp. 281-293.

G.Tejeda, В. Mate, J.M. Fernandez-Sanchez, S. Montoro. Temperature and Density Mapping of Supersonic Jet Expansions Using Linear Raman Spectroscopy. // Phys. Rev. Lett. - 1996. - Vol. 76, Number 1. - Pp. 34-37.

L.A. Gochberg. Electron Beam Fluorescence Methods in Hypersonic Aerothermodynamics. // Progress in Aerospace Sciences. - 1997. - Vol. 33, Issues 7-8.-Pp. 431-480.

M. Rasi, R. Saintola, K. Valli. Vizualizing the expanding flow of gas from helium-jet and ion-guide nozzles. // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A. -1996.-Vol. 378. Pp. 251-257.

I-I. Haberland, U. Buck, M.Tolle. Velocity distribution of supersonic nozzle beams. //Rev. Sci. Instrum. - 1985. Vol. 56. - Pp. 1712-1716.

R. Campargue. Progress in Overexpanded Supersonic Jets and Skimmed Molecular Beams in Free-Jet Zonez of Silence. // J. Phys. Chem. - 1984. - Vol. 88.-Pp. 4466-4474.

M.E. Mack, R.Becker, M.Gwinn, D.R. Swenson, R.P. Torti, R. Roby. Design issues in gas cluster ion beamlines. // Proceedings of the 14th International Conference on Ion Implantation Technology. - 2002. - Pp. 665-668.

P. Scheier, T. D. Mark. Doubly charged argon clusters and their critical size. // J. Chem. Phys. - 1987. -Vol. 86, Number 5. - Pp. 3056-3057.

P. Scheier, T. D. Mark. Triply charged argon clusters: production and stability (Apperance energy and appearance size). // Chem. Phys. Lett. 1987. - Vol. 136, Number 5. - Pp. 423-426.

P. Scheier, A. Stamatovic and T. D. Mark. Production and properties of singly and multiply charged Kr clusters M. Lezius, J. Chem. Phys. 91 , 3240 (1989)

A.B. Елецкий, Б.М. Смирнов. Свойства кластерных ионов. // - УФН. -1989. - Т. 159, Вып. 1. - Сс. 45-81.

D.R. Swenson. Measurement of averages of charge, energy and mass of large, multiply charged cluster ions colliding with atoms.// Nucl. Instr. and Meth in Phys. Res. B. - 2004. - Vol. . 222. - Pp. 61-67.

N. Toyoda, I. Yamada. Evaluation of charge state of gas cluster ions by means of individual crater observations. // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B. -2013.-Vol. 307.-Pp. 269-272.

T. Selci, J. Matsuo, G.H. Takaoka, I. Yamada. Generation of the large current cluster ion beam. // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B. - 2003. - Vol. 206. -Pp. 902-906.

G.Takaoka, K.Tsumura, T.Yamamoto. Development of Liquid Polyatomic Ion Beam System for Surface Modification. // Jpn. J. Appl. Phys. - 2002. - Vol. 41.-Pp. L660-L662.

K.Ohwaki, Y. Dake, N. Toyoda, I. Yamada. Development of a new cluster size selector. - Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B. - 2005. - Vol. 241. - Pp. 614617.

V.N. Popok, S.V. Prasalovich, M. Samuelsson, E.E.B. Campbell. Design and capabilities of a cluster implantation and deposition apparatus: First results on hillock formation under energetic cluster ion bombardment. // Rev. Sci. Instr. -2002. - Vol. 73, Number 12. - Pp. 4283-4287.

J. Matsuo, H. Abe, G.H. Takaoka, I. Yamada. Gas cluster ion beam equipments for industrial applications, NIMB 99, 1995

J.-II. Song, S.N. Kwon, D.-K. Choi, W.-K. Choi. Assessment of an ionized C02 gas cluster accelerator. NIMB 179, 2001.

T. Seki, J. Matsuo. Development of 1mA cluster ion beam source. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 237 (2005) 455^58

49. A. Andreev, Y. Chernysh, Y. A. Ermakov, A. Ieshkin Design and investigation of gas cluster ion accelerator// Vacuum. -2013. -Vol. 91. -P. 4753.

50. J. Matsuo, S. Nakagawa, M. Py. K. Ichiki, T. Aoki, T. Seki. Mass Imaging with Cluster Ion Beams // The International Symposium on SIMS and Related Techniques Based on Ion-Solid Interactions at Seikei University (SISS-14) -Seikei Univ., Tokyo. - Oral.

51. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой. Физическое распыление одноэлементных твёрдых тел. Пер. с англ. Под ред. Р. Бериша.- М.:Мир,1984, 336 с.

52. G.K. Wehner. Sputtering of metal single crystals by ion bombardment // J. Appl.Phys. - 1955. - Vol. 26. - P. 1056-1057.

53. M.W. Thompson. A direct measurement of the focusing energy for <110> collision sequences in gold // Phys. Lett. - 1963. - Vol. 6. - P. 24-26.

54. IT.IT. Andersen, H.L. Bay. Nonlinear effects in heavy-ion sputtering // J. Appl. Phys. - 1974. - Vol. 45. - P. 953-954.

55. P. Sigmund. Theory of sputtering. I Sputtering Yield of Amorphous and Polycrystalline Targets // Phys. Rev. - 1969. - Vol. 184. - P. 383-416.

56.

57. P. Sigmund, C. Claussen. Sputtering from elastic collision spikes in heavy ion

bombarded metals. // J. Appl. Phys. - 1981. - Vol. 52. - P. 990-993.

58. Y. Kitazoe, N. Hiraoka, Hydrodynamical analysis of non-linear sputtering yields.//Surf. Sci. - 1981. -Vol. 111.-P. 381-394.

59. E. Gillam. The penetration of positive ions of low energy into alloys andcomposition changes produced in them by sputtering // J. Phys. Chem. Sol. -1959.-Vol. 11.-P. 55-67

60. R.R. Olson, G.K. Wehner. Composition variation as a function of ejection angle

in the sputtering of alloys. // J. Vac. Sci. Tech. - 1977. - Vol. 14. - P. 319-321.

61. R.R. Olson, M.E. King, G.K. Wehner. Mass effects on angular distribution ofsputtered atoms. // J. Appl. Phys. - 1979. - Vol. 50. - P. 3677-3683.

62. G.K. Wehner. Isotope enrichment in sputter deposits // Appl. Phys. Lett. -

1977.-Vol. 30.-P. 185-187.

63. P. Sigmund, A. Oliva, G. Falcone. Sputtering of multicomponent materials:

Elements of a theory//Nucl. Instr. Meth. - 1982. - Vol. 194. - P. 541-548.

64. H.H. Andersen, J. Chevallier, V.S. Chernysh. The angular distribution of material sputtered from AgAu and CuPt by 20-80 keV argon // Nucl. Instr. Meth. -1981.- Vol. 191. - P. 241 -244.

65. Ii.H. Andersen, V.S. Chernysh, B. Stenum, T. Sorensen, H.J. Whitlow. Measurements of angular distributions of sputtered material as a new tool for surface-segregation studies: segregation in CuPt alloys // Surf. Sci. - 1982. -Vol. 123.-P. 39-46.

66. Andersen H.H., Stenum B., Sorensen T., Whitlow H.J. Surface segregation during alloy sputtering and implantation // Nucl. Instr. Meth. - 1983. - Vol. 209210,- P. 487-494.

67. Ichimura S., Shimizu H., Murakami FI., Ishida Y. Effect of surface segregation

on angular distributions of atoms sputtered from binary alloys // J. Nucl. Mater.- 1984. - Vol. 129-130. - P. 601-604.

68. Kang H. J., Matsuda Y., Shimizu R. Angular distributions of Au and Cu atoms sputtered from Au-Cu alloys by keV Ar+ ion bombardment // Surf. Sci. -1983.-Vol. 127.-P. L179-L185.

69. Chernysh V.S., Tuboltsev V.S., Kulikauskas V.S. Angular distributions of Ni and Ti atoms sputtered from a NiTi alloy under He+ and Ar+ ion bombardment //Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B. - 1998. - Vol. 140. - P. 303-310.

70. Распыление твёрдых тел ионной бомбардировкой. Распыление сплавов и соединений, распыление под действием электронов и нейтронов, рельеф поверхности. Вып. И. / Под ред. Р. Бериша. - М.: Мир, 1986. - 488 с.

71. R.M. Bradley, J.M.E. Harper. Theory of ripple topography induced by ion bombardment. // J.Vac. Sci.Technol.A - 1988. - Vol. 6. - P. 2390-2395.

72. G. Ehrlich and F. G. Hudda. Atomic View of Surface Self-Diffusion: Tungsten on Tungsten. // J. Chem. Phys. - 1966. - Vol. 44. - P. 1039-1049.

73. R.L. Schwoebel, Step Motion on Crystal Surfaces. II. // J. Appl. Phys. - 1969. -Vol. 40. - P.614-618.

74. W. L. Chan, E. Chason. Making waves: Kinetic processes controlling surface evolution during low energy ion sputtering. // J. Appl. Phys. - 2007. - Vol. 101.-P. 121301-1 - 121-301-46.

75. M. A. Makeev, A. L. Barabasi. Ion-induced effective surface diffusion in ion

sputtering. // Appl. Phys. Lett. - 1997. - Vol. 71. - P. 2800

76. B.R. Jany, K. Szajna, M. Nikiel, D. Wrana, P. Indyka, R. Pedrys, F. Krok. Energy dependence of pillars formation on InSb semiconductor surfaces under focused and broad ion beam irradiation. // Abstracts of the 26th International Conference on Atomic Collisions in Solids (ICACS-26), Debrecen, Hungary. - 2014. - P. 177.

77. Z. Insepov, I. Yamada. Molecular dynamics study of shock wave generation

by cluster impact on solid targets. NIMB 112 (1996) 16

78. T. Seki, T. Murase, J. Matsuo, Cluster size dependence of sputtering yield by

cluster ion beam irradiation. NIMB 242 (2006) pp. 179-181.

79. T. Seki, T. Murase, J. Matsuo, Cluster size dependence of sputtering yield by

cluster ion beam irradiation. NIMB 242 (2006) p. 179-181.

80. Li Yang, M. P. Seah, I.S. Gilmore. Sputtering Yields for Gold Using Argon

Gas Cluster Ion Beams. J. Phys. Chem. C. 116 (2012) Pp. 23735-23741.

81. Kitani, N. Toyoda, J. Matsuo, I. Yamada. Incident angle dependence of the

sputtering effect of Ar-cluster-ion bombardment. NIMB 121 (1997) Pp. 489492.

82. N. Toyoda, H. Kitani, N. Hagiwara, T. Aoki, J. Matsuo, I. Yamada. Angular

distributions of the particles sputtered with Ar cluster ions. Mater Chem Phys 54, (1998) Pp. 262-265.

83. Z. Insepov, I. Yamada, M. Sosnowski. Sputterring and smoothing of metal

surface with energetic gas cluster beams. Materials Chemistry and Physics 54(1998) Pp. 234-237.

84. N. Toyoda, N. Hagiwara, J. Matsuo, I. Yamada, Surface smoothing

mechanism of gas cluster ion beams. NIMB 161 (2000) Pp. 980-985.

85. D.R. Swenson, E. Degenkolb, Z. Insepov, L. Laurent, G. Scheitrum. Smoothing RF cavities with gas cluster ions to mitigate high voltage breakdown. NIMB 241 (2005) Pp. 641-644.

86. D.R. Swenson, E. Degenkolb, Z. Insepov. Study of gas cluster ion beam surface treatments for mitigating RF breakdown. Physica C 441 (2006) Pp. 75-78.

87. H. Chen , S.W. Liu, X.M. Wang, M.N. Iliev, C.L. Chen, X.K. Yu, J.R. Liu, K. Ma, W.K. Chu. Smoothing of ZnO films by gas cluster ion beam. NIMB 241 (2005) Pp.630-635.

88. H. Isogai, E. Toyoda,T. Senda, K. Izunome, K. Kashima, N. Toyoda, I. Yamada. Study of Si wafer surfaces irradiated by gas cluster ion beams. NIMB 257 (2007) Pp. 683-686.

89. N. Toyoda, I. Yamada. Reduction of irradiation damage using size-controlled nitrogen gas cluster ion beams. NIMB 273 (2012) Pp 11-14.

90. C. I-Ieck, T. Seki, T. Oosawa, M. Chikamatsu, N. Tanigaki, T. Hiraga, J. Matsuo. ITO surface smoothing with argon cluster ion beam. NIMB 242 (2006) Pp. 140-142

91. A. Yoshida, M. Deguchi, M. Kitabatake, T. Hirao, J. Matsuo, N. Toyoda, I. Yamada. Atomic level smoothing of CVD diamond films by gas cluster ion beam etching. NIMB 112 (1996) Pp. 148.

92. N. Toyoda, N. ITagiwara, J. Matsuo, I. Yamada. Surface treatment of diamond films with Ar and 02 cluster ion beams. NIMB 148 (1999) Pp. 639-644.

93. A. Nishiyama, M. Adachi, N. Toyoda, N. Hagiwara, J. Matsuo, I.Yamada. Surface smoothing of CVD-diamond membrane for X-ray lithography by Gas Cluster Ion Beam. AIP Conf. Proc. 475 (1999) Pp. 421-424.

94. W. K. Chu, Y. P. Li, J. R. Liu, J. Z. Wu, S. C. Tidrow, N. Toyoda, J. Matsuo, I. Yamada. ,Smoothing of YBa2Cu307-8 films by ion cluster beam bombardment. Appl. Phys. Lett. 72 (1998) Pp.246-248.

95. S. Kakuta, S. Sasaki, K. Furusawa, T. Seki, T. Aoki, J. Matsuo. Low damage smoothing of magnetic materials using off-normal gas cluster ion beam irradiation. Surface & Coatings Technology 201 (2007) Pp. 86328636.

96. S. Kakuta, S. Sasaki, T. Hirano, K. Ueda, T. Seki, S. Ninomiya, M. Hada, J. Matsuo. Low damage smoothing of magnetic material films using a gas cluster ion beam. NIMB 257 (2007) Pp. 677-682.

97. N. Toyoda, H. Kitani, N. Hagiwara, J. Matsuo, I. Yamada. Surface

smoothing effects with reactive cluster ion beams. Mater Chem Phys 54 (1998) Pp. 106-110.

98. T. Seki, J. Matsuo. Fligh-speed processing with high-energy SF6 cluster ion beam. NIMB 257 (2007) Pp. 666-669.

99. Т. Seki, Т. Aolci, J. Matsuo. High-speed processing with CI2 cluster ion beam.

NIMB 267 (2009) Pp. 1444-1446.

100. N. Toyoda, I. Yamada. Dependence of energy per molecule on sputtering

yields with reactive gas cluster ions. NIMB 268 (2010) Pp. 3291-3294.

101. T. Seki, T. Aoki, J. Matsuo. Etching of metallic materials with CI2 gas cluster

ion beam. Surface & Coatings Technology 206 (2011) Pp. 789-791.

102. A. Yamaguchi, R. Hinoura, N. Toyoda, К. Hara, and I. Yamada. Gas Cluster

Ion Beam Etching under Acetic Acid Vapor for Etch-Resistant Material, Japanese Journal of Applied Physics 52 (2013) 05EB05, 4 pp.

103. J. Matsuo, N. Toyoda, M. Akizuki, I. Yamada, Sputtering of elemental metals

by Ar cluster ions. NIMB 121 (1997) Pp. 459-463.

104. K. Sumie, N. Toyoda, I. Yamada. Surface morphology and sputtering yield of

Si02 with oblique-incidence gas cluster ion beam. NIMB 307 (2013) Pp. 290-293.

105. A.A. Андреев, Ю.А. Ермаков, A.E. Иешкин, A.C. Патракеев, B.C.

Черныш. Ускоритель газовых кластерных ионов. Наукоемкие технологии, 12, № 6, с. 3-11

106. С. Verdeil, Т. Wirtz, and Н. Scherrer. Angular distribution of GaAs sputtered under oblique Cs+ bombardment. Nucl. Instr. Meth. B. 267 (2009) 27452747.

107. V.S. Chernysh, A.S. Patrakeev. Angular distribution of atoms sputtered from alloys. Nucl. Instr. Meth. B. 270 (2012) Pp. 50-54.

108. V.S. Tubolt'sev, V.S. Chernysh, and V.S. Kulikauskas. Effect of the

bombarding ion masses in alloy sputterings. JETP Letters 63 (1996) 532

109. R.R. Olson, M.E. King, G.K. Whehner. Mass effects on angular distribution

of sputtered atoms, J. Appl. Phys. 50 (1979) 3677.

110. J. Ullmann, A. Delan, G. Schmidt. Ion etching behaviour and surface binding

energies of hard diamond-like carbon and microwave chemical vapour deposition diamond films. Diamond and Related Materials 2 (1993), Pp 266271.