WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 1997, том 67, № 12 02;05;10;11 Ионизация и фрагментация кластеров, распыленных с поверхности металла ускоренными ионами © И.А. Войцеховский, М.В. Медведева, В.Х. Ферлегер Институт электроники им. У.А. Арифова АН Узбекистна, 700143 Ташкент, Узбекистан (Поступило в Редакцию 5 июня 1996 г.) Предлагается механизм ионизации кластеров, распыленных с поверхности металла под действием бомбардировки быстрыми ионами. Согласно этому механизму часть внутренней энергии ядер кластера передается в его электронную подсистему с последующей ионизацией. В рамках такого подхода вычислена зависимость степени ионизации распыленных кластеров от n (числа атомов в кластере). Полученные результаты согласуются с экспериментальными данными.

Введение определяющим порядок величины +, является дефект резонанса между этими уровнями Одна из самых сложных фундаментальных проблем =I -e, (3) физики взаимодействия заряженных частиц с поверхностью твердого тела связана с измерением и расчетом где I — энергия ионизации, e — работа выхода металла.

зарядовых состояний частиц, отлетающих от поверхно2) Величина + зависит также от скорости отлета.

сти твердого тела в процессах рассеяния, распыления В случае > 0, когда атомный уровень лежит ниже либо десорбции адсорбированных атомов [1]. Основуровня Ферми, + 1 (+ 10-4 10-3 при ной физической величиной, характеризующей зарядовое распылении чистых металлов) и быстро растет с ростом состояние, является дважды дифференциальная степень скорости отлетающей частицы [4]. В противоположном ионизации частицы. Для положительных ионов она опреслучае < 0 величина + 1ислабоубывает с ростом деляется формулой скорости [5].

3) Третьим существенным фактором, определяющим J+i +i =. (1) величину +, является состояние поверхности бомбардиJ руемой мишени. Установлено, что нанесение на поверхЗдесь i — заряд иона, J+i — ток отлетающих с данной ность электроотрицательных покрытий (кислород, фтор энергией в данном направлении ионов, J — полный и т. п.) увеличивает + на 1–2 порядка величины [6].

поток частиц с данной энергией в данном направлении.

4) Кроме того, + чувствительна к форме траектории, Рассматривается также соответствующая интегральчто приводит к зависимости + как от перпендикулярной ная характеристика (v), так и от параллельной (v ) составляющих скорости отлетающей частицы.

+i = +id dE. (2) Существующие теоретические модели удовлетворительно описывают основные закономерности формироОбласть малых скоростей отлета v vf (vf —ско- вания зарядовых состояний атомных частиц. Механизмы, рость электрона на поверхности Ферми бомбардируемой положенные в основу этих моделей, связаны с взаимомишени), характерная для распыления и десорбции, — действием отлетающих частиц с поверхностью твердого наиболее трудная для экспериментальных и теоретичес- тела, которое рассматривается либо как зависящее от ких исследований. Серьезную проблему для эксперимен- времени возмущение [7], либо как электронный обмен та представляет измерение величины J, основной вклад в системе ”поверхность–отлетающая частица” [8–11]. В в которую дают нейтральные атомы, а для теории — случае поверхностей с химически активными покрытинеприменимость в данной области стандартных методов ями рассматривается также механизм разрыва химичетеории возмущений. Тем не менее в последние годы до- ских связей в образовавшихся на поверхности молекустигнут существенный прогресс в исследованиях законо- лах [12].

мерностей формирования зарядовых состояний атомных Возможны в принципе механизмы иного типа, не частиц, отлетающих от металлических поверхнстей [1]. связанные непосредственно с вазимодействием атомных Полупроводниковые и диэлектрические мишени изучены частиц с поверхностью, например ионизация отлетазначительно хуже [2]. Так, для степеней однократной ющих атомов электронами, образованными в процесположительной ионизации установлено следующее. сах потенциальной и кинетической электронной эмис1) Величина + сильно зависит от взаимоположения сии [13]. Отметим, что дополнительный механизм иоосновного энергетического уровня отлетающего атома низации и возбуждения атомов, сравнимый по верояти уровня Ферми металла [3]. Основным параметром, ности с электрообменным механизмом, предлагается в 1 2 И.А. Войцеховский, М.В. Медведева, В.Х. Ферлегер работах [14–16] для случая бомбардировки поверхности поверхностью и описать формулами типа (5). Действипучками молекулярных ионов. Этот механизм связан с тельно, значения степеней ионизации, близкие к единице, неупругими столкновениями атомов и ионов — фрагмен- должны наблюдаться для кластеров, у которых основтов продиссоциировавшей молекулы между собой. ной уровень I(n) лежит выше уровня Ферми металла ( < 0), в то время как обычно считается, что I(n) > e Конкретные расчеты степени ионизации проводят при и lim I(n) = e, т. е. 0. Ситуация ряде упрощающих предположений. Точное выражение n для функции степени ионизации — формула Саха–Ленг- в принципе не исключена для части потока кластеров.

Возможно, что кластеры с данным n для некоторых немюра имеется только для области тепловых скоростей равновесных конфигураций могут иметь I(n) < e [19].

отлетающих частиц. Она получена из первых принциС этой точки зрения для достижения +(n) = 0.пов термодинамики и не зависит ни от конкретного при n = 15 также аномальные конфигурации должны механизма зарядообразования, ни от типа и структуры составлять 80% потока, что, по-видимому, невозможно.

отлетающей частицы + A1 e - I + =, + = exp -, (4) Модель + + 1 A2 kBT В настоящей работе предлагается механизм ионизации где A1 и A2 — статистические веса атомного и ионного кластерных частиц, связанный с переходом части внусостояния, T — температура, kB — постоянная Больцтренней колебательной энергии комплекса в его элекмана.

тронную подсистему и проходящий в конкуренции с При + его фрагментацией. Экспериментально установлено, что кластеры, отлетающие от поверхности твердого тела, e - I + exp -. (5) фрагментируют за счет значительного запаса внутренней kBT энергии [20]. По нашему мнению, часть этой энергии может передаваться и в электронную подсистему частиК формулам типа (5) + exp -(e - I)/u(v), цы, вызывая ее ионизацию. Как показали проведенные где u(v) — некоторая функция скорости частицы, или оценки характерных времен ионизации по этому каналу, ”эффективной температуры”, приводит и большинство ионизация кластера происходит в основном на отлете, существующих механизмов и моделей формирования вне области его эффективного электронного обмена с зарядовых состояний распыленных и рассеянных чаповерхностью.

стиц [17].

Строгое теоретическое описание процесса передачи энергии от ядерной подсистемы в электронную требует расчета поверхностей потенциальной энергии нейтральСтепень ионизации кластерных частиц ных и заряженных кластеров для различных атомных Существенно менее исследованы закономерности фор- конфигураций. Такой подход в настоящее время удалось мирования зарядовых состояний молекулярных и кла- реализовать лишь для малоатомных кластеров и молекул оксидов металлов, n 3 [21,22].

стерных частиц. Здесь ситуация близка к той, которая В противоположном пределе для кластеров, содеримела место для атомных частиц к началу 70-х годов.

жащих большое количество атомов, процесс ионизации Большинство экспериментальных работ посвящено исможет рассматриваться как термоэлектронная эмиссия следованию свойств только заряженной компоненты.

из микрочастицы, имеющей температуру T. Выражение В настоящее время имеется по существу единственная для скорости такого процесса (т. е. вероятности терморабота [18], где была измерена интегральная степень эмиссии электрона в единицу времени) получено в [23] однократной положительной ионизации кластерных частиц +(n) в зависимости от n — числа атомов в 2kBT Q+ IPn n vib кластере, 2 n 16. Дважды дифференциальная сте- kion(c-1) = · · exp h Q0 kBT vib пень ионизации, а также зависимость функции +(n) от состояния поверхности мишени никем не исследованы.

1/2bn + 2 · Qsurf + Qsurf, (6) Однако уже в этой работе получен важный результат, a0 указывающий на особенности процессов формирования зарядовых состояний комплексных частиц. Оказалось, где Qsurf = 8µb2kBT /h2, h — постоянная Планка;

n что +(n) — очень резко растущая с ростом n функция a0 — боровский радиус; bn — размер частицы (мы и уже при n 3+(n) превосходит +(1) — степень предполагаем, что кластер имеет сферическую форму, ионизации для атомарного распыления на несколько т. е. bn = rsn1/3, rs — ридиус ячейки Вигнера–Зейца);

порядков величины, достигая значения +(n) =0.8 при µ — масса атома: Q+ и Q0 — функции, описывающие vib vib n =15.

колебание кластера до и после эмиссии электрона (для Результат [18] трудно понять исходя из традиционных упрощения вычислений удобно принять Q+ Q0 );

vib vib представлений о формировании зарядовых состояний IPn — энергия ионизации кластера, состоящего из n отлетающих частиц в процессах их взаимодействия с атомов.

Журнал технической физики, 1997, том 67, № Ионизация и фрагментация кластеров, распыленных с поверхности металла ускоренными ионами Пусть Eint — внутренняя энергия кластера, только части Eint в электронную подсистему кластера. Таким что покинувшего поверхность металла. Тогда в качестве образом, конечное распределение кластеров состояло из температуры частицы можно выбрать величину ”холодных” нейтралей и однозарядных положительных ионов. Процессами образования многозарядных положиEint тельных кластеров, отрицательно заряженных кластеров, kBT =, (7) s а также каналами релаксации возбуждения, связанными с испусканием электромагнитного излучения, пренебрегде s = 3n - 6 — число вращательных и колебательных галось.

степеней свободы Расчет конечных распределений заряженных и нейСогласно оценкам [24,25], внутренняя энергия клатральных кластеров по числу частиц в них проводился стера, только что покинувшего поверхность, пропорциопо следующей схеме. Пусть от поверхности отлетает nнальна числу атомов в кластере. Если для определения атомный возбужденный кластер с внутренней энергией температуры кластера использовать выражение (7), то Eint(n), которая аппроксимируется предложенной в рабопри характерных значениях внутренней энергии кластеn те [26] линейной зависимостью ра Eint 1eV/atom [20] из (6) следует, что kion с ростом n n уменьшается от kion = 1013 s-1 при n = 4-5 до Eint(n) =an - b, (9) n kion = 108 s-1 при n. Как уже отмечалось, другим возможным каналом диссипации внутренней энергии где a и b —константы.

кластера является фрагментация [20]. Так как типичные Далее считалось, что эта энергия с течением времени скорости фрагментации кластеров находятся в пределах уменьшается как за счет процессов мономолекулярной 106-1012 s-1, то диссипация внутренней энергии по фрагментации обоим этим каналам происходит со сравнимыми вероkn,m ятностями.

Mn - Mm + Mn-m, (10) Фрагментацию кластера можно описать с помощью подхода, развитого в работе [26], при котором считается, так и за счет процессов ионизации что эмиссия кластера происходит за счет двух последоваn kion тельных процессов. На первом этапе в результате развиMn - Mn + e. (11) тия плотного каскада столкновений в приповерхностной области твердого тела происходит одновременно эмис- Скорость процесса (10) рассчитывалась по формуле, сия некоторого количества атомов, причем внутренняя полученной Клотцем в [27], кинетическая энергия атома Eint может превышать порог n, 6 Ethm диссоциации кластера. На втором этапе при отлете kn,m(c-1) =3 · 1013n2/3 exp exp -, (12) кластер теряет свою энергию путем последовательных n1/3 kBT процессов мономолекулярной фрагментации до тех пор, n, где Ethm — пороговая энергия рассматриваемой реакции пока оставшаяся энергия не станет ниже порога диссофрагментации, которая вычислялась по формуле, предциации.

ложенной в работе [26], Предлагаемую модель формирования зарядовых состояний кластеров можно рассматривать и как обобщение n,m Eth = Eb(n)n - Eb(m)m - Eb(n - m)(n - m), (13) модели [26] путем включения дополнительного (ионизационного) канала диссипации.

где Eb(i) — энергия связи, приходящаяся на один атом кластера.

Относительная вероятность процесса ионизации оцеРасчет степени ионизации кластеров нивалась с помощью выражения Начальное распределение эмиттированных с поверхn kion ности кластеров по числу n атомов в них выбиралось Pion =. (14) n kion + kn,m в виде полуэмпирической зависимости, полученной в m работе [26], В соответствии с этой величиной определялась вероятYn, (8) ность того, произошла ли к рассматриваемому моменту n времени t ионизация кластера. Если ионизация не прогде —константа.

изошла, то в рамках данной схемы это означает, что к Считалось, что все кластеры, описываемые распрерассматриваемому моменту t произошла фрагментация делением (8) в начальный момент времени t = 0, кластера по одному из возможных каналов реакции (10).

являются нейтральными возбужденными, т. е. ”горячиКонкретный канал фрагментации выбирался с учетом ми”, комплексами с внутренней энергией Eint. Затем вероятности различных путей фрагментации, задаваемой рассматривалась эволюция распределения (8) за счет выражением диссипации энергии Eint по двум основным каналам: моkn,m номолекулярной фрагментации и положительной одноP(n, m) =. (15) kn,m кратной ионизации нейтральных частиц путем перехода m 1 Журнал технической физики, 1997, том 67, № 4 И.А. Войцеховский, М.В. Медведева, В.Х. Ферлегер В зависимости от того, какой из рассмотренных выше процессов диссипации произошел, определялись оставшиеся внутренние энергии кластера. За счет ионизации (11) Eint(n) уменьшается на величину IPn, а за счет n, фрагментации (10) — на величину Ethm + E, где E — энергия поступательного движения, уносимая фрагментами в системе отсчета, где кластер до распада n,m покоился. Оставшаяся внутренняя энергия Eth перераспределяется между фрагментами.

Согласно [26], в условиях теплового равновесия внутренние энергии фрагментов задаются выражениями m-3/Eint(m) = · Eexc, (16) n -(n -m) -3/Рис. 1. Относительные выходы (J) нейтральных и положительEint(n - m) = · Eexc, (17) n -но заряженных кластеров серебра (расчет). Выход кластеров 3n-11/2 n,m нормирован на выход димеров (n = 2).

где Eexc = Eint(n) · - Eth.

3n-9/Если энергия, которая осталась у нейтрального фрагмента, достаточна, то он может ионизоваться (11) или фрагментировать (10), а образовавшийся ион может b = 1.65 eV, которые были получены в работе [26] далее только фрагментировать (10). Полагалось, что ион методом молекулярной динамики.

может фрагментировать по схемам Энергии ионизации кластеров серебра IPn с числом атомов n 36 брались по результатам расчетов [28].

+ + Mn -Mm + Mn-m, При n > 36 зависимость IPn от n аппроксимировалась выражением + 0 + Mn -Mm + Mn-m, (18) IPn = e +, (20) rsn1/согласно которым положительный заряд может остаться где —константа.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.