Іонно-фотонна спектроскопія випромінювання частинок при взаємодії пучків іонів з поверхнею металів та їх сполук

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Іонно-фотонна спектроскопія випромінювання частинок при взаємодії пучків іонів з поверхнею металів та їх сполук

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Дисертаційна робота присвячена дослідженню основних параметрів іонно-фотонної емісії, що виникає при дії пучка іонів на поверхню твердого тіла. Використання іонних пучків дозволяє цілеспрямовано впливати на фізико-хімічні, фізико-механічні, електрофізичні та магнітні властивості поверхні та приповерхневого шару, створювати в поверхневих і приповерхневих шарах такі нанорозмірні структури, які неможливо отримати іншими методами. Широкого розвитку набула діагностика поверхні з використанням іонів середніх та низьких енергій, яка характеризується тим, що інформація, отримана за її допомогою, відноситься до тонкої приповерхневої області в декілька атомних моношарів, а в окремих випадках і до поверхневого мономолекулярного шару. Використання різних іонних методів аналізу поверхні твердого тіла та її модифікації передбачає знання основних процесів, що відбуваються при взаємодії іонних пучків з поверхнею. Проте, непружні взаємодії іонів з поверхнею залучають до себе безліч складних процесів і являють собою область з великою кількістю невирішених питань.

Систематичне вивчення одного з цих процесів - емісії розпилених збуджених частинок з випромінюванням фотонів (ІФЕ), що протікає при взаємодії пучка іонів із твердим тілом, методом іонно-фотонної спектроскопії (ІФС) дає важливу інформацію, зокрема, тому, що тільки в цих дослідженнях визначається як тип частинки, що відлітає, так і її збуджений стан.

Не дивлячись на те, що до теперішнього часу накопичено великий обсяг даних з дослідження основних закономірностей ІФЕ різних матеріалів, на сьогодні є білі плями у вивченні явища іонно-фотонної емісії, які можна сформулювати наступним чином:

досить повно вивчені основні параметри ІФЕ, але більшість досліджень присвячено лише однокомпонентним мішеням, переважно металам. При іонному опроміненні більш складних багатокомпонентних мішеней значно розширюється кількість процесів, що протікають у мішені і впливають на відльот збуджених частинок. Це робить необхідним проведення комплексних досліджень явища ІФЕ для складних мішеней: хімічних сполук металів, сплавів, складних органічних мішеней;

встановлені процеси, що приводять до вибивання збуджених атомів металів, проте немає однозначних експериментів відносно типа динамічних процесів, що приводять до вибивання збуджених іонів;

існує ряд механізмів, що описують утворення збуджених вибитих частинок, але немає чіткої систематизації цих процесів та залежності величини вкладу кожного з них від фізико-хімічних параметрів досліджуваних мішеней;

не дивлячись на високу інформативність, що містить у собі явище ІФЕ, немає досить широкого практичного використання методу ІФС.

Тому наступним кроком в розумінні процесів, що відбуваються при іонному бомбардуванні твердого тіла і призводять до утворення і відльоту від поверхні розпилених збуджених частинок, є дослідження складних багатокомпонентних сполук. Такі дослідження дадуть можливість прослідити взаємозв'язок між зонною структурою, стехіометричним співвідношенням, фазовим станом поверхні твердого тіла і параметрами ІФЕ. Великий інтерес становлять дослідження складних хімічних сполук, до кришталевої ґратки яких входить хімічно активний елемент. ІФС таких матеріалів розширить уявлення про механізми утворення збуджених частинок та процеси взаємодії між розпиленою збудженою частинкою і поверхнею твердого тіла. Дослідження ІФЕ сплавів з різними фазовим складом поверхні і електронною структурою дозволить розширити межі застосування ІФС, і зробить можливим застосування цього методу аналізу для контролю за фазовим складом і ступенем модифікації поверхні. Таким чином, дослідження процесів, що протікають під дією пучка заряджених частинок кеВ ­ енергій на мішені, що є складними хімічними сполуками і сплавами, дозволять суттєво розширити як фундаментальні уявлення про процеси, що відбуваються під дією іонного пучка на поверхню твердого тіла, так і межі застосування методу ІФС. Вище викладене визначає актуальність даної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась в рамках конкурсних проектів державного фонду фундаментальних досліджень:

«Дослідження впливу фізико-хімічного стану поверхні та щільності електронних станів твердого тіла на ймовірність розпилення та розсіяння частинок у збудженому стані» (№ держреєстрації: 0100U003270).

«Дослідження радіаційних порушень напівпровідникових, композиційних і біологічних матеріалів, опромінених іонами середніх енергій» (№ держреєстрації: 0103U004206).

«Комплексне вивчення вторинно-емісійних процесів та розробка діагностики багатокомпонентних систем, зокрема біологічних» (№держреєстрації 0106U003132).

«Комплексне вивчення емісійних процесів і розробка методів іонної діагностики нанооб'єктів, зокрема біологічних» (№ держреєстрації: 0103U004205).

Мета і завдання дослідження. Метою дисертації є

комплексне дослідження процесів, які призводять до утворення збуджених частинок, що відлітають від поверхні при взаємодії іонного пучка з твердим тілом;

розширення уявлень про основні процеси, що відбуваються під дією пучка іонів аргону на поверхню металів, хімічних сполук та сплавів і лежать в основі процесу модифікації поверхні;

вивчення можливостей практичного використання методу ІФС для визначення параметрів електронної структури твердого тіла і міри модифікації поверхні.

Для досягнення поставленої мети в роботі були вирішені наступні завдання.

Досліджено спектральний склад випромінювання, що виникає під дією пучка іонів на матеріали з різними фізико-хімічними параметрами, для ідентифікації частинок, що залишають поверхню у збудженому стані.

Досліджено вплив фізико-хімічного стану поверхні (хімічний склад, електронна структура, фазовий стан і таке інше) твердого тіла, що бомбардується, на основні характеристики ІФЕ.

З даних про просторовий розподіл випромінювання було визначено швидкісний склад частинок, що залишають поверхню у збудженому стані, з метою з'ясування процесів, що призводять до емісії збуджених розпилених частинок.

Проведено комп'ютерне моделювання просторового розподілу розпилених збуджених частинок для уточнення типів процесів, що приводять до відльоту збуджених частинок.

Для визначення можливості використання методу ІФС при вивченні модифікації поверхневого шару досліджено залежність інтенсивності випромінювання від часу дії іонного пучка на поверхню.

Об'єкт дослідження - процеси взаємодії пучка іонів середніх енергій з поверхнею твердого тіла, що приводять до розпилення вторинних частинок у збудженому стані.

Предмет дослідження - основні характеристики ІФЕ, яка виникає при дії прискорених іонів аргону на монокристали шпінелі (MgO•nAl₂O₃) різного стехіометричного співвідношення (n=1; 1.5; 2; 2.5), системи сплавів Cu-Ni, Fe_x­Co_y­B₁₅ та Fe-Co, метали Cu, Ni, Fe та Co у залишковому вакуумі, а також на Al у залишковому вакуумі та при напуску кисню.

Методи дослідження. В роботі використані експериментальні методи спектроскопії випромінювання вторинних частинок при взаємодії пучка іонів з твердим тілом, такі як:

- бомбардування поверхні твердого тіла виділеним по масі пучком іонів Ar⁺, з метою отримання випромінювання, що випускається розпиленими збудженими частинками;

- дослідження оптичного випромінювання розпилених частинок, що спостерігається, за допомогою фотоелектричної системи реєстрації, запис спектрів випромінювання, визначення квантового виходу випромінювання;

- дослідження просторового розподілу випромінювання з метою оцінки швидкісного складу частинок, що відлітають від поверхні твердого тіла під впливом іонного пучка.

Наукова новизна одержаних результатів.

Вперше проведено комплексне дослідження процесів, що відбуваються під дією пучка заряджених іонів на поверхню металів, хімічних сполук та сплавів і приводять до відльоту частинок у збудженому стані. При цьому беруться до уваги як процеси, що призводять до безпосереднього утворення збудженої частинки (розвиток каскадів зіткнень, кратні зіткнення, розрив міжатомного зв'язку), так і процеси, що відбуваються під час відльоту розпиленої частинки від поверхні (додаткове заселення збудженого рівня, резонансна взаємодія між збудженою частинкою і твердим тілом).

Вперше спостерігалася залежність від часу іонного бомбардування виходу розпилених частинок, збуджених на стани, які обумовлені розривом молекулярних зв'язків типу Me-O або Ме⁺-О^- в кришталевій ґратці.

Вперше показана можливість використання методу іонно-фотонної спектроскопії для визначення ступеню модифікації нанорозмірного шару поверхні, що обумовлена утворенням кисневих вакансій (F⁺, F ^- центрів).

Вперше показано, що при іонному бомбардуванні сплавів, до складу яких входять інтерметалічні сполуки, з'являється додатковий, по відношенню до чистого металу, канал утворення збуджених частинок, обумовлений розривом інтерметалевого зв'язку.

Вперше показано вплив щільності електронних станів в області рівня Фермі (Е_F) твердого тіла на вихід збуджених атомів металів. Встановлено, що ступінь заповнення електронних оболонок атомів досліджених матеріалів та стехіометричне співвідношення різних елементів в мішені значно впливають на основні характеристики ІФЕ.

Розширено уявлення про вплив процесів електронного обміну між розпиленою частинкою і твердим тілом на вірогідність формування вільної збудженої частинки з подальшим випусканням нею фотона.

Отримала подальший розвиток молекулярна модель утворення збуджених частинок. Встановлено, що при дослідженні сполук металів значну роль в утворенні збуджених частинок металу відіграє додатковий, по відношенню до чистого металу, канал збудження, пов'язаний з розривом міжатомного зв'язку не тільки на поверхні, а і в об'ємі твердого тіла.

Практичне значення одержаних результатів. Представлені в роботі експериментальні результати зі спектроскопії випромінювання вторинних частинок, що виникають під дією пучка іонів аргону на метали, складні оксидні сполуки і сплави, можуть бути використані для розуміння процесів модифікації нанорозмірних шарів на поверхні твердих тіл іонними пучками та розробки нових методів елементного аналізу на пучках заряджених частинок.

На прикладі визначення ширини зони провідності шпінелі показана можливість застосування методу, заснованого на явищі ІФЕ, для оцінки параметрів електронної структури твердого тіла.

Дані, отримані при дослідженні магній-алюмінієвої шпінелі, показали ефективність застосування методу ІФС для дослідження змін властивостей поверхні та приповерхневого шару під час іонного бомбардування.

Експериментальні результати, отримані при дослідженні сплавів, показали перспективність застосування методів контролю за станом поверхні, заснованих на явищі ІФЕ, для спостереження за зміною фазового складу поверхневого нанорозмірного шару твердого тіла.

Особистий внесок здобувача. Здобувач виконав переважну більшість вимірів під час досліджень основних характеристик ІФЕ при бомбардуванні іонами аргону вище перелічених матеріалів. Авторові належить визначальна роль в обробці і інтерпретації отриманих результатів, накопичених в процесі виконання досліджень. Він брав безпосередню участь в підготовці наукових статей і доповідей до публікації.

У роботах [1, 8, 9] здобувач підготував й провів експерименти по дослідженню основних характеристик випромінювання вторинних збуджених частинок, вибитих пучком іонів Ar⁺ з поверхні металів Cu і Ni та їх сплавів.

У роботах [2, 10] здобувач дослідив основні характеристики випромінювання вторинних збуджених частинок, вибитих пучком іонів Ar⁺ з поверхні магній-алюмінієвої шпінелі (MgO·nAl₂O₃ (n=1; 2,5)) та металевого Al в залишковому вакуумі та при напуску кисню.

У роботах [3, 13] здобувачем був досліджений вплив зонної структури оксидів на процес емісії збуджених атомів металу при іонному бомбардуванні MgO·nAl₂O₃ (n=1; 2,5) та алюмінію.

У роботах [4, 11] здобувачем було проведено комп'ютерне моделювання просторового розподілу випромінювання частинок, вибитих іонами аргону з MgO·Al₂O₃.

У роботах [5, 12, 15] здобувач дослідив процеси формування збуджених частинок Al та Mg, що утворюються при бомбардуванні іонами Ar⁺ шпінелей різного складу.

У роботах [6, 16] здобувачу належить визначальна роль в проведенні експериментів з дослідження залежності квантового виходу випромінювання, яке спостерігається при іонному бомбардуванні мішеней MgO·nAl₂O₃ (n=1; 1,5; 2; 2,5), від дози бомбардування.

У роботах [7, 14, 17] здобувач підготував й провив експерименти по дослідженню основних характеристик ІФЕ металів Fe і Co та їх сплавів.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень дисертаційної роботи були представлені і обговорювалися на таких наукових конференціях: II Республіканська конференція з фізичної електроніки (Ташкент, 1999 р.), IX International Workshop «Ion Beam Surface Diagnostics» (Запоріжжя, 2000 р.), 12^th International Conference on Radiation Effects in Insulators (Porto Alegre, 2003 р.), 22^nd International Conference on Atomic Collisions in Solids (Berlin, 2006 р.), XV, XVI, XVII, ХVIII, XIX Міжнародних конференціях «Взаимодействие ионов с поверхностью» (Москва, Звенігород, 2001, 2003, 2005, 2007, 2009 рр.)

Публікації. За темою дисертації опубліковано сім статей у наукових фахових виданнях [1-7], а також десять робіт в матеріалах і тезах конференцій [8-17], перелік яких наведено у заключній частині автореферату.

Структура і об'єм дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, заключної частини і висновків та списку використаних джерел. Загальний обсяг дисертаційної роботи становить 141 сторінки, у тому числі список використаної літератури зі 188 найменуваннями на 19 сторінках. Дисертація включає в себе 35 рисунків і 10 таблиць.

Основний зміст дисертації

У вступі представлено стислий огляд літератури, який дає уяву про сучасний стан експериментальних та теоретичних досліджень у галузі взаємодії пучків іонів середніх енергій з поверхнею твердого тіла. Проаналізовані перспективи використання методів ІФС для розвитку фізики взаємодії пучків заряджених частинок з твердим тілом та методів дослідження поверхні іонними пучками. Викладено сутність і стан наукової проблеми, яка розв'язувалась при виконанні дисертаційної роботи. Обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету і завдання дослідження, визначено зв'язок роботи з науковими програмами і темами. Розкрито наукову новизну і практичне значення здобутих результатів. Відображено особистий внесок здобувача в опубліковані разом із співавторами наукові праці. Подано апробацію результатів дисертації.

У першому розділі розглянуто сучасний стан експериментальних та теоретичних досліджень ІФЕ. Представлені дані відносно основних характеристик випромінювання розпилених збуджених частинок. Розглянуто основні фактори, які суттєво впливають на вихід частинок у збудженому стані. Проаналізовано процеси, що приводять до утворення збуджених частинок, а також розглянуті основні типи теоретичних моделей збудження розпилених частинок: термодинамічні, молекулярні, відривні, зіткненневі. Представлені основні методи визначення енергетичного розподілу розпилених збуджених частинок. Розглянуто напрямки практичного застосування явища ІФЕ.

У другому розділі надано опис експериментальної установки і діагностичних методик, що дозволили провести експериментальні дослідження.

Усі дослідження проводилися на експериментальній установці, яка складається з наступних основних вузлів: джерела іонів, електростатичної трьохелектродної лінзи, камери коректорів, магнітного мас-сепаратора, камери мішені, мішені, лінзи, яка фокусує випромінювання на вхідну щілину монохроматора. Бомбардування мішеней здійснювалося пучком іонів Ar⁺ з енергією 20 кеВ і щільністю струму 10­20 мкА•см^-2. Кут бомбардування дорівнював 45 щодо нормалі до поверхні мішені, це забезпечувало близьке до максимального значення коефіцієнта розпилення. Іонний струм вимірювався за допомогою двох циліндрів Фарадея. Один із них вимірював повний струм (I₀) на виході з джерела іонів, другий вимірював струм пучка іонів після мас-сепаратору. Вакуум в установці був одержаний за допомогою двох високовакуумних агрегатів з азотною пасткою. При цьому тиск у камері мішені дорівнював (1ч2)10^-4 Па і не змінювався при роботі джерела іонів.

Випромінювання збуджених частинок, що були вибиті з поверхні мішені пучком іонів, виводилося через одне з вікон камери мішені і ахроматичною лінзою з F = 134 мм фокусувалось на вхідну щілину системи реєстрації (монохроматор МДР-3, охолоджуваний ФЕУ-106), яка працювала в режимі рахунку окремих фотонів, в межах довжин хвиль 250,0-800,0 нм.

Досліджені в роботі зразки сплавів Fe-Co були отримані в установці для електрично-дугової плавки з наступним триразовим переплавленням та відпалом у муфельній печі. Сплави Fe_x-Co_y-B₁₅ було виготовлено методом порошкової металургії. Набір сплавів Cu-Ni було отримано шляхом подвійного електронно-променевого переплавлення. Монокристали магній-алюмінієвої шпінелі різного складу були вирощені методом Вернейля. Поверхні металевих мішеней ретельно полірувалися. Усі зразки перед встановленням в камеру промивалися в очищеному бензині.

Важливою кількісною характеристикою ІФЕ є квантовий вихід випромінювання (_ik), що визначається як число фотонів N_ik даної довжини хвилі л_, яка відповідає переходу ik, випущених збудженими частинками, що відлітають, і розпилених одним іоном, який падає. В експерименті забезпечувалось врахування всіх випущених фотонів внаслідок використання довгофокусної лінзи (F=134 мм), що дозволяло розглядати ореол світіння, обумовлений випромінюванням збуджених частинок, які відлітають від поверхні, як джерело світла малого розміру.

Для оцінки кінетичної енергії вибитих збуджених частинок у роботі використовувався метод, заснований на вимірі просторового розподілу випромінювання ореола світіння.

Наприкінці цього розділу зроблено оцінку величини похибки проведених експериментів.

У третьому розділі наведені експериментальні результати, отримані при дослідженні методом ІФС магній-алюмінієвих шпінелей різного стехіометричного співвідношення (MgOnAl₂O₃ (n=1; 1.5; 2; 2.5)), а також алюмінію у залишковому вакуумі та при напуску кисню до тиску P_O2=5·10^­3 Па. Металевий Mg в роботі не досліджувався, тому що, внаслідок великої адсорбційної спроможності, поверхня Mg покрита оксидною плівкою, це робить неможливим дослідження чистого Mg.

Ідентифікація спектрів випромінювання показала, що вони обумовлені спонтанним випромінюванням фотонів переважно збудженими атомами металів (Mg та Al), що відлітають від поверхні. Також спостерігався ряд сильних ліній спектра Mg II та декілька ліній спектрів Al II та Al III.

Для всіх емісій, що спостерігались, був визначений квантовий вихід випромінювання _ik, значення якого змінювалося в межах від декількох одиниць на 10^-7 фот/іон для найбільш слабких ліній до 6,9·10^-4 фот/іон для найдужчої лінії 396,1 нм Al І, сполуки MgO2,5Al₂O₃.

Залежність значень _ik для ліній спектру Al I для хімічних сполук відносно його значення для чистого алюмінію від електронної спорідненості верхнього стану спектрального переходу (_i) має особливість при зміні _i від 0,995 еВ до 1,155 еВ.

Видно, що при _i~1 еВ в залежності _відн(_i) спостерігається різкий стрибок для всіх трьох випадків, з подальшим виходом значення _відн на плато.

З отриманих даних для _ik було визначено значення сумарного квантового виходу випромінювання атомів алюмінію, кількість збуджених частинок Al та імовірності збудження розпилених атомів Al (_Al). З отриманих результатів було встановлено, що значення сумарного квантового виходу випромінювання значно зростає при переході від чистого алюмінію до його хімічних сполук, а внаслідок цього суттєво збільшується значення _Al для всіх сполук Al в порівнянні з чистим металом.

З аналізу просторового розподілу випромінювання були оцінені кінетичні енергії вибитих у збудженому стані атомів і іонів металів, що входять до складу досліджених зразків. Було встановлено, що залежності I_л(l), які спостерігаються в роботі, можна умовно розділити на чотири типи:

1. Залежність Ln I = f(l) є пряма лінія, з тангенсу кута нахилу якої можна оцінити ефективну швидкість розпилених збуджених частинок (лл 473.0 нм Mg I, 669.8 нм Al I).

2. Залежність Ln = f(l) має дві прямолінійні ділянки, які обумовлені наявністю серед розпилених збуджених частинок двох швидкісних груп (лл 518.3, 382.9, і 383.8 нм Mg I та лл 396.1, 394.4, 308.2 і 309.2 нм Al I).

3. Залежність Ln I = f(l) має дві прямолінійні ділянки, одна з яких обумовлена випромінюванням швидких частинок, що збуджені на досліджений енергетичний рівень, а інша - каскадним додатковим заселенням цього рівня з розташованих вище збуджених енергетичних рівнів (л 285.2 нм Mg I).

4. Залежність Ln I = f(l) має вигляд, що суттєво відрізняється від усіх попередніх залежностей і пов'язана з додатковим каскадним заселенням дослідженого рівня з розташованих вище збуджених енергетичних рівнів (лл 279.5, 280.2 нм Mg II).

Для останнього типу залежності Ln I = f(l) в роботі проведено аналіз впливу каскадного дозаселення збудженого рівня 3p ²P⁰_3/2 іона магнію на вид просторового розподілу випромінювання лінії  279.5 нм. Mg II. У загальному випадку інтенсивність лінії можна представити у вигляді суми інтенсивностей випромінювання повільних (п) та швидких (ш) частинок:

І=І(N_п)+І(N_ш), (1)

де N_п и N_ш визначаються формулою, що враховує як спонтанний розвал i-го збудженого стану, так і додаткове заселення цього стану за рахунок розвалу вище розташованих станів f:

, (2)

в якій N_0і - кількість частинок, збуджених на і-тий рівень; н - швидкість збудженої частинки, що відлітає; ф - час життя збудженого стану; l - відстань від поверхні; підсумовування відбувається по всім рівням f, з яких можливе додаткове заселення, розрахунковим шляхом були визначені коефіцієнти N_0i у виразі (1). Встановлено, що заселення рівня 3p ²P⁰_3/2 визначається не тільки безпосереднім збудженням іону магнію на даний рівень, а ще й каскадними переходами з вище розташованих рівнів. При цьому серед збуджених іонів, випромінюванням яких обумовлена емісія лінії  279.5 нм. Mg II, присутні тільки швидкі частинки.

За допомогою комп'ютерних розрахунків в роботі було проведено моделювання просторового розподілу випромінювання для лінії  383,8 нм Mg I, що випускається розпиленими з поверхні MgOAl₂O₃ частинками, які збуджені на рівень 3d ³D, розташований резонансно забороненій зоні шпінелі. Інтенсивність емісії I, на відстані l від поверхні мішені визначається формулою:

, (3)

де I(0) - інтенсивність емісії при l = 0, Е - енергія частинки, що відлітає, Е_зв - сила зв'язку частинки з поверхнею, ф - час життя рівня, на який збуджена частинка, v- нормальна складова швидкості розпиленої збудженої частинки, b - коефіцієнт нормування, А, а, k - константи, що залежать від типу процесу, який приводить до відльоту збудженої частинки.

Цей вираз було обчислено за допомогою метода трапецій. При цьому розрахунок був проведений двічі. У першому випадку брався до уваги тільки каскадний механізм вибивання частинок, у другому - розрахунок був проведений для повного енергетичного розподілу розпилених частинок (бралися до уваги ще й парні зіткнення). Найбільша відповідність між отриманими експериментальними даними та теоретично розрахованою залежністю I(l) спостерігається у випадку врахування обох механізмів процесу розпилення.

З метою вивчення модифікації поверхні, що відбувається в процесі іонного бомбардування, в роботі досліджено дозову залежність I(D) кількості збуджених частинок Мg та Al, що утворюються при бомбардуванні іонами Ar⁺ монокристалів шпінелі різного складу. Було встановлено, що вихід збуджених атомів та іонів Мg і Al для більшості рівнів збудження не залежить від дози іонного бомбардування. Винятки складають I(D) для іонів Мg, збуджених на енергетичний рівень 4s ²S, розташування якого відповідає рівням енергії дірочних центрів у кристалах шпінелі, та I(D) для атомів Al, збуджених на рівень 5p ²P⁰, який розташований близько до рівнів енергії електронних центрів у кристалах шпінелі.

Наприкінці розділу наведено обговорення результатів, що були отримані при дослідженні ІФЕ шпінелей. Результати багатьох робіт по дослідженню явища іонно-фотонної емісії показують, що однією з причин, які приводять до збільшення при переході від чистого металу до його з'єднань, є зміна ймовірності протікання процесів безвипромінювальної втрати збудження, яка пов'язана з виникненням забороненої енергетичної зони в системі тверде тіло - частинка, що відлітає.

Експериментально встановлено факт зростання значення квантового виходу випромінювання при переході від чистого Al до його хімічних сполук для всіх емісій, які спостерігаються в роботі. Він вказує на те, що, незалежно від розташування відповідного рівня збудження відносно енергетичних зон твердого тіла, значний вплив на утворення збуджених частинок при бомбардуванні сполук чинить додатковий по відношенню до чистого метала канал утворення збуджених атомів алюмінію, який обумовлений розривом хімічного зв'язку Al-O. Різке зростання _відн при переході від _i =0,995 еВ до _i =1,155 еВ дає можливість визначити значення величини зони провідності () шпінелі, яке знаходиться у межах 0,995 эВ   1,155 еВ.

Для розуміння результатів, отриманих при дослідженні просторового розподілу випромінювання, у роботі розглянуто схему відносного розташування збуджених рівнів атома, що відлітає, і зонної структури досліджених мішеней. Встановлено, що залежності Ln I= f(l) 1­го і 2­го типу визначаються процесами електронного обміну між розпиленою збудженою частинкою і поверхнею твердого тіла. Залежності Ln I= f(l) 3-го і 4-го типу обумовлені процесом додаткового заселення досліджуваних рівнів з більш високих енергетичних рівнів.

Результати, які були отримані при дослідженні зміни інтенсивності ліній 292.8 нм Мg II та 669.6 нм Al I від дози опромінення, можна пояснити, беручи до уваги той факт, що при іонному бомбардуванні сполук великий вклад в утворення збуджених частинок дає механізм розриву молекулярного зв'язку М-О (М - атом метала, О - атом кисню). У цьому випадку формуються деякі певні молекулярні стани, розвал яких приводить до утворення частинок лише в певному стані збудження (у нашому випадку: 4s ²S для іону Мg та 5p ²P⁰ для атому Al). Наявність імплантованих іонів, що обумовлена іонним бомбардуванням поверхні шпінелі, викликає модифікацію поверхневого шару, пов'язану з утворенням кисневих вакансій (F⁺, F ^- центрів). Це призводить до зменшення кількості молекул типу М­О серед всіх розпилених частинок, а внаслідок цього - до зменшення кількості збуджених іонів Мg (4s ²S) та атомів Al (5p ²P⁰). Чутливість параметрів ІФЕ до дефектів, обумовлених довготривалим іоннім бомбардуванням, дає можливість застосовувати ІФС як метод спостереження за модифікацією поверхні твердого тіла.

У четвертому розділі наведені експериментальні результати, отримані при дослідженні методом ІФС металевих сплавів Cu-Ni, Fe_x-Co_y-B₁₅ та Fe-Co з різною концентрацією компонентів, а також металів Cu, Ni, Fe і Co. Вибір досліджених матеріалів, обумовлений бажанням простежити вплив фізико-хімічних властивостей сплавів, таких як щільність електронних станів поблизу рівня Фермі (Е_F) та фазовий склад розглянутих зразків на параметри ІФЕ.

Ідентифікація спектрів випромінювання, яке спостерігається при іонному бомбардуванні сплавів Cu-Ni та металів Cu і Ni, показала, що вони, в основному, обумовлені спонтанним випромінюванням фотонів збудженими атомами металів (Cu та Ni), що відлітають від поверхні. Лінії, що спостерігалися в експерименті, можна умовно поділити на два типи: 1 - лінії, які спостерігалися при переходах з рівнів, розташованих поблизу від Е_F, 2 - лінії, які спостерігалися при переходах з рівнів, розташованих значно вище нього.

Отримані в роботі залежності квантового виходу випромінювання, що випускається розпиленими з поверхні збудженими атомами Cu і Ni, від концентрації нікелю в сплаві _л(c) показали неоднакову поведінку цих залежностей для емісій 1-го і 2-го типів. Одержані експериментальні результати пояснюються зміною щільності електронних станів поблизу рівня Фермі (с_ЕF) при переході від сплавів до чистого металу.

У спектрах випромінювання ореолу, отриманих при бомбардуванні металів Fe і Co та низки сплавів Fe_x-Co_y-B₁₅ і Fe_x-Co_y різних концентрацій, спостерігається велика кількість ліній, які випущені збудженими атомами металів. Особливістю спектрів випромінювання для сплавів Fe_x-Co_y є наявність безперервного спектру, що охоплює широку спектральну смугу (400-700 нм.).

Концентраційні залежності , , що отримані при дослідженні системи сплавів Fe_x­Co_y-B₁₅, показали відхилення експериментальної кривої від прямолінійного ходу. Причому у випадку заліза всі експериментальні точки лежать нижче прямої, що з'єднує точки, які відповідають вмісту компонентів 0 та 100 відсотків, а у випадку кобальту вище.

Отримані в роботі концентраційні залежності квантового виходу випромінювання, що випускається розпиленими з поверхні сплавів Fe_x-Co_y збудженими атомами Fe і Co, показали присутність на залежності г_л(c) максимумів в області концентрацій, де існують інтерметалічні сполуки FeCo, Fe₃Co та FeCo₃. Спираючись на цей факт, немонотонність ходу залежностей г_л(c) пояснюється в роботі появою додаткового каналу утворення збуджених частинок металу, який пов'язаний з розривом інтерметалічних зв'язків.

В заключній частині дисертації зроблено загальний огляд результатів, що отримані при бомбардуванні іонами Ar⁺ (20 кеВ) ряду металів, магній-алюмінієвих шпінелей і систем мідно-нікелевих та залізо-кобальтових сплавів. Показано, що вибір досліджених матеріалів дозволив провести комплексне вивчення процесів, що протікають при взаємодії пучка іонів аргону з поверхнею твердого тіла і приводять до утворення і відльоту частинок у збудженому стані. При цьому розглянуто як процеси, що приводять до безпосереднього вибивання збудженої частинки, так і процеси, що впливають на формування кінцевого збудженого стану розпиленої частинки.

Висновки

Таким чином, проведені у дисертації дослідження дали можливість у повному обсязі вирішити поставлені в роботі завдання, які полягають у розширенні уявлень про основні процеси, що відбуваються під дією пучка іонів аргону на поверхню металів і їх сполук, та лежать в основі процесу модифікації поверхні. Результати роботи розв`язують конкретне наукове завдання - створення фізичних основ нового методу спостереження за модифікацією поверхні твердого тіла.

Основні результати та висновки роботи полягають у наступному:

Досліджено залежність виходу розпилених частинок, які збуджені в певні стани, від часу іонного бомбардування шпінелей. Встановлено, що дефекти, які з'являються в ході довготривалого іонного бомбардування пов'язані з появою кисневих вакансій і істотно впливають на вірогідність формування збуджених частинок. Це дозволяє використовувати метод іонно-фотонної спектроскопії для визначення міри модифікації поверхні, що відбувається при іонному бомбардуванні твердого тіла.

Досліджено залежність виходу збуджених розпилених частинок зі сплавів Fe-Co від концентрації компонентів сплавів. Встановлено наявність локальних максимумів на концентраційних залежностях при концентраціях, для яких в сплаві присутні інтерметалічні сполуки. Це вказує на появу додаткового в порівнянні з чистим металом механізму формування збуджених частинок, який пов'язаний з розривом інтерметалевого зв'язку.

Проведено дослідження швидкісного складу розпилених збуджених частинок, вибитих із шпінелей, та концентраційних залежностей виходу збуджених розпилених частинок зі сплавів Cu-Ni. Показано, що процеси електронного обміну між розпиленою частинкою і твердим тілом істотно впливають на вірогідність формування вільної збудженої частинки з подальшим випусканням нею фотона. Цей експериментальний факт дає можливість використання методу ІФС для визначення параметрів електронної структури твердого тіла, наприклад, ширини зони провідності.

Встановлено, що при формуванні частинок, збуджених на низько розташовані рівні, значний вплив на заселення цих рівнів надають процеси електронних переходів з вище розташованих енергетичних рівнів. Це вказує на те, що на формування кінцевого збудженого стану частинки істотно впливають не лише процеси взаємодії між розпиленою частинкою і твердим тілом, але і процеси, які відбуваються в самій частинці.

Таким чином отримані в роботі результати стосовно процесів утворення збуджених частинок актуальні для розвитку фундаментальних уявлень фізики взаємодії заряджених частинок з твердим тілом. Встановлений у роботі вплив фізико-хімічних параметрів твердого тіла на основні характеристики ІФЕ суттєво розширює можливості практичного використання методу ІФС для визначення параметрів електронної структури твердого тіла і міри модифікації поверхні.

Список опублікованих робіт за темою дисертації

Шевченко Д.И. Исследование ионно-фотонной эмиссии сплавов Cu-Ni различной концентрации / Д.И. Шевченко, С.П. Гоков, Т.М. Слюсаренко, В.В. Грицина, А.Г. Коваль // Известия РАН. Сер. физ. - 2002. - Т. 66 - №1. - С. 98-102.

Шевченко Д.И. Ионно-фотонная эмиссия магний-алюминиевой шпинели / Д.И. Шевченко, В.В. Грицына, Т.М. Слюсаренко, Н.П. Данилевский, А.Г. Коваль // Вестник ХНУ (серия физическая «Ядра, частицы, поля»). - 2002. - №548. - В. 1/17/ - С. 57-60.

Bobkov V.V. Effect of oxide band structure on the emission process of excited atoms under ion bombardment / V.V. Bobkov, S.P. Gokov, V.V. Gritsyna, V.T. Gritsyna, D.I. Shevchenko // Nucl. Instr. and Meth. іn Phys. Res. - 2004. - B 218. - P. 46-52.

Гоков С.П. Компьютерное моделирование пространственного распределения излучения выбитых возбужденных частиц / С.П. Гоков, В.В. Грицына, А.Г. Коваль, Ю.И. Ковтуненко, Д.И. Шевченко // Поверхность. - 2004. - №5. - С. 52-56.

Bobkov V.V. Mechanisms of formation of sputtered particles in excited states at Ar⁺ ion bombardment of oxide targets / V.V. Bobkov, S.P. Gokov, V.V. Gritsyna, V.T. Gritsyna, D.I. Shevchenko, Alimov S.S. // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. - 2007. - B 256. - P. 501-505.

Gritsyna V.T. Effects of argon ion bombardment on the properties of surface layer in spinel crystals of different compositions / V.T. Gritsyna, V.V. Bobkov, S.P. Gokov, V.V. Gritsyna, D.I. Shevchenko. // VACUUM. - 2008. - V. 82. - P. 888-894.

Afanas'eva I.A. Effect of phase on the formation of excited particles under ion bombardment of Fe-Co alloys / I.A. Afanas'eva, V.V. Bobkov, S.P. Gokov, V.V. Gritsyna, K.V. Kovtun, O.V. Trembach, D.I. Shevchenko // VACUUM. - 2010.-V. 84. - P. 1011-1013.

Шевченко Д.И. Ионно-фотонная эмиссия сплавов Cu-Ni / Д.И. Шевченко, С.П. Гоков, В.В. Грицына, А.Г. Коваль // Матер. II Республ. конф. по физ. эл., Ташкент. - 1999. - С. 51.

Shevchenko D.I. Ion-photon emission on the Cu-Ni alloys / D.I. Shevchenko, S.P. Gokov, T.M. Slyusarenko, V.V. Gritsyna, A.G. Koval // Proceeding of IX International Workshop «Ion Beam Surface Diagnostics», Zaporizhzhya. - 2000. - P. 102-104.

Шевченко Д.И. Ионно-фотонная эмиссия магний-алюминиевой шпинели / Шевченко Д.И., Грицына В.В., Слюсаренко Т.М., Крикун Н.В., Коваль А.Г. // Матер. 15-й Междунар. конф. «Взаимодействие ионов с поверхностью» (ВИП-2001), Москва. - 2001. - Т. 1. - С. 523­525.

Коваль А.Г. Компьютерное моделирование пространственного распределения, излучения частиц, выбитых пучком ионов Ar⁺ из MgO·Al₂O₃ / А.Г. Коваль, Д.И. Шевченко, С.П. Гоков, Ю.И. Ковтуненко, В.В. Грицына // Матер. 16-й Междунар. конф. «Взаимодействие ионов с поверхностью» (ВИП-2003), Москва. - 2003. - Т. 1. - С. 343-346.

Шевченко Д.И. Исследование влияния процесса каскадного дозаселения на заселенность низковозбужденного уровня ионов Mg, выбитых из MgO·Al₂O₃ / Д.И. Шевченко, Ю.Е. Логачев, С.П. Гоков, В.В. Грицына, В.В. Бобков // Матер. 16-й Междунар. Конф. «Взаимодействие ионов с поверхностью» (ВИП-2003), Москва. - 2003. - Т. 1. - С. 412-415.

Bobkov V.V. Effect of oxide band structure on the emission process of excited atoms under ion bombardment / V.V. Bobkov, S.P. Gokov, V.V. Gritsyna, V.T. Gritsyna, D.I. Shevchenko // Proceeding of 12^th International Conference on Radiation Effects in Insulators, Porto Alegre. - 2003. - P. 69.

Шевченко Д.И. Исследование концентрационной зависимости выхода излучения возбужденных атомов металлов - компонентов сплава Fe_xCo_yB_z / Д.И. Шевченко, С.П. Гоков, И.А. Цапенко, В.В. Грицына, В.В. Бобков // Матер. 17-й Междунар. Конф. «Взаимодействие ионов с поверхностью» (ВИП-2005), Москва. - 2005. - Т.1. - С. 584-587

Bobkov V.V. Mechanisms of formation of sputtered particles in excited states during Ar⁺ ion bombardment of oxide targets / V.V. Bobkov, S.P. Gokov, V.V. Gritsyna, V.T. Gritsyna, D.I. Shevchenko, S.S. Alimov // Proceeding of 22^nd Intern. Conf. on Atomic Collisions in Solids (ICACS 2006), Berlin. - 2006. - P. 106.

Gritsyna V.T. Effects of argon ion bombardment on the properties of surface layer in spinel crystals of different composition / V.T. Gritsyna, V.V. Bobkov, S.P. Gokov, V.V. Gritsyna, D.I. Shevchenko // Proceeding of XVIII International conference «Ion-surface interaction» (ISI­2007), Moscow. - 2007. - V. 3. - P. 56-58

Afanas'eva I.A. Effect of structural-phase state on the formation of excited particles under ion bombardment of Fe-Cu alloys / Afanas'eva I.A., Bobkov V.V., Gokov S.P., Gritsyna V.V., Kovtun K.V., Trembach O.V., Shevchenko D.I. // Proceeding of XIX International conference «Ion-surface interaction» (ISI-2009), Moscow. - 2009. - V. 1. - P. 345-347.

Размещено на Allbest.ru