Взаимодействие частиц надтепловой энергии с поверхностями
Свой- ства функций Sa/p(y, х, t|v/, Xх, t) сильно зависят от энергии падающих частиц. Поэтому интервал возможных значений энергий естественно разбить на ряд диа- пазонов. Мы выделим три диапазона: низких энергий (г < 0, 1 эВ), средних AэВ < гр < 10 эВ) и высоких (гп > 50-100эВ). Частицы низких энергий не в состоянии произвести с заметной вероятностью необратимых повреждений решетки, и поэтому здесь основной интерес представляют функции Sp/p. Эти функции в указанном диапазоне сравнительно слабо зависят от энергии частиц, хотя сильно зависят от температуры поверхности. Как прави- ло, падающая медленная частица взаимодействует сразу с большой совокупностью частиц твёрдого тела. Иными словами, процесс в этом диапазоне энергий носит принципиально коллективный характер. Здесь обнаружились весьма любопытные явления. Так, несмотря на казалось бы неизбежную шероховатость поверхностей монокристаллов на атомарном уровне, уда- лось в отдельных случаях реализовать практически зеркальные отражения падающих частиц. Такое отражение наблюдается, например, при взаимодействии потоков гелия с монокристаллическими поверхностями разных металлов (рис. 7.2.2а). Появление на поверхности адсорбированных частиц и различного рода дефектов, а также повы- шение температуры поверхности, размывает отраженный пучок. Кроме гелия почти столь же зеркально могут отражаться пучки водородных молекул. Однако другие атомы и молекулы отражаются существенно более диффузно (рис. 7.2.26). Для характеристики взаимодействия частиц с поверхностью часто измеряют так называемый коэффициент аккомодации энергии од, который просто определить в эксперименте. Этот несколько архаичный в наше время параметр был введен Кнудсеном с помощью соотношения: од = Нт G.2.2) Здесь гп — средняя энергия падающих частиц; г0Т — средняя энергия отраженных частиц; гст — средняя энергия этих же частиц, соответствующая температуре стенки. В табл. 7.4 приведены значения од для разных газов на вольфраме. Таблица 7.4 тст, °к 113 193 303 Не 0,0137 0,0148 0,0166 Ne 0,049 0,042 0,045 Аг 0,47 0,34 0,27 Кг 0,74 0,57 0,46 Хе 0,93 0,85 0,77 358 Гл. 7. Взаимодействие плазмы с поверхностями твёрдых тел -30-20-10 0 1020 3040 50 60 70 8090 Угол рассеяния, град -30-20-10 0 1020 3040 50 60 70 8090 Угол рассеяния, град -30-2040 0 1020 3040 50 60 70 8090 Угол рассеяния, град Рис. 7.2.2. Угловое распределение атомов, рассеянных кристаллическими поверхно- стями: а — рассеяние атомов гелия при разных температурах поверхности (грань 111) монокристалла серебра; б — рассе- яние атомов ксенона при различной тем- пературе поверхности монокристалла се- ребра, в — рассеяние атомов ксенона при различных углах падения на поверхность монокристаллического серебра (стрелками указаны углы зеркального отражения) Из таблицы видно, что значение од может быть очень мало, и это находится в согласии с малой вероятностью прилипания Не в указанном диапазоне температур. Наоборот, те газы (Кг и Хе), которые имеют в данном диапазоне температур веро- ятность прилипания, близкую к единице, имеют близкий к единице и коэффициент аккомодации. Адсорбция и отражение быстрых ионов и атомов (ги ^> Eq). В диапазоне средних энергий AэВ < ги < ЮэВ), когда кинетическая энергия ги падающей частицы соизмерима с энергией связи атома (иона) в решетке Eq, необходимо учиты- вать огромное количество факторов. Поэтому мы не будем на них останавливаться, а перейдем к большим энергиям, когда ги ^> Eq 0, т.е. ги > 100эВ. Общие черты происходящих здесь процессов были выяснены с помощью "динамического" метода. В этом методе поверхность облучается короткими импульсами ионов и одновременно 1) Нужно отметить, что применяемые здесь термины "малые", "средние" и "большие" энергии не совпадают с теми, что используются при исследовании взаимодействия ионных потоков с поверхностями. Поэтому мы вынуждены в этом и следующем пунктах пользоваться разными терминами. 7.2. Процессы на поверхности твёрдого тела 359 проводится анализ частиц, идущих от поверхности. Изучение запаздывания прихода частиц показало, что следует различать три группы частиц: 1) собственно отраженные частицы, которые приходят с минимальным запаздыва- нием и достаточно большой энергией, соизмеримой с гп; 2) испаренные частицы, представляющие собой результат десорбции прилипших к поверхности бомбардирующих частиц; 3) диффундированные частицы, которые образовались в результате проникнове- ния первичных частиц вглубь приповерхностных слоев и затем за счёт диффу- зии вышли на поверхность и десорбировались. Экспериментальный и теоретический анализ показывает, что при ги ^ 200 эВ процесс отражения легких ионов от поверхности в первом приближении можно рассматривать как парное столкновение этих ионов с атомами (ионами) поверхности. Слова "легкие ионы" подразумевают, что их масса Мп < М$ — массы частиц тела. Если падающий ион "легкий", то, столкнувшись с "тяжелой" поверхностной частицей, он отскакивает от нее. Если же, наоборот, масса Мп > Мо, то падающий ион увлекает за собой частицу поверхности, и в этом случае процесс взаимодействия быстро приобретает коллективный характер, так как в нем начинают участвовать многие частицы тела. Поэтому, в частности, коэффициент отражения легких ионов значительно выше, чем тяжелых. При столкновении падающей по нормали к поверхности частицы с массой Мп и энергией ги с неподвижной частицей Mq максимальная энергия отраженных частиц 4ах будет равна е' -М°~Мпс -us G23) Этот случай реализуется при таком прицельном расстоянии, когда угол между начальной и конечной скоростями падающей частицы равен тг/2. Примером экспериментальных данных, выполненных при разных соотношениях Мп/Мо могут служить энергетические спектры ионов Rb и Cs, отраженных от поверхности Мо 0 (рис. 7.2.3а). Видно, что спектр ионов Rb+ простирается в область энергий более 200эВ, что находится в хорошем согласии с G.2.3), если учесть, что для пары Мо + Rb+ ц = 0, 12, а Еп в данном случае равна 2кэВ. В то же время энергетический спектр Cs+ весь сжат в области малых энергий < 50 эВ, поскольку упавший ион взаимодействует с целой группой атомов тела. Если предположить, что падающие частицы отражаются только от первого слоя атомов поверхности, то можно показать, что функция распределения отраженных частиц имеет вид {o 1-Г'^/- G.2.4) L rain ^ max* Таким образом, в рамках модели парных столкновений функция распределения должна иметь вид "столика", и тенденция к этому хорошо видна в эксперименте при достаточно больших \± (см. рис. 7.2.36). Однако наличие в этих спектрах большого числа частиц малой энергии однозначно указывает на роль коллективных процессов даже при Мп < Мо. В настоящее время исследование энергетических спектров рассеянных первичных ионов превращается в мощный инструмент изучения химического состава поверхно- стей (метод СИР — спектроскопия ионов рассеяния). 1) Напомним, что относительные атомные массы Re, Cs, Mo соответственно равны 85,5, 132,9 и 95,5. 360 Гл. 7. Взаимодействие плазмы с поверхностями твёрдых тел ., отн. ед. а 0 50 100 150 е7, эВ N О 1 \ 1 1 I А1 t 0,2 0,4 0,6 0,8 е'/еп б 0 50100250550 1000 1450 е7, эВ в Рис. 7.2.3. Энергетические распределения отраженных ионов: а, б — отражение от поверхности молибдена первичных ионов с энергией 2кэВ, падающих по нормали; в — отражение ионов Не+ с энергией 1.5 кэВ от поверхности окиси алюминия Моделирования на компьютерах и прямые эксперименты показали, что в за- висимости от сорта ионов и облучаемого тела отражение происходит от разного числа кристаллических слоев. В таблице 7.5 приведены характерные данные при бомбардировке ионами с энергией 2,2 кэВ плоскости @01) меди. Обращает на себя внимание про- Таблица 7.5 никновение ионов Не+ на большую глубину. Это обстоятельство приво- дит к тому, что внутри облучаемо- го образца может происходить скап- ливание Не в микропузыри, кото- рые, лопаясь, отшелушивают чешуй- ки бомбардируемого материала (про- цесс блистеринга). До сих пор, говоря об отраженных тяжелых частицах, мы не касались их зарядового состояния. Как показывают эксперимент и качественные соображения, доля ионов в отраженном потоке тяжелых частиц существенно зависит от соот- ношения потенциала ионизации отражаемого атома / и работы выхода мишени (р. Если I > (р, что имеет место, например, при бомбардировке ионами благородных газов металлов, доля заряженных ионов очень мала (^ 1%). Наоборот, если / < < (р, то отраженный поток будет состоять практически только из положительно заряженных ионов. Наглядной демонстрацией этого могут служить опыты, в которых ионы щелочных металлов (например, К или Cs) бомбардировали поверхность нака- ленного вольфрама. В этом случае полный поток отраженных заряженных частиц был практически равен падающему потоку ионов.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Взаимодействие частиц надтепловой энергии с поверхностями» з дисципліни «Введення в плазмодінаміку»
