Дослідження процесів, які призводять до утворення збуджених частинок, що відлітають від поверхні при взаємодії іонного пучка з твердим тілом. Використання методу іонно-фотонної спектроскопії для визначення параметрів електронної структури твердого тіла.
Аннотация к работе
Використання різних іонних методів аналізу поверхні твердого тіла та її модифікації передбачає знання основних процесів, що відбуваються при взаємодії іонних пучків з поверхнею. 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. 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. 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. 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;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. Для всіх емісій, що спостерігались, був визначений квантовий вихід випромінювання gik, 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 MGO?2,5Al2O3. У загальному випадку інтенсивність лінії можна представити у вигляді суми інтенсивностей випромінювання повільних (п) та швидких (ш) частинок: І=І(Nп) І(Nш), (1) де Nп и Nш 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 N0і - кількість частинок, збуджених на і-тий рівень; ? - швидкість збудженої частинки, що відлітає; ? - час життя збудженого стану; l - відстань від поверхні; підсумовування відбувається по всім рівням f, з яких можливе додаткове заселення, розрахунковим шляхом були визначені коефіцієнти N0i у виразі (1). За допомогою компютерних розрахунків в роботі було проведено моделювання просторового розподілу випромінювання для лінії l 383,8 нм Mg I, що випускається розпиленими з поверхні MGO?Al2O3 частинками, які збуджені на рівень 3d 3D, розташований резонансно забороненій зоні шпінелі. Інтенсивність емісії Il, на відстані l від поверхні мішені визначається формулою: , (3) де Il(0) - інтенсивність емісії при l = 0, Е - енергія частинки, що відлітає, Езв - сила звязку частинки з поверхнею, ? - 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.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 розвязують 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 зявляються в ході довготривалого іонного бомбардування повязані з появою кисневих вакансій і істотно впливають на вірогідність формування збуджених частинок. Досліджено залежність виходу збуджених розпилених частинок зі сплавів Fe-Co від концентрації компонентів сплавів.
План
Основний зміст дисертації
Вывод
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 розвязують 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 зявляються в ході довготривалого іонного бомбардування повязані 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 повязаний з розривом інтерметалевого звязку.
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 литературы
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. in Phys. Res. - 2004. - B 218. - P. 46-52.
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.
Afanaseva I.A. Effect of phase on the formation of excited particles under ion bombardment of Fe-Co alloys / I.A. Afanaseva, 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 12th 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 FEXCOYBZ / 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 22nd 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
Afanaseva I.A. Effect of structural-phase state on the formation of excited particles under ion bombardment of Fe-Cu alloys / Afanaseva 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.