Глава 4. Спектроскопия рассеяния медленных ионов

4.1. Общие замечания

Методы ионной спектроскопии основаны на использовании в качестве «зонда» ускоренного пучка ионов с энергией E0 и регист-

рации энергетического спектра рассеянных первичных ионов. В зависимости от энергии используемого ионного пучка различают:

-спектроскопию рассеяния медленных ионов (СРМИ, или LEIS

–Low Energy Ion Scattering spectroscopy) с энергиями E0 = 0.1÷10

кэВ;

- спектроскопию рассеяния быстрых ионов (СРБИ, или HEIS – High Energy Ion Scattering spectroscopy) с энергиями E0 = 0.01÷ 2

МэВ;

- спектроскопию обратного резерфордовского рассеяния (ОРР или RBS – Rutherford Backscattering Spectroscopy) с энергиями

E0 > 2 МэВ.

Иногда в отдельный метод выделяют спектроскопию рассеяния ионов средних энергий (MEIS – Medium Energy Ion Scattering spectroscopy) как промежуточную между СРМИ и СРБИ.

В том случае, когда регистрируется спектр вторичных ионов, выбитых первичным пучком с поверхности образца, говорят о вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС).

Основной принцип анализа поверхности методом СРМИ заклю-

чается в регистрации энергетического спектра ионов, рассеянных под определенным углом поверхностными атомами образца при его облучении моноэнергетическим сколлимированным пучком пер-

вичных ионов с энергиями E0 = 0.1÷10 кэВ под определенным углом.

150

Получаемая информация:

1)элементный состав поверхности образца (получаемый в результате анализа положения спектральных линий, энергия которых определяется массой рассеивающего атома поверхности);

2)относительная концентрация поверхностных атомов (анализ интенсивности спектральных линий);

3)информация о структуре поверхностной решетки, адсорбированных атомов и дефектов (анализ угловых зависимостей интенсивности спектральных линий с эффектами затенения и многократного рассеяния);

4)в некоторых случаях тонкая структура спектральных линий позволяет получить информацию о химическом состоянии поверхностных атомов (например, отличить металл от оксида) вследствие проявления эффектов неупругих потерь энергии ионов на электронные возбуждения.

Особенности метода СРМИ

Отличительной особенностью метода СРМИ, в отличие от других поверхностных методик, является его исключительно высокая поверхностная чувствительность. Глубина зондирования в методе СРМИ составляет всего один-два атомных слоя поверхности, в то время как в методах РФЭС и ОЭС она достигает десятков ангстрем. Эта особенность обусловлена двумя факторами:

1)сильное ослабление интенсивности ионного пучка по мере его проникновения в глубь образца вследствие большого сечения рассеяния;

2)увеличение вероятности нейтрализации ионов, рассеянных на глубоких поверхностных слоях.

Эти факторы приводят к тому, что регистрируемый сигнал в большой степени определяется ионами, рассеянными атомами первого поверхностного слоя.

История создания метода СРМИ

Активные исследования процессов рассеяния медленных ионов поверхностью твердого тела начали проводиться с 1950-х годов. В

151

1967 г. впервые явление рассеяния медленных ионов было применено как метод исследования поверхности при бомбардировке поверхности никеля и молибдена пучками ионов благородных газов He+, Ne+ и Ar+ с энергией 3÷5 кэВ.

4.2. Физические основы СРМИ

Процесс рассеяния медленных ионов атомами поверхности твердого тела достаточно точно описывается кинематикой парного соударения упругих шаров. Для описания тонкой структуры спектров необходимо учитывать влияние окружающих атомов и периодичность поверхностной кристаллической решетки.

Энергия рассеянного иона E1 полностью определяется массой атома-рассеивателя М, массой m и энергией Е0 рассеивающегося иона и углом рассеяния θ . Используя закон сохранения энергии

E0 = E1 + E2

и закон сохранения импульса

mv0 = mv1 + Mv2 ,

где индексы 0, 1 и 2 соответствуют налетающему иону, рассеянному иону и испытавшему отдачу атому поверхности, нетрудно полу-

чить так называемое кинематическое соотношение:

E1 = kE0 ,

где коэффициент k называется кинематическим фактором и определяется выражением

k = (1+1μ)2 [cosθ ± (μ2 −sin 2 θ)1/ 2 ]2 , (4.2.1)

где μ = M / m – отношение масс атома-рассеивателя и иона, знак «+» выбирается для случая μ >1 (рассеяние на тяжелом атоме), и знак «-» - для μ <1 (рассеяние на легком атоме). Схематически

геометрия рассеяния представлена на рис.4.1.

Энергия отдачи, приобретаемая поверхностным атомом,

также пропорциональна энергии падающего иона и составляет
E2 =	4μ	cos	2	θ E0 .	(4.2)
	(1+ μ)2

152

Таким образом, зная угол рассеяния, задаваемый геометрией установки (углом между ионной пушкой и анализатором) и массу иона, по энергии пика рассеянных ионов можно однозначно определить массу поверхностных атомов, на которых произошло рассеяние.

Рис. 4.1. Схематичная диаграмма упругого двухчастичного соударения налетающего иона с массой m, кинетической энергией E0 и скоростью v0 и атома поверхности с массой M, кинетической энергией отдачи Е2 и скоростью v2 [5]

Для каждого конкретного спектрометра значение угла θ либо фиксировано (так, для спектрометра XSAM-800 фирмы Kratos он

составляет θ =125D ), либо может варьироваться. Поворот самого образца относительно спектрометра приводит к изменению угла скольжения ϕ , что не влияет на угол рассеяния θ и положение

спектральных линий. Однако варьирование угла скольжения может использоваться для изменения условий каналирования и многократного рассеяния, что важно при определении структуры поверхности в методе СРМИ.

Помимо акта упругого рассеяния иона на атоме поверхности, возможны дополнительные неупругие потери энергии на возбуждение электронов и ионизацию поверхностных атомов, которые приводят к сдвигу спектральной линии и могут быть учтены введе-

нием фактора неупругих потерь энергии Q, от которой теперь за-

висит коэффициент k в (4.1):

		1					2	2	Q	1/ 2		2
k =						μ		− sin θ − μ(1 + μ)				.	(4. 3)
	(1	+ μ)	2		cosθ ±
									E0

153