Каналирование - это процесс, который ограничивает путь заряженной частицы в кристаллическом твердом теле . [1] [2]
Многие физические явления могут происходить, когда заряженная частица падает на твердую мишень, например, упругое рассеяние , процессы неупругой потери энергии, вторичная электронная эмиссия, электромагнитное излучение , ядерные реакции и т. Д. Все эти процессы имеют сечения, которые зависят от параметры удара, участвующие в столкновениях с отдельными атомами мишени. Когда целевой материал однороден и изотропенраспределение прицельного параметра не зависит от ориентации импульса частицы, и процессы взаимодействия также не зависят от ориентации. Когда материал мишени является монокристаллическим, результаты физических процессов очень сильно зависят от ориентации импульса частицы относительно кристаллических осей или плоскостей. Или, другими словами, тормозная способность частицы в одних направлениях намного ниже, чем в других. Этот эффект обычно называют эффектом «ченнелинга». Это связано с другими эффектами, зависящими от ориентации, такими как дифракция частиц . Эти отношения будут подробно обсуждены позже.
История
Эффект каналирования был впервые обнаружен в компьютерном моделировании приближения парных столкновений в 1963 году [1] для объяснения экспоненциальных хвостов в экспериментально наблюдаемых распределениях ионных пробегов, которые не соответствовали стандартным теориям проникновения ионов. Модельное предсказание было подтверждено экспериментально в следующем году измерениями глубины проникновения ионов в монокристаллический вольфрам . [3] Первые эксперименты по пропусканию иона, проходящего через кристаллы, были выполнены группой Национальной лаборатории Ок-Ридж, показав, что распределение ионов определяется эффектом каналирования кристаллов с радугой. [4]
Механизм
С простой, классической точки зрения, можно качественно понять эффект каналирования следующим образом: если направление заряженной частицы, падающей на поверхность монокристалла, близко к главному направлению кристалла (рис. 1), частица с высокой вероятностью будет происходит только малоугловое рассеяние, когда оно проходит через несколько слоев атомов в кристалле и, следовательно, остается в том же «канале» кристалла. Если он не находится в основном направлении кристалла или плоскости («случайное направление», рис. 2), он с большей вероятностью подвергнется рассеянию на большие углы и, следовательно, его конечная средняя глубина проникновения, вероятно, будет короче. Если направление импульса частицы близко к плоскости кристалла, но не близко к главным осям кристалла, это явление называется «плоским каналированием». Каналирование обычно приводит к более глубокому проникновению ионов в материал, эффект, который наблюдался экспериментально и при компьютерном моделировании, см. Рисунки 3-5. [5]
Отрицательно заряженные частицы, такие как антипротоны и электроны , притягиваются к положительно заряженным ядрам плоскости, и после прохождения центра плоскости они снова притягиваются, поэтому отрицательно заряженные частицы стремятся следовать направлению одной кристаллической плоскости.
Поскольку кристаллическая плоскость имеет высокую плотность атомных электронов и ядер, каналированные частицы в конечном итоге подвергаются резерфордовскому рассеянию под большим углом или потерям энергии при столкновении с электронами и покидают канал. Это называется процессом «деканалирования».
Положительно заряженные частицы, такие как протоны и позитроны , вместо этого отталкиваются от ядер плоскости, и после входа в пространство между двумя соседними плоскостями они будут отталкиваться от второй плоскости. Таким образом, положительно заряженные частицы стремятся следовать направлению между двумя соседними кристаллическими плоскостями, но на максимально возможном расстоянии от каждой из них. Следовательно, положительно заряженные частицы имеют меньшую вероятность взаимодействия с ядрами и электронами плоскостей (меньший эффект «деканалирования») и путешествуют на большие расстояния.
То же явление происходит, когда направление импульса заряженных частиц лежит близко к главной кристаллической оси высокой симметрии. Это явление называется «осевым каналом».
При низких энергиях эффекты каналирования в кристаллах отсутствуют, поскольку малоугловое рассеяние при низких энергиях требует больших прицельных параметров, которые становятся больше, чем межплоскостные расстояния. Здесь преобладает дифракция частицы. При высоких энергиях квантовые эффекты и дифракция менее эффективны, и эффект каналирования присутствует.
Приложения
Есть несколько особенно интересных применений эффектов ченнелинга.
Эффекты каналирования можно использовать в качестве инструментов для исследования свойств кристаллической решетки и ее возмущений (например, легирования ) в объемной области, недоступной для рентгеновских лучей . Способ создания каналов может использоваться для определения геометрического положения промежуточных страниц. Это важный вариант метода анализа ионного пучка с обратным резерфордовским рассеянием , обычно называемый резерфордовским обратным рассеянием / каналированием (RBS-C).
Каналирование можно использовать даже для сверхфокусировки ионного пучка, который можно использовать для субатомной микроскопии. [11]
При более высоких энергиях (десятки ГэВ ) приложения включают в себя канализацию излучения для увеличения производства высокоэнергетических гамма-лучей и использование изогнутых кристаллов для извлечения частиц из ореола циркулирующего пучка в ускорителе частиц .
Общая литература
- Дж. У. Майер и Э. Римини, Справочник по ионно-лучевому анализу материалов , (1977) Academic Press, Нью-Йорк
- LC Feldman, JW Mayer и STPicraux, Material Analysis by Ion Channeling , (1982) Academic Press, New York
- R. Hovden, HL Xin, DA Muller, Phys. Ред. B 86, 195415 (2012) arXiv : 1212.1154
- Г. Р. Анстис, Д. К. Кай и Д. Х. Кокейн, Ультрамикроскопия 94, 309 (2003).
- Д. Ван Дайк и Дж. Х. Чен, Solid State Communications 109, 501 (1999).
- С. Хиллард и Дж. Силкокс, Ультрамикроскопия 58, 6 (1995).
- SJ Pennycook и DE Jesson, Physical Review Letters 64, 938 (1990).
- М. В. Берри и Озориод. Ам, Журнал физико-математических и общих 6, 1451 (1973).
- М. В. Берри, Журнал физики, часть C, Физика твердого тела 4, 697 (1971).
- А. Хауи, Философский журнал 14, 223 (1966).
- Хирш П.Б., Хауи А., Николсон Р.Б., Пэшли Д.У., Уилан М. Электронная микроскопия тонких кристаллов (Баттервортс, Лондон, 1965).
- Ю Андерсен, Заметки о ченнелинге, http://phys.au.dk/en/publications/lecture-notes/ (2014)
Смотрите также
Рекомендации
- ^ a b Робинсон, Марк Т .; Оэн, О.С. (1963). «Каналирование энергетических атомов в кристаллических решетках». Письма по прикладной физике . 2 (2): 30. Полномочный код : 1963ApPhL ... 2 ... 30R . DOI : 10.1063 / 1.1753757 .
- ^ Геммелл, Д.С. (1974). «Каналирование и связанные с ним эффекты при движении заряженных частиц через кристаллы». Ред. Мод. Phys . 46 (1): 129. Полномочный код : 1974RvMP ... 46..129G . DOI : 10.1103 / RevModPhys.46.129 .
- ^ Корнельсен, Э.В. Brown, F .; Дэвис, JA; Домей, Б .; Пирси, Г. Р. (1964). «Проникновение тяжелых ионов кэВ энергии в монокристаллический вольфрам». Физический обзор . 136 (3A): A849. Bibcode : 1964PhRv..136..849K . DOI : 10.1103 / PhysRev.136.A849 .
- ^ Краузе, ВЧ; Datz, S .; Диттнер, П.Ф .; Gomezd el Campo, J .; Миллер, Д.П .; Моак, CD; Nešković, N .; Пепмиллер, П.Л. (1986). «Эффект радуги в аксиальном ионном каналировании». Physical Review B . 33 (9): 6036. Полномочный код : 1964PhRv..136..849K . DOI : 10.1103 / PhysRevB.33.6036 .
- ^ Морган, Д.В. (1973). Ченнелинг: теория, наблюдения и приложения . Лондон: Вайли. ISBN 0471615102. OCLC 814411 .
- ^ Нордлунд, Кай; Джурабекова, Флюра; Хоблер, Герхард (2016). «Большая часть кристаллических направлений приводит к каналированию ионов» . Physical Review B . 94 (21): 214109. Bibcode : 2016PhRvB..94u4109N . DOI : 10.1103 / PhysRevB.94.214109 .
- ^ Кай, Дэвид; Gro / Nbech-Jensen, Niels; Snell, Charles M .; Бирдмор, Кейт М. (1996). "Феноменологическая электронная модель тормозной способности для молекулярной динамики и Монте-Карло моделирование ионной имплантации в кремний". Physical Review B . 54 (23): 17147–17157. arXiv : физика / 9901056 . Bibcode : 1996PhRvB..5417147C . DOI : 10.1103 / PhysRevB.54.17147 . PMID 9985850 . S2CID 13436616 .
- ^ Нордлунд, К. (1995). «Молекулярно-динамическое моделирование пробегов ионов в диапазоне энергий 1–100 кэВ». Вычислительное материаловедение . 3 (4): 448–456. DOI : 10.1016 / 0927-0256 (94) 00085-Q .
- ^ Наголенники, G .; Hinks, JA; Басби, П .; Меллорс, штат Нью-Джерси; Ильинов, А .; Куронен, А .; Nordlund, K .; Доннелли, SE (2013). «Повышение выхода распыления от одноионного воздействия на золотые наностержни» (PDF) . Письма с физическим обзором . 111 (6): 065504. Bibcode : 2013PhRvL.111f5504G . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.111.065504 . PMID 23971585 .
- ^ Уиттон, Дж. Л. (1967). «Ченнелинг в золоте». Канадский журнал физики . 45 (5): 1947–1957. Bibcode : 1967CaJPh..45.1947W . DOI : 10.1139 / p67-149 .
- ^ Петрович, С .; Nešković, N .; Berec, V .; Чосич, М. (2012). «Суперфокусировка каналированных протонов и разрешение субатомных измерений». Physical Review . 85 (3): 291. DOI : 10.1103 / PhysRevA.85.032901 .
Внешние ссылки
- CERN NA43 Эксперимент по исследованию взаимодействия частиц высоких энергий с кристаллами.
- Заметки и отчеты по извлечению кристаллов
- Перспективы канализации частиц на CERN Courier выглядят безоблачными