Обнаружение упругой отдачи

Эта статья может потребовать очистки, чтобы соответствовать стандартам качества Википедии . Конкретная проблема: Составление математических формул. Пожалуйста, помогите улучшить эту статью, если можете. ( Февраль 2018 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Анализ обнаружения упругой отдачи ( ERDA ), также называемый прямым рассеянием отдачи (или, в контексте, спектрометрией), представляет собой метод ионно-лучевого анализа в материаловедении для получения профилей концентрации элементов по глубине в тонких пленках . ^[1] Этот метод известен под несколькими разными названиями. Эти имена перечислены ниже. В методе ERDA пучок энергичных ионов направляется на образец, который необходимо охарактеризовать, и (как в случае обратного резерфордовского рассеяния ) происходит упругое ядерное взаимодействие между ионами пучка и атомами целевого образца. Такие взаимодействия обычно кулоновские.природа. В зависимости от кинетики этих ионов , поперечного сечения области, а также потерь энергии ионов в веществе, Упругая Отдача анализ Обнаружения помогает определить количественное определение элементного анализа . Он также предоставляет информацию о глубине профиля образца.

Падающие энергичные ионы могут иметь широкий диапазон энергий от 2 МэВ до 200 МэВ. Энергия пучка зависит от исследуемого образца. ^{[2] [3]} Энергии луча должно быть достаточно, чтобы отбросить («отскочить») атомы образца. Таким образом, ERD обычно использует соответствующий источник и детекторы для обнаружения атомов отдачи.

Однако такая экспериментальная установка является дорогостоящей и, наряду с необходимостью источника ионов высокой энергии, по-видимому, делает этот метод относительно менее широко используемым для определения характеристик материалов ^[4], но, тем не менее, он коммерчески доступен. ^[5] Кроме того, для правильного анализа образца необходимо учитывать угол падения ионного пучка на образец. Это связано с тем, что в зависимости от этого угла отброшенные атомы будут собираться. ^[6]Хотя это не очень ясно, предположение о том, почему этот метод не очень хорошо известен, может быть связано с тем фактом, что трудно получить идеальное сочетание источника, угла падения и детектора для получения наилучших характеристик. образца. Такая проблема сделает эту технику очень трудоемкой и утомительной.

В этой статье представлена ​​информация об ERDA, которая существует уже давно, с середины 1970-х годов. В статье представлена ​​подробная информация о ERDA для инцидентов с высоким содержанием ионов. Однако инцидент с низким содержанием ионов ERDA по-прежнему не игнорируется. Также упоминается сравнительный анализ общего ERDA с другими методами, такими как TEM, AFM, XRR, NR, VASE, XPS и DSIMS. В статье кратко рассматривается история ERDA, но основное внимание уделяется самой технике. Предоставляется исчерпывающая информация об оборудовании, а также о его применении для определения характеристик элементов и профиля глубины.

ERDA и RBS имеют схожую теорию, но с небольшими различиями в постановке эксперимента. В случае RBS детектор помещается сзади образца, тогда как в ERDA детектор размещается спереди.

Сравнительный анализ [ править ]

Сегодня существует несколько методов, используемых для определения характеристик материалов. Для получения правильной характеристики обычно требуется сочетание методов. При сравнении нескольких методов необходимо учитывать такие важные параметры, как предел обнаружения, разрешение по глубине и разрешение по горизонтали. Для этого в таблице ниже показано сравнение нескольких методов.

Таблица 1: Сравнение методов с характерными свойствами

Характеристики ERDA [ править ]

Основные характеристики ERDA перечислены ниже. ^[1]

• Одновременно можно анализировать множество элементов, если атомный номер отскочившего иона меньше атомного номера первичного иона.
• Чувствительность этого метода, в первую очередь, зависит от площади поперечного сечения рассеяния, и метод имеет почти одинаковую чувствительность ко всем легким элементам. В этом случае легкий элемент - это любой элемент с атомным номером от 2 до 50. ^[1]
• Разрешение по глубине зависит от тормозной способности тяжелых ионов после взаимодействия с образцом, а обнаружение рассеянных первичных ионов снижается из-за узкого конуса рассеяния тяжелых ионов на легких элементах.
• Детектор ионизации газа обеспечивает эффективное обнаружение отдачи и, таким образом, сводит к минимуму воздействие ионного пучка на образец, что делает этот метод неразрушающим. Это важно для точного измерения водорода, который известен своей нестабильностью и потерями при облучении ионным пучком.

Такие характеристики побудили многие группы и ученых исследовать возможности применения ERDA.

История [ править ]

ERDA была впервые продемонстрирована L'Ecuyer et al. в 1976 году. Они использовали 25-40 МэВ ионы ³⁵ Cl, которые использовались для обнаружения отдачи в образце. ^[8] По прошествии более чем трех десятилетий ERDA была разделена на две основные группы. Первый - это ERDA для легкого падающего иона (LI-ERDA), а второй - это ERDA для тяжелого падающего иона (HI-ERDA).

LI-ERDA использует низковольтные несимметричные ускорители, тогда как HI-ERDA использует большие тандемные ускорители. Эти методы были в основном разработаны после того, как ускорители тяжелых ионов были внедрены в исследования материалов. LI-ERDA также часто выполняется с использованием пучка 4He с относительно низкой энергией (2 МэВ) специально для профилирования водорода по глубине. В этом методе используются несколько детекторов: при углах обратного рассеяния для обнаружения более тяжелых элементов с помощью RBS и детектор прямого (отдачи) для одновременного обнаружения возвращенного водорода. Детектор отдачи для LI-ERDA обычно имеет «фольгу дальности», которая обычно представляет собой майларовую фольгу, помещенную перед детектором для блокирования рассеянных падающих ионов, но позволяющую более легким атомам-мишени проходить через детектор. ^[9]Обычно майларовая фольга толщиной 10 мкм способна полностью задерживать ионы He + с энергией 2,6 МэВ, но пропускает отскочившие протоны с низкими потерями энергии.

HI-ERDA более широко используется по сравнению с LI-ERDA, потому что его можно использовать для изучения гораздо большего количества элементов по сравнению с LI-ERDA. Его можно использовать для выявления тяжелых элементов. Он используется для обнаружения отброшенных атомов мишени и ионов рассеянного пучка с помощью нескольких детекторов, а именно кремниевого диодного детектора, времяпролетного детектора, детектора ионизации газа и т. Д. Такие детекторы описаны ниже. ^[3] Основным преимуществом HI-ERDA является его способность получать количественную информацию о профилировании по глубине всех элементов образца за одно измерение. Недавние исследования показали, что разрешение по глубине, полученное с помощью этого метода, превосходное. Разрешение по глубине менее 1 нм может быть получено с хорошей количественной точностью, что дает этим методам значительные преимущества по сравнению с другими методами анализа поверхности. ^[10]Кроме того, с помощью этого метода может быть достигнута доступная глубина 300 нм. ^[11] В этом методе можно использовать широкий спектр ионных пучков, включая ³⁵ Cl, ⁶³ Cu, ¹²⁷ I и ¹⁹⁷ Au, с разными энергиями, чтобы возникла отдача.

Следует отметить, что LI-ERDA и HI-ERDA предоставляют аналогичную информацию. Разница в названии методики связана только с типом ионного пучка, используемого в качестве источника.

Установка и экспериментальные условия влияют на характеристики обоих этих методов. Перед получением данных необходимо учитывать такие факторы, как многократное рассеяние и повреждение, вызванное ионным пучком, поскольку эти процессы могут повлиять на интерпретацию данных, количественную оценку и точность исследования. Кроме того, угол падения и угол рассеяния помогают определить топографию поверхности образца. Включив топографию поверхности в метод ионно-лучевого анализа, можно получить надежную характеристику слоев поверхности.

Выдающиеся особенности ERDA [ править ]

ERDA очень похожа на RBS, но вместо обнаружения снаряда под углом назад, отдача обнаруживается в прямом направлении. Дойл и Пирси в 1979 году смогли установить использование этого метода для профилирования водородной глубины. Некоторые из характерных особенностей ERDA с тяжелыми ионами высоких энергий: ^[12]

• Большое сечение отдачи тяжелых ионов обеспечивает хорошую чувствительность. Более того, все химические элементы, включая водород, могут быть обнаружены одновременно с одинаковой чувствительностью и разрешением по глубине. ^[13]
• Легко обнаруживаются концентрации 0,1 атомного процента. Глубина отбора проб зависит от материала пробы и составляет порядка 1,5-2,5 мкм. Для области поверхности может быть достигнуто разрешение по глубине 10 нм. Разрешение ухудшается с увеличением глубины из-за нескольких физических процессов, в основном из-за разброса энергии и многократного рассеяния ионов в образце. ^[13]
• Такое же сечение отдачи для широкого диапазона масс атомов мишени ^[1]
• Уникальной особенностью этого метода является то, что глубинное профилирование широкого диапазона элементов от водорода до редкоземельных элементов. ^[1]

ERDA может преодолеть некоторые ограничения обратного рассеяния Резерфорда (RBS). ERDA позволила профилировать элементы по глубине от самых легких элементов, таких как водород, до тяжелых элементов с высоким разрешением в области легких масс, как обсуждалось выше. ^[14] Кроме того, этот метод был высокочувствительным из-за использования чувствительных к положению детекторов телескопа с большой площадью. Этот детектор используется особенно, когда элементы в образце имеют схожие массы. Детекторы телескопа - это один из способов различить такие элементы в образце, поскольку становится чрезвычайно трудно разделить элементы с помощью обычного детектора. ^[1]

Принципы ERDA [ править ]

Расчеты, моделирующие этот процесс, относительно просты, если предположить, что энергия снаряда находится в диапазоне, соответствующем резерфордовскому рассеянию. Диапазон энергии снаряда для легких падающих ионов находится в диапазоне 0,5–3,0 МэВ. ^[15] Для более тяжелых ионов-снарядов, таких как ¹²⁷ I, диапазон энергий обычно составляет 60–120 МэВ; ^[15], а для средних пучков тяжелых ионов ³⁶ Cl представляет собой обычный ионный пучок с энергией примерно 30 МэВ. ^[1] В приборной части основное внимание будет уделено бомбардировке тяжелыми ионами. Е ₂ переносится метательных ионов с массой т ₁ и энергии Е ₁ до образца атомов массы т_2, отдача под углом ϕ по отношению к направлению падения определяется следующим уравнением. ^[1]

(1)   ${\displaystyle E_{2}={\frac {(4m_{1}m_{2})}{(m_{1}+m_{2})^{2}}}(E_{1}\cos ^{2}\phi )}$

Уравнение 1 моделирует перенос энергии падающими ионами на атомы образца и эффект отдачи атомов мишени под углом ϕ . Для более тяжелых ионов при анализе обнаружения упругой отдачи, если m ₂ / m ₁ << 1, все ионы отдачи имеют одинаковые скорости. ^[15] Из предыдущего уравнения можно вывести максимальный угол рассеяния θ ^' _max , как описывает уравнение 2: ^[15]

(2)   ${\displaystyle \theta _{max}=\arcsin {\frac {m_{2}}{m_{1}}}}$

Используя эти параметры, нет необходимости включать фольгу поглотителя в конструкцию прибора. При использовании пучков тяжелых ионов и указанных выше параметров геометрия может быть оценена как учитывающая столкновение падающих частиц и рассеяние под углом, отклоненным от детектора. Это предотвратит деградацию детектора из-за более интенсивных энергий пучка.

Дифференциальное сечение упругой отдачи σ _ERD определяется по _{формуле} ^[1]

(3)   ${\displaystyle \sigma _{ERD}=\left({\frac {Z_{1}Z_{2}e^{2}}{2E_{1}}}\right)^{2}\left({\frac {m_{1}+m_{2}}{m_{2}}}\right)^{2}\cos ^{-3}\phi }$

где Z ₁ и Z ₂ - атомные номера атомов снаряда и образца соответственно. ^[1] Для m ₂ / m ₁ << 1 и с приближением m = 2Z ; Z - атомный номер Z ₁ и Z ₂ . В уравнении (3) можно увидеть два важных следствия: во-первых, чувствительность примерно одинакова для всех элементов, а во-вторых, она имеет зависимость Z ₁ ⁴ от проектора иона. ^[1] Это позволяет использовать токи пучка низкой энергии в HI-ERDA, предотвращая деградацию образца и чрезмерный нагрев образца.

При использовании пучков тяжелых ионов необходимо соблюдать осторожность, чтобы не допустить повреждения образца, вызванного пучком, например распыление или аморфизацию. Если принять во внимание только ядерное взаимодействие, было показано, что отношение отдачи к смещенным атомам не зависит от Z ₁ и лишь слабо зависит от массы снаряда налетающего иона. ^[16] При бомбардировке тяжелыми ионами было показано, что выход распыления ионным пучком на образец увеличивается для неметаллических образцов ^[17]и повышенное радиационное повреждение сверхпроводников. В любом случае угол приема детекторной системы должен быть как можно большим, чтобы минимизировать радиационное повреждение. Однако это может уменьшить глубину профилирования и элементного анализа из-за того, что ионный пучок не может проникнуть в образец.

На рисунке справа показаны принципы ERDA и способы получения спектра.

Однако это требование большого угла приема находится в противоречии с требованием оптимальной зависимости разрешения по глубине от геометрии обнаружения. В приближении поверхности и в предположении постоянных потерь энергии разрешение по глубине δx может быть записано: ^[1]

(4)   ${\displaystyle \delta x={\frac {\delta E_{2}}{E_{2}}}S_{rel}^{-1}}$

где S _rel - относительный коэффициент потерь энергии, определяемый следующим образом: ^[1]

(5)   ${\displaystyle S_{rel}={\frac {\frac {dE_{1}}{dx}}{E_{1}}}{\frac {1}{\sin \alpha }}+{\frac {\frac {dE_{2}}{dx}}{E_{2}}}{\frac {1}{\sin \beta }}}$

здесь α и β - углы падения пучка и угол выхода возвращающегося иона соответственно, связанные с углом рассеяния ϕ соотношением ϕ = α + β . ^[1] Здесь следует отметить, что разрешение по глубине зависит только от относительного разрешения по энергии, а также от относительной тормозной способности входящих и исходящих ионов. ^[1] Разрешение детектора и энергетическое расширение, связанное с геометрией измерения, вносят вклад в энергетический разброс δE . Угол приема детектора и конечный размер пятна луча определяют диапазон углов рассеяния δϕ, вызывающий кинематический энергетический разброс δE _kinсогласно уравнению 6: ^[1]

(6)   ${\displaystyle \delta E_{kin}=2E_{2}\tan \phi \ \delta \phi }$

Подробный анализ различных вкладов в разрешение по глубине ^[18] показывает, что этот кинематический эффект является преобладающим элементом вблизи поверхности, сильно ограничивая допустимый угол приема детектора, тогда как разброс по энергии доминирует в разрешении на большей глубине. ^[1] Например, если кто-то оценивает δϕ для угла рассеяния 37,5 °, вызывающего кинематический сдвиг энергии, сравнимый с типичным разрешением детектора по энергии в 1%, угловой разброс δψ должен быть меньше 0,4 °. ^[1]Угловой разброс может поддерживаться в этом диапазоне за счет вкладов размера пятна луча; однако геометрия телесного угла детектора составляет всего 0,04 мсек. Следовательно, детекторная система с большим телесным углом, а также с высоким разрешением по глубине может позволить корректировать кинематический сдвиг энергии.

В случае упругого рассеяния кинематика требует, чтобы атом-мишень отскакивал со значительной энергией. ^[19] Уравнение 7 моделирует кинематический фактор отдачи, возникающий во время ионной бомбардировки. ^[19]

(7)   ${\displaystyle E\approx KE_{0}}$

(8)   ${\displaystyle K_{s}=\left({\frac {\cos \theta \pm {\sqrt {r^{2}-\sin ^{2}\theta }}}{(1+r)}}\right)^{2}}$

(9)   ${\displaystyle Kr={\frac {4r\,\cos ^{2}\phi }{(1+r)^{2}}}}$

(10)   ${\displaystyle r={\frac {M_{1}}{M_{2}}}}$

Уравнение 7 дает математическую модель столкновения, когда более тяжелые ионы в пучке ударяются о образец. K _s называется кинематическим фактором для рассеянной частицы (уравнение 8) ^[19] с углом рассеяния θ и для отброшенной частицы (уравнение 9) ^[19] с углом отдачи Φ . ^[19] Переменная r - это отношение массы налетающих ядер к массе ядер-мишеней (уравнение 10). ^[19]Чтобы добиться такой отдачи частиц, образец должен быть очень тонким, а геометрия должна быть точно оптимизирована для точного обнаружения отдачи. Поскольку интенсивность пучка ERD может повредить образец, растет интерес к инвестированию в разработку пучков низкой энергии для уменьшения повреждения образца.

Катод разделен на две изолированные половины, где положение входа частиц определяется зарядами, индуцированными на левой, l , и правой, r , половинах катода. ^[1] Используя следующее уравнение, координаты x положения частиц, когда они попадают в детектор, могут быть рассчитаны на основе зарядов l и r  : ^[1]

(11)   ${\displaystyle x={\frac {l-r}{l+r}}}$

Кроме того, координата y вычисляется по следующему уравнению из-за независимости положения анодных импульсов: ^[1]

(12)   ${\displaystyle y={\frac {l+r}{E_{tot}}}}$

Для преобразования информации (x, y) в угол рассеяния ϕ используется съемная калибровочная маска перед входным окном. Эта маска также позволяет корректировать искажения по осям x и y . ^[1] Для подробностей, катод имеет время дрейфа ионов порядка нескольких мс. Чтобы предотвратить ионное насыщение детектора, необходимо ограничить количество частиц, попадающих в детектор, в 1 кГц.

Инструменты [ править ]

Анализ обнаружения упругой отдачи был первоначально разработан для обнаружения водорода ^[20] или профилирования легких элементов (H, He, Li, C, O, Mg, K) с поглотительной фольгой перед детектором энергии для подавления луча. ^[1] Использование поглотительной фольги предотвращает попадание пучка ионов более высокой энергии на детектор и ухудшение его характеристик. Фольга-поглотитель увеличивает срок службы детектора. Были реализованы более продвинутые методы, позволяющие отказаться от использования поглотительной фольги и связанных с этим трудностей, возникающих при ее использовании. В большинстве случаев пучки средних тяжелых ионов, обычно ³⁶Ионы Cl до сих пор использовались для ERDA с энергиями около 30 МэВ. Разрешение по глубине и профилирование элементов тонких пленок были значительно улучшены с помощью анализа обнаружения упругой отдачи. ^[1] На рисунке 2 слева изображено взаимодействие пучка тяжелых ионов, ударяющего по атомам образца, и возникающее в результате обратное рассеяние и ионы отдачи. ^[21]

Источник ионов и взаимодействия [ править ]

Ускорители элементарных частиц, такие как магнетрон или циклотрон, создают электромагнитные поля для ускорения элементов. ^[23] Перед ускорением атомы должны быть электрически заряжены (ионизированы). ^[23] Ионизация включает удаление электронов из атомов мишени. Магнетрон может использоваться для получения ионов H-. Генераторы Ван де Граафа также были интегрированы с ускорителями частиц, показанными на рисунке 3, для генерации пучка легких ионов.

Например, для образования более тяжелых ионов можно использовать источник электронного циклотронного резонанса (ЭЦР). ^[23] На Рисунке 4 схематично показан ECR. В Национальной лаборатории сверхпроводящих циклотронов нейтральные атомы удаляют электроны с помощью источника ионов ЭЦР. ^[23] ЭЦР работает путем ионизации паров нужных элементов, таких как хлор и йод. Кроме того, используя этот метод, металлы (Au, Ag и т. Д.) Также можно ионизировать с помощью небольшой печи для получения паровой фазы. ^[23] Пар поддерживается в магнитном поле достаточно долго, чтобы атомы ионизировались за счет столкновений с электронами. ^[23] Микроволны воздействуют на камеру, чтобы держать электроны в движении.

Пар вводится путем впрыска непосредственно в «магнитную бутылку» или магнитное поле. ^[23] Круглые катушки придают форму магнитной бутылке. Катушки находятся вверху и внизу камеры с гексапольным магнитом по бокам. ^[23] Гексапольный магнит состоит из постоянных магнитов или сверхпроводящих катушек. Плазма содержится в магнитной ловушке, образованной электрическим током, протекающим в соленоидах, расположенных по бокам камеры. Радиальное магнитное поле, создаваемое гексапольным магнитом, прикладывается к системе, которая также ограничивает плазму. ^[23]Ускорение электронов достигается за счет резонанса. Чтобы это произошло, электроны должны пройти через зону резонанса. В этой зоне их гирочастота или циклотронная частота равна частоте микроволн, вводимой в плазменную камеру. ^[23] циклотронной частоты определяется как частота заряженной частицы , движущейся перпендикулярно направлению однородного магнитного поля B . ^[24] Поскольку движение всегда круговое, циклотронная частота - ω в радианах в секунду - может быть описана следующим уравнением: ^[24]

(13)   = ω${\displaystyle {\frac {|q|B}{m}}}$

где m - масса частицы, ее заряд q , а скорость v . Ионизация - это постепенный процесс от столкновений ускоренных электронов с желаемыми атомами пара. Гирочастота электрона составляет 1,76x107 Брэд / секунду. ^[25]

Теперь, когда пары желаемого ионизированы, их нужно удалить из магнитной бутылки. Для этого между гексаполями прикладывается высокое напряжение, вытаскивающее ионы из магнитного поля. ^[23] Извлечение ионов из камеры осуществляется с помощью системы электродов через отверстие в плазменной камере с положительным смещением. ^[23] После того, как ионы были извлечены из камеры, они отправляются в циклотрон для ускорения. Очень важно, чтобы используемый источник ионов был оптимальным для проводимого эксперимента. Для проведения эксперимента за практический промежуток времени ионы, поступающие из ускорительного комплекса, должны иметь правильную желаемую энергию. ^[23]Необходимо тщательно рассмотреть качество и стабильность ионного пучка, так как только ионы с правильной траекторией полета могут быть введены в циклотрон и ускорены до желаемой энергии. ^[23]

Во время ERDA идея состоит в том, чтобы разместить источник ионного пучка под углом скольжения к образцу. В этой установке угол рассчитывается таким образом, чтобы позволить падающим ионам рассеяться от образца, чтобы не было контакта с детектором. Физическая основа, давшая этому методу название, связана с упругим рассеянием падающих ионов на поверхности образца и обнаружением отскакивающих атомов образца, в то время как падающие ионы рассеиваются назад под таким углом, что они не достигают детектора; обычно это геометрия отражения, ^[1] проиллюстрированная на рисунке:

Другой метод предотвращения контакта падающих ионов с детектором - использование поглотительной фольги. Во время анализа упруго отскоченных частиц можно использовать фольгу-поглотитель с выбранной определенной толщиной, чтобы «не дать» тяжелым ионам отдачи и пучку достичь детектора; уменьшение фонового шума. Включение поглотителя в экспериментальную установку может оказаться наиболее трудным. Остановка пучка с использованием прямого или рассеянного методов может быть достигнута только без остановки легких примесных атомов, если он тяжелее (ионы пучка), чем анализируемые примесные атомы. ^[26] Использование поглощающих пленок дает следующие преимущества:

1) Большой пучок Z ₁ дает большое поперечное сечение Резерфорда, и из-за кинематики столкновений тяжелого и легкого, это сечение почти не зависит от цели, если M ₁ >> M ₂ и M ~ 2Z ; это помогает уменьшить фон. ^[26]

2) Более высокая тормозная способность обеспечивает хорошее разрешение по глубине ~ 300 Ангстрем, фактически ограниченное из-за разброса в поглотителе. ^[26]

Основным критерием для поглотительной фольги, используемой в ERDA, является то, может ли отскакивающий атом примеси проходить через поглотитель, предпочтительно коммерчески доступную металлическую фольгу, задерживая при этом тяжелые частицы. ^[26] Поскольку более легкие атомы покидают поглотитель с меньшими энергиями, кинематические расчеты мало помогают. Благоприятные результаты были получены при использовании более тяжелых ионных пучков с энергией примерно 1 МэВ / нуклон. ^[26] Лучшим кандидатом в целом является пучок ионов ³⁵ Cl; хотя ⁷⁹ Br даст лучшую чувствительность на порядок по сравнению с пучком ионов ³⁵ Cl. Массовое разрешение детектора при θ = 0 ° тонких образцов составляет ΔM / Δx~ 0,3 а.е.м. / 1000 Ангстрем ширины профиля. Для толстых образцов разрешение по массе возможно при θ≤30 °. В более толстых образцах наблюдается некоторое ухудшение разрешения по массе и небольшая потеря чувствительности. Телесный угол детектора должен быть закрыт, но толстый образец может принимать больше тока без нагрева, что снижает его деградацию. ^[26]

Детекторы [ править ]

Как только ионный пучок ионизирует целевые атомы пробы, ионы пробы возвращаются к детектору. Ионы пучка рассеиваются под углом, который не позволяет им достичь детектора. Ионы пробы проходят через входное окно детектора, и в зависимости от типа используемого детектора сигнал преобразуется в спектр.

Кремниевый диодный детектор [ править ]

При анализе обнаружения упругой отдачи кремниевый диод является наиболее распространенным детектором. ^[1] Этот тип детектора широко используется, однако его использование имеет ряд серьезных недостатков. Например, разрешение по энергии значительно снижается с Si-детектором при обнаружении тяжелых ионов отдачи. Также существует вероятность повреждения детектора радиационным воздействием. Эти детекторы имеют короткий срок службы (5–10 лет) при анализе тяжелых ионов. ^[1]Одно из главных преимуществ кремниевых детекторов - их простота. Однако они должны использоваться с так называемой «фольгой дальности», чтобы определять дальность действия рассеянных вперед ионов тяжелого пучка. Таким образом, ERD с простой дальнобойной фольгой имеет два основных недостатка: во-первых, потеря энергетического разрешения из-за энергетического отклонения и, во-вторых, неоднородность толщины фольги дальнего действия ^[27], а также неотличимость сигналов для различных различных целей с отдачей. элементы. ^[19] Помимо перечисленных недостатков, фольга диапазона ERDA с кремниевыми детекторами по-прежнему является мощным методом и относительно проста в работе.

Детектор времени полета [ править ]

Другой метод обнаружения ERDA - это время пролета (TOF) -ERD. Этот метод не вызывает тех же проблем, что и для кремниевого детектора. Однако пропускная способность детекторов TOF ограничена; детектирование выполняется последовательно (по одному иону в детекторе за раз). Чем длиннее время пролета для ионов, тем лучше будет разрешение по времени (эквивалентное разрешению по энергии). ^[19] TOF-спектрометры со встроенным твердотельным детектором должны быть ограничены небольшими телесными углами. При выполнении HI-ERDA часто используются детекторы TOF и / или детекторы ∆E / E, такие как ионизационные камеры. ^[28] Эти типы детекторов обычно используют небольшие телесные углы для более высокого разрешения по глубине. ^[28]На рисунке 6 слева показан времяпролетный детектор, обычно используемый в ERDA. ^[21] Более тяжелые ионы имеют большее время полета, чем более легкие. Детекторы в современных времяпролетных приборах имеют улучшенную чувствительность, временное и пространственное разрешение и срок службы. ^[29] Биполярный с высокой массой (обнаружение с высокой массой ионов), Gen 2 Ultra Fast (в два раза быстрее, чем у традиционных детекторов) и высокотемпературный (работает до 150 ° C) TOF - это лишь некоторые из коммерчески доступных детекторов, интегрированных со временем. летные приборы. ^[29] Линейный и рефлектронный TOF - наиболее распространенные инструменты.

Детектор ионизации [ править ]

Третий тип детекторов - детектор ионизации газа. Детекторы ионизации газа имеют некоторые преимущества перед кремниевыми детекторами, например, они полностью невосприимчивы к повреждению луча, поскольку газ может пополняться непрерывно. ^[19] Ядерные эксперименты с ионизационными камерами большой площади, увеличивающие разрешение частиц и положения, используются в течение многих лет и могут быть легко адаптированы к любой конкретной геометрии. ^[1] Ограничивающим фактором энергетического разрешения при использовании этого типа детектора является входное окно, которое должно быть достаточно прочным, чтобы выдерживать атмосферное давление газа 20-90 мбар. ^[19]Были представлены ультратонкие окна из нитрида кремния вместе с резким упрощением конструкции, которые, как было продемонстрировано, почти так же хороши, как и более сложные конструкции для низкоэнергетических ERD. ^[30] Эти детекторы также были реализованы в спектрометрии резерфордовского обратного рассеяния тяжелых ионов. На рисунке 7 показана камера газовой ионизации с изобутаном в качестве газа-детектора. ^[21]

Энергетическое разрешение, полученное от этого детектора, лучше, чем у кремниевого детектора, при использовании ионных пучков тяжелее ионов гелия. Существуют различные конструкции ионизационных детекторов, но общая схема детектора состоит из ионизационной камеры с поперечным полем с сеткой Фриша, расположенной между анодным и катодным электродами. Анод разделен на две пластины, разделенные определенным расстоянием. ^[31] От анода сигналы ∆E (потеря энергии), E _rest (остаточная энергия после потери), ^[32] и E _tot (полная энергия E _tot = ∆Ε + E _rest ), а также атомный номер Zможно вывести. ^[1] Для этой конкретной конструкции в качестве газа использовался изобутан под давлением 20-90 мбар с электронным контролем расхода (см. Предыдущий рисунок). В качестве входного окна использовалась полипропиленовая пленка. Следует отметить, что однородность толщины фольги более важна для энергетического разрешения детектора, чем абсолютная толщина. ^[1] Если используются и обнаруживаются тяжелые ионы, эффект разброса потерь энергии будет легко преодолен за счет изменения потерь энергии, что является прямым следствием различной толщины фольги. Катодный электрод разделен на две изолированные половины, таким образом, информация о положении входа частицы получается из зарядов, индуцированных на правой и левой половинах. ^[1]

ERDA и обнаружение энергии отскоченных атомов образца [ править ]

ERDA в геометрии пропускания, где измеряется только энергия отскакивающих атомов образца, широко использовалась для анализа загрязнения фольги-мишени для ядерно-физических экспериментов. ^[1] Этот метод отлично подходит для распознавания различных загрязнений фольги, используемых в чувствительных экспериментах, таких как загрязнение углеродом. Используя ¹²⁷С помощью ионного пучка можно получить профиль различных элементов и определить степень загрязнения. Высокий уровень загрязнения углеродом может быть связан с отклонениями луча от опоры, например графитовой опоры. Это можно исправить, используя другой вспомогательный материал. Используя Mo-носитель, можно снизить содержание углерода с 20-100 ат.% До 1-2 ат.% Уровня кислородного загрязнения, вероятно, происходящего из компонентов остаточного газа. ^[1] Для ядерных экспериментов высокое загрязнение углерода привело бы к чрезвычайно высокому фону, и экспериментальные результаты были бы искажены или менее дифференцируемыми с фоном. С помощью ERDA и снарядов с тяжелыми ионами можно получить ценную информацию о содержании легких элементов в тонкой фольге, даже если измеряется только энергия отдачи.^[1]

ERDA и идентификация частиц [ править ]

Как правило, энергетические спектры различных элементов отдачи перекрываются из-за конечной толщины образца, поэтому идентификация частиц необходима для разделения вкладов различных элементов. ^[1] Типичными примерами анализа являются тонкие пленки TiN _x O _y -Cu и BaBiKO. Пленки TiN _x O _y -Cu были разработаны в Мюнхенском университете и используются в качестве тандемных поглотителей солнечной энергии. ^[1] На рисунке 8 показаны различные компоненты пленки. Также были идентифицированы медное покрытие и стеклянная подложка. ERDA не только связана со спектрометрией обратного рассеяния Резерфорда, которая аналогична ERDA. Используя телесный угол 7,5 мс, можно определить отдачу для этого конкретного анализа TiN._x O _y -Cu. При планировании эксперимента важно всегда учитывать геометрию системы, чтобы обеспечить обнаружение отдачи. В этой геометрии и с Cu является самым тяжелым компонентом образца, согласно ур. 2, разрозненные снаряды не могли попасть в детектор. ^[1] Чтобы предотвратить наложение сигналов от этих отскочивших ионов, необходимо было установить предел 500 Гц для скорости счета ΔΕ импульсов. ^[1] Это соответствовало токам пучка менее 20 пА частиц. ^[1]

Другой пример анализа тонких пленок - BaBiKO. Этот тип пленки показал сверхпроводимость при одной из самых высоких температур для оксидных сверхпроводников. ^[1] Элементный анализ этой пленки, показанный на рисунке 9, был проведен с использованием тяжелых ионов ERDA. Эти элементарные составляющие полимерной пленки (Bi, K, Mg, O, а также углеродное загрязнение) были обнаружены с помощью ионизационной камеры. Кроме калия, более легкие элементы четко разделены в матрице. ^[1] Матрица свидетельствует о сильном загрязнении пленки углеродом. Некоторые пленки показали соотношение содержания калия и углерода 1: 1. ^[1] Для этого конкретного анализа пленки источник загрязнения был отслежен до масляного диффузионного насоса и заменен безмасляной насосной системой.^[1]

ERDA и разрешение положения [ править ]

В приведенных выше примерах основное внимание уделялось идентификации составляющих частиц, обнаруженных в тонких пленках, а разрешение по глубине имело меньшее значение. ^[1] Разрешение по глубине имеет большое значение в приложениях, когда необходимо измерить профиль элементного состава образцов в различных слоях образцов. Это мощный инструмент для определения характеристик материалов. Возможность количественного определения концентрации элементов в подповерхностных слоях может предоставить большой объем информации, относящейся к химическим свойствам. Высокая чувствительность, т.е. большой телесный угол детектора, может сочетаться с высоким разрешением по глубине только в том случае, если соответствующий кинематический сдвиг энергии компенсируется. ^[1]

Физические процессы анализа обнаружения упругой отдачи [ править ]

Основная химия процесса прямого рассеяния отдачи считается взаимодействием заряженных частиц с веществами. Чтобы понять спектрометрию прямой отдачи, мы должны знать физику упругих и неупругих столкновений. При упругом столкновении в процессе рассеяния сохраняется только кинетическая энергия, а внутренняя энергия частицы не играет никакой роли. Где, как в случае неупругого столкновения, в процессе рассеяния участвуют как кинетическая энергия, так и внутренняя энергия. ^[33] Физические концепции двухчастичного упругого рассеяния лежат в основе нескольких ядерных методов определения характеристик элементарного материала.

Основы спектрометрии отдачи (обратного рассеяния) [ править ]

Фундаментальные аспекты при работе со спектроскопией отдачи включают в себя процесс обратного рассеяния электронов на таких веществах, как тонкие пленки и твердые материалы. Потери энергии частицами в материалах мишени оцениваются, исходя из предположения, что образец мишени однороден с боковых сторон и состоит из моноизотопного элемента. Это позволяет установить простую взаимосвязь между профилем глубины проникновения и коэффициентом упругого рассеяния ^[34]

Основные положения в физических концепциях спектрометрии обратного рассеяния [ править ]

• Упругое столкновение между двумя телами - это передача энергии от снаряда молекуле-мишени. Этот процесс зависит от концепции кинематики и восприимчивости массы.
• Вероятность столкновения дает информацию о сечении рассеяния.
• Средняя потеря энергии атома, движущегося в плотной среде, дает представление о сечении остановки и способности восприятия глубины.
• Статистические флуктуации, вызванные потерей энергии атомом при движении в плотной среде. Этот процесс приводит к концепции распределения энергии и ограничению предельного разрешения по глубине и массе в спектроскопии обратного рассеяния. ^[35]

Физические концепции, которые очень важны при интерпретации спектра прямой отдачи, - это профиль глубины, рассеяние энергии и многократное рассеяние. ^[36] Эти концепции подробно описаны в следующих разделах:

Профиль глубины и анализ разрешения [ править ]

Ключевым параметром, характеризующим спектрометрию отдачи, является разрешение по глубине. Этот параметр определяется как способность аналитического метода измерять изменение распределения атомов в зависимости от глубины в слое образца.

С точки зрения низкоэнергетической спектрометрии прямой отдачи, профилирование по водороду и дейтерию может быть выражено в математической нотации. ^[37]

Δx = ΔE _общий / (dE _det / dx)

где δE _det определяет энергетическую ширину канала в многоканальном анализаторе, а dE _det / dx - эффективная тормозная способность отброшенных частиц.

Рассмотрим входящие и исходящие ионные пучки, которые рассчитываются как функция глубины столкновения, учитывая, что две траектории лежат в плоскости, перпендикулярной поверхности мишени, а входящие и исходящие пути являются кратчайшими из возможных для заданной глубины столкновения и заданного рассеяния и отдачи. углы.

Падающие ионы достигают поверхности под углом θ ₁ с направленной внутрь нормалью к поверхности. После столкновения их скорость составляет угол θ ₁ с нормалью к внешней поверхности; и атом, первоначально находящийся в состоянии покоя, отталкивается от этой нормали , составляя угол θ ₁ . Обнаружение возможно под одним из этих углов как таковым, когда частица пересекает поверхность цели. Пути частиц связаны с глубиной столкновения x, измеренной по нормали к поверхности. ^[36]

Этот рисунок представляет собой плоское изображение рассеянного снаряда на поверхности цели, когда и входящий, и исходящий пути перпендикулярны поверхности цели.

Для падающего иона длина входящего пути L ₁ определяется как:${\displaystyle L_{1}={\frac {x}{\cos \theta _{1}}}}$

Длина исходящего пути L ₂ рассеянного снаряда составляет:${\displaystyle L_{2}={\frac {x}{\cos \theta _{2}}}}$

И, наконец, исходящий путь отдачи L ₃ :${\displaystyle L_{3}={\frac {x}{\cos \theta _{3}}}}$

Этот рисунок представляет собой плоское представление траектории иона отдачи на поверхности мишени, когда и входящий, и выходящий траектории перпендикулярны поверхности цели.

В этом простом случае плоскость столкновения перпендикулярна поверхности мишени, угол рассеяния падающего иона составляет θ = π-θ ₁ -θ _2, а угол отдачи равен φ = π-θ ₁ -θ ₃ .

Угол цели с плоскостью столкновения принимается как α, а путь увеличивается в 1 / cos α.

Для преобразования исходящей частицы в глубину столкновения выбираются геометрические факторы.

Для отдачи R (φ, α) определяется как sin L ₃ = R (φ, α) L ₁

${\displaystyle R(\phi ,\alpha )={\cos \theta _{1}\cos \alpha } \over {\sin \phi {\sqrt {\cos ^{2}\alpha -\cos ^{2}\theta _{1}}}-\cos \theta _{1}\cos \phi }}$

Для прямого рассеяния снаряда R (φ, α) на: L ₂ = R (θ, α) L ₁ R (θ, α) = cos θ ₁ cosα / Sin θ√ (cos ² α-cos ² θ ₁ ) -cosθ ₁ cosθ

На рисунке ниже представлена ​​геометрическая конфигурация спектрометрии отдачи. Пути рассеянных частиц считаются L ₁ для падающего луча, L ₂ для рассеянной частицы и L ₃ для отброшенных атомов.

Соотношение энергетической глубины [ править ]

^[38]

Энергия E ₀ (x) падающей частицы на глубине (x) до ее начальной энергии E _{0, при} которой происходит рассеяние, задается следующими уравнениями. (Тирира. Дж., 1996)

${\displaystyle E_{0}(x)=E_{0}-\int _{0}^{(x/\cos \theta 1)}S(E)\,dL_{1}---Equation(1)}$

аналогично выражение энергии для рассеянной частицы:${\displaystyle E_{1}(x)=KE_{0}(x)-\int _{0}^{(x/\cos \theta 2)}S(E)\,dL_{2}---Equation(2)}$

а для атома отдачи:${\displaystyle E_{2}(x)=K'E_{0}(x)-\int _{0}^{(x/\cos \theta 3)}Sr(E)\,dL_{3}---Equation(3)}$

Потери энергии на единицу пути обычно определяются как тормозная способность и выражаются следующим образом:${\displaystyle S={\frac {dE}{dx}}}$

В частности, тормозная способность S (E) известна как функция энергии E иона.

Отправная точка для расчета потерь энергии проиллюстрирована выражением:

${\displaystyle \Delta E=\int _{0}^{\Delta x}{\frac {dE}{dx}}\,dx}$

Применяя приведенное выше уравнение и сохранение энергии. Показывает выражения в 3 случаях ^[39]

${\displaystyle L_{1}=\int _{E_{0}(x)}^{E_{0}}{\frac {dE}{S(E)}}}$

${\displaystyle L_{2}=\int _{E_{1}(x)}^{E_{0}1(x)}{\frac {dE}{S(E)}}}$

${\displaystyle L_{3}=\int _{E_{2}(x)}^{E_{0}2(x)}{\frac {dE}{Sr(E)}}}$

где E ₀₁ (x) = KE ₀ (x) и E ₀₂ (x) = K'E ₀ (x)

S (E) и S_r (E) - тормозящие способности для снаряда и отдачи в материале Target.

Окончательно сечение остановки определяется как ɛ (E) = S (E) / N

ɛ - коэффициент поперечного сечения остановки.

Чтобы получить масштаб траектории энергии, нам необходимо оценить изменение энергии δE ₂ выходящего пучка энергии E2 от поверхности мишени для приращения δx глубины столкновения, здесь E ₀ остается фиксированным. Очевидно, это вызывает изменения в длинах пути L ₁ и L _3, изменение пути вокруг точки столкновения x связано с соответствующим изменением энергии перед рассеянием:

δL1 = δE ₀ (x) / S [E ₀ (x) ----- Уравнение 5

Более того, частицы с небольшой разницей в энергии после рассеяния с глубины x претерпевают небольшие потери энергии на своем исходящем пути. Тогда изменение δ L3 длины пути L3 можно записать как δL3 = δ (K'E ₀ (x)] / Sr [K'E0 (x)) + δ (E ₂ ) / S _r E ₂ ) --- --Уравнение 6

δ L1 - это изменение траектории из-за изменения энергии сразу после столкновения, а δ L3 - изменение траектории из-за изменения потерь энергии на внешнем пути. Решая уравнения 5 и 6, рассматривая δ x = 0 для производной dL1 / dE2 с L3 = R (φα) L1, получаем

dL1 / dE2 = 1 / {S _r (E ₂ ) / S _r [K'E ₀ (x)]} {[R (φ, α) S _r [K'E ₀ (x) + K'S [E ₀ ( x)]} ----------- Уравнение 7

В упругой спектрометрии термин [S] называется коэффициентом потерь энергии [S] = K'S (E (x)) / Cos θ ₁ + S _r (K'E (x)) 2Cos θ ₂ ------ ----------- Уравнение 8

окончательное сечение остановки определяется как ε (E) ≡S (E) / N, где N - атомная плотность материала мишени.

Коэффициент торможения поперечного сечения [ε] = ((K ^ 'ε (E (x))) / cos θ ₁ ) + (ε _r (K ^' E (x)) / cosθ ₃ ) ------- -Уравнение 9

Разрешение глубины [ править ]

Важным параметром, характеризующим спектрометр отдачи, является разрешение по глубине. Он определяется как способность аналитического метода обнаруживать изменение распределения атомов в зависимости от глубины. Способность разделять энергию в системе отдачи, возникающую из-за небольших интервалов глубины. Выражение для разрешения по глубине дается как

δR _x = δE _T / [{S _r (E ₂ ) / S _r K'E ₀ (x)}] [R (φ, α) S _r K'E ₀ (x) + K'SE ₀ (x) ] ----------- Уравнение 10

Где δE _T - полное энергетическое разрешение системы, а огромное выражение в знаменателе - это сумма интегралов по траектории исходных, рассеянных пучков и пучков ионов отдачи. ^[40]

Практическое значение разрешения глубины [ править ]

Концепция разрешения по глубине представляет собой способность спектрометрии отдачи разделять энергии рассеянных частиц, которые произошли на несколько разных глубинах. ΔRx интерпретируется как абсолютный предел для определения профиля концентрации. С этой точки зрения профиль концентрации, разделенный интервалом глубин порядка δRx, был бы неразличим в спектре, и, очевидно, невозможно получить точность лучше, чем δRx, для определения профиля глубины. В частности, тот факт, что сигналы, соответствующие особенностям профиля концентрации, разделенным менее чем на δRx, сильно перекрываются в спектре.

Конечное окончательное разрешение по глубине, являющееся результатом как теоретических, так и экспериментальных ограничений, имеет отклонение от точного результата при рассмотрении идеальной ситуации. Окончательное разрешение не совпадает с теоретической оценкой, такой как классическое разрешение по глубине δRx, именно потому, что оно является результатом трех членов, которые ускользают от теоретических оценок: ^[36]

• Неопределенность из-за приближений распределения энергии между молекулами.
• Несоответствие данных по тормозным способностям и значениям сечений.
• Статистические колебания отдачи (счетный шум)

Влияние расширения энергии на спектр отдачи [ править ]

Рассеивание: потеря энергии частицей в плотной среде носит статистический характер из-за большого количества индивидуальных столкновений между частицей и образцом. Таким образом, эволюция первоначально моноэнергетического и однонаправленного луча приводит к разбросу энергии и направления. Полученное статистическое распределение энергии или отклонение от начальной энергии называется распределением энергии. Данные о распределении энергии отображаются как функция глубины в материале. ^[41]

Теории разброса энергии: Распределение разброса энергии разделено на три области в зависимости от отношения ΔE, т.е. ΔE / E, где ΔE - средняя потеря энергии, а E - средняя энергия частицы вдоль траектории. ^[41]

1. Низкая доля потерь энергии: для очень тонких пленок с малой длиной пробега, где ΔE / E ≤ 0,01, Ландау и Вавилов ^[42] пришли к выводу, что нечастые одиночные столкновения с большой передачей энергии вносят вклад в определенную потерю энергии.

2. Средняя доля потерь энергии: для регионов 0,01 <ΔE / E ≤ 0,2. Модель Бора, основанная на электронных взаимодействиях, полезна для оценки разброса энергии в этом случае, и эта модель включает количество разброса энергии в терминах поверхностной плотности электронов, проходящих через пучок. ^[43] Стандартное отклонение Ω ₂ B распределения энергии определяется как: Ω ² B = 4π ((Z ₁ e ² ) ² NZ ₂ ∆x, где NZ ₂ ∆x - количество электронов на единицу площади на длине пути приращение Δx.

3. Большая доля потерь энергии: для дробных потерь энергии в области 0,2 <ΔE / E ≤ 0,8 зависимость тормозной способности от энергии приводит к тому, что распределение потерь энергии отличается от функции страггинга Бора. Следовательно, теория Бора неприменима для этого случая. ^[41] В этом случае были достигнуты различные теоретические успехи в понимании распределения энергии. ^[44] Выражение энергии для разброса, предложенное Саймоном в области 0,2 <ΔE / E ≤ 0,5, является функцией импульсов Mi (Mi = M ₁ + M _2, где M ₁ - тормозная способность, M ₂ - вариация в отставание с глубиной останавливающего действия) ^[45]

Tschalar et al. ^{В [41] была} получена функция распределения, решая дифференциальное уравнение: d Ω ² / dx = S (E). D Ω ² / dE

Выражение Чалара, которое справедливо для почти симметричных спектров потерь энергии, ^[46] : Ω ² T = S ² [E (x)] σ ² (E) dE / S ³ (E)

Где σ ² (E) представляет собой разброс энергии на единицу длины (или) дисперсию распределения потерь энергии на единицу длины для частиц с энергией E. E (x) - средняя энергия на глубине x.

Массовое разрешение [ править ]

Точно так же разрешение по массе - это параметр, который характеризует способность спектрометрии отдачи разделять два сигнала, исходящие от двух соседних элементов в цели. Разница в энергии δE ₂ атомов отдачи после столкновения, когда два типа атомов различаются своими массами на величину δM _2, составляет ^[36]

δE ₂ / δM ₂ = E ₀ (dK '/ dM ₂ )

δE ₂ / δM ₂ = 4E ₀ (M ₁ (M ₁ -M ₂ ) cos ² φ / (M ₁ + M ₂ ) ^2).

Массовое разрешение δMR (δE ₂ / δM ₂ ).

Основным ограничением использования луча низкой энергии является уменьшенное разрешение по массе. Энергетическое разделение различных масс на самом деле прямо пропорционально падающей энергии. Массовое разрешение ограничено относительной E и скоростью v.

Выражение для разрешения по массе: ΔM = √ (∂M / ∂E.∆E) ² + √ (∂M / ∂v.∆v) ²

ΔM = M (√ ((ΔE) / E) ² + √ (2.Δv / v) ² )

E - энергия, M - масса, v - скорость пучка частиц. ΔM - приведенная разница масс.

Схема многократного рассеяния в спектрометрии прямой отдачи [ править ]

^[36]

Когда ионный пучок проникает в вещество, ионы подвергаются последовательному рассеянию и отклоняются от первоначального направления. Пучок ионов на начальной стадии хорошо коллимирован (одно направление), но после прохождения через толщину Δx в случайной среде их направление распространения света определенно отличается от нормального. В результате могут возникать как угловые, так и боковые отклонения от начального направления. ^[47] Эти два параметра обсуждаются ниже. Следовательно, длина пути будет увеличена, чем ожидалось, что вызовет флуктуации ионного пучка. Этот процесс называется многократным рассеянием, и он носит статистический характер из-за большого количества столкновений.

Боковое смещение Случай 1

Колебания ионного пучка из-за боковых отклонений на поверхности мишени объясняются рассмотрением многократного рассеяния ионного пучка, направленного в x - направлении. ^[48]

Угловое отклонение Случай 2

На приведенном ниже рисунке наблюдается значительная разница между площадью гауссова пика (идеальное состояние) и пиком с отклонением по углу. ^[49], а α - угол, обусловленный угловым отклонением пучка ионов, прошедшего сквозь вещество.

Теория и экспериментальные работы, связанные с явлениями многократного рассеяния [ править ]

^[36]

При изучении явления многократного рассеяния угловое распределение луча является важной величиной, которую необходимо учитывать. Боковое распределение тесно связано с угловым, но вторично по отношению к нему, поскольку боковое смещение является следствием углового расхождения. Боковое распределение представляет собой профиль пучка в веществе. как поперечное, так и угловое распределение множественного рассеяния взаимозависимы. ^[50]

Анализ множественного рассеяния был начат Боте (Bothe, W, 1921) и Вентцелем (Wentzel, G, 1922) в двадцатых годах прошлого века с использованием хорошо известного приближения малых углов. Физика распределения энергии и многократного рассеяния была развита Уильямсом довольно далеко с 1929 по 1945 год ^[51].Уильямс разработал теорию, которая состоит из подгонки распределения многократного рассеяния как части гауссовского типа из-за малых углов рассеяния и хвоста единичного столкновения из-за больших углов. Уильям, EJ, изучал рассеяние бета-частиц, многократное рассеяние быстрых электронов и альфа-частиц и следы кривизны облаков из-за рассеяния, чтобы объяснить многократное рассеяние в различных сценариях, и он предложил возникновение среднего отклонения проекции из-за рассеяния. Позднее его теория распространилась на многократное рассеяние альфа-частиц. Гоудсмит и Сондерсон представили более полное рассмотрение множественного рассеяния, включая большие углы. ^[52] Для больших углов Гоудсмит рассмотрел ряд полиномов Лежандра, которые численно вычисляются для распределения рассеяния. Угловое распределение от кулоновского рассеяния было подробно изучено Мольером (Molière, 1948) и продолжено Марион с соавторами. Мэрион, Дж. Б., и Янг, Ф. К., в своем анализе ядерных реакций предоставили табличную информацию о потерях энергии заряженными частицами в веществе, многократном рассеянии заряженных частиц, разбросе протонов, дейтронов и альфа-частиц по дальности, равновесных зарядовых состояниях ионов в твердых телах и энергии упругорассеянных частиц. ^[53] Скотт представляет полный обзор основ теории, математических методов, а также результатов и приложений. ^[47]Сравнительное развитие многократного рассеяния на малые углы представлено Мейером на основе классического расчета одиночного сечения. ^[54] Зигмунд и Винтербон пересмотрели вычисления Мейера, чтобы распространить их на более общий случай. Марвик и Зигмунд выполнили разработку по боковому распространению методом многократного рассеяния, в результате чего было получено простое масштабное соотношение с угловым распределением. ^[55]

Приложения [ править ]

HI-ERDA и LI-ERDA имеют схожие применения. Как упоминалось ранее, единственное различие между двумя методами заключается в энергии источника, используемого для бомбардировки образца.

ERDA, в общем, имеет множество приложений в областях науки о полимерах, материаловедения - полупроводниковых материалов, электроники и определения характеристик тонких пленок. ^[56] ERDA широко используется в науке о полимерах. ^[57] Это связано с тем, что полимеры - это материалы, богатые водородом, которые могут быть легко изучены LI-ERDA. Можно изучить поверхностные свойства полимеров, полимерных смесей и эволюцию полимерной композиции под действием облучения. HI-ERDA также может использоваться в области обработки новых материалов для микроэлектроники и оптоэлектронных приложений. Более того, элементный анализ и профилирование тонких пленок по глубине также можно выполнять с помощью ERDA.

Пример того, как ученые могут использовать ERDA, показан ниже. В одном из экспериментов, проведенных Компсото и др., Спектр ERDA был получен для тонкой пленки полистирола (PS) на матрице из дейтерированного полистирола (dPS) после отжига в течение 240 секунд при 171 ° C. Этот спектр показан на рисунке 16 слева.

Следует отметить, что приведенный выше график представляет собой просто нормализованный выход для каждого номера канала от тонкого слоя dPS (около 200 ангстрем) поверх толстого PS. Нормализованный выход - это обычно количество обнаруженных атомов. Однако формирование каналов происходит, когда пучок ионов тщательно выровнен с основным направлением симметрии монокристалла, таким как ось кристалла или плоскость. В этом состоянии большая часть луча направляется через каналы, образованные цепочкой атомов. Каналированные частицы не могут подойти достаточно близко к атомным ядрам, чтобы подвергнуться рассеянию. Затем было выполнено несколько математических операций с помощью электроники, чтобы получить профиль концентрации в зависимости от глубины, как показано ниже на рисунке 17. Пожалуйста, обратитесь к источнику для подробного объяснения математических уравнений.

В дополнение ко всем этим приложениям, ERDA является одним из методов отслеживания механизма переноса элементов. Что еще более важно, перенос водорода вблизи границ раздела, вызванный коррозией и износом, можно исследовать с помощью ERDA. ^[58] ERDA также может использоваться для диагностики состава в различных средах. ^[59]

Описание того, как молекулы полимера ведут себя на свободных полимерных поверхностях, на границах раздела между несовместимыми полимерами и на границах раздела с неорганическими твердыми веществами, имеет решающее значение для нашего фундаментального понимания и улучшения характеристик полимеров в высокотехнологичных приложениях. Например, адгезия двух полимеров сильно зависит от взаимодействий, происходящих на границе раздела между сегментами полимера. LI-ERDA - один из наиболее привлекательных методов количественного исследования этих аспектов науки о полимерах.

Типичный спектр LI-ERDA, полученный с использованием этого метода для изучения концентрации элементов и профиля глубины полимеров, показан на рисунке 18 ниже. Это ERDA-спектры тонкой (20 нм) индикаторной пленки dPS на толстой (500 нм) матрице PS.

С помощью этого метода можно измерить профили водорода и дейтерия с использованием различных смесей полимеров. Грин и Рассел ^[60] изучали сегрегацию дейтерированного сополимера полистирола / полиметакрилата на границе раздела полистирола и гомополимера полиметилметакрилата на границе раздела полистирола и гомополимера полиметилметакрилата с использованием ERDA с ионами 4He + с энергией 2,8 МэВ. Они также изучали интерфейсные свойства структур сополимеры / Al или Si. ^[60] На рисунке 19 показаны полученные результаты, которые представляют собой типичный ERD-спектр выхода в зависимости от энергии цепей блок-сополимера P (dSbd-MMA), которые сегрегированы на границе раздела гомополимеров PS и PMMA.

Затем этот профиль можно преобразовать в объемную долю в зависимости от глубины после выполнения нескольких математических операций для получения рисунка 20. На показанном рисунке 20 заштрихованная область представляет собой избыток границы раздела фаз. Фаза PS расположена при x <0, тогда как фаза PMMA расположена при x> 0. ^[60] Пожалуйста, обратитесь к источнику, чтобы получить полный анализ рисунка.

Таким образом, авторы смогли увидеть, что цепи сополимера сегрегируют в межфазной области между фазами гомолимера PS и PMMA и при повышенных температурах, в то время как другие остаются в объеме. ^[60] Подобные исследования можно легко провести, используя методику ERDA.

Профиль, который находится в диапазоне энергий от 600 до 1000 кэВ, представляет собой водород из гомополимеров, а другой профиль, который находится между 1000 и 1400 кэВ, представляет собой профиль дейтерия из цепей сополимера. ^[60]

Ионная имплантация - один из методов, используемых для преобразования физических свойств полимеров и улучшения их электрических, оптических и механических характеристик. ^[58] Ионная имплантация - это метод, с помощью которого ионы материала ускоряются в электрическом поле и воздействуют на материалы таким образом, что ионы вставляются в этот материал. У этой техники есть много важных применений. Одним из таких примеров является введение серебряной плазмы в биомедицинский титан. Это важно, потому что имплантируемые устройства на основе титана, такие как протезы суставов, устройства для фиксации переломов и зубные имплантаты, важны для жизни людей и улучшения качества жизни пациентов. ^[61]Однако биомедицинский титан не обладает способностью к интеграции Osseo и антибактериальной способностью. Плазменная иммерсионная ионная имплантация (PIII) - это физический метод, который может улучшить многофункциональность, механические и химические свойства, а также биологическую активность искусственных имплантатов и биомедицинских устройств. ERDA можно использовать для очень эффективного изучения этого явления. Более того, многие ученые измерили эволюцию электропроводности, оптической прозрачности, коррозионной стойкости и износостойкости различных полимеров после облучения электронами или легкими ионами низкой энергии или тяжелыми ионами высокой энергии. ^[58]

Электронные устройства обычно состоят из последовательных тонких слоев, состоящих из оксидов, нитридов, силикадов, металлов, полимеров или сред на основе легированных полупроводников, покрытых монокристаллической подложкой (Si, Ge или AsGa). ^[58] Эти структуры могут быть изучены HI-ERDA. Этот метод имеет одно важное преимущество перед другими методами. Профиль примесей может быть найден путем однократного измерения при постоянной падающей энергии. ^[62] Кроме того, этот метод дает возможность изучить профили плотности водорода, углерода и кислорода в различных материалах, а также абсолютное содержание водорода, углерода и кислорода.

Для изучения состава тонких пленок требуется сочетание методов. Ионно-лучевые методы - комбинация RBS и анализа обнаружения упругой отдачи оказалась привлекательным способом изучения элементного состава образцов, а также профилей тонких пленок по глубине. Метод ERDA позволяет разделить массы и энергии рассеянных падающих ионов и отскочивших атомов мишени. Это особенно полезно для профилирования легких элементов, таких как H, B, C, N и O, при наличии более тяжелого материального фона. Таким образом, это оказалось полезным методом при изучении состава тонких пленок. Также можно изучить зависимость профиля плотности водорода от особенностей обработки и обслуживания, а также влияние введенного водорода на диэлектрические свойства пятиокиси дитантала.

Синонимы и сокращения [ править ]

• ERD = Обнаружение упругой отдачи ^[63]
• ERDA = Анализ обнаружения упругой отдачи ^[64]
• FRS = Спектрометрия прямой отдачи ^[65]
• FReS = Спектрометрия прямой отдачи ^[66]
• HFS = прямое рассеяние водорода ^[67]

Ссылки [ править ]