ионного рассеяния спектроскопия

ИОННОГО РАССЕЯНИЯ СПЕКТРОСКОПИЯ

изучает распределение по энергиям (энергетич. спектр) ионов, упруго рассеянных поверхностью под определенным углом q. Спектр получают при действии на исследуемую поверхность моноэнергетич. пучков ионов. По положению пиков такого спектра идентифицируют элементы, а по высоте пиков определяют концентрацию последних. Кроме того, исследуя энергетич. спектр в зависимости от углов падения и рассеяния, можно получить информацию о структуре поверхности. Энергию иона, упруго рассеянного под углом q при однократном парном столкновении, можно рассчитать по формуле E = E_п(1 + М/т)⁻² {cosq + [(M²/m²) — sin²q]^1/2}² = КЕ_п, где Е_п — энергия первичных ионов, М — масса атомов образца, m — масса первичных ионов, К — коэф. рассеяния ионов. Формула справедлива при М/т > 1. Зная величины m, E_п, q, а также заряд (степень нейтрализации) рассеянных частиц и измерив Е, можно рассчитать M и идентифицировать поверхностные атомы. В зависимости от энергии первичных ионов различают спектроскопию рассеяния медленных ионов (E_п = 10⁻¹⁷ — 10⁻¹³ Дж) и спектроскопию рассеяния быстрых ионов (Е_п = 10⁻¹⁴— 10⁻¹³ Дж), наз. также спектроскопией резерфордовского или обратного ядерного рассеяния. В спектроскопии рассеяния медленных ионов в ионизованном состоянии покидает поверхность лишь 0,1–1% однократно рассеянных ионов. Т. к. зависимость К от сечений рассеяния и эффективность нейтрализации точно неизвестны, то количеств. определения проводят в осн. по эмпирич. градуировочным зависимостям. Аппаратура состоит из источника однозарядных моноэнергетич. ионов инертных газов (обычно Не⁺, Ne⁺, Ar⁺), напр. дуоплазмотрона с полым катодом, вакуумной камеры с давлением остаточных газов < 10⁻⁷ Па, держателя мишени, позволяющего вращать образец относительно направления первичного пучка, и энергетич. спектрометра (чаще всего электростатич. анализатора). При этом можно анализировать поверхностные монослои толщиной ~ 0,5 нм. В спектроскопии рассеяния быстрых ионов в качестве источника первичных ионов (в осн. α-частиц) используют электростатич. генератор, тандемный ускоритель ионов или циклотрон. Ускоритель ионов должен давать высокомонохроматичные пучки первичных ионов в широком интервале E_п. Для регистрации энергетич. спектра рассеянных ионов обычно применяют полупроводниковый детектор (с разрешением 5–20 кэВ) в сочетании с многоканальным анализатором импульсов. Количеств. интерпретация данных о рассеянии быстрых ионов проще, чем в случае медленных ионов, и проводится с применением резерфордовского закона рассеяния, когда эффектом экранирования ядер электронами можно пренебречь. Частица, отраженная от поверхности твердого тела, обладает большей энергией, чем частица, отраженная от внутр. слоев мишени. Потери энергии связаны с электронным и ядерным торможением внутри твердого тела. Т.к. сечение рассеяния невелико, часть ионов, проникнувших в глубь мишени, двигается по прямой, испытывая в осн. электронное торможение. После соударения с атомом, в результате которого направление движущегося иона меняется на угол > 90° (обратное рассеяние), он под действием электронного торможения опять по прямой направляется к поверхности материала. Таким образом, фиксируя спектры энергетич. потерь обратнорассеянных ионов, можно без разрушения образца получить информацию о распределении определяемого элемента по глубине. Например, используя рассеяние α-частиц с энергией ~ 10⁻¹³ Дж, можно исследовать слои толщиной в доли мкм с разрешением по глубине ~ 20 нм без послойного травления, которое необходимо в случае использования медленных ионов. Разрешение по глубине зависит от массы и энергии первичных ионов, массы атомов материала и энергетич. разрешения регистрирующей аппаратуры. По величине потерь энергии можно определять также толщину пленок на подложках. Пределы обнаружения элементов в И. р. с. достигают 10 %. Этот метод применяют в осн. для определения тяжелых примесей в легких основах: с использованием медленных ионов — на реальной поверхности, с использованием быстрых ионов — в субмикронных поверхностных слоях твердых тел (гл. обр. полупроводников).

^{Лит.: Петров Н. Н., Аброян И. А., Диагностика поверхности с помощью ионных пучков, Л., 1977; Пранявичюс Л., Дудонис Ю., Модификация свойств твердых тел ионными пучками, Вильнюс, 1980; Черепин В. Т., Васильев М. А., Методы и приборы для анализа поверхности, К., 1982.}

_{Ф. А. Гимельфарб}