Обнаружение упругой отдачи - Elastic recoil detection

Эта статья может требовать уборка встретиться с Википедией стандарты качества. Конкретная проблема: Макет математических формул. Пожалуйста помоги улучшить эту статью если вы можете. (Февраль 2018 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

Анализ обнаружения упругой отдачи (ERDA), также называемое прямым рассеянием отдачи (или, в контексте, спектрометрией), является методом ионно-лучевого анализа в материаловедение для получения профилей концентрации элементов по глубине в тонкие пленки.^[1] Этот метод известен под несколькими разными названиями. Эти имена перечислены ниже. В технике ERDA энергичный ионный пучок направлен на образец, который необходимо охарактеризовать, и (как в Резерфордовское обратное рассеяние ) существует упругое ядерное взаимодействие между ионы луча и атомы целевого образца. Такие взаимодействия обычно Кулон природа. В зависимости от кинетика из ионы, поперечное сечение области и потери энергии ионов в веществе, анализ обнаружения упругой отдачи помогает определить количественную оценку элементный анализ. Он также предоставляет информацию о глубине профиля образца.

Падающие энергичные ионы могут иметь широкий диапазон значений энергия 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 высоких энергий, кажется, что этот метод относительно реже используется для определения характеристик материалов.^[4] но, тем не менее, имеется в продаже.^[5] Кроме того, для правильного анализа образца необходимо учитывать угол падения ионного пучка на образец. Это потому, 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, что трудно получить идеальное сочетание источника, угла падения и детектора, чтобы получить наилучшие характеристики. 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 придерживаются схожей теории, но с небольшими различиями в постановке эксперимента. В случае RBS детектор размещается сзади образца, тогда как в ERDA детектор размещается спереди.

Сравнительный анализ

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 приведены сравнения нескольких методов.

Таблица 1: Сравнение методов с характерными свойствами

Характеристики ERDA

Основные характеристики ERDA перечислены ниже.^[1]

• Одновременно можно анализировать различные элементы, 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.
• Газоионизационный детектор 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 привели к тому, что многие группы и ученые начали исследовать применение ERDA.

История

ERDA была впервые продемонстрирована L’Ecuyer et al. в 1976 году. Они использовали 25-40 МэВ ³⁵Ионы Cl использовались для обнаружения отдачи в образце.^[8] По прошествии более чем трех десятилетий ERDA разделилась 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 этой методике 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, размещенную перед детектором для блокировки 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 профиле глубины всех элементов пробы 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 перед другими методами анализа поверхности.^[10] Кроме того, с помощью этого метода может быть достигнута доступная глубина 300 нм.^[11] Широкий спектр ионных пучков, включая ³⁵Cl, ⁶³Cu, ¹²⁷Я и ¹⁹⁷В этой технике может использоваться золото с разной энергией, 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.

Основные особенности ERDA

ERDA очень похожа на RBS, но вместо обнаружения снаряда под углом назад, отдача определяется 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 высокой энергии:^[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 характеристикой 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 телескопических детекторов с большой площадью. Этот детектор используется особенно, когда элементы в образце имеют схожие массы. Детекторы телескопа - это один из способов отличить такие элементы в образце, поскольку становится чрезвычайно трудно разделить элементы с помощью обычного детектора.^[1]

Принципы ERDA

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 ¹²⁷I диапазон энергий обычно составляет 60–120 МэВ;^[15] а для пучков средних тяжелых ионов³⁶Cl представляет собой обычный ионный пучок с энергией примерно 30 МэВ.^[1] Что касается приборной части, основное внимание будет уделяться бомбардировке тяжелыми ионами. В E₂ переносится снарядами массой м₁ и энергия E₁ пробовать атомы массы м₂ отдача под углом ϕотносительно направления 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 передачу энергии падающими ионами, ударяющими по атомам образца, и эффект отдачи атомов мишени под углом ϕ. Для более тяжелых ионов в анализе обнаружения упругой отдачи, если м₂/ м₁ << 1, все ионы отдачи имеют одинаковые скорости.^[15] Из предыдущего уравнения можно вывести максимальный угол рассеяния, θ^’_{Максимум}, 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 так, чтобы учесть 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 дан кем-то:^[1]

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

где Z₁ и Z₂ - атомные номера атомов снаряда и образца соответственно.^[1] Для м₂/ м₁ << 1 и с приближением m = 2Z; Z атомный номер Z₁ и Z₂. В уравнении (3) можно увидеть два важных следствия: во-первых, чувствительность примерно одинакова для всех элементов, а во-вторых, она имеет Z₁⁴ зависимость от проектора иона.^[1] Это позволяет использовать низкоэнергетические токи пучка 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 учесть только ядерное взаимодействие, было показано, что отношение отдачи к смещенным атомам не зависит от Z₁ 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 можно написать:^[1]

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

где S_rel - коэффициент относительных потерь энергии, определяемый как:^[1]

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

Вот, α и β - углы падения пучка и выходного иона отдачи соответственно, связанные с углом рассеяния ϕ от 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 вызывая кинематическое распространение энергии δE_родня согласно уравнению 6:^[1]

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

Подробный анализ различных вкладов в разрешение глубины^[18] показывает, что этот кинематический эффект является преобладающим элементом вблизи поверхности, сильно ограничивая допустимый угол приема детектора, в то время как разброс по энергии доминирует в разрешении на большей глубине.^[1] Например, если оценить δϕ для угла рассеяния 37,5 °, вызывающего кинематический сдвиг энергии, сравнимый с типичным разрешением детектора по энергии в 1%, угловой разброс δψ должно 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)   ${ displaystyle E приблизительно KE_ {0}}$

(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 события столкновения, когда более тяжелые ионы в пучке ударяются о образец. K_s называется кинематический фактор для рассеянной частицы (уравнение 8)^[19] с углом рассеяния θ, и отскочившая частица (уравнение 9)^[19] с углом отдачи Φ.^[19] Переменная р представляет собой 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 слева, л, и правильно, р, половинки катода.^[1] Используя следующее уравнение, Икс-координаты положения частиц на входе в детектор могут быть вычислены по зарядам л и р :^[1]

(11)   ${ Displaystyle х = { гидроразрыва {l-r} {l + r}}}$

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

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

Для трансформации (х, у) информация в угол рассеяния ϕ перед входным окном используется съемная калибровочная маска. Эта маска позволяет корректировать Икс и y искажения тоже.^[1] Для подробностей обозначений, катод имеет время дрейфа ионов порядка нескольких мс. Чтобы предотвратить ионное насыщение детектора, необходимо ограничить количество частиц, попадающих в детектор, в 1 кГц.

Приборы

Анализ обнаружения упругой отдачи изначально был разработан для обнаружения водорода.^[20] или легкий элемент (H, He, Li, C, O, Mg, K), профилированный с помощью поглощающей фольги перед детектором энергии для подавления луча.^[1] Использование поглотительной фольги предотвращает попадание пучка ионов с более высокой энергией 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

Рисунок 3: Изображение генератора Ван де Граафа, соединенного с ускорителем частиц^[22]

Ускорители элементарных частиц, такие как магнетрон или циклотрон, создают электромагнитные поля для ускорения элементов.^[23] Атомы должны быть электрически заряжены (ионизированы), прежде чем их можно будет ускорить.^[23] Ионизация включает удаление электронов из атомов мишени. Магнетрон можно использовать 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 показана схематическая диаграмма ECR. На Национальная сверхпроводящая циклотронная лаборатория, электроны нейтральных атомов удаляются с помощью источника ионов ЭЦР.^[23] ECR работает за счет ионизации паров нужных элементов, таких как хлор и йод. Кроме того, используя этот метод, металлы (Au, Ag и т. Д.) Также можно ионизировать с использованием небольшой печи для получения паровой фазы.^[23] Пар поддерживается в магнитном поле, достаточном для ионизации атомов 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, которая образуется из электрического тока, протекающего 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] Циклотронная частота определяется как частота заряженной частицы, движущейся перпендикулярно направлению однородного магнитного поля B.^[24] Поскольку движение всегда круговое, циклотронная частота-ω в радианах / секунду - можно описать следующим уравнением:^[24]

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

где м - масса частицы, ее заряд q, а скорость v. Ионизация - это поэтапный процесс 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] Как только ионы были извлечены из камеры, они затем 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 внимательно 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] показано 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 быть самым трудным. Остановка пучка либо прямым, либо рассеянным методами может быть выполнена только без остановки легких примесных атомов, если он тяжелее (ионы пучка), чем анализируемые примесные атомы.^[26] Преимущества использования абсорбирующих пленок:

1) Большая балка Z₁ приводит к большому сечению Резерфорда, и из-за кинематики столкновений тяжелого и легкого, это сечение практически не зависит от цели, если M₁>> M₂ и M ~ 2Z; это помогает уменьшить фон.^[26]

2) Более высокая тормозная способность обеспечивает хорошее разрешение по глубине ~ 300 Angstrom, 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 приблизительно 1 МэВ / нуклон.^[26] Лучшим кандидатом в целом является ³⁵Пучок ионов хлора; несмотря на то что, ⁷⁹Br даст лучшую чувствительность на порядок по сравнению с ³⁵Пучок ионов хлора. Массовое разрешение детектора при θ = 0 °, тонких образцов 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 потреблять больше тока без нагрева, что снижает его деградацию.^[26]

Детекторы

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

Кремниевый диодный детектор

При анализе обнаружения упругой отдачи кремниевый диод является наиболее распространенным детектором.^[1] Этот тип детектора обычно 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» для определения дальности рассеяния вперед рассеянных тяжелых ионов пучка. Таким образом, ERD из фольги простого диапазона имеет два основных недостатка: во-первых, потеря энергетического разрешения из-за разброса энергии и, во-вторых, неоднородность толщины фольги дальнего действия.^[27] и неотличимость сигналов от различных элементов мишени с отдачей.^[19] Помимо перечисленных недостатков, фольга ERDA-диапазона с кремниевыми детекторами по-прежнему является мощным методом и относительно проста в работе.

Детектор времени полета

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; обнаружение выполняется последовательно (по одному иону в детекторе за раз). Чем дольше 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 ∆E / E детекторы - типа ионизационных камер.^[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 ионов с высокой массой), Gen 2 Ultra Fast (вдвое быстрее традиционных детекторов) и высокотемпературный (работает до 150 ° C) TOF - это лишь некоторые из коммерчески доступных детекторов, интегрированных с функцией определения времени измерения. летные приборы.^[29] Линейный и рефлектронный TOF - наиболее распространенные инструменты.

Детектор ионизации

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 увеличивают разрешение частиц и положения, которые 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, а также кардинальные упрощения 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 рис. 7 показана камера газовой ионизации с изобутаном в качестве газа-детектора.^[21]

Рисунок 7: Камера газовой ионизации, показывающая, как положительные заряды мигрируют к катоду, а отрицательно заряженные ионы мигрируют к разделенному аноду через решетку Фриша.^[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 Сетка Фриша расположен между анодом и катодом. Анод разделен на две пластины, разделенные определенным расстоянием.^[31] С анода сигналы ∆E(потеря энергии), E_{остальные}(остаточная энергия после потери),^[32] и E_малыш (полная энергия E_малыш= ΔΕ + E_{остальные}) а также атомный номер Z можно вывести.^[1] Для этой конкретной конструкции в качестве газа использовался изобутан под давлением 20-90 мбар с электронным управлением расходом (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 детектируются тяжелые ионы, эффект распределения потерь энергии будет легко преодолен за счет изменения потерь энергии, что является прямым следствием различной толщины фольги. Катодный электрод разделен на две изолированные половины, поэтому информация о положении входа частицы получается из зарядов, индуцированных в правой и левой половинах.^[1]

ERDA и определение энергии отскоченных атомов образца

ERDA в геометрии пропускания, где измеряется только энергия возвращающихся 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. С помощью ¹²⁷С помощью ионного пучка можно получить профиль различных элементов и определить степень загрязнения. Высокий уровень углеродного загрязнения может быть связан с отклонениями луча на опоре, например графитовой опоре. 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 от компонентов остаточного газа.^[1] Для ядерных экспериментов высокое загрязнение углерода привело бы к чрезвычайно высокому фону, и результаты экспериментов 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

Как правило, энергетические спектры различных элементов отдачи перекрываются из-за конечной толщины образца, поэтому идентификация частиц необходима для разделения вкладов различных элементов.^[1] Типичные примеры анализа - тонкие пленки TiN._ИксО_y-Cu и BaBiKO. Банка_ИксО_y-Cu-пленки 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._ИксО_y-Cu. При планировании эксперимента важно всегда учитывать геометрию системы, чтобы обеспечить обнаружение отдачи. В этой геометрии и при том, что 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 на скорость 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 тяжелого ионного ERDA. Эти элементарные составляющие полимерной пленки (Bi, K, Mg, O вместе с углеродным загрязнением) 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 должности

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 быть объединена с высоким разрешением по глубине только в том случае, если соответствующий кинематический сдвиг энергии компенсируется.^[1]

Физические процессы анализа обнаружения упругой отдачи.

Основная химия процесса прямого рассеяния отдачи - это взаимодействие заряженных частиц с веществом. Чтобы понять спектрометрию прямой отдачи, мы должны знать физику, участвующую в упругих и неупругих столкновениях. 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 представления о двухчастичном упругом рассеянии лежат в основе нескольких ядерных методов определения характеристик элементарного материала.

Основы спектрометрии отдачи (обратного рассеяния)

Фундаментальные аспекты при работе со спектроскопией отдачи включают в себя процесс обратного рассеяния электронов на таких веществах, как тонкие пленки и твердые материалы. Потеря энергии частицами в материалах мишени оценивается, исходя из предположения, что образец мишени является однородным по латерали и состоит из моно изотопного элемента. Это позволяет установить простую взаимосвязь между профилем глубины проникновения и коэффициентом упругого рассеяния.^[34]

Основные положения физических концепций спектрометрии обратного рассеяния

• Упругое столкновение двух тел - это передача энергии от снаряда молекуле-мишени. Этот процесс зависит от концепции кинематики и воспринимаемой массы.
• Вероятность столкновения дает информацию о сечении рассеяния.
• Средняя потеря энергии атома, движущегося через плотную среду, 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

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, глубинное профилирование водорода и дейтерия может быть выражено в математической нотации.^[37]

Δx = ΔE_Всего/ (dE_Det/ dx)

где δE_Det определяется как энергетическая ширина 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 цели, а входящие и исходящие пути являются кратчайшими из возможных для заданной глубины столкновения и заданного рассеяния и отдачи. углы.

Падающие ионы достигают поверхности, образуя угол θ₁, с направленной внутрь нормалью к поверхности. После столкновения их скорость составляет угол θ₁, с нормалью наружной поверхности; и атом, первоначально находящийся в состоянии покоя, откатывается, образуя угол₁-А с этим нормально. Обнаружение возможно под одним из этих углов, когда частица пересекает поверхность мишени. Пути движения частиц связаны с глубиной столкновения x, измеренной по нормали к поверхности.^[36]

Плоское представление траектории рассеянного снаряда ионного пучка^[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 набегающего пути L₁ дан кем-то :${ displaystyle L_ {1} = { frac {x} { cos theta _ {1}}}}$

Длина исходящего пути L₂ разлетевшегося снаряда составляет:${ displaystyle L_ {2} = { frac {x} { cos theta _ {2}}}}$

И, наконец, исходящий путь L₃ отдачи составляет:${ displaystyle L_ {3} = { frac {x} { cos theta _ {3}}}}$

Плоское представление траектории пучка ионов с отдачей^[36]

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

В этом простом случае плоскость столкновения перпендикулярна поверхности мишени, угол рассеяния падающего иона составляет θ = π-θ.₁-θ₂ & угол отдачи φ = π-θ₁-θ₃.

Угол цели с плоскостью столкновения принимается равным 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 L₃ = R (φ, α) L₁

${ Displaystyle Р ( фи, альфа) = { соз тета _ {1} соз альфа} над { грех фи { sqrt { соз ^ {2} альфа - соз ^ { 2} theta _ {1}}} - cos theta _ {1} cos phi}}$

Для прямого рассеяния снаряда R (φ, α) на: L₂ = R (θ, α) L₁R (θ, α) = cos θ₁cosα / Sin θ√ (cos²α-cos²θ₁) -cosθ₁cosθ

На рисунке ниже представлена ​​геометрическая конфигурация спектрометрии отдачи. Пути рассеянных частиц считаются L₁ для падающего луча, L₂ для рассеянной частицы, а L₃ для отскочивших атомов.

Типичная геометрическая конфигурация спектрометрии отдачи^[36]

Соотношение энергетической глубины

^[38]

Энергия E₀(x) падающей частицы на глубине (x) до ее начальной энергии E₀ где происходит рассеяние, определяется следующими уравнениями. (Тирира. Дж., 1996)

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

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

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

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 закон сохранения 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 E₀₁(x) = KE₀(x) и E₀₂(x) = K'E₀(Икс)

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

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

ɛ - коэффициент поперечного сечения остановки.

Чтобы получить масштаб пути энергии, нам необходимо оценить изменение энергии δE₂ выходящего пучка энергии E2 от поверхности мишени для приращения глубины столкновения δx, здесь E₀ остается фиксированным. Очевидно, это приводит к изменению длины пути L₁ и я₃ изменение пути вокруг точки столкновения x связано с соответствующим изменением энергии перед рассеянием:

δL1 = δE₀(x) / S [E₀(x) ----- Уравнение 5

Более того, частицы с небольшими различиями 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’E₀(x)] / Sr [K’E0 (x)) + δ (E₂) / S_рE₂) ----- 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 наружном пути. Решение уравнений 5 и 6 путем рассмотрения δ x = 0 для производной dL1 / dE2 с L3 = R (φα) L1, дает

dL1 / dE2 = 1 / {S_р(E₂) / S_р[K’E₀(x)]} {[R (φ, α) S_р[K’E₀(x) + K’S [E₀(x)]} ----------- Уравнение 7

В упругой спектрометрии термин [S] называется коэффициентом потерь энергии [S] = K’S (E (x)) / Cos θ.₁ + S_р(K’E (x)) 2Cos θ₂ ----------------- Уравнение 8

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

Коэффициент торможения поперечного сечения [ε] = ((K ^ 'ε (E (x))) / cos θ₁ ) + (ε_р(K ^ 'E (x)) / cosθ₃) -------- Уравнение 9

Разрешение глубины

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

δR_Икс = δE_Т/ [{S_р(E₂) / S_рK'E₀(x)}] [R (φ, α) S_рK'E₀(x) + K'SE₀(x)] ----------- Уравнение 10

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

Практическое значение разрешения глубины

Концепция разрешения по глубине представляет собой способность спектрометрии отдачи разделять энергии рассеянных частиц, которые произошли на немного 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 уширения энергии на спектр отдачи.

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 нанесены на график как функция глубины в материале.^[41]

Теории распределения энергии: распределение энергии разделено на три области в зависимости от отношения ΔE, то есть ΔE / E, где ΔE - средняя потеря энергии, а E - средняя энергия частицы вдоль траектории.^[41]

Распространение неравномерного распределения энергии через вещество в алюминиевой фольге для протонов 19,6 МэВ с различными функциями распределения f_B: Бор, ф_S: Symon, f_Т: Чалар

1. Низкая доля потерь энергии: для очень тонких пленок с малой длиной пробега, где ΔE / E ≤ 0,01, Ландау и Вавилов ^[42] Выяснилось, что нечастые одиночные столкновения с большой передачей энергии вносят определенный вклад в 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 величину разброса энергии в терминах поверхностной плотности электронов, проходящих через пучок.^[43] Стандартное отклонение Ω₂B распределения энергии определяется как: Ω²B = 4π ((Z₁е²)²NZ₂∆xГде NZ₂Δx - число электронов на единицу площади на приращении длины пути 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 для энергии разбегания, предложенное Саймоном в области 0,2 <ΔE / E ≤ 0,5, является функцией импульсов Mi (Mi = M₁+ M₂ где M₁ тормозная способность, М₂ вариация в разбрасывании с глубиной останавливающего действия)^[45]

Tschalar et al.^[41] вывели функцию разброса, решая дифференциальное уравнение: d Ω²/ dx = S (E) .d Ω²/ dE

Выражение Чалара, которое справедливо для почти симметричных спектров потерь энергии,^[46] isΩ² Т = S²[E (x)] σ²(E) dE / S³(E)

Где σ²(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

Аналогичным образом разрешение по массе - это параметр, который характеризует способность спектрометрии отдачи разделять два сигнала, исходящие от двух соседних элементов в цели. Разница в энергии δE₂ атомов отдачи после столкновения, когда два типа атомов различаются массами на величину δM₂ является^[36]

δE₂/ δM₂ = E₀ (dK ’/ dM₂)

δE₂/ δM₂ = 4E₀(M₁(M₁-M₂) cos²φ / (M₁+ M₂)²

Массовое разрешение δMR (≡ δE₂/ δM₂).

Основным ограничением использования луча низкой энергии является пониженное 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.∆v / v)²)

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

Схема многократного рассеяния в спектрометрии прямой отдачи

^[36]

Когда ионный пучок проникает в вещество, ионы подвергаются последовательному рассеянию и отклоняются от исходного 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]

Схема многократного рассеяния, при которой пучок ионов направлен в направлении x. Боковое смещение, перпендикулярное направлению луча, равно ρ (y, z), а α - полное угловое отклонение после проникновения на глубину x

Угловое отклонение Случай 2

На приведенном ниже рисунке наблюдается значительная разница между площадью гауссова пика (идеальное состояние) и пиком с отклонением от угла.^[49] а α - угол, обусловленный угловым отклонением проникающего ионного пучка через вещество.

Распространение углового распределения многократного рассеяния через вещество. Полуширина углового распределения МС равна α_1/2

Теория и экспериментальные работы, связанные с явлениями многократного рассеяния

^[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 многократного рассеяния был начат Боте (Bothe, W, 1921) и Вентцелем (Wentzel, G, 1922) в 19-х годах двадцатого века с использованием хорошо известного приближения малых углов. Физика распределения энергии и множественного 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, Э.Дж., изучал рассеяние бета-частиц, многократное рассеяние быстрых электронов и альфа-частиц, а также следы кривизны облаков из-за рассеяния, чтобы объяснить многократное рассеяние в различных сценариях, и он предложил возникновение среднего отклонения проекции из-за рассеяния. Его теория позже распространилась на многократное рассеяние альфа-частиц. Гоудсмит и Сондерсон представили более полное рассмотрение многократного 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, множественном рассеянии заряженных частиц, разбросе протонов, дейтронов и альфа-частиц по дальности, равновесных зарядовых состояниях ионов в твердых телах и энергии упруго рассеянных 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 единичного сечения.^[54] Зигмунд и Винтербон пересмотрели расчет Мейера, чтобы распространить его на более общий случай. Марвик и Зигмунд выполнили разработку по боковому распространению методом многократного рассеяния, что привело к простому соотношению масштабирования с угловым распределением.^[55]

Приложения

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 полимерной науке.^[57] Это связано с тем, что полимеры - это материалы, богатые водородом, которые могут быть легко изучены LI-ERDA. Можно изучить поверхностные свойства полимеров, смесей полимеров 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.

Ниже показан пример того, как ученые могут использовать ERDA. 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 Angstrom) 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 пучка 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, может быть исследован с помощью ERDA.^[58] ERDA также можно использовать 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 этой техники 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] исследовали 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 + 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 (d-S-b-d-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 легко провести с помощью методики 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 сталкиваются с материалами, так что ионы вставляются в этот материал. Этот метод имеет много важных применений. Одним из таких примеров является введение серебряной плазмы в биомедицинский титан. Это важно, поскольку имплантируемые устройства на основе титана, такие как суставные протезы, 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 среды 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 можно найти при однократном измерении 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 толщины тонких пленок. 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, этот метод оказался полезным при изучении состава тонких пленок. Также можно исследовать зависимость профиля плотности водорода от особенностей обработки и обслуживания, а также влияние введенного водорода на диэлектрические свойства пятиокиси дитантала.

Синонимы и акронимы

• 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]

использованная литература