Ионно-фотонная спектроскопия углеродных соединений

Министерство  образования, науки, молодёжи и спорта Украины

Донецкий  Национальный Университет

Физический  факультет

Кафедра нанофизики 
 
 
 
 
 
 
 

Курсовая  работа

Ионно-фотонная спектроскопия

  углеродных соединений 
 
 
 
 
 

Студента 3 курса

Группы  НФ-2

Специальность нанофизика

Подгорного  Василия 

Научный руководитель

 Д.  ф-м.н Бажин А.И. 

ДонНУ 2011

Содержание:

1. Содержание  ……………………………………………………………………….……1
2. Введение     ………………………………………………………………………….…..2
3. Общие сведения о явлении ионно-фотонной эмиссии (ИФЭ)………………….……3
4. Приборы и оборудование для ионно-фотонной спектроскопии (ИФС)………….…5

1. Источники ионов……………………………………………………………....6
2. Камера взаимодействия и система вакуумной откачки……………………..7
3. Регистрация электромагнитного излучения………………………………...8

5. Экспериментальное исследование Ионно-фотонной эмиссии…………………….11

6. Теоретические представления о возможных механизмах образования    распыленных возбужденных частиц при ионной бомбардировке                     твердых тел………………………………………………………………………..15
7. Применение ИФС  для диагностики поверхности твердых тел…………………….21

 

8. Заключение. Перспективы развития метода…………………………………………27
9. Список литературы……………………………………………………………………28

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

    Использование низкоэнергетического корпускулярного  излучения  обеспечивает качественно  новый уровень решения современных  технологических задач при производстве материалов электронной техники  и фундаментальных физических проблем. Широкое применение ионно-лучевой  технологии и физических приборов с  активными элементами в виде потока заряженных частиц вызывает повышенный интерес к процессам взаимодействия ускоренных ионов с твёрдым телом. В последнее время значительное внимание уделяется применению вторично-эмиссионных процессов, сопровождающих такое взаимодействие для диагностики элементарного состава и структуры поверхности. С использованием этих явлений разработан широкий класс методов исследования поверхности твёрдого тела: вторичная ионная масс-спектрометрия (ВИМС), полевая ионная микроскопия, оже-спектроскопия, спектроскопия резерфордовского  рассеяния и др. Интенсивно развивается диагностика поверхности на основе анализа оптического излучения, возникающего при ионной бомбардировке – ионно-фотонная спектроскопия (ИФС). Излучение или ионно-фотонная эмиссия (ИФЭ) – следствие радиационного девозбуждения рассеянных и распыленных возбужденных частиц и содержит информацию как о механизмах взаимодействия налетающего иона с атомами твёрдого тела, так и о свойствах и структуре поверхности толщиной в несколько атомных слоев. Информативность метода, его высокая чувствительность, приемлемая локальность, а также возможность использования доступного стандартного комплекса спектрометрического оборудования обеспечили его перспективность. 
 
 
 

Общие сведения о явлении ИФЭ

   Как известно, падение быстрых частиц в нейтральном  или заряженном состоянии на поверхность  твердого тела приводит к различным  вторичным процессам, одним из которых  является электромагнитное излучение  рассеянных или распыленных частиц. Из всех видов электромагнитного излучения, называемого ИФЭ, рассмотрим только испускание фотонов распыленными атомами материала мишени. В общем случае спектр ИФЭ состоит из узких линий, молекулярных полос и непрерывного излучения (континуума), природа которого в настоящее время является предметом дискуссии. ИФЭ характеризуется интенсивностью излучения I(l) - числом фотонов, испускаемых из объема свечения в единицу времени в заданном интервале длин волн. Для количественной оценки излучательных переходов более удобная величина - квантовый выход. Суммарный квантовый выход определяется как отношение числа всех фотонов, испущенных во всех направлениях, к числу бомбардирующих ионов. Отдельные невзаимодействующие атомы, в возбужденном состоянии покинувшие твердое тело в результате ионной бомбардировки, могут снять возбуждение излучательным путем, что проявляемся в спектре ИФЭ в виде отдельных эмиссионных спектральных линий. Для эмиссионной линия квантовый выход g вводится как отношение числа фотонов о энергией hν, испущенных во вcех направлениях при переходе атома из возбужденного состояния в другое состояние, к числу бомбардирующих ионов. Интенсивность ИФЭ - единственно доступная для прямых измерений величина, позволяющая получать информацию о других характеристиках распыленных возбужденных атомов, в частности об их распределении по кинетическим энергиям [dN/dE]ex.

   Энергетическое  распределение - часть энергораспределения  распылённых атомов (dN/dE)sput. Однако в общем виде эти распределения не совпадают из-за зависимости процессов возбуждения от энергии взаимодействующих атомов. В современной литературе эту зависимость принято называть функцией возбуждения Р(Е) , где E - либо энергия бомбардирующих ионов, либо энергия распыленных атомов. В первом случае это будет вероятность возбуждения атома, определенная как число возбужденных атомов на один падающий ион с энергией Е, в другом - вероятность распыленной частицы с кинетической энергией Е находиться в возбужденном состоянии. При отлете от мишени возбужденный атом может снять возбуждение и безизлучательным путем за счет взаимодействия c поверхностью твердого тела. Это должно приводить к еще более существенному отличию энергораспределенных атомов, распыленных в возбужденном и невозбужденных состояниях. Возможность снятия возбуждения безизлучательным путем связана с энергетической зонной структурой поверхности мишени и скоростью удаляющегося от мишени возбужденного атома. Обычно используемая для описания процесса функция девозбуждения R(Е) - вероятность для возбужденного атома о кинетической энергией Е избежать безизлучательное девозбуждение при удалении на бесконечность от поверхности мишени.

   В некоторых моделях, рассматривающих механизмы формирования ИФЭ, считается, что процессы возбуждения и безизлучательного девозбуждения протекают одновременно а являются сторонами одного и того же процесса электронного обмена в системе поверхность мишени - отлегающий атом. В этом случае их не разделяют а описывают одной функцией возбуждения. Такое описание характерно для отрывных или электронно-обменных моделей.

   При экспериментальном  исследовании ИФЭ измеряется относительное изменение интенсивности свечения в зависимости от угла бомбардировки, энергии ионов, их массы, температуры мишени, вакуумных условий в экспериментальной установке, плотности тока пучка бомбардирующих ионов. Предметом исследования являлась также относительная интенсивность линий в спектре ИФЭ в зависимости от условий эксперимента. В связи с конечными размерами ореола изучались его форма и распределение интенсивности спектральных линий по объему ореола. (См. Ионно-фотонная спектроскопия  : учеб. пособие для спец. "Физика" / А.И. Бажин, С.В. Теплов, В.П. Шестов. - Киев : УМКВО, 1989. с.4-5) 

ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИФС 

    Для изучения явления ИФЭ и практического  применения его в методе ИФС используются довольно разнообразные по конструкциям и характеристикам экспериментальные установки. Различие их обусловлено необходимостью решения конкретных задач диагностики поверхности твердых тел, но в целом осуществляется довольно сходным комплектом приборов и устройств. Неотъемлемые части экспериментального оборудования: генератор или источник ионов, камера взаимодействия ионов с исследуемой мишенью и системой вакуумной откачки, блок регистрации электромагнитного излучения. 

Рис.1. Принципиальная схема реализации метода ИФС        

                             

    Пучок ускоренных ионов 2, получаемый с помощью источника 1, направляется на исследуемое вещество 5 в вакуумной камере 3. Возникающее при этом электромагнитное излучение 6 анализируется регистрирующей системой 4 по спектральному составу и интенсивности. Конкретные задачи наследования диктуют необходимость применения дополнительных   устройств и расширения перечисленных ранее   возможностей. Например, для исследования зависимости интенсивности ИФЭ от угла бомбардировки исследуемого образца используется гониометрическое устройство вращения мишени, а для измерения энергетических характеристик необходимо иметь источник с изменяемой энергией ионов. Кратко остановимся на характеристиках основных узлов экспериментальных установок метода ИФС. (См. Ионно-фотонная спектроскопия  : учеб. пособие для спец. "Физика" / А.И. Бажин, С.В. Теплов, В.П. Шестов. - Киев : УМКВО, 1989. с.6) 
 

    Источник  ионов

   В качестве бомбардирующих используются ионы инертных и химически активных газов, а также ионы металлов. Ионы получаются из газового разряда, при ионизации на раскаленной поверхности, электронным ударом и другими способами. Источники ионов, применяемые в методе ИФС, практически не отличаются от используемых в других вторично-эмиссионных методах, например во вторичной ионной масс-спектрометрии. Наиболее часто экспериментальные установки оснащаются дуоплазмотронами, высокочастотными источниками, источниками Пеннинга магнетронного типа, с электронным ударом и термоионными источниками.

   Общие требования, предъявляемые к нам, достаточно подробно сформулированы в специальных работах. Что касается конкретно метода ИФС, то используются источники с энергией ионов от нескольких десятков электрон-вольт до сотен килоэлектронвольт. Ток пучка ионов обычно составляет 1…10² мкА при плотности тока на мишени 10...10^3 мкА/см². Последний параметр в методе ИФС имеет важное значение, так как определяет « химэффект» - воздействие на интенсивность ИФЭ атомов и молекул вещества, не принадлежащих исследуемому веществу.

   Для ускорения  первичных ионов, формирования их в  пучок и фокусировки используются системы из диафрагм, иммерсионных и одиночных электростатических линз. Фокусирующая система определяет диаметр пучка ионов на мишени, а следовательно, и локальность анализа. В то же время она позволяет изменять плотность тока ионов на мишени (например, большая плотность тока используется для предварительной очистки поверхности мишени от загрязнений). Отсутствие "примесей" в пучках ионов и их моноэнергетичность обычно обеспечиваются масс-сепараторами ( наиболее   широко из них распространены системы со скрещенными электрическими и магнитными полями (фильтры Вина) и электростатическими конденсаторами). 

Камера  взаимодействия и система вакуумной откачки

   Анализ  поверхности методом ИФС проводится в вакууме для обеспечения частоты исходного состояния состава поверхности и структуры исследуемого вещества и предотвращения рассеяния пучка первичных ионов на молекулах окружающего газа. Для создания приемлемых условий весь процесс измерений проводится в изолированном от окружающей среды объеме, обычно в камерах из нержавеющей стали, где создается разрежение за счет откачки газа вакуумными насосами. С принципом действия вакуумных насосов, приборами для измерения степени разрежения и основами конструирования вакуумных систем полезно ознакомиться по специальной литературе.

   Если  принять во внимание, что при давлении остаточных газов в вакуумной системе приблизительно 10^-4 Па поверхность исследуемого вещества покрывается слоем адсорбированных частиц приблизительно за 1 с, при давлении ~10^-5 Па - за 10 с, то исходное состояние поверхности необходимо исследовать либо при более высокой степени разрежения, либо прибегать к "динамической очистке". Режим "динамической очистки" характеризуется тем, что число адсорбирующихся частиц остаточного газа на поверхность мишени меньше, чем число первичных ионов, бомбардирующих поверхность и очищающих поверхность распылением. Расчеты и практические измерения показывают, что при реально используемых в экспериментах степенях разрежения' ~10~-5...10^-7 Па для "динамической очистки" можно использовать пучки ионов плотностью 10... 1*10³ мкА/см².

   Для откачки камер взаимодействия попользуются механические, диффузионные турбомолекулярные и другие насосы. Для предотвращения попадания рабочего вещества насоса на поверхность исследуемой мишени распространен метод "без масляной откачки", например о помощью магниторазрядных, сорбционных насосов и вымораживающих ловушек. Перед измерениями вакуумную камеру и исследуемую мишень обезгаживают высокотемпературным отжигом. 

Регистрация электромагнитного  излучения 

   Регистрация и анализ электромагнитного излучения осуществляется в основном с помощью приборов для фильтрации оптического излучения, фотоэлектрических преобразователей,, усилителей электрического сигнала и записывающих устройств. Излучение, возникающее при ионной бомбардировке, выводится из вакуумной камеры через кварцевое окно и проецируется на входную щель спектрального прибора одной или системой кварцевых линз.