Особенности эмиссии атомных частиц при ионном облучении двухкомпонентных соединений

Актуальность темы

.

В настоящее время возрос интерес к исследованию процесса ионного распыления твердых тел. Это связано как с необходимостью решения фундаментальных вопросов взаимодействия ионов с поверхностью, так и с быстрым ростом практического использования распыления для модификации и анализа состава различных материалов.

Ионная бомбардировка сопровождается сложными процессами в приповерхностной области мишени, изменяющими ее структуру и состав. Эти изменения, с одной стороны, является нежелательным эффектом, приводящим к систематическим ошибкам при диагностике поверхностис другой стороны, они составляют важный элемент технологии создания модифицированных слоев. И в том и в другом случае, необходимо четкое понимание механизмов' и особенностей протекания ионно-стимулированных процессов вблизи поверхности твердых тел, и в частности, бинарных соединений, которые широко применяются на практике.

Особый интерес для? исследования физики взаимодействия* ионов с поверхностью! твердого тела представляют бинарные ферромагнитные неупорядоченные соединения №-Рс1, которые используются в микроэлектронике и в медицине, например, при развитии методов магнитно-резонансной томографии и фиксировании необходимых участков для локального нагрева. Большое внимание уделяется также бинарным упорядоченным соединениям — РЬТе и РЬЭе, которые имеют широкое практическое использование: при создании фоторезисторов, работающих в инфракрасной области спектра, в производстве термоэлектрических генераторов и др. РЬ8е применяется также в солнечных батареях. Поскольку в ряде применений РЬТе и РЬ8е подвергаются ионному облучению, важно исследовать процесс их распыления. Помимо этого, исследование процессов при ионном облучении упорядоченных биметаллов РЬТе и РЬ8е, имеющих простую кубическую решетку, представляет несомненный интерес с физической точки зрения. Процессы, происходящие при ионной бомбардировке таких соединений (и в частности, анизотропия распыления), никогда не рассматривались ранее. Необходимо отметить важность исследования механизмов ионного распыления бинарных соединений для развития современного метода анализа состава поверхности — метода ВИМС (вторично-ионной масс-спектрометрии). Для совершенствования метода ВИМС и увеличения его разрешающей способности необходимо детальное теоретическое и модельное исследование процесса ионного распыления.

Вследствие значительных трудностей, возникающих при теоретическом исследовании взаимодействия ионов с атомами мишени для решениякак фундаментальных, так и прикладных задач, часто используется математическое моделирование. В настоящей работе поставленные задачи решались методом молекулярно-динамического (МД) моделирования. Были созданы и апробированы модели мишеней и методика численного расчета ионного распыления твердых тел с минимальной затратой машинного времени. МД моделированием исследованы различные аспекты ионного распыления бинарных соединений с неупорядоченной (№-Рс1) и упорядоченной (РЬТе и РЬ8е) структурой, имеющих большое практическое применение:

Цели и задачи работы.

Целью работы являлась изучение особенностей эмиссии атомных частиц при ионном облучении двухкомпонентных соединений методами МД моделирования. Для достижения этой цели были поставлены, следующие задачи:

— разработка МД программы расчета ионного распыления двухкомпонентных соединений;

— изучение угловых и энергетических распределений частиц, распыленных из неупорядоченных сплавов никеля с палладием с разным содержанием компонент;

— определение условий радиационной устойчивости упорядоченных бинарных соединений РЬТе и РЬ8е в процессе их распыления, построение угловых и энергетических распределений распыленных частиц;

— выявление особенностей пространственных распределений частиц, распыленных из неупорядоченных и упорядоченных двойных сплавов.

Научная новизна.

1. Разработаны физические модели и математическая МД модель прогнозирования изменений физических свойств бинарных соединений в зависимости от ионного распыления поверхности, позволяющие получать качественное и количественное согласие с экспериментальными данными.

2. Установлены физические свойства распыления неупорядоченных монокристаллов Ni-Pd с неизменённым составом поверхностных слоев и с учетом сегрегации при нормальном и наклонном падении ионов аргона в широком диапазоне энергий.

3. Выявлены факторы, определяющие форму угловых, пространственных и энергетических распределений частиц, распыленных из кристаллов неупорядоченных соединений Ni-Pd.

4. Впервые исследованы угловые зависимости и пространственные распределения распыленных атомов, выходящих из монои поликристаллов упорядоченных бинарных соединений РЬТе и PbSe с простой кубической решеткой под воздействием облучения ионами Аг+ с энергией от 0.1 до 60 кэВ. Определены механизмы, влияющие на закономерности их распыления.

Достоверность.

Достоверность разработанной физической и математической МД модели распыления бинарных соединений и сделанных на ее основе расчетов подтверждается качественным и количественным согласием расчетных и экспериментальных данных.

Практическая значимость.

1. Созданы модели мишеней и методика расчета распыления кристалла, позволяющие сократить время достоверного численного эксперимента в 2−4 раза по сравнению с обычным полным молекулярно-динамическим рассмотрением.

2. Установленные закономерности распыления? ферромагнитных соединений №-Рс1 важны при их использовании в микроэлектронике, медицине, например, при совершенствовании методов магнитно-резонансной томографии и фиксировании участков для локального разогрева.

3. Обнаружены особенности распыления, соединений №-Рс1 с разным, содержанием компонент, которые следует использовать при совершенствовании количественного ВИМС анализатвердого тела.,.

4. Полученные результаты, по ионному распылению полупроводниковых соединений РЬТе и РЬБе, важны для. конструирования солнечных батарей, а. также при создании фоторезисторовиспользуемых, например, при создании спектральных аналитических приборов регистрации в атмосфере опасных концентраций СО, С02 и ряда органических соединений.

Основные положения, выносимые на защиту.

Приисследовании ионного распыления бинарных соединений с неупорядоченной (№-Рс1) и упорядоченной (РЬТе и РЬ8е) структурой впервые получены следующие результаты.

1. Угловая зависимость коэффициента распылениям Г (а) соединений №Р<1, РЬТе и РЬ8е качественно различается для кристаллов с ПК и ГЦК решеткой, а также при распылении быстрыми и медленными ионами. Для быстрых ионов наблюдаютсяобычные минимумы У (а) в направлениях открытых каналов кристаллической решетки. Для медленных ионов минимумы в направлениях открытых каналов пропадают, и возникают максимумы в направлениях плотной упаковки.

2. Энергетическая, зависимость коэффициента распыления У (Ео) поликристаллов соединений №Рё и РЬТе имеет максимум при энергии Е0 ионов аргона, равной 40 кэВ, что совпадает с данными для других мишеней. Для грани (001) монокристаллов NiPd максимум: Y (Eo) расположен при Eq ~ 2 кэВ, а для РЬ, РЬТе и PbSe при более высокой энергии Eq ~ 15 кэВ, что объяснено особенностью распыления атомов большой массы. При наклонном падении ионов на монокристаллы NiPd и РЬТе происходит сдвиг максимумов" Y{Eq) в сторону больших энергий, по сравнению со случаем нормального падениям.

3. Пространственные распределения распыленных атомов (картина пятен), для монокристаллов бинарных соединений NiPd и РЬТе, характеризуются преимущественным выходом компонентов в одних и тех же направлениях плотной, упаковки- (<011> и <001>) и качественно меняются с энергией и углом падения облучающих ионов. Картина пятен при одинаковых условиях облучения различается для кристаллов NiPd (ГЦК-решетка) и РЬТе: (ПК-решетка).

4. Полярное распределение атомов, распыленных с грани (001) упорядоченного монокристалла РЬТе с простой кубической решеткойзависит от энергии Е выходящихчастиц и различается для атомов Те и РЬ. Вблизи направления: [011] эмитируют атомы с малыми энергиями (Е = 10 эВ), что характерно для фокусированных столкновенийДля частиц с энергией Е = 30 эВ происходит выход атомов при больших полярных углах, когда частицы распыляются из поверхностных слоев после малого числа столкновений.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. 17-й Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью», г. Звенигород, 2005 г.;

2. 5th Iberian Vacuum Meeting RIVA 5-Portugal, 2005;

3. 18-й Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью», г. Звенигород, 2007 г.;

4. 19-й Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью», г. Звенигород, 2009 г.;

5. 20th International Conference on Ion Beam Analysis, Plaza Itapema Resort & Spa, Itapema, SC-Brazil, 10−15 April, 2011;

6. 20-й Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью», г. Звенигород, 2011 г.

Список публикаций по теме работы.

1. А. С. Мосунов, К. А. Толтм, М. Ю. Толпина, В. Е. Юрасова. Особенности распыления сплавов Ni-Pd с разным содержанием компонент // Труды 17-ой Международной' конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью», ВИП-2005, Звенигород. Т. Г. С. 143−146.

2. A.S.Mosunov, J.S.Colligon, KA. Tolpin, M.Yu.Tolpina, V.E.Yurasova. Sputtering of Ni-Pd alloys with varying ratio' of components // Abstracts of 5th Iberian Vacuum Meeting RIVA 5-Portugal, 18−21 September 2005. P. 15.

3. А. С. Мосунов, К. А. Толпин, М. Ю. Толпина, В. Е. Юрасова. Особенности распыления сплавов Ni-Pd с разным содержанием компонент // Поверхностьрентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2006. № 7. С. 13−17.

4. К. А. Толпин, М. Ю. Толпина, В.е.Юрасова. Влияние составаповерхностных слоев кристалла NiPd-напроцесс его распыления // Труды- 18-ой Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью», ВИП-2007, Звенигород. Т. 1.С. 201−204.

5. КА. Толпш, М. Ю. Толпина, В. Е. Юрасова. Влияние состава поверхностных слоев монокристалла NiPd на закономерности его распыления. // Поверхностьрентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2008. № 5. С. 17−24.

6. К. А. Толпин, М. Ю. Толпина, В. Е. Юрасова. Пространственное и энергетическое распределение частиц, распыленных из монокристалла NiPd. // Труды 19-ой Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью», ВИП-2009. Звенигород. Т. 1. С. 164−167.

7. К.А. Tolpin, Yu.A. Ryzhov, V.E. Yurasova. Spatial and energy distributions of particles sputtered from NiPd single crystals. // Vacuum. 2009. V. 84. 3. P 369−377.

8. K.A. Tolpin, V.I. Bachurin, V.E. Yurasova. Feature of energy dependence of NiPd xU sputtering for different ion irradiation angles. // Abstract for 20 International Conference on Ion Beam Analysis, Plaza Itapema Resort & Spa, Itapema, SC — Brazil, 10−15 April, 2011. PA2.

9. В. И. Бачурин, А. П. Кузъменко, K.A. Толпин, B.E. Юрасова. Пространственные распределения частиц, распыленных из монокристаллов NiPd и РЬТе. // Известия Юго-Зап. Гос. Унив. 2011. № 1. — С. 89−98.

10. К. А. Толпин, В. И. Бачурин, В. Е. Юрасова. Радиационная устойчивость РЬТе и PbSe бинарных соединений, Труды 20-ой Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью», ВИЦ-2011, Звенигород. Т. 1. С. 117 120.

Личный вклад автора.

Разработана молекулярно-динамическая программа расчета ионного распыления двухкомпонентных соединений, выполнен весь объем расчетов, построены угловые, энергетические ипространственные зависимости частиц, распыленных из двухкомпонентных соединений, проведены сравнения их с известными экспериментальными данными.

Объем и структура диссертации.

Работа содержит 150 страниц текста, включая 64 рисунка и библиографию из 213 наименований. По теме диссертации опубликовано 10 работ, список которых приведен в конце введения.

Диссертация состоит из введения, 5 глав и выводов.

Выводы.

1. Разработана математическая модель и программа расчета распыления упорядоченных и неупорядоченных монои поликристаллов различной структуры, которая сокращает время достоверного численного эксперимента в 24 раза по сравнению с обычным полным МД рассмотрением.

2. Методом МД моделирования изучено ионное распыление неупорядоченных соединений никеля с палладием с разным содержанием компонентов (NiPd, Ni5Pd и NiPd5). Показано, что распыление кристаллов Ni-Pd возрастает при увеличении содержания в них Pd, а преимущественный выход компонент зависит от энергии и угла падения бомбардирующих ионов и различается для исследованных соединений. Для угловой зависимости распыления отдельных элементов наблюдается смещение максимума коэффициента распыления в сторону больших углов падения ионов для Ni, по сравнению с Pd.

3. Исследованы закономерности распыления монокристаллов неупорядоченного соединения NiPd с неизменным составом" поверхностных слоев и с учетом сегрегации. Установлено, что угловая зависимость распыления для всех выходящих частиц и для компонент существенно различается при облучении кристалла быстрыми и медленными ионами. При энергиях ионов. более 0.5 кэВ существуют обычные минимумы в направлении открытых каналов кристаллической решетки, в то врет как для меньших энергий ионов наблюдаются лишь максимумы распыления вблизи плотноупакованных направлений <011>. Энергетические зависимости характеризуются смещением максимумов коэффициентов распыления в сторону больших энергий при увеличении угла падения ионов. Учет сегрегации приводит к заметному преимущественному распылению Pd по сравнению с Ni.

4. Впервые методом МД моделирования изучены угловые и энергетические зависимости распыления упорядоченных бинарных соединений РЬТе и PbSe, имеющих простую кубическую решетку. Показано, что на угловых зависимостях распыления монокристаллов РЬТе появляются минимумы в направлениях открытых каналов для относительно быстрых ионов, которые пропадают для более медленных ионов, и вместо них появляются максимумы в направлениях [001] и [011] плотной упаковки атомов. Наблюдаемые зависимости распыления свинцовых соединений объяснены особенностями процессов фокусировки атомных соударений и движением частиц по открытым каналам кристаллической решетки.

5. Показано, что для пространственных распределений компонентов соединений монокристаллов №Рс1 и РЬТе, облучаемых ионами Аг+ при нормальном и наклонном падении, преимущественный выход распыленных атомов происходит вблизи одних и тех же направлений плотной упаковки: <011> и [001].

6. Обнаружена зависимость вида полярных распределений атомов Те и РЬ, распыленных с грани (001) упорядоченного монокристалла РЬТе, от энергии выходящих частиц. Вблизи направления [011], преимущественно эмитируют атомы с малыми энергиями (Е = 10 эВ), что характерно для фокусированных столкновений. Для частиц с большей энергией (Е = 30 эВ) преобладает эмиссия вблизи поверхности, когда частицы выходят из верхнего слоя кристалла после малого числа столкновений.

7. Впервые рассчитаны картины пятен распыления для кристалла РЬТе с-простой кубической решеткой. Полученные картины не противоречат экспериментальным пятнам Венера для монокристаллов с ГЦК решеткой, но имеют свои особенности. Основное отличие картин пятен для №Рс1 (ГЦК) и для РЬТе (ПК) состоит в разной энергии облучающих ионов Е0, необходимой для появления центрального пятна Венера в направлении [001] при распылении грани (001).

8. Полученные результаты рекомендуется учитывать при прогнозировании изменения физических свойств и состава бинарных соединений под действием ионного облучения, при совершенствовании методов ионной диагностики поверхности и магнитно-резонансной томографии, а также при конструировании плазменных приборов, солнечных батарей и фоторезисторов.

Благодарность.

Искренне признателен Владимиру Ивановичу Бачурину за научное руководство, всестороннюю помощь и плодотворное обсуждение результатов настоящей работы.

Выражаю глубокое уважение, признательность и благодарность Вере Евгеньевне Юрасовой. Без ее идей, настойчивости и огромной помощи эта работа не появилась бы.

Отдельно хочется вспомнить A.C. Мосунова, сотрудничество с которым было очень плодотворным и просто необходимым на начальном этапе работ.

Я благодарен коллегам с кафедры электроники физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова и из Ярославского государственного университета им. П. Г. Демидова за обсуждение данной работы и ценные замечания.

Благодарю мою семью за понимание и поддержку во время работы над диссертацией.