2. Обзор наиболее важных процессов, происходящих в твердом теле при его бомбардировке заряженными частицами 2.1. Процессы, происходящие в веществе при. - презентация

1 2. Обзор наиболее важных процессов, происходящих в твердом теле при его бомбардировке заряженными частицами 2.1. Процессы, происходящие в веществе при его бомбардировке электронами. 1.Понятия: - упругие и неупругие взаимодействия; - торможение; - рассеяние; - термализация.

2 Процессы, происходящие в веществе при его бомбардировке электронами 2. Упругие взаимодействия при прохождении ускоренных электронов через вещество: образование радиационных дефектов ( Е > неск. сотен эВ ); фононные колебания ( на дискретных квантовых частотах ); упругое отражение электронов. 3. Неупругие взаимодействия: генерация излучений ( становится существенным при достаточно высоких энергиях ускоренных электронов (Е порог зависит от свойств мишени и превышает для многих веществ 10 МэВ) : - тормозного; - переходного; - черенковского; - когерентного испускания рентгеновских квантов (в каналах монокристаллов);

3 Процессы, происходящие в веществе при его бомбардировке электронами электрон-электронные взаимодействия ( это основной тип взаимодействий, при которых теряется энергия ускоренных электронов с энергией менее 10 МэВ): - коллективные; * плазмоны – кванты колебаний плотности системы валентных электронов при ее возбуждении ускоренным электроном; * плазменные колебания имеют дискретные квантовые частоты; * при распаде плазмонов выделяется энергия, которая затем уносится в виде э/м излучения или передается подходящему электрону твердого тела; * плазменные колебания возбуждаются, если длина их волн много больше расстояния между свободными электронами, т.е. их энергия невелика; * рассеяние электрона при возбуждении плазмона происходит на небольшой угол, т.к. от электрона передается небольшое количество импульса и энергии;

4 Процессы, происходящие в веществе при его бомбардировке электронами - одночастичные; * ускоренный электрон взаимодействует с индивидуальным электроном; * передается большая доля энергии первичного электрона, возбуждаемые колебания коротковолновые, рассеяние ускоренного электрона происходи на большие углы; * энергия ускоренного электрона тратится на возбуждение и ионизацию атомов, а также передается электронам проводимости; * схема возбуждения и ионизации: электрон на внутренней оболочке получает энергию, достаточную для перехода на вышележащие энергетические уровни -> переход на вышележащие энергетические уровни -> возбуждение и ионизация.

5 Процессы, происходящие в веществе при его бомбардировке электронами 4. Отражение электронов упругое отражение первичных электронов; неупругое отражение первичных электронов; эмиссия вторичных электронов с облучаемой поверхности; коэффициент истинной и полной вторичной электронной эмиссии. 5. Процессы, происходящие при снятии возбуждения атомов: оже-процессы (безызлучательная передача дискретной порции энергии оже-электрону при переходе электронов из вышележащих энергетических уровней на вакансии на более низких оболочках); характеристическое излучение (при заполнении вакансий на внутренних электронных оболочках испускается квант э/м излучения, величина которого характерна для данного вещества и данных оболочек, спектр излучения - в области рентгеновских длин волн).

6 Процессы, происходящие в веществе при его бомбардировке электронами 6. Методы анализа поверхности с использованием электронного облучения: - вторичная электронная спектроскопия; - оже-спектроскопия; - рентгеноспектральный анализ. 7. Изменение проводимости полупроводников и диэлектриков (радиационная проводимость). 8. Когда атом в возбужденном состоянии, то его связи с соседями могут меняться; это приводит к: - десорбции чужеродных атомов (радиационно-стимулированная десорбция); - диссоциации химических соединений; - образованию химических соединений; - образованию радиационных дефектов внутри кристаллов.

7 Процессы, происходящие в веществе при его бомбардировке электронами 9. Диссипация энергии ускоренных электронов при их взаимодействии с веществом: унос энергии с поверхности электронами, фотонами, атомными частицами (некоторая доля); превращение в конечном итоге в тепловую энергию облучаемого вещества (бόльшая доля); из зоны торможения тепловая энергия распространяется: - путем теплопроводности в глубь вещества; - возникновение теплового излучения. 10. Явления, к которым приводит нагрев: - структурно-фазовые изменения в облучаемом материале; - усиление диффузии; - отжиг дефектов; - плавление, рекристаллизация; - испарение; - десорбция, термоэлектронная эмиссия; - возникновение термоупругих и термопластических напряжений; нарушение сплошности среды и т.д.

8 2.2. Процессы, происходящие в веществе при его бомбардировке ионами. 1.Процессы, которые могут происходить при приближении ионов к бомбардируемой поверхности: - потенциальная электронно-ионная эмиссия (оже-процессы при переходе электронов твердого тела с вышележащих уровней на нижележащие уровни бомбардирующего иона); - химические реакции на поверхности в результате возбуждения электронных состояний атомов и молекул, возбуждение свободных химических связей, разрушение адсорбированных соединений. 2. Процессы, происходящие внутри твердого тела: потеря энергии и рассеяние из-за: 1) упругих и неупругих взаимодействий с электронами вещества; 2) упругих и неупругих взаимодействий с ядрами атомов вещества; 3) излучения различных видов.

9 Процессы, происходящие в веществе при его бомбардировке ионами 3. Основные виды потерь энергии ускоренных ионов при энергиях до нескольких МэВ: - упругие соударения с ядрами; - неупругие соударения с электронами. 4. Свойства упругих соударений с ядрами: - передача энергии имеет дискретный характер, так как массы взаимодействующих частиц сопоставимы; - рассеяние может быть очень существенным. 5. Свойства неупругих соударений с электронами вещества: - при каждом соударении передается относительно малая доля энергии; - рассеяние не слишком велико. 6. Явления, основанные на упругом взаимодействии с атомами вещества: отражение бомбардирующих ионов от поверхности; образование радиационных дефектов (приводит к радиационно-стимулированной диффузии, радиационно-стимулированному отжигу дефектов; изменению химической структуры соединений и химическим реакциям); распыление; фото-ионная эмиссия (атомы, группы атомов и ионы, вылетевшие в возбужденном состоянии в вакуум, могут переходить в невозбужденное состояние, испуская кванты света).

10 Процессы, происходящие в веществе при его бомбардировке ионами 7. Неупругие взаимодействия с электронной подсистемой вещества приводят к возбуждению электронов и ионизации атомов (возбуждение электронов – появление электронов на высоких, ранее свободных энергетических уровнях и одновременно образование электронных вакансий на заполненных в условиях термодинамического равновесия более низких уровнях). 8. Явления, к которым приводят неупругие взаимодействия с электронной подсистемой: увеличение проводимости у полупроводников и диэлектриков (радиационная проводимость); эмиссия электронов, или кинетическая ионно-электронная эмиссия; оже-процессы; ионолюминесценция, характеристическое рентгеновское излучение; изменение зарядового состояния примесных атомов, дефектов кристаллической решетки и собственных атомов твердого тела, что приводит к изменению энергии активации ряда процессов, в т.ч. диффузии примесей или дефектов, скорости распада сложных дефектов, образованию радиационных дефектов, инициации химических реакций, невозможных в равновесных условиях при данной температуре) ;

11 Процессы, происходящие в веществе при его бомбардировке ионами 9. Почти вся энергия, внесенная ускоренными ионами в вещество и растраченная в упругих и неупругих взаимодействиях, превращается в тепловую. Исключение составляет небольшая доля энергии (как правило, менее 10%), унесенная эмиттированными частицами). 10. Нагрев образца и все последующие процессы, которые могут возникнуть при достаточной мощности (плавление, испарение, термоэмиссия электронов, тепловое излучение и т.д.) в общем, ничем не отличаются от подобных процессов, происходящих при бомбардировке вещества электронами. 11. Ионное легирование, или имплантация – результат внедрения ускоренных ионов в вещество и потери там их начальной энергии во всевозможных упругих и неупругих взаимодействиях. 12. Каналирование (имеет место, когда ускоренный ион взаимодействует с монокристаллом; ионы при движении в определенных направлениях «чувствуют» не отдельные атомы, а плоскости или цепочки атомов как целые, поэтому близкие взаимодействия каналируемых ионов с атомами, находящимися в узлах кристаллической решетки, оказываются невозможными).

12 Процессы, происходящие в веществе при его бомбардировке ионами 13. Методы диагностики, основанные на облучении вещества ускоренными ионами: -метод ионно-нейтрализационной спектроскопии (основан на явлении потенциальной электронно-ионной эмиссии); -метод обратного рассеяния медленных и быстрых ионов (энергия иона, рассеянного на заданный угол в парном столкновении, если его масса меньше рассеивающего центра, однозначно определяется массами частиц и их начальными энергиями); -вторичная ионная масс-спектрометрия (основан на распылении); -ионная оже-спектроскопия (исследуются спектры оже-электронов); -рентгеновская спектроскопия (исследуется характеристическое рентгеновское излучение). 14. Переходное и тормозное излучение тоже могут иметь место, но они имеют заметную интенсивность только при больших скоростях заряженных частиц, т.е. при энергиях, значительно больших, чем в случае электронной бомбардировки, т.к. массы ионов на несколько порядков больше массы электронов.