Способ исследования поверхности монокристаллов Советский патент 1988 года по МПК G01N23/203 

Изобретение относится к физическим методам исследования поверхности твердого тела, в частности методам обратного рассеяния ионов, и может использоваться для изучения адсорбционных явленийв

Цель изобретения - повышение информативно сти„

На фиг, показана схема устройства для ос5пцествления способа; на фиг, 2 и 3 геометрия процесса двукратного рассеяния на поверхности монокристалла; фиг, 4 - экспериментально полученньм спектр рассеяния ионов Аг.

Способ осуществляют следзпощим образом.

Исследуемый образец 1 подвергают бомбардировке пучком 2 ионов, энер- 20 гию которых выбирают в диапазоне 1 - 50 кэВ, Пучок 2 направляют перпендикулярно к поверхности образца I. Массу т. ионов выбирают с учетом нас

15 ловом распределении интенсивных пи ков двукратного рассеяния зависит от потенциала ионизации 1,, бомбард рующих частиц. Вели в качестве бом бардирующих частиц используются ио ны щелочного металла (ig мало), ко рые отражаются преимущественно в в де ионов при всех углах рассеяния, то в угловом ра преде нии наблюдаются четыре пика для

сы М атомов мишени и массы т, адсор- 25 каждого адсорбционного состояния.

бированнь1х атомов таким образом, чтобы выполнялось условие Nyra.. Путем вращения энергоанализатора 3 с детектором 4 снимают энергетический спектр и находят направления, в которых наблюда отся пики двукратного рассеяния6 В качестве ионов используют ионы инертного газа или ионы щелочных металлов,

На фоне многократного рассеяния в энергетическом спектре, в общем случае, могут наблюдаться следующие пики; пики одно- и двукратного рас-, сеяния от атомов 5 матрицы, пик однократного рассеяния от адсорбиро- , ванного атома 6j пики.двукратного рассеяния от адсорбированных атомов 6 и пики двукратного рассеяния,когда первое рассеяние происходит на атоДва наиболее интенсивных пика набл даются при углах рассеяния |3i и 3 (фиг. 2 и З), а два менее интенсив ных пика получаются за счет много- 30 кратного рассеяния. Если в качеств бомбардирующих частиц использовать ионы инертных газов (l велико), которые сильно нейтрализуются на отхште и отражаются в виде ионов с отличной от нуля вероятностью толь ко при больших углах рассеяния, то в угловом распределении останется всего два пика при углах /3i и / Определив из эксперимента значе ния углов р, и 2 5 можно найти X и у - координаты адсорбированного ма для каждого адсорбционнЪго состояния ,

Из фиг. 2 и 3 ясно, что полярны

35

40

пиков двукратного рассеяния со вторым рассеянием на адсорбированном атоме 6, Следовательно, можно легко

вьщелить эти пики, настроив энергоанализатор 3 на соответствующую данным пикам область энергии. Существенно, что при , т интенсивность этих пиков оказалась велика

только в определенных направлениях, а именно тех, где угол рассеяния на адсорбированном атоме б близок к предельному.

Общее количество наблюдаемых в угловом распределении интенсивных пиков двукратного рассеяния зависит от потенциала ионизации 1,, бомбардирующих частиц. Вели в качестве бомбардирующих частиц используются ионы щелочного металла (ig мало), которые отражаются преимущественно в виде ионов при всех углах рассеяния, то в угловом ра пределе- нии наблюдаются четыре пика для

каждого адсорбционного состояния.

Два наиболее интенсивных пика наблюдаются при углах рассеяния |3i и 3 (фиг. 2 и З), а два менее интенсивных пика получаются за счет много- кратного рассеяния. Если в качестве бомбардирующих частиц использовать ионы инертных газов (l велико), которые сильно нейтрализуются на отхште и отражаются в виде ионов с отличной от нуля вероятностью только при больших углах рассеяния, то в угловом распределении останется всего два пика при углах /3i и / Определив из эксперимента значения углов р, и 2 5 можно найти X и у - координаты адсорбированного атома для каждого адсорбционнЪго состояния ,

Из фиг. 2 и 3 ясно, что полярные

Изобретение относится к физическим методам исследования поверхности твердого тела, в частности методам обратного рассеяния ионов, и может использоваться для изучения адсорбционных явлений. Цель изобретения - повышение информативности. Способ позволяет определить полное число адсорбционных состояний атомов и определить высоту расположения адсорбированного атома над поверхностью в ка;етом адсорбционном состояния. Бомбардируя поверхность ионами щелочных металлов или инертных газов с- энергиями 1-50 кэВ, измеряют спектры дву- кратнбго рассеяния ионов, испытавших первое столкновение на поверхностном, второе - на адсорбированном атоме, по угловому положению двух наиболее интенсивных пиков, соответствующих данному адсорбционному состоянию,определяют абсциссу и ординату адсорбированного атома относительно цепочки монокристалла с использованием аналитических выражений. Соотношение масс атома мишени М, бомбардирующего иона тт., и адсорбированного атома т, должно удовлетворять условию ,in,2. Полное число п адсорбционных состояний находят по полному числу N пиков двукратного рассеяния указанного выше типа по формуле п N/K, где К 4 в случае ионов тделочных металлов, К 2 в случае ионов инертных газов, 4 ил. с 00

тгр, -2- + V. + . +0пр ;

50

h

г

+ Oir

+ б

пр

ме 5 матрицы, а второе - на адсорби- - углы рассеяния р, и можно предста- рованном атоме б Обнарз ено, что при вить в виде соотношении масс и нормальном падении пучка 2 ионов на поверхность образца 1 пики одно- и двукратного обратного рассеяния от адсорбированных атомов не наблюдаются, что можно объяснить : сущес твов&нием предельного, наибольшего из возможных углов рассеяния 9 „„ arcsin(m,j/m, ), Обнаружено также, что пики одно- и двукратного рассеяния от атомов 5 матрицы, расположенные в высокоэнергетической части спектра, удалены по энергии на несколько сотен эВ от

55

где iif, arctg ci, arcsin

У

X

л| x + у;

Ф arctfi --Vd-i

тгр, -2- + V. + . +0пр ;

рассеяния р, и можно в виде

h

г

+ Oir

+ б

пр

углы рассеяния р, и можно вить в виде

углы рассеяния р, и мо вить в виде

где iif, arctg ci, arcsin

У

X

л| x + у;

рассеяния р, и мо в виде

Ф arctfi --Vd-i

arc sin

3

P

-jU+dT

4-v

X

Psin(,)(,--0n)i d il}ii: -A plE2 i2lI il

зТпг f, j

Pcos (|,-9np) - Рсо5((,р).соБ(,)созГ/ 2 - б„ р

J - - - - -- ---

(m,,,,), P P(9np) - соответствуюsin(f,-/Ьз)

Формулы (З) позволяют по измерен- . ным значениям углов fi и /3 и известным величинам d, В„г, . с адсорбированным атомом, I J

/ Р(8„

щи и

пр /пр параметр столкновения иона

р

i,73(z: %zr

V-I/3

--аг-- Ч - д -в.р «а

где Z, и порядковые номера па-ционным состояниям - 8 пиков в

дающего иона и адсорбированного атома 20спектре ионов щелочного металла и

соответственно; знергия Е, - в элект-4 пика в. спектре ионов инертного гаронвольтах; Р - в ангстремах, найтиза, В общем случае число п адсорб- искомые координаты х и у,

Выбор средних энергий ионов (Е

ционных состояний п N/K, где N - наблюдаемое число пиков двукратного

1-50 кэВ) определяется тем, что 25 рассеяния, К 4 для ионов щелочно- при малых энергиях (Е 1 кэВ) рез- го металла и К 2 для ионов инерт- ко падает интенсивность пиков двукратного рассеяния с.первым рассеянием на атоме матрицы и вторым - на

ного газа

Выделив группу пиков, соответст- ВУЮ01ИХ данном адсорбционноъгу состояадсорбированном атоме, а при высоких jg кию, по формулам (З) можно найти

энергиях ионов щелочных металлов и инертных газов происходит интенсивное разрушение исследуемых адсорбционных состояний за счет явления ионного перемешивания.

Известно, что число возможных адсорбционных состояний данного атома на данной поверхности определяется рядом факторов: степенью покрытия поверхности адсорбированными атомами, ее температурой, реальной структурой и т.д. При постоянной температуре Т и степени покрытия X , как правило, реализуется одно либо два из возможных состояний адсорбции.

Способ позволяет определить не только координаты атома, адсорбированного на поверхности монокристалла, но и число адсорбированных состояний при X const и Т const. Для этого снимают энергетический спектр, выделяют в нем область двукратного рассеяния указанного выше пика и определяют полное число пиков в данной области спектра. При этом одному адсорбционному состоянию соответствуют 4 пика в спектре ионов щелочного металла и 2 пика в спектре ионов инертного газа, а двум адсорбI/-. 3084 2

Г2 Подставляя (2) n (l),получим систему нз двух уравнений с двумя неизвестными X и у, решение.которой

(3)

(m,,,,), P P(9np) - соответствуюс адсорбированным атомом,

щи и

пр /пр параметр столкновения иона

за, В общем случае число п адсорб-

ционных состояний п N/K, где N - наблюдаемое число пиков двукратного

рассеяния, К 4 для ионов щелочно- го металла и К 2 для ионов инерт-

рассеяния, К 4 для ионов щелочно- го металла и К 2 для ионов инерт-

ного газа

Выделив группу пиков, соответст- ВУЮ01ИХ данном адсорбционноъгу состоя5

расположение атома на поверхности в этих состояниях. Более высоко рас- положенньм атомам соответствуют и большие значения углов , и .

Изменяя условия на поверхности, т.е. величины X н Т, можно наблюдать появление новых адсорбционных состояний и исследовать закономерности перехода атомов из одних адсорбционных состояний в другие.

Пример. Проводилось определение пространственной локализации атомов кислорода на пов.ерхности монокристалла Аи (ЮП) относительно це- 5 атомов 1OOJ. Монокристалл был помещен в вакуумную камеру (остаточQ

ное давление q Па, степень покрытия поверхности кислородом X 0,3, TeNmepaTypa поверхности Т 293 К, плотность тока падающих ионов j

0

0

5

10 А/см). Поверхность бомбардировали п чком ионов Аг,- падающих по направлению нормали к поверхности с энергией К 30 кэВ, При этом нeoбxoди oe соотношение масс М(А-а} m , (АГ) П1„(0) выполняется. Измеряли энергетические спектры обратного рассеяния ионов Аг , в которых четко выделялись пики 1 двукратного рассеяния (фиг.4) на фон пиков 1 однократного рассеяния Аг . Анализатор настраивали на область энергий кэВ, Вращением анализатора относительно пучка бьши найдены углы , 144,5°;

PJ 124,9 , при которых наблюдались пики двукратного рассеяния Аг сначала на атоме Аи, а затем на атме кислорода. По данным значениям

р1 и р2по формулам (З) при пр arcsin() 23,5 ; .Р 0,052 А, были найдены координаты адсорбированного атома.

Оказалось, что в данных условия на поверхности (ЮО) существует токо одно адсорбционное состояние, в котором атом кислорода расположен посередине между атомами Аи в цепоке ЮО на высоте у 1,210 см от поверхности.

Формула изобретени

Способ исследования поверхности монокристаллов, заключающийся в обчении исследуемой поверхности нормально падающим на нее пучком ионо регистрации и измерении энергетичеких и угловых распределений рассеяных ионов, по которым судят о просранственном распределении адсорби

cpu.i

ванных на исследуемой поверхности атомов, отличающийся тем, что, с целью повышения информативности, исследуемую повер-хность облучают пучком ионов щелочного металла или инертного газа с энергией 1-50 кзВ, масса которого удовлетворяет соот

ношению М m,

га

г

где М - масса

атома монокристалла, т, - масса облучающего иона, т2 - масса адсорбированного атома, в зарегистрированных энергетических спектрах выделяют пики двукратного расс-еяния ионов,испытавших первое рассеяние на поверхностном атоме монокристалла, а вто- рое рассеяние - на адсорбированном атоме, в зарегистрированных угловых распределениях рассеянных ионов,дающих вклад в указанные пики, вьщеляют два наиболее интенсивных пика, соответствующих определенному адсорбционному состоянию, по положению которых вычисляют координаты адсорбированного атома относительно цепочки атомов монокристалла, и определяют полное число адсорбированных состояний п по формуле Пд N/K, где N - полное число указанных пиков двукратного рассеяния, К 4 при использовании ионов щелочного металла и К 2 при использовании ионов инертного.газа.

к.

срие.Ъ

за

I

20

W

90

110 zJSO j3/ Г50 °

фс/еЛ

/V

50ну6

J Ю

ГО 3

Jf.

о

70

70

нэВ