МИТРОПОЛЬСЬКИЙ ІГОР ЄВГЕНОВИЧ

УДК 537.534

НЕПЕРЕРВНЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ ПОВЕРХНІ СРІБЛА

ПРИ ІОННОМУ БОМБАРДУВАННІ

01.04.04 – фізична електроніка

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Ужгород – 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Ужгородському національному університеті, Міністерство освіти і науки України

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук, ст.н.с. Бандурин Юрій Анатолійович, Ужгородський національний університет, ст.н.с. Проблемної НДЛ фізичної електроніки

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, ст.н.с.

Імре Арпад Йосифович, Інститут електронної фізики НАН України, завідуючий відділом електронних процесів

доктор фізико-математичних наук, пр.н.с.

Ченакін Сергій Петрович, Інститут металофізики НАН України, заст. зав. відділом

Провідна установа: Київський національний університет
ім. Т.Г. Шевченка, Міністерство освіти і науки України, кафедра кріогенної мікроелектроніки

Захист відбудеться “ 20 “ вересня 2001 р. о 1400 год. на засідінні спеціалізованої вченої ради

К 61.051.01 при Ужгородському національному університеті за адресою: 88000, м. Ужгород, вул. Волошина, 54, ауд. 181.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Ужгородського національного університету (88000, м. Ужгород, вул. Капітульна, 9)

Автореферат розісланий “ 15 “ серпня 2001р.

Вчений секретар

Спеціалізованої вченої ради

д.ф.-м.н., проф. Блецкан Д.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальнiсть теми. Активне дослiдження явища емiсiйної електронiки - iонно-фотонної емiсiї (IФЕ) в теперішній час зумовлено декiлькома причинами. Насамперед це необхiднiсть отримання фундаментальних знань про IФЕ як нове вторинно-емiсiйне явище, яке ранiше не правомірно вважалось неможливим для таких матерiалiв як метали. По-друге, вивчення емiсiї фотонiв стимулює вирiшення наукових завдань, якi пов’язанi з розумiнням як процесiв, що вiдбуваються при iонному бомбардуваннi твердого тiла, так i механiзмiв вторинно-емiсiйних явищ. Завдяки локалiзацiї оптичного випромiнювання на бомбардованiй iонами поверхнi i в ореолi поблизу неї, очевидна його iнформативнiсть про оптичнi властивостi, електронну i кристалiчну структуру речовини, про адсорбцiйно-десорбцiйнi процеси на поверхнi, якi впливають на її властивостi. Вiдомо, що фiзика поверхнi стає все бiльше вагомою при розв’язанні численних задач у новiтнiх галузях технiки i технологiї, наприклад, таких як: мiкроелектронiка, космічне матерiалознавство, керований термоядерний синтез, iонно-промiнева технологія для спрямованої змiни властивостей матерiалiв, тощо. Тому, по-третє, аналiз за допомогою iонних пучкiв властивостей поверхнi твердого тiла: визначення елементного i хiмiчного складу, розташування атомiв на поверхнi та в приповерхневому шарi кристалу, ступеня його упорядкування, електронної структури поверхнi стимулюється потребами практики. Чимало з цих наукових i прикладних задач можливо розв’язувати за допомогою оптичного метода - iонно-фотонної спектроскопiї (IФС), який грунтується на явищi IФЕ, оскільки характеристики випромiнювання однозначно пов’язанi з процесами на поверхнi, а сам метод має високi точнiсть, чутливiсть, вiдносну простоту реалiзацiї. Носiями iнформацiї в цьому методі є фотони, якi емiтуються як нейтральними і зарядженими частинками, що вiдлiтають вiд поверхнi, так і безпосередньо самою поверхнею. Викликане iонним бомбардуванням випромiнювання мiстить iнформацiю про випромiнювальнi процеси релаксацiї збуджених станiв електронної пiдсистеми твердого тiла i вторинних частинок, тобто про випромiнювальний розпад одночастинкових та колективних збуджень мiшенi. Однак, колективнi збудження, спектр яких (у бiльшостi випадкiв) характеризується неперервним розподiлом iнтенсивностi у широкому дiапазонi довжин хвиль, зокрема випромiнювання поверхневих плазмонiв, яке спостерiгалось при опромiненнi металiв електронами та фотонами, в IФЕ до цiєї роботи не спостерiгалось. В данiй роботi ставилось за мету виявити випромiнювальний розпад поверхневих плазмонiв при iонному бомбардуваннi, отримати фундаментальні знання про властивостi випромiнювальної релаксації колективних збуджень електронної пiдсистеми металу шляхом експериментального дослiдження комплексу характеристик цього явища при моделюваннi стану поверхнi. На пiдставi отриманих даних передбачалось виявити ті процеси, які відіграють головну роль у збудженні поверхневих плазмонів при іонному бомбардуванні.

Об’єктом дослiджень було обрано срiбло, тому що: а) для нього вивчено ряд характеристик неперервного випромінювання (НВ) при опромiненнi електронами рiзних енергiй; б) частота поверхневих плазмонiв Аg лежить у зручнiй для експериментiв спектральнiй областi; в) його поверхню досить легко пiдтримувати вiдносно чистою в ходi експерименту.

Для досягнення поставленої мети у дисертацiї передбачалось вирiшити наступнi основнi задачi: -дослiдити спектри свiчення, яке виникає при бомбардуванні срiбла рiзними iонами; -вивчити кутовi, енергетичнi, поляризаційні та iншi характеристики цього випромiнювання; -встановити на основi отриманих даних природу i механiзм його генерацiї.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконувалась в рамках наступних тем.

1. “Розробка оптичного методу дослідження інтегральних і диференціальних характеристик розпорошення і розсіяння при іонному опроміненні поверхні твердих тіл і плівок” (№ держ. реєстрації 0193U019669).

2. “Дослідження фізико-хімічних процесів на поверхні матеріалів методом іонно-фотонної спектроскопії” (№ держ. реєстрації 0191U0224678).

3. “Дослідження оптичного випромінювання плазмонів та вторинно-емітованих часток при іонному бомбардуванні перспективних матеріалів науки і техніки, в тому числі, низькорозмірних структур” (№ держ. реєстрації 0194U038501).

4. “Дослідження емісії фотонів поверхнею твердих тіл і емітованими частинками при бомбардуванні електронами і іонами малих та середніх енергій (грант Міжнародного Наукового Фонду Дж. Сороса №К5У100).

Наукова новизна роботи.

1. Виявлено випромiнювання поверхневих плазмонiв Аg при їх збудженні iонами водню, iнертних та атмосферних газiв кiлоелектронвольтних енергiй. Оцiнено абсолютний квантовий вихід плазмонного випромiнювання.

2. Встановлено закономiрностi випромiнювання поверхневих плазмонiв шляхом комплексних дослiджень його спектральних, кутових, енергетичних, поляризаційних, температурних та динамiчних характеристик чистої поверхнi срiбла.

3. Отримано нові данi про вплив сорту і параметрiв пучка бомбардуючих iонiв, кута спостереження випромiнювання на його характеристики. Виявлено, що наявність на поверхнi адсорбованого або iмплантованого кисню призводить до появи у спектрі НВ срібла додаткового короткохвильового максимуму, який раніше спостерігався в спектрах електронно-фотонної емісії (ЕФЕ) Ag.

4. З’ясована природа короткохвильового максимуму у спектрах ІФЕ i ЕФЕ Аg. Він обумовлений розпадом поверхневих плазмонiв на частково окисленій поверхнi.

5. Запропоновано механiзм збудження поверхневих плазмонiв при бомбардуванні Аg iонами середнiх енергiй, який обумовлений процесами оже-нейтралiзацiї iонiв.

Наукова i практична цiннiсть роботи.

1. Вперше отриманi фундаментальнi знання про закономiрностi плаз-монного випромiнювання поверхнi Аg, яке виникає при iонному бомбардуваннi. Знання природи та характеристик цього випромiнювання сприяють поглибленню розумiння фiзики розсіяння, розпорошення, вторинної іонної, іонно-електронної, електронно-фотонної емісій, тощо. Отриманий комплекс даних про спектральнi, кутовi, енергетичнi та iншi характеристики випромiнювання поверхневих плазмонів, важливi для створення, удосконалення i перевiрки теоретичних моделей, що описують колективнi збудження в твердому тiлi. Зокрема, для срібла - металу, для якого модель вiльного електронного газу є поганим наближенням, отримані дані можливо використовувати для теоретичних розрахунків частоти коливань електронного газу, дисперсiйних залежностей, визначення сил осциляторiв i частот мiжзонних переходiв.

2. Вперше запропоновано механiзм збудження плазмонних коливань iонним бомбардуванням. Показано, що збудження поверхневих плазмонiв визначається потенцiйною енергiєю системи налiтаючий iон-метал.

3. Показана перспективнiсть застосування методу IФС для вивчення колективних збуджень електронiв твердого тiла, зокрема для одержання детальної iнформацiї про енергiю плазмонiв, час їх життя, вплив на цi параметри межі роздiлу метал-вакуум. Висока чутливiсть частоти випромiнювання поверхневих плазмонiв до наявностi сторонніх частинок на поверхнi може бути використана для розробки методу контролю чистоти поверхнi, вивчення її рельєфу та адсорбцiйно-десорбцiйних процесiв. Характеристичнiсть i вiдносно висока інтенсивність плазмонного випромiнювання визначають можливiсть його застосування у випадку срiбла для елементного аналiзу.

ОСНОВНI ПОЛОЖЕННЯ, ЩО ВИНОСЯТЬСЯ НА ЗАХИСТ:

1. Комплекс даних за результатами дослiджень неперервного випромінювання поверхнi срiбла при бомбардуваннi iонами H+, H2+, H3+, He+, Ne+, Ar+, Kr+, Kr++, N+, N2+, O+, O2+ кiлоелектронвольтних енергiй, який включає спектральний розподiл iнтенсивностi випромiнювання, його кутовi, енергетичнi, поляризаційні та динамiчнi характеристики, а також вплив на них ступеня покриття поверхнi мішені адатомами хiмiчно активних газiв.

2. Iнтерпретацiя неперервного випромiнювання у спектрi IФЕ Аg, як результату випромiнювальної релаксацiї поверхневих плазменних коливань електронiв зони провiдностi.

3. Пояснення природи короткохвильового максимуму у спектрах неперервного випромiнювання електронно- та iонно-фотонної емiсiй Аg як плазмонного випромiнювання з покритих киснем дiлянок поверхнi.

4. Модельні уявлення про те, що визначальним процесом генерацiї поверхневих плазмонних коливань електронiв Аg при iонному бомбардуваннi є оже-нейтралiзацiя налiтаючого iону.

Особистий внесок здобувача в отримані представлених у роботі наукових результатів полягав в обговоренні проблемних завдань, підготовці та проведенні експериментів. Здобувачем модернізована установка, на якій здійснені всі вимірювання характеристик НВ, проведена чисельна обробка результатів та їх аналіз. Постановка завдання та інтерпретація результатів проведені в творчій співдружності із співавторами відповідних наукових праць.

Апробацiя роботи.

Основнi положення i результати роботи доповiдалися та обговорювалися на IX Всесоюзнiй конференцiї по взаємодiї атомних частинок з твердим тiлом (Москва 1989), на V конференцiї молодих вчених Ужгородського держунi-верситету (Ужгород 1990), на Всесоюзнiй i мiжнароднiй нарадах-семiнарах "Диагностика поверхности ионными пучками" (Одеса 1990, Запорiжжя 1992, 2000), на XXI и ХХII Всесоюзних конференцiях з емiсiйної електронiки (Ленiн-град 1990, Москва 1993), на VI Всесоюзному семiнарi "Вторичная ионная и ионно-фотонная эмиссия", на X - XIII міжнародних конференцiях по взаємодії iонiв з поверхнею (Москва 1991, 1993, 1995, 1997), на 14 та 16 th International Conference on Atomic collisions in Solids (Salford 1991, Linz 1995), на IISC-8 (Wien 1990) i IISC-9 (Aussois 1992), на мiжнароднiй школi молодих вчених "Физика твердого тела" (Ужгород 1995), щорiчних пiдсумкових конференцiях аспiрантiв i професорсько-викладацького складу Ужгородського держунiверситету (1989-2000).

Публiкацiї. За матерiалами дисертацiї опублiковано 27 робiт. Перелiк публікацій у наукових виданнях, що відбивають основні положення дисертації наведено в кiнцi реферату.

Структура та обсяг дисертацiї. Дисертацiйна робота складається iз вступу, чотирьох роздiлiв, висновкiв i мiстить 161 сторiнку машинописного тексту, 51 малюнок на 32 сторiнках, 2 таблицi, 163 найменування лiтературних джерел на 16 сторiнках.

ЗМIСТ РОБОТИ

У вступi обгрунтовується актуальнiсть теми дослiдження; сформульована мета роботи i основнi положення, що захищаються; приводяться отриманi у дисертацiї новi науковi данi; вiдбита наукова новизна i практична цiннiсть результатiв роботи.

Перший роздiл є оглядовим. В ньому викладенi основнi результати дослiджень неперервного випромiнювання, яке виникає при взаємодiї заряджених частинок (iонiв та електронiв) з поверхнею твердих тiл. У IФЕ слiд розрiзняти два види НВ. Перший - це випромiнювання, яке емiтується вiдлiтаючими вiд поверхнi вторинними частинками; другий- це випромiнювання в широкiй спектральнiй областi, джерелом якого є бомбардована поверхня. Перший вид НВ вивчено найбiльш повно. Дослiдженню другого присвячена невелика кiлькiсть робiт, аналіз яких показує, що експериментальнi данi про характеристики цього НВ при iонному бомбардуваннi фрагментні, отриманi в рiзних експериментальних умовах i часто не узгоджуються. Все це ускладнює iнтерпретацiю експериментальних даних з урахуванням того, що: 1) вiдсутнi яскравi особливостi в спектрах НВ; 2) важко видiлити з декiлькох можливих механiзмiв генерації НВ основний, тим бiльше не ясно який з них домiнує при тiй чи iншiй енергiї первинних частинок; 3) проявлення певного виду НВ для рiзних пар iон-мiшень може бути замасковано випромiнюванням вторинно-емiтованих частинок. Разом з тим робились спроби встановити природу локалiзованого на поверхнi НВ. Відмічено, що при бомбардуваннi металiв iонами з енергiєю декiлька сотень кеВ i бiльше, основний внесок в НВ дають перехiдне та гальмiвне випромiнювання. Для дiелектрикiв, напiвпровiдникiв, а також металiв, поверхня яких забруднена сторонніми частинками, НВ пов’язувалось з iонолюмiнесценцiєю, зокрема з рекомбiнацiйним випромiнюванням. Випромiнювальна релаксацiя плазмонних збуджень електронної пiдсистеми металу, подiбно тому, як це спостерiгалось при опромiненнi електронами або фотонами, експериментально до цiєї роботи не спостерiгалась.

Стисло викладено результати вивчення характеристик оптичного випромiнювання, яке емiтується з поверхнi твердого тiла пiд дiєю електронiв. Показано, що переважний внесок того чи iншого виду випромiнювання визначається, в основному, електронною структурою мiшенi та енергiєю електронiв. Найбiльш вивченим як теоретично, так і експериментально в роботах з ЕФЕ є закономiрностi свiчення поверхнi благородних металiв.

Окремий пiдроздiл присвячений висновкам про доцiльнiсть проведення комплексних дослiджень для встановлення природи та механiзму генерацiї НВ, яке виникає при iонному бомбардуваннi срiбла. Обгрунтовано вибiр об’єктiв дослiджень, зондуючих частинок, поставлених задач роботи.

У другому роздiлi описано технiку та методику експерименту. Дослiдження проводились на надвисоковакуумнiй мас-спектроскопiчнiй установцi. Iони створювались у газорозрядному джерелi з осциляцією електронiв у поздовжньому магнітному полi. Сформований i прискорений до заданої енергiї пучок iонiв спрямовувався у поле 180-градусного мас-аналiзатора, де сепарувався за питомим зарядом, i далi проходив у камеру взаємодiй. Установка дозволяла отримувати пучки iонiв H+, H2+, H3+, He+, Ne+, Ar+, Kr+, Kr++, N+, N2+, O+, O2+ високої iнтенсивностi та однорiдностi по масах i енергiях iз наступними параметрами: енергiя Ео=621 кеВ, густина струму на мiшенi j=0,0515 А/м2. Тиск залишкових газiв поблизу мiшенi, який забезпечувався безмасляними засобами вiдкачки, не перевищував 57 10-5 Па. Камера взаємодiй оснащено гонiометричним пристроєм, електронною гарматою, цезiєвим напилювачем, тощо. Експерименти з використанням iонiв К+ виконанi на iншiй установцi, яка вiдрiзняється вiд вищеописаної джерелом i енергоаналiзатором iонiв. Використовувалось джерело з поверхневою iонiзацiєю без мас-сепарації. В обох випадках випромiнювання аналiзувалось монохроматором МДР-2 i реєструвалось фотопомножувачем, що працював у режимi рахунку окремих фотоелектронiв. Для реєстрацiї випромiнювання, керування експериментом та попередньої обробки даних застосовувався вимiрювально-керований комплекс (ВКК) на базi ЕОМ.

З метою встановлення мiсця локалiзацiї НВ при iонному бомбардуваннi Аg було використано три варiанти геометрiї експерименту. Встановлено, що НВ спостерiгається лише тодi, коли в "поле зору" монохроматору потрапляє поверхня мiшенi, тобто при кутах спостереження випромiнювання <90о (кут мiж напрямком спостереження i нормаллю до поверхнi).

Розглянуто методичнi прийоми вимiрювання характеристик НВ: спектрального розподiлу iнтенсивностi I(), поляризацiї, залежностей I(Eо), I(), I(j), I(t), I(T), I(P). Запис спектрiв здiйснювався iз спектральним роздiленням 0,1-0,6 нм. Завдяки лiнiйнiй дисперсiї монохроматору безпосереднє визначення довжини хвилi в спектрi по спектрограмi здiйсню-валось з точнiстю 0,5 нм, а за допомогою ВКК - з точнiстю 0,01 нм.

Описанi калiбрування вiдносної спектральної чутливостi системи аналiзу та детектування випромiнювання, а також методика пiдготовки зразкiв. Проведено аналiз похибок вимiрiв.

В третьому роздiлi викладено результати дослiджень IФЕ Аg. В першому пiдроздiлi приведено спектри IФЕ срiбла при бомбардуваннi рiзними iонами. За їх аналiзом виявлено ряд нових наукових фактiв. При взаємодiї прискорених iонiв (Ео=621 кеВ) водню, iнертних та атмосферних газiв з поверхнею срiбла в спектрi окрiм лiнiй відлітаючих від поверхні вторинних частинок виявлено НВ, джерелом якого є безпосередньо опромiнена поверхня. Це випромiнювання знаходиться в спектральнiй областi 200600 нм, має вигляд широкої смуги з одним або двома максимумами: при =350365 нм для iонiв iнертних газiв; при =330333 нм для iонiв азоту i кисню; при =330360 нм для iонiв водню. Для прикладу на рис.1 наведено спектри IФЕ при бомбардуваннi Аg iонами iнертних газiв. Визначено абсолютний вихiд фотонiв для пари Не+-Аg на довжинi хвилi =360 нм (=0,6 нм), який складає (26)10-3 фотон/iон, а iнтегральний вихiд у дiапазонi 200600 нм оцiнюється рiвним одному фотону на падаючий iон. Заряд бомбардуючих iонiв не впливає на форму НВ i спектральне положення максимумiв, тодi як iнтенсивнiсть випромiнювання зростає при переходi вiд однозарядних до двохзарядних iонiв.

Взагалi не призводить до появи НВ бомбардування Аg iонами К+.

Другий пiдроздiл присвячено розгляду залежностi спектральних характеристик НВ вiд кута при бомбардуваннi iонами водню та iнертних газiв. Варiювання вiд 2 до 88о при бомбардуваннi iонами Не+, Nе+, Аr+ не впливає на форму спектру, однак призводить до змiщення максимуму НВ у бік бiльших по мiрi зростання , а також до змiни iнтенсивностi випромiнювання. Максимальний вихiд фотонiв спостерiгається при =30-40о. При подальшому збiльшенi iнтенсивнiсть монотонно спадає, а при 90о НВ взагалi не спостерiгається. Аналогiчнi залежностi max() i I() отримано при бомбардуваннi iонами водню. Важливою особливiстю у останньому випадку є змiни у спектральному розподiлi iнтенсивностi НВ при рiзних . Так при =230о спостерiгається НВ тiльки з

Рис. 1. Спектри ІФЕ Ag при бомбардуванні іонами: а - Не+, б - Ne+, в - Ar+.

Рис. 2. Спектри НВ Ag, які виміряні при бомбардуванні іонами водню з питомою енергією 7 кев / нуклон і різними густинами струму: 1 - Н+, j=0,2 А/м2, 2 - Н2+, j=5,8 А/м2, 3 - Н3+, j=6,1 А/м2.

одним максимумом, спектральне положення якого в залежностi вiд параметрiв експерименту знаходиться у межах =330350 нм. При 45о спектри НВ можуть мати два максимуми: 1=330340 нм i 2=345360 нм. Для прикладу, на рис.2 показано спектри НВ Аg при бомбардуваннi iонами Н+, Н2+, Н3+ з енергiєю 7, 14 i 21 кеВ, вiдповiдно. Для порiвняння форми спектрального розподiлу iнтенсивностi випромінювання вони нормованi у максимумi, а спектральнi лiнiї не показанi. Видно, що у випадку опромiнення іонами Н+ домiнує максимум при =333 нм. Другий максимум тут виявляється у виглядi уступу при =360 нм, тобто у околi розташування максимуму при бомбардуваннi iонами iнертних газiв (рис.1). У випадках Н2+ і Н3+ бiльш iнтенсивний довгохвильовий максимум (355-360 нм). Залежностi I(), вимiрянi на довжинах хвиль обох максимумiв, подiбнi.

В третьому пiдроздiлi встановлено, що форма спектру та iнтенсивнiсть НВ практично не змiнюються при варiюваннi енергiї iонiв вiд 6 до 21 кеВ, за умови, коли спектр НВ однопiковий. При 4588о, тобто коли спостерiгається двопiкова структура в спектрi НВ при бомбардуваннi iонами Н+, Н2+, Н3+, змiна Ео може приводити до перерозподiлу iнтенсивностей мiж максимумами (поблизу 1=330 нм i 2=360 нм). Залежностi I(Ео), якi виміряні на довжинах хвиль 1 та 2, однаковi. Аналiз енергетичних характеристик показує, що роль кiнетичної енергiї частинок в процесi збудження НВ вiдносно мала. Незначнi змiни у формi спектрiв, положеннi максимумiв НВ в залежностi вiд Ео пов’язанi з модифiкацiєю поверхнi мiшенi за рахунок iмплантацiї iонiв або змiни рiвноважної концентрацiї адсорбованих хiмiчно активних частинок.

В четвертому підрозділі приведено результати комплексного дослiдження впливу стану поверхнi на характеристики НВ срiбла. Останнiй змiнювали рiзними нижченаведеними способами.

1. Час бомбардування. Кiнетичнi залежностi I(t) показують, що через наявність на поверхнi мiшенi частинок залишкової атмосфери, а також iншого (технологiчного) походження в початковий момент бомбардування протягом певного часу (tст) вiдбувається змiна iнтенсивностi випромiнювання. За цей час встановлюється динамiчна рiвновага мiж швидкiстю адсорбцiї i швидкiстю розпорошення пiд дiєю iонного пучка, а також утворюється певний мiкрорельєф поверхнi. Встановлено, що tст залежить вiд сорту iонiв, густини їх струму, кута падiння, попереднiй обробцi поверхнi i змiнюється вiд декiлькох секунд до декiлькох хвилин. Зокрема показано, що iз збiльшенням маси iона і j tст зменшується. При бомбардуваннi iонами водню кiнетичнi кривi при 2=360 нм за час tст зростають до досягнення постійного значення I (як i при бомбардуваннi iонами iнертних газiв), а при 1=330 нм- спадають.

2. Густина струму. При бомбардуваннi iонами водню змiна цього параметру iонного пучка суттєво впливає на характеристики НВ. Показано, що для iонiв Н+, Н2+, Н3+ (при 45о) з однаковою питомою енергiєю i рiзними для кожного iону j, спектри НВ вiдрiзняються i за формою, i за положенням максимумiв (див.рис.2). При <45 збiльшення j призводить до зсуву максимуму НВ у бік бiльших . Цi результати обумовлено тим, що за iнших однакових умов експерименту, вiдмiннiсть у густинi струму приводить до рiзних ступенiв покриття поверхнi адсорбованими частинками. При фiксованому тиску залишкових газiв (Р10-4Па) для j 2 А/м2 максимальна величина ступеня покриття 0,1 моношару i в спектрах НВ Аg явно домiнує максимум поблизу 1=330 нм. Для j=38 А/м2 -0,01 моношару i в спектрах переважає максимум поблизу 2=360 нм. При ще бiльших густинах струму (j>8 А/м2) короткохвильовий максимум зникає, а спектральний розподiл iнтенсивностi НВ спiвпадає з тим, що спостерiгається при бомбардуваннi iонами iнертних газiв (рис.1).

Спектральний розподiл iнтенсивностi НВ вiд j iонiв Не+ не залежить. Оцiнка максимальної величини навiть при j<2 А/м2 i Ро2=210-6 Па складає ~0,01 моношару. Отже, в експериментах з використанням iонiв Не+, поверхня Аg пiдтримується достатньо чистою, а змiна густини струму iонiв водню може служити надiйним iнструментом для контролю чистоти поверхнi. Це також пiдтверджується наступними дослiдами.

3. Адсорбцiя частинок. Експерименти з напуском рiзних газiв i бомбардуванням легкими iонами показали, що найбiльш суттєво впливає на спектральний розподiл iнтенсивностi НВ наявнiсть на поверхнi Аg кисню. При опромiненнi iонами Н+, Н2+, Н3+ з малою густиною струму у випадку проявлення двох максимумiв у спектрi НВ, з напуском О2 вiдбувається перерозподiл iнтенсивностей мiж пiками: iнтенсивнiсть короткохвильового зростає, а довгохвильового спадає. Коли роздiлення максимумiв НВ не спостерiгається спектральне положення максимуму з напуском О2 змiщується у короткохвильову область спектру. При бомбардуваннi iонами iнертних газiв напуск кисню до Ро2=1,310-2 Па не впливає на характеристики НВ.

Встановлено, що вплив кисню на спектральний розподiл iнтенсивностi НВ не залежить вiд того, адсорбований чи iмплантований вiн у поверхневий шар срібла. Це виходить з тотожностi спектрiв НВ, якi отримано при бомбардуваннi iонами водню вкритої киснем поверхнi мiшенi та при бомбардуваннi iонами О+,О2+.

4. Температура мiшенi. Встановлено, що вона i характеристики НВ Аg пов’язанi лише непрямим чином, через можливi змiни властивостей поверхнi завдяки залежностi вiд Т швидкостi дифузiйних та сорбцiйних процесiв. Нагрiв мiшенi до Т=400-450о С призводить до змiщення максимуму, розширення спектру i зменшенню виходу фотонiв НВ (~на 35%). Спостерiгається зворотнiсть змiни спектру НВ, що дозволяє не розглядати можливiсть вiдпалювання або структурних перетворень при нагрiваннi.

В п’ятому пiдроздiлi показано, що НВ поверхнi Аg є в значнiй мiрi лiнiйно поляризованим (Р=0,2-0,7). Площина коливань електричного вектору співпадає з площиною спостереження, в якiй знаходиться iонний пучок i напрямок спостереження, тобто у випромiнюваннi переважає р- поляризована компонента. В iнтервалi =335365 нм залежностi Р() мають максимум. Величина ступеня поляризацiї в областi максимуму НВ зростає iз збiльшенням . Змiна умов експе-рименту показала, що для чистої поверхнi Аg ступінь поляризацiї вищий, нiж для забрудненої. Встановлена також залежнiсть iнтенсивностi р- i s-компонент вiд .

В шостому пiдроздiлi вивчено характеристики випромiнювання, що виникає при бомбардуваннi одного i того ж зразка Аg iонами та електронами в однiй експериментальнiй установцi, якi показали єднiсть природи НВ в спектрах IФЕ i ЕФЕ. Вимiрювання спектрiв ЕФЕ Аg проводилось до i пiсля iонного бомбардування. На рис.3 показані спектри НВ Ag, які отримані при бомбардуванні іонами Не+ з Ео=15 кеВ і електронами з Ео=570 еВ при =30о. Як видно з рисунку первiсний спектр ЕФЕ (крива 3) мiстить НВ з максимумом поблизу 1=330 нм, 2=360 нм та 3=400 нм. Пicля очищення поверхні іонами Не+ (або Н+, Н2+, Н3+ з великою густиною струму), в спектрi ЕФЕ (крива 1) особливостi поблизу 1 та 3 зникають, i спектральний розподiл iнтенсивностi НВ стає iдентичним тому, який спостерiгається при бомбардуваннi вiдповiдними iонами (крива 2). Також однаковi спектри НВ, вимiрянi при опромiненi iонами О2+ i пiсля цього електронами. Iнтенсивнiсть у максимумi НВ у випадку бомбардування електронами пiсля очищення поверхнi iонами у 2 рази бiльша, нiж до iонного бомбардування. Iнтенсивнiсть, приведена на падаючу частинку, в максимумi при iонному бомбардуваннi у 5-10 разiв бiльша, нiж при електронному. Показано, що спектральнi розподiли р- i s- поляризаційних компонент ЕФЕ Аg, а також спектральнi залежностi ступеня поляризації Р(), вимiрянi пiсля iонного бомбардування i безпосередньо iонами, подiбнi. При опромiненi електронами ступiнь поляризації НВ з чистої поверхнi (пiсля iонного бомбардування), також як i в експериментах з IФЕ, вищий, нiж з забрудненої, зокрема киснем або цезiєм.

Рис. 3. Порівняння спектрів НВ Ag при бомбардуванні іонами Не+ (1) і електронами після і до (2 і 3 відповідно) іонного опромінення.

В четвертому роздiлi проведено аналiз отриманих експериментальних результатiв, порiвняння їх з лiтературними даними, на пiдставi чого зробленi висновки щодо природи, механiзму НВ Аg, ролi поверхнi у формуванні цього виду емiсiї, можливостей практичного застосування. Вiдмiчено, що вивчене НВ, джерелом якого є безпосередньо опромiнена iонами поверхня, характерне лише для срiбла, тому що тестовi експерименти з великою кiлькiстю металiв не виявили аналогiчного випромiнювання в областi 200600 нм. У першому пiдроздiлi розглянуто можливi види НВ, якi можуть дати внесок у свiчення, що спостерігається, а саме: а) iонолюмiнесценцiя; б) випромiнювальна рекомбiнацiя електронiв та дірок; в) перехiдне i гальмiвне випромiнювання; г) випромiнювальний розпад колективних плазмонних збуджень електронної пiдсистеми металу. Обгрунтовано, що НВ в спектрi IФЕ Аg є результатом релаксацiї поверхневих плазмонних коливань електронiв. Такий механiзм може бути залучено до пояснення характеристик випромiнювання тiльки при задоволеннi двох основних умов: 1) характерна енергія поверхневих плазмонiв дослiджуваного металу має знаходитися у аналiзуємому дiапазонi (1,9-6 еВ); 2) значення енергiї плазмонiв має відрізнятися вiд характерних значень енергії мiжзонних переходiв, оскільки останнi приводять до їх сильного згасання. Срiбло вiдповiдає цим вимогам. Для нього плазмонний пiк, визначений iз спектрiв характеристичних втрат енергiї (ХВЕ) електронiв, спостерiгається при h=3,6-3,7 еВ, а переходам ds-p вiдповiдають бiльш високi значення енергiї (~4 еВ). Залежно вiд стану поверхнi при iонному бомбардуваннi Аg, спектральне положення максимумiв НВ знаходиться в дiапазонi =330365 нм (h=3,43,75 еВ), що близько до значень енергiї плазмонiв, визначених як рiзними експериментальними методами (ЕФС, ХВЕ, дифракцiї електронiв), так i теоретично, використовуючи вiдомi оптичнi константи.

Порiвняння форми дослiджених спектрiв, в тому числi для р- i s-компонент iз спектрами ХВЕ та ЕФЕ, а також теоретичними розрахунками у припущеннi випромiнювальної релаксацiї поверхневих плазмонів, показує непоганий збіг результатiв. Кiлькiснi вiдмiнностi напiвширин спектральних розподiлiв (30100 нм), iмовiрно, обумовленi залежнiстю оптичних характеристик Аg, зокрема дiелектричної функцiї (k,) вiд властивостей межі роздiлу метал-вакуум. При iонному бомбардуваннi поверхня мiшенi певним чином модифiкується: утворюється мiкрорельєф, протiкають адсорбцiйно-десорбцiйнi процеси, iмплантацiя, тощо. Це впливає на електронну структуру поверхневого шару, i як наслiдок, на час релаксацiї (напiвширина) i частоту плазмонних коливань (max). Тому, в залежностi вiд умов експерименту, якi обумовлюють реальний стан поверхнi, спектральне положення максимуму (а також проявлення двох максимумiв) i напiвширина спектрiв НВ мають певнi границi змiн. На плазмонну природу дослiдженого випромiнювання вказують також вимiрянi поляризаційні та кутовi залежностi. Саме величина ступеня лiнiйної поляризацiї (Р=0,2-0,7) i залежностi I(), P(), Ip,s(), якi добре узгоджуються з теоретично розрахованими та вимiряними методом EФС, дозволили спростувати внесок перехiдного випромiнювання. Для Аg особливостi у спектрi цього випромiнювання проявляються в областi плазмонного резонансу, але з стовiдсотковою поляризацiєю i максимумом на кутових залежностях при 60о, що не узгоджується з отриманими результатами.

Щодо двох максимумiв НВ, то як показано в пр.4.2, випромiнювання з максимумом поблизу 2=360 нм (hs=3,45 еВ) при iонному бомбардуваннi Аg, як i в дослiдах з електронами або фотонами, однозначно пов’язано з поверхнево-плазмонним випромiнюванням. Плазмони є поздовжніми хвилями, тому їх радiацiйний розпад можливий тiльки при наявностi структурних неоднорiдностей на поверхнi металу, шорсткостей, тощо. Не дивлячись на добрий збіг енергiй квантiв випромiнювання поблизу 1=330 нм з енергiєю об’ємних плазмонiв hр, теоретично не доведена можливiсть їх випромiнювального розпаду. Результати даної роботи дозволили переконливо ототожнити природу максимуму поблизу частоти об’ємного плазмону з проявленням випромiнювальної релаксацiї поверхневих плазмонiв з дiлянок поверхнi покритих киснем у кiлькостi бiльше 0,01 моношару. При такому вмicтi кисню на поверхнi Аg можливi сорбцiя кисню у середину гратки та адсорбцiя О2 на поверхнi без дисоцiацiї молекул на атоми або з частковою чи повною дисоцiацiєю. Внаслiдок протiкання цих процесiв вiдбувається електронний обмiн мiж частинками на поверхнi i гратами металу (посилений ще й iонним бомбардуванням), який змінює концентрацію вільних електронiв i енергiю збудження поверхневих плазмонiв, що позначається на частотi їх випромiнювального розпаду. Збiльшення ступеню покриття поверхнi призводить до зсуву положення максимуму у бік менших (бiльших h) i зростанню виходу фотонiв поблизу 1 та зменшенню - поблизу 2. Отже, змiни у спектральному розподiлi iнтенсивностi плазмонного випромiнювання обумовлено, в основному, станом поверхнi. При бомбардуваннi iонами iнертних газiв, через значну стимулюючу десорбцiю за рахунок бiльшої розпорошуючої дiї цих іонів в порiвняннi з iонами водню (i електронами), навiть при напуску О2 i напиленні Сs, максимум iнтенсивностi спостерiгається у iнтервалi =350365 нм, тобто поблизу частот поверхневих плазмонiв, характерних для чистої поверхнi Аg. Лише при нагрiваннi зразка до Т=450оС для пари Не+-Аg спостерiгається короткохвильовий максимум, поява якого зумовлена дифузiєю кисню iз глибини зразка. Збiльшення густини струму iонiв водню до створення умови 0,01 моношару, або бомбардування електронами очищеної iонним пучком поверхнi, дозволяє позбутися максимуму при 1 i отримати залежностi I(), Р() тотожнi тим, що спостерiгаються у випадку iонiв iнертних газiв. Iдентичнiсть залежностей I(Eо), I(), Ip,s(), I(j), I(T), якi вимiрянi на довжинах хвиль 1 і 2 свiдчить про одну й ту ж природу максимумiв. Отже, наявнiсть двох максимумiв плазмонного випромiнювання обумовлено емiсiєю фотонiв з чистих i покритих киснем дiлянок поверхнi Аg. Така iнтерпретацiя двох максимумiв прийнятна i у випадку ЕФЕ Аg.

Встановлено, що природа дослiдженого випромiнювання у спектрах НВ Аg, яке виникає при iонному i електронному бомбардуваннi, єдина. Закономiрностi розпаду поверхневих плазмонiв не залежать вiд способу їх збудження, який впливає тiльки на ефективнiсть генерацiї плазмонних коливань. Як i при електронному опромiненнi, в силу хаотичного характеру розсiяння бомбардуючих iонiв, можна рахувати, що спрямованої орiєнтацiї джерела електромагнiтного поля немає. Тому спектральнi, кутовi, поляризацiйнi характеристики плазмонного випромiнювання залежать виключно вiд оптичних властивостей середовища на межi роздiлу: глибини генерацiї випромiнювання, коефiцiєнту поглинання, товщини поглинаючого шару. На спектри впливає i можливе багаторазове заломлення та вiдбивання свiтла вiд границi роздiлу срiбло-окисел-вакуум. Виявлена залежнiсть характеристик плазмонного випромiнювання вiд розподiлу та величини компонент поверхневої шорсткостi. Роль шорсткостi поверхнi при iонному бомбардуваннi якiсно проявляється у змiнi iнтенсивностi, напiвширини спектру та змiщенi максимуму випромінювання поблизу частот поверхневих плазмонiв. Встановлено, що залежнiсть поверхневої шорсткостi вiд або набагато сильнiша за кутову залежнiсть коефiцiєнту розпорошення металу. Здiйснена спроба встановити зв’язок мiж величиною шорсткостi i емiсiєю фотонiв у результатi розпаду поверхневих плазмонiв на цих шорсткостях.

В пр.4.3 обговоренi можливi канали збудження поверхневих плазмонiв при iонному опромiненi, а саме: 1) безпосередня передача енергiї вiльним електронам вiд налiтаючого iону; 2) безвипромiнювальне дезбудження розпорошених та розсiяних частинок з передачою енергiї, яка звiльнилась, електронам зони провiдностi; 3) передача кiнетичної енергiї зв’язаним електронам i утворення вторинних електронiв, включаючи Оже-електрони, якi викликають збудження плазмонних коливань (кiнетичний механiзм); 4) нейтралiзацiя налiтаючого iону електроном зони провiдностi з послiдуючою передачою енергiї електронному газу, або нейтралiзацiя з утворенням Оже-електронiв (потенцiйний механiзм). З отриманих експериментальних даних випливає, що механiзм збудження електронної пiдсистеми Аg пов’язаний із вивiльненням внутрiшньої енергiї системи бомбардуючий iон-тверде тiло, тобто є потенцiйним. На користь цього свiдчать:

- незалежнiсть iнтенсивностi випромiнювання вiд Ео=621 кеВ;

- вплив сорту iону на збудження і випромiнювальну релаксацiю поверхневих плазмонiв (iз порiвняння спектрiв IФЕ Аg при бомбардуваннi iонами Аr+ i К+);

- зростання iнтенсивностi випромiнювання iз збiльшенням заряду iону;

- вiдсутнiсть адитивностi мiж iнтенсивнiстю НВ i кiлькiстю частинок, що збуджують електронний газ, зокрема, Н+, Н2+,Н3+;

- спiввiдношення iнтенсивностей у максимумi НВ при бомбардуваннi iонами i електронами в однiй експериментальнiй установцi.

На пiдставi аналiзу взаєморозташування рiвня Фермi, дна зони провiдностi i енергiї iонiзацiї iонiв конкретизовано, що збудження поверхневих плазмонiв срiбла вiдбувається внаслідок протiкання процесу нейтралiзацiї налітаючого іона шляхом переходу електрона метала на бiльш низький вакантний рiвень атома (iона) з передачою надлишку енергiї електронному газу.

В кiнцi роздiлу розглянуто основнi напрямки практичного застосування отриманих результатiв:

- дослiдження методом IФС колективних процесiв в твердому тiлi;

- якiсний аналiз сполук, сплавiв, якi мiстять Аg;

- контроль чистоти поверхнi;

- отримання iнформацiї про шорсткiсть поверхнi, про протiкання адсорбцiйно-десорбцiйних процесiв;

- визначення фундаментальних характеристик плазмонного випромiнювання.

У висновках сформульованi основнi результати, одержанi в дисертації, які наведені нижче.

ОСНОВНI РЕЗУЛЬТАТИ I ВИСНОВКИ

1. Вперше при бомбардуваннi срiбла iонами середнiх енергiй отриманi систематичнi данi про характеристики локалiзованого на поверхнi свiчення, аналiз яких дозволив пов’язати його з випромiнювальною релаксацiєю поверхневих плазмонiв. Вiдпрацьована методика дослiдження процесiв колективних збуджень електронiв зони провiдностi оптичним методом.

2. Спектр випромiнювання поверхневих плазмонiв срiбла в областi 200500 нм неперервний з одним або двома максимумами в iнтервалi =330365 нм (h=3,4-3,75 еВ). Iнтегральний вихiд фотонiв оцiнюється як один фотон на падаючий iон.

3. Моделювання стану поверхнi срiбла шляхом варiацiї сорту iонiв, їх густини, адсорбцiйних покрить, температури та iнших параметрiв експерименту дозволило встановити, що випромiнювання з максимумом поблизу 2=360 нм обумовлено розпадом поверхневих плазмонiв на чистих дiлянках поверхнi мiшенi, а випромiнювання з максимумом поблизу 1=330 нм - з дiлянок, забруднених киснем. Короткохвильовий максимум у спектрi IФЕ Аg має мiсце при ступенях покриття поверхнi киснем 0,01 моношару.

4. Вивченi характеристики плазмонного випромiнювання, яке емiтується як з чистої, так і покритої адатомами поверхнi срiбла показали, що: а) форма спектру та iнтенсивнiсть не залежать вiд Ео=621 кеВ; б) кут спостереження суттєво впливає на спектральний розподiл iнтенсивностi: максимальний вихiд фотонiв спостерiгається при =30-45о, при бомбардуваннi iонами водню два максимуми спостерiгаються при 45о; в) випромiнювання р-поляризоване (Р=0,1-0,7), ступiнь поляризацiї лiнiйно зростає при збiльшеннi , i вищий для чистої поверхнi для всiх .

5. Сумiснi експерименти з використанням iонiв i електронiв показали, що закономiрностi розпаду поверхневих плазмонiв не залежать вiд способу їх збудження, який впливає лише на ефективнiсть генерацiї плазмених коливань, а визначаються станом поверхнi - чистотою i шорсткiстю.

6. Розглянуто механiзми збудження поверхневих плазмонiв срiбла при iонному бомбардуваннi. Для iонiв середнiх енергiй iмовiрнiсть збудження поверхневих плазмоних коливань електронiв Аg визначається внутрiшньою енергiєю системи iон-метал. З’ясовано, що в основному передача енергiї плазмонам відбувається за рахунок процесу оже-нейтралiзацiї iона поблизу поверхнi.

7. Результати роботи окрiм фундаментального характеру мають i практичне значення. Показана принципова можливiсть застосування методу IФС для визначення характеристик плазмонного випромiнювання, а також використання його для дiагностики поверхнi.

Основнi результати дисертацiї вiдбито у наступних роботах:

1. Свечение поверхности серебра при ионной бомбардировке / Бандурин Ю.А., Поп С.С., Дащенко А.И., Митропольский И.Е., Белых Л.С. // Изв. АН СССР. Сер.физ. -1990. -Т.54,N7. -С.1359-1362.

2. Light emission of plasmons during ion bombardment of silver surfaces / Bandurin Yu.A., Belykh L.S., Mitropolsky I.E., Dashchenko A.I., Pop S.S. // Nucl. Instr. and Meth.-1991.-B.58.-P.448-451.

3. Плазмонное излучение поверхности серебра при ионной бомбардировке / Бандурин Ю.А., Белых Л.С., Дащенко А.И., Митропольский И.Е., Поп С.С.// Изв.АН СССР. Сер.физ. -1991. -Т.55,N12. -С.2399-2404.

4. Плазмонное излучение поверхности серебра при ионной бомбардировке / Бандурин Ю.А., Белых Л.С., Дащенко А.И., Митропольский И.Е., Поп С.С.// Физико-химические, структурные и эмиссионные свойства тонких пленок и поверхности твердого тела. Тем. сб. научных трудов под ред. Н.Г.Находкина. Киев. УМКВО, 1992.-С.239-249.

5. Плазмонное излучение поверхности серебра, возбуждаемое ионной бомбардировкой / Бандурин Ю.А., Дащенко А.И., Митропольский И.Е., Поп И.С. // У зб. доповідей ювілейної конф. IЕФ-93. -Ужгород. -1993. -С.111-113.

6. Ion-induced plasmon excitation on the clean and oxidized silver surfaces / Bandurin Yu.A., Dashchenko A.I., Mitropolsky I.E., Pop S.S.// Nucl. Instr. and Meth.-1993.-B.78.N.1-4. -P.159-162.26.

7. Plasmon radiation from a silver surface during ion bombardment / Bandurin Yu.A., Belykh L.S., Mitropolsky I.E., Dashchenko A.I., Pop S.S. // Vacuum. -1993. -V.44. N.9. -P.941-942.

8. Поляризация плазмонного излучения при ионной бомбардировке поверхности серебра / Поп С.С., Бандурин Ю.А., Дащенко А.И., Митропольский И.Е. // Оптика и спектроскопия. -1997.-Т.83.Вып.1. -С.38-42.

9. Плазмонное излучение поверхности серебра при бомбардировке ионами H2+ / Бандурин Ю.А., Белых Л.С., Дащенко А.И., Митропольский И.Е., Поп С.С. // Тез. докл. Всесоюз. сов.-сем. "Диагностика поверхности ионными пучками". -Одесса. -1990. -С.65-66.

10.Непрерывное излучение поверхности серебра при электронной и ионной бомбардировке / Бандурин Ю.А., Белых Л.С., Дащенко А.И., Митропольский И.Е., Поп С.С. // Тез. докл. VI Всесоюз. сем. "Вторичная ионная и ионно-фотонная эмиссия". -Харьков. -1991. -С.95-97.

11.Plasmon excitations during ion bombardment of silver