Взаимодействие заряженных частиц с поверхностью

Руководитель - Юрасова Вера Евгеньевна

к. Ц-60а, тел. 8(495)939-19-79

Основные научные результаты.

Взаимодействие заряженных частиц с поверхностью

Рис. 1. Анизотропия распыления монокристалла. Осадок на экране, параллельном распыляемой грани (100) Cu (облучение ионами Ar+ c энергией 5 кэВ) – в направлениях плотной упаковки (110) и (100) распыление наибольшее – образуются пятна (а). Модель мишени (б). Фокусон, ответственный за выход атомов в направлениях (110) (в).

Научная группа по изучению взаимодействия заряженных частиц с поверхностью была основана на нашей кафедре Верой Евгеньевной Юрасовой, когда она начала исследовать процессы при ионном облучении твердого тела – эмиссию нейтральных (распыление) и заряженных (вторичная ионная эмиссия, ВИЭ) частиц. Ею была обнаружена анизотропия распыления монокристаллов при энергии облучающих ионов 0.3-5 кэВ (В.Е.Юрасова, Современные теории катодного распыления и микрорельеф распыляемой поверхности металла, - ЖТФ, 1958, 28, №9, 1966-1970). Она показала, что распыление твердых тел ионами таких энергий обусловлено не испарением атомов (как считалось ранее), а происходит благодаря передаче импульса от падающих ионов атомам мишени преимущественно в направлениях плотной упаковки атомов, например, в направлениях (110) монокристалла меди (см. рис.1). Эти пионерские работы по анизотропии распыления монокристаллов явились отправной точкой для дальнейшего изучения физики процесса и вошли в классику мировой литературы по радиационным эффектам в твердых телах.

Несомненный интерес представляет цикл экспериментальных и теоретических работ, проводимый В.Е.Юрасовой с коллегами, по ионно-индуциpованной эмиссии вторичных частиц (атомов, ионов, электронов и фотонов) вблизи температур фазовых переходов первого и второго рода, открывший новое направление исследований в области взаимодействия ионов с поверхностью – «квантовый эффект в распылении». Впервые было показано значительное увеличение распыления никеля при переходе из феppомагнитного в парамагнитное состояние и резкое увеличение выхода распыления вблизи точки Кюри (В.Е.Юрасова, В.С.Черныш, М.В.Кувакин, Л.Б.Шелякин, Изменение распыления монокристалла при переходе через точку Кюри, - Письма в ЖЭТФ, 1975, 21, №3, 197).

Взаимодействие заряженных частиц с поверхностью

Рис. 2. Изменение вторичной ионной эмиссии поликристалла Ni при его переходе из ферро- в парамагнитное состояние (бомбардировка ионами Ar+ с энергией Е0 = 8 кэВ).

Этот эффект далее подробно исследовался в лаборатории экспериментально и теоретически для ряда 3d и 4f ферромагнетиков. Наблюдалась тонкая структура (наличие нескольких максимумов и минимумов) в температурной зависимости распыления монокристалла Ni. Было установлено уменьшение вторичной ионной эмиссии моно и поликристалла никеля (а также компонент ряда феppомагнитных соединений) при магнитном фазовом переходе, см. рис.2. Проведенный аналитический и компьютерный расчёт показал, что скачек в эмиссии нейтральных и заряженных частиц при магнитном фазовом переходе может быть объяснен изменением плотности электронных состояний вблизи уровня Ферми и изменением потенциала взаимодействия атомов, движущихся в кристалле. Последнее происходит благодаря ориентационному упорядочению спинов, что влияет как на условия распространения каскадов соударений, так и на энергию связи поверхностных атомов.

Взаимодействие заряженных частиц с поверхностью Взаимодействие заряженных частиц с поверхностью Взаимодействие заряженных частиц с поверхностью

Рис. 3. Поверхность первоначально гладкой грани (100) Cu после ее облучения ионами Ar+ с энергией 40 кэВ при различных условиях.

Другое направление исследований в лаборатории связано с практическим приложением распыления. Было показано, что с помощью ионной бомбардировки можно направленно менять структуру поверхности: получать поверхность с остриями для автоэлектронных эмиттеров (рис.3), выявить зернистую структуру поверхности любых материалов, определить места выхода на поверхность дислокаций, различить на поверхности зерна с низкоиндексными гранями. Эти результаты послужили базой для разработки методики выявления структуры поверхности вещества в широкой области изменения его температуры и создания первых в нашей стране установок для ионного травления – УИТ (Г.В.Спивак, В.Е.Юрасова, Ф.Ф.Кушнир, Установка для ускоренного травления ионной бомбардировкой металлов, полупроводников и диэлектриков,УИТ-4, Изв. АН СССР, сер. физ., 27 (1963) N9, 1188-1192. Установки УИТ получили медаль ВДНХ 1960 г., демонстрировались на международных выставках в Москве и Лондоне (1962-1964 гг), а их авторы были награждены премией имени С.И.Вавилова 1962 г. Серия установок от УИТ-1 до УИТ-5 (последняя из них - с дополнительной ионизацией электронным ударом в присутствии магнитного поля) явилась прототипом современных установок для магнетронного распыления, которые сейчас широко используются для получения упрочняющих покрытий и тонких пленок заданного состава. На установках УИТ, а также на приборе с ионным источником проводились исследования механизма образования рельефа на облучаемой ионами поверхности твердого тела: конусов, фигур травления, волнообразного рельефа. Было обращено внимание на то, что в этом процессе существенную роль играет не только избирательное распыление атомов, наименее связанных с поверхностью, но и рост возвышенностей на поверхности за счет радиационно-стимулированной диффузии.

Особо отметим создание уникальной установки со схемой совпадения и ее использование для изучения одновременной эмиссии различного рода частиц – ионов, электронов, фотонов при ионной бомбардировке твердого тела (Г.А.Дубский, В.Г.Неудачин, Н.М.Персианцева, Л.Б.Шелякин, В.Е.Юрасова, Поверхность, (1985) №1, 64-67). С помощью схемы совпадения впервые удалось наблюдать пространственное и энергетическое распределение вторичных возбужденных ионов, обнаружить квазирезонансный электронный обмен для вторичных ионов с поверхностью, а также корреляцию между эмиссией ионов определенной энергии и электронной структурой поверхности. Экспериментально были обнаружены осцилляции в энергетическом спектре ряда возбужденных состояний вторичных ионов кремния Si+*, которые наблюдались впервые в эмиссии атомных частиц и были объяснены квантовой интерференцией различных электронных состояний иона и мишени. Эти результаты открыли перспективу применения метода совпадения для исследования электронной структуры поверхностных слоев.

Важную роль в развитии научной деятельности группы сыграли работы Ильдара Фоатовича Уразгильдина с коллегами, связанные с изучением процессов зарядового обмена при взаимодействии атомных частиц с поверхностью. Впервые наблюдался эффект квантовой интерференции различных электронных состояний при вторичной ионной эмиссии, приводящий к осциллирующей зависимости энергетического спектра возбужденных ионов кремния. В рамках нестационарной модели Андерсона была впервые аналитически решена задача зарядового обмена между атомным уровнем и ограниченной зоной электронных состояний при эмиссии частицы с поверхности или рассеянии. Удалось показать, что в общем случае вероятность ионизации атомной частицы имеет немонотонную зависимость от скорости атомной частицы. Теоретически исследовано влияние параллельной поверхности составляющей скорости иона водорода на его электронный обмен при скользящем рассеянии на тонкой пленке алюминия. Показано, что эффективность формирования отрицательных ионов водорода при рассеянии на пленке более чем на порядок превышает ту же величину при рассеянии на массивных образцах. Это важно для понимания поведения транспортных аппаратов в верхних слоях атмосферы и в космосе, в особенности, в случаях применения покрытий летательных аппаратов. Предсказано проявление квантово-размерного эффекта при электронном обмене атомных частиц с наносистемами и определены условия, необходимые для его возникновения.

Взаимодействие заряженных частиц с поверхностью

Рис. 4. АСМ-изображения поверхности CaF2 до облучения электронами (слева) и после облучения (справа).

Другим значительным направлением деятельности группы является изучение электронно-стимулированных процессов на поверхности твердых тел. Это направление было основано Еленой Михайловной Дубининой и Сергеем Сергеевичем Еловиковым. Было обнаружено, что не только ионы, но и электроны тех же энергий эффективно разрушают поверхность в результате неупругих процессов, связанных с генерацией в твердом теле электронных возбуждений. Распад таких возбуждений приводит к перезарядке частиц и передаче импульса атомам или ионам, за счет чего они могут покинуть поверхность, при этом на самой поверхности образуются различного рода дефекты. Такие процессы были названы электронно-стимулированной десорбцией (ЭСД). Понятно, что интенсивность протекания ЭСД определяет радиационную стойкость материалов, которая является одним из важнейших свойств для объектов, работающих в условиях радиационных воздействий. В первую очередь это относится к космическим аппаратам, электровакуумным и плазменным приборам, включая термоядерные реакторы. Радиационные дефекты, создаваемые медленными электронами, могут быть использованы и в созидательных целях. Например, небольшое их количество способствует росту более совершенных по своей структуре полупроводниковых, металлических и диэлектрических пленок, широко используемых в микроэлектронике. Для экспериментального исследования закономерностей ЭСД, проведения анализа поверхности, получения пленок в лаборатории применялись самые современные методики: электронная оже-спектроскопия, масс-спектрометрия, электронная и атомно-силовая микроскопия, лазерное напыление. Наглядным примером радиационных повреждений, вносимых медленными электронами, служат картины поверхности монокристалла CaF2, полученные в атомно-силовом микроскопе (АСМ), до ее облучения (рис. 4 слева) и после облучения электронами с дозой 5*1017 см-2 (рис. 4 справа). На облученной поверхности отчетливо видны островки металлического кальция, сформировавшиеся в результате преимущественной ЭСД атомов фтора. На основе экспериментальных данных был разработан ряд моделей для объяснения ЭСД с поверхностей различных объектов.

Направления научной работы в настоящее время.

В настоящее время коллектив научной группы продолжает изучение процессов, происходящих при облучении поверхности твердых тел и наносистем пучками заряженных частиц. Проводятся как экспериментальные, так и теоретические исследования, в том числе с использованием компьютерного моделирования, распыление и рассеяние ионов, модификации поверхности, зарядового обмен с наносистемами.

Изучение особенностей рассеяния и вторичной ионной эмиссии.

Продолжаются экспериментальные и компьютерные исследования основных закономерностей и механизмов формирования зарядовых состояний эмитированных и рассеянных частиц. Цель этих работ - создать количественную теорию вторичной ионной эмиссии, которая очень важна для усовершенствования методов диагностики поверхности, в частности, методики вторичной ионной масс-спектроскопии, которая сейчас является наиболее чувствительным методом исследования элементного состава. Экспериментальные работы выполняются на оригинальных сверхвысоковакуумных установках. Для компьютерного моделирования распыление и рассеяния ионов используется молекулярно-динамическое моделирование.

Взаимодействие заряженных частиц с поверхностью

Рис. 5. Экспериментальный (1) и рассчитанный с учетом перезарядки вторичных ионов (2) энергетический спектр ионов C+, распыленных с поверхности графита ионами Ar+ с энергией 1  кэВ, угол падения ионов 45°, угол эмиссии вторичных ионов 45°.

Проводится изучение вторичной эмиссии ионов С+ с поверхностей (0001) ориентированных нанокристаллитов пиролитического графита при облучении ионами аргона. Экспериментальные исследования показали, что энергетическое распределение распыленных однозарядных вторичных ионов углерода имеет осциллирующий характер с энергией в максимуме спектра Еmax в пределах 40-60 эВ для разных углов эмиссии. Проведенное численное моделирование процесса ВИЭ с грани (0001) графита с учетом перезарядки вторичных ионов демонстрирует хорошее качественное согласие результатов расчета и эксперимента (рис.5). Анализ энергетических спектров и результатов численного моделирования позволят определить механизмы образования вторичных ионов С+ при распылении графита.

Проводятся также работы по изучению процессов формирования нанорельефа и созданию наноструктур на поверхности различных материалов с помощью распыления и ионного внедрения. Эти работы направлены на разработку физических основ нанотехнологий.

Модификация поверхности и получение наноструктур с помощью электронного облучения.

Формирование наноструктур и модификация поверхности возможна не только при облучении ионными пучками, но и при электронном воздействии. Например, в результате электронно-стимулированной десорбции кислорода с поверхности сапфира на поверхности формируются тонкие островковые пленки алюминия (рис. 6). Исследования зависимости размеров и распределения по поверхности металлических островков от параметров электронного облучения, проводимые в нашей группе, позволят в будущем получать островковые пленки с заданными свойствами.

Взаимодействие заряженных частиц с поверхностью Взаимодействие заряженных частиц с поверхностью

Рис. 6. Изображение поверхности сапфира после электронного облучения полученное с помощью атомно-силового микроскопа. При дозе 1018 электронов/см2 формируются островковые плёнки радиусом ~ 40 нм (слева). При дозе облучения 1020 электронов/см2 формируются островковые плёнки радиусом ~ 100 нм (справа).

Моделирование электронных свойств и процессов в наносистемах.

Взаимодействие заряженных частиц с поверхностью

Рис. 7. Иллюстрация динамики туннелирования электрона с отрицательного иона в тонкую плёнку (вверху) и островковую плёнку (внизу).

Другим направлением научной работы лаборатории является изучение электронного обмена с системами пониженной размерности (наносистемами), что приобретает особую актуальность благодаря бурному развитию нанотехнологий. Поскольку постановка прямых экспериментов по регистрации электронных процессов затруднена в силу размеров наносистем, особую актуальность приобретают методы компьютерного моделирования электронных свойств и процессов. На текущий момент хорошо изучен обмен зарядом между атомной частицей и массивным образцом. Туннелируя вдоль нормали к поверхности, электрон неограниченно распространяется в глубину металла. При этом возможность обратного перехода электрона на атом практически отсутствует. Если ограничить движение электрона перпендикулярно поверхности, то характер электронного перехода существенно изменится. Примером поверхностей с ограниченным движением электрона являются наносистемы – тонкие металлические пленки, островковые пленки на поверхности, нанотрубки и кластеры атомов. На рис. 7 показано развитие процесса перезарядки во времени для алюминиевого диска и пленки одинаковой толщины. Процесс электронного перехода условно можно разбить по времени на три этапа. В течение первого этапа (0-30 ат.ед.) электрон распространяется перпендикулярно поверхности. Картина распределения волновой функции совпадает для диска, пленки и массивного образца. Во время второго этапа (50–500 ат.ед.) электрон распространяется преимущественно параллельно поверхности, при этом проявляется дискретная структура энергии диска/пленки вдоль нормали к поверхности, но распределение волновой функции для диска и пленки по-прежнему практически идентично. На третьем этапе (от 500 ат.ед.) проявляется дискретность энергии по полярной координате. Волновая функция электрона приобретает максимумы по обеим координатам z, р.

Изучение особенностей распыления деформированных материалов.

Взаимодействие заряженных частиц с поверхностью

Рис. 8. (а) Изображение, вновь появившееся на полностью сточенной поверхности пятикопеечной монеты после ее ионного травления. (б) След от клейма с цифрой 2 на стальном образце, выявленный ионной бомбардировкой после удаления поверхностного слоя глубиной в 2 мм.

Важные работы, проводимые в группе, относятся к изучению особенностей распыления деформированных материалов. Это направление тесно связано с практическими применениями, например, с разработкой метода выявления скрытых деформированных участков поверхности с помощью ионной бомбардировки. Метод нашел широкое применение, в частности, в криминалистике и археологии (рис. 8). Исследование механизма выявления деформированных областей при ионной бомбардировке показало, что существенную роль здесь играет преимущественное распыление участков с ослабленной связью атомов, избирательная радиационно-стимулированная диффузия примеси в область наибольшего градиента механического напряжения и различие в сегрегации и диффузии разных компонент материала мишени.

Публикации, учебная деятельность, гранты.

За время деятельности научного направления «Взаимодействия заряженных частиц с твердым телом» было опубликовано свыше 1000 работ, ряд книг и учебных пособий. Под руководством ее ведущих сотрудников Юрасовой В.Е., Дубининой Е.М, Еловикова С.С., Уразгильдина И.Ф. было защищено более 40 кандидатских диссертаций и 10 человек получили степень докторов наук.

Высокая оценка результатов научной деятельности группы подтверждается итогами научных конкурсов (приведены результаты после 2005 года):

Опубликованы книги и учебные пособия:

В настоящее время сотрудники группы принимают активное участие в образовательном процессе, читают лекционные курсы "Неупругое взаимодействие ионов с поверхностью" и "Электронная спектроскопия поверхности и тонких пленок", а также ведут занятия в практикумах.

Научное сотрудничество и организационная деятельность.

Сотрудники группы принимают активное участие в деятельности российских и международных научных организаций.

Юрасова В.Е. - зам. председателя секции взаимодействия плазмы с поверхностью совета по физике плазмы РАН, член совета по физической электронике РАН, член Российского физического общества и международного физического общества International Bohmische Physical Society, член редколлегии международного журнала Vacuum (Elsevier), председатель программного комитета международной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью" и член программных комитетов конференций по физике плазмы и эмиссионной электронике.

Гайнуллин И.К. и Зыкова Е.Ю. являются членами Оргкомитета конференции "Взаимодействия ионов с поверхностью".

Конференция "Взаимодействия ионов с поверхностью".

Cайт конференции

Взаимодействие заряженных частиц с поверхностью

Рис. 9. Оргкомитет ВИП-2009, Звенигород. Слева направо, стоят: Л.Б. Беграмбеков, А.А. Писарев, А.М. Борисов, Д.С. Коллигон, В.А. Курнаев, А.А. Семенов, П.А.Карасев; сидят: А.И. Титов, В.Е. Юрасова, И.И. Шкарбан.

Конференция "Взаимодействия ионов с поверхностью" берет свое начало в 1971. В то время исследования взаимодействия ионов с поверхностью бурно развивались во всем мире, в том числе в Советском Союзе, и по инициативе профессора Я.М. Фогеля в Харькове был организован Всесоюзный симпозиум, на котором 200 участников заслушали более 60 докладов и решили регулярно проводить конференции по этой тематике. Уже в течение 40 лет конференция ВИП сохраняется и бережно поддерживается людьми, которые стояли у её истоков. К ним в первую очередь можно отнести академика НАН Украины В.Т.Черепина, академика НАН Беларуси В.А. Лабунова, академика РАН Б.Б.Кадомцева, проф. В.Г. Тельковского, проф. И.И. Шкарбана и многих других. Особо следует отметить роль академика Ю.А. Рыжова, который являлся председателем 10-й и всех последующих конференции. Наконец, исключительно велика роль Веры Евгеньевны Юрасовой, которая являлась фактически сопредседателем всех конференций, начиная со второй, и сумела сохранить конференцию в трагические для всей нашей науки 90-е годы; она осуществляла и осуществляет сейчас огромную работу по руководству всеми комитетами ВИП, по подготовке программ и публикации трудов конференции.

Взаимодействие заряженных частиц с поверхностью

Рис. 10. Программный комитет перед ВИП – 2011 под руководством В.Е.Юрасовой. Слева направо: Ю.В. Мартыненко, А.М. Борисов, А.А. Писарев, В.А. Курнаев, Е.Ю.Зыкова, Л.Б. Беграмбеков, А.И. Титов.

Благодаря активности этих и многих других ученых конференция набирала силу, и, начиная уже с третьей, превратилась в международную. До сих пор конференция ВИП (ISI) является представительным форумом, интересным как для российских, так и иностранных ученых. В настоящее время она признаётся в мировой табели о рангах одной из ведущих международных конференции в своей области науки. За время существования конференции приглашёнными докладчиками на ней являлись ведущие российские учёные в области взаимодействия ионов с поверхностью и ионно-лучевой модификации материалов и основные специалисты из республик Советского Союза. В работе форума принимали участие известные иностранные учёные, такие как Р.Бериш, Дж. Коллигон, А.Нихауз, Н.Толк, М. Томпсон, К. Кимура, Я. Ямазаки и многие другие. Конференция являлась школой для многих студентов, аспирантов и молодых учёных, которые сейчас занимают ключевые позиции в нашей науке.

Организаторами конференции являются Академия наук России, Московский государственный университет, Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, Московский авиационный институт и Национальный исследовательский ядерный университет (МИФИ).

Тематика конференции охватывает фундаментальные и прикладные вопросы взаимодействия ионов с поверхностью:

Коллектив лаборатории
Юрасова Вера Евгеньевна д.ф.-м.н.
Гайнуллин Иван Камилевич к.ф.-м.н., доцент