Иешкин Алексей Евгеньевич
Описание курса:
В курсе рассматриваются современные методы анализа элементного состава и кристаллической структуры поверхности твердых тел. В настоящее время получение информации о составе и структуре поверхностных областей исследуемых материалов с достаточным пространственным разрешением и с необходимой чувствительностью является ключевым моментом как в фундаментальных и прикладных исследованиях, так и в разработке технологических процессов. В качестве примеров можно привести электронику, в которой в настоящее время происходит переход к нано- и атомарным масштабам, и активно развивающиеся области фотоники и спинтроники, для создания новых устройств и принципов в которых постоянно требуется исследование и использование новых физические процессов и технологических методик. В биомедицинских исследованиях, таких как разработка новых лекарств и исследование клеточных структур, и приложениях органической электроники необходимо определение молекулярного состава изучаемых органических материалов, в связи с чем в последние годы возник бум научных публикаций, связанных с созданием соответствующих методов анализа.
Определяющую роль информация о состоянии поверхности играет в областях химии, связанных с исследованием каталитических процессов. В связи с этим, активно развиваются известные методики исследования, такие как резерфордовское обратное рассеяние (РОР) и рассеяние ионов средних и низких энергий (СРИСЭ и LEIS), вторично-ионная масс-спектрометрия (ВИМС), рентген-фотоэлетронная спектроскопия (РФЭС) и т.д., и появляются новые принципы, такие как использование в качестве анализирующего зонда кластерных ионов (GCIB-SIMS).
План курса:
1.Задачи анализа твердотельных структур.
Характеристика явлений, происходящих при облучении поверхности твердых тел ионами, электронами и фотонами. Основные принципы построения методов анализа элементного состава и структуры с использованием пучков этих частиц.
2. Основные сведения из теории атомных столкновений.
Кинематика упругого столкновения двух частиц. Приведенная масса. Кинематический фактор. Потенциал межатомного взаимодействия. Прицельный параметр. Рассеяние в центральном поле. Сечение рассеяния.
Задача. Вычислите максимальную энергию атома отдачи для случая бомбардировки кремния ионами Ar с энергией 500 эВ.
3-4. Роль распыления в анализе поверхности.
Физическая природа явления распыления: угловые и энергетические распределения распылённых частиц. Каскадный механизм распыления. Стохастический характер процесса распыления. Каналирование. Зависимость коэффициента распыления от угла падения и энергии бомбардирующих ионов. Эффект селективного распыления при облучении ионами многокомпонентных материалов. Парциальный коэффициент распыления. Формирование изменённого слоя. Перемешивание. Сегрегация Гиббса и радиационно-индуцированная гиббсовская сегрегация.
Задача. Мишень из кремния облучается ионами Ar с энергией 10 кэВ. Плотность ионного тока составляет 0, 2 мА/см2. Определите скорость распыления поверхности.
5-6. Спектроскопия резерфордовского обратного рассеяния.
Принципы построения анализа. Формула Резерфорда для сечения рассеяния. Потери энергии: ядерное и электронное торможение. Страгглинг. Потери энергии в сплавах и химических соединениях (правило Брэгга). Энергетический спектр обратно рассеянных ионов. Чувствительность метода. Возможность анализа элементного состава по глубине. Аппаратура. Полупроводниковый детектор ядерных частиц. Анализатор амплитуды импульсов. Разрешение метода по массе и глубине. Оценка степени разрушения поверхности при проведении анализа. Требования к вакуумным условиям проведения анализа. Примеры анализа тонких пленок и массивных образцов. Использование ориентационных эффектов для анализа кристаллической структуры поверхности. Критический угол каналирования. Эффект тени. Определение местоположения примесных атомов. Изучение кристаллической структуры, включая полиморфные превращения, и релаксации поверхности. Изучение радиационных дефектов и аморфизации поверхности.
Задача. На углеродную пластину напылили плёнку сплава СuAu. Толщина плёнки – 50 нм. Нарисуйте спектр РОР ионов He+ с энергией Е0 = 2 МэВ.
7-8. Спектроскопия рассеяния ионов средних и низких энергий.
Сечение рассеяния низкоэнергетичных ионов. Энергетический спектр рассеянных ионов. Чувствительность и разрешение метода по массе и глубине. Аппаратура. Сепарация первичного пучка по массе и энергии. Требования, предъявляемые к вакуумным условиям проведения анализа. Электростатические анализаторы энергии заряженных частиц. Вторичный электронный умножитель, каналтрон. Энергетический спектр при рассеянии ионов поверхностью многокомпонентного образца. Изучение процесса напыления материала на поверхность подложки. Исследование сегрегации и адсорбции.
Задача. Пленка оксида бериллия (BeO) толщиной 3 нм нанесена на поверхность кремниевой пластины. Нарисуйте спектр ионов Ne c энергией 1 кэВ, рассеянных на угол 135.
9. Практическое занятие по обработке спектров рассеянных ионов.
10. Контрольная работа.
11-12. Масс спектрометрия вторичных ионов (МСВИ).
Масс-спектр и энергетическое распределение вторичных ионов. Коэффициент вторичной ионной эмиссии. Матричный и химический эффекты. Основная формула масс спектрометрии вторичных ионов. Минимально обнаружимая концентрация. Ионный зонд и ионный микроскоп. Статический и динамический режимы МСВИ. Аппаратура. Квадрупольный и времяпролётный масс-спектрометр. Послойный анализ и эффект кратера. Влияние различных факторов (параметры пучка, топография поверхности и т.д.) на разрешение по глубине при послойном анализе
Задача. Нарисуйте масс-спектр вторичных ионов для облучения атомно-чистой и окисленной поверхности металла.
13. Масс спектроскопия распыленных нейтралей (МСРН). Анализ поверхности с использованием ионно-фотонной эмиссии (ИФЭ).
Лазерная и электронная МСРН. МСРН в газовом разряде. Чувствительность метода. Схема анализа с использованием ИФЭ. Послойный анализ. Особенности метода в сравнении с масс-спектрометрией вторичных ионов.
14. Электронная оже-спектроскопия.
Оже процессы. Глубина выхода оже-электронов. Факторы, влияющие на интенсивность эмиссии оже-электронов. Аппаратура. Изучение адсорбции и осаждения тонких пленок. Послойный анализ в сочетании с распылением.
Задача. Как окисление поверхности кремния влияет на оже-спектры и спектры фотоэлектронов?
15-16. Рентгеновская фото-электронная спектроскопия. Микроанализ и диагностика с помощью рентгеновского излучения индуцированного протонами. Расширение возможностей электронного и ионного микроскопа. Дифракция медленных электронов.
Кинетическая энергия фотоэлектронов. Фотоэмиссия при воздействии ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Сдвиги энергии связи. Аппаратура. Примеры анализа.Механизмы эмиссии рентгеновского излучения при облучении электронами и протонами. Сечение ионизации. Сравнение методов.Основные принципы метода. Аппаратура. Дифракционные картины поверхностей кристаллов.
Задача. Нарисуйте спектр характеристического излучения меди, возбуждаемого электронами с энергией 10 кэВ и протонами с энергией 3 МэВ.
17. Экскурсия на действующие в МГУ установки, на которых реализованы рассмотренные методы.
