Спектрометрия рассеяния медленных ионов

Основной принцип анализа поверхности методом рассеяния медленных ионов достаточно прост. Как показано на рис. 7, моноэнергетический хорошо сколлимированный пучок ионов с энергией ~0,1 —10 кэВ направляется на поверхность мишени и измеряется энергетическое распределение ионов, рассеянных ею под некоторым определенным углом. Для формирования пучка ионов с точно определенной энергией и массой используется фильтр Вина, который выбирает ионы одной определенной массы. Для детектирования ионов используются набор микроканальных пластин. поэтому, используется, чтобы обнаружить ионы в LEIS.

Положение на оси энергий максимумов в полученном спектре (рис. 5) несет информацию о массе, т. е. химической природе поверхностных атомов, а высота максимумов соответствует числу таких атомов. В случае монокристаллических мишеней, проанализировав положение и относительную высоту различных максимумов в зависимости от углов падения и рассеяния, мож­но получить сведения о структуре поверхности.

Иденти­фикация массы совсем проста и однозначна: чем больше энер­гия, соответствующая максимуму, тем больше масса, причем эта зависимость точно известна. Количественное определение числа атомов на поверхности требует калибровки по эталонам. Информацию о структуре, на­пример о расположении атомов и дефектах, получают, учиты­вая эффекты «затенения» и многократное рассеяние, т. е. по­следовательность нескольких актов рассеяния на отдельных атомах, причем получение этой информации требует точной ориентации монокристаллов.

Отличительной особенностью метода рассеяния медленных ионов является его высокая поверхностная селективность: регистрируются ионы, рассеивающиеся только на одном-двух поверхностных слоях атомов. Следует отметить, что в данном методе регистрируются только положительно заряженные ионы.

Рис. 7. Схема эксперимента по рассеянию ионов.

Рис. 8. Типичные энергетические распределения рассеянных медленных ионов.

Энергетический спектр спектроскопии рассеяния медленных ионов содержит два типа информации – энергию и выход ионов. При условии больших углов воздействия возможен количественный анализ состава, поскольку взаимодействие ионов с поверхностью образца может рассматриваться, как двойное столкновение из-за отсутствия эффектов матрицы. Анализ поверхностного состава базируется на использовании ионов инертных газов. Это приводит к высокой поверхностной чувствительности. В итоге спектр энергии состоит из линий, одной на каждый элемент, если их массы достаточно различны. Линии получаются узкими, потому что неэластичные потери энергии играют здесь незначительную роль. При измерении рассеяния медленных ионов под малыми углами к поверхности как падающих, так и исходящих частиц, можно получать информацию относительно атомной структуры поверхности (рис. 9).

Рис. 9. Различные геометрии для спектроскопии медленных ионов.

Сравнение с рассеянием ионов высоких энергий

Наряду с исследованиями рассеяния при малых энергиях с точки зрения анализа поверхности и приповерхностных слоев проводились весьма интенсивные исследования рассеяния ионов при больших энергиях (до 3 МэВ). Из-за большой глубины зондирования высокоэнергетическое рассеяние более подходит для анализа тонких пленок и поверхностных слоев, нежели самой поверхности. Методом рассеяния ионов ⁴Не с энергией 2 МэВ можно исследовать слои толщиною не­сколько тысяч ангстрем с разрешением по глубине ~200 А без последовательного послойного удаления материала, которое не­обходимо при анализе с использованием ионов малых энергий.

Количественная интерпретация данных о рассеянии быстрых ионов более проста, так как в этом случае применим резерфордовский закон рассеяния с простым кулоновским потенциалом взаимодействия, тогда как при малых энергиях необходимо учитывать экранирование ядер электронами.

Метод рассеяния медленных ионов позволяет обходиться менее дорогостоящим оборудованием и менее многочисленным обслуживающим персоналом. Он дополняет другие методы анализа поверхности и может быть применен как для обычного анализа состава, так и для анализа кристаллической структуры разнообразных поверхностей.