Рассеяние ионов низкой энергии

Спектроскопия рассеяния ионов низкой энергии (LEIS), иногда называемая просто спектроскопией рассеяния ионов (ISS), представляет собой чувствительный к поверхности аналитический метод, используемый для характеристики химического и структурного состава материалов. LEIS включает в себя направление потока заряженных частиц, известных как ионы, на поверхность и проведение наблюдений за положениями, скоростями и энергиями ионов, которые взаимодействовали с поверхностью. Собранные таким образом данные могут быть использованы для получения информации о материале, такой как относительное положение атомов в поверхностной решетке и элементная идентичность этих атомов. LEIS тесно связана как с рассеянием ионов средней энергии (MEIS), так и с рассеянием ионов высокой энергии (HEIS, на практике известное как спектроскопия обратного рассеяния Резерфорда или RBS), отличаясь в первую очередь диапазоном энергий ионного пучка, используемого для зондирования поверхности. Хотя большую часть информации, собранной с помощью LEIS, можно получить с помощью других методов изучения поверхности, LEIS уникален по своей чувствительности как к структуре, так и к составу поверхностей. Кроме того, LEIS является одним из немногих методов, чувствительных к поверхности, способных напрямую наблюдать атомы водорода, аспект, который может сделать его все более важным методом по мере изучения водородной экономики.

Экспериментальная установка

Системы LEIS состоят из следующего:

Физика взаимодействия ионов с поверхностью

В результате попадания ионного пучка на поверхность мишени может произойти несколько различных типов событий. Некоторые из этих событий включают эмиссию электронов или фотонов, перенос электронов (как ион-поверхность, так и поверхность-ион), рассеяние, адсорбцию и распыление (т.е. выброс атомов с поверхности). Для каждой системы и каждого взаимодействия существует сечение взаимодействия, и изучение этих сечений является отдельной областью. Как следует из названия, LEIS в первую очередь занимается явлениями рассеяния.

Элементный состав и модель столкновения двух тел

Из-за диапазона энергий, обычно используемого в экспериментах по рассеянию ионов (> 500 эВ), эффекты тепловых колебаний, фононных колебаний и межатомной связи игнорируются, поскольку они находятся намного ниже этого диапазона (~ несколько эВ), и взаимодействие частицы и поверхности можно рассматривать как классическую задачу упругого столкновения двух тел. Измерение энергии ионов, рассеянных при этом типе взаимодействия, может быть использовано для определения элементного состава поверхности, как показано ниже:

Упругие столкновения двух тел регулируются концепциями сохранения энергии и импульса. Рассмотрим частицу с массой m_x, скоростью v₀ и энергией, заданной как ${\displaystyle E_{0}={\tfrac {1}{2}}m_{x}v_{0}^{2}\,\!}$ сталкивается с другой покоящейся частицей массой m_y. Энергии частиц после столкновения составляют < > и ${\displaystyle E_{2}={\tfrac {1}{2}}m_{y}v_{2}^{2}\,\!}$ где ${\displaystyle E_{0}=E_{1}+E_{2}\,\!}$ и, следовательно, ${\displaystyle {\tfrac {1}{2}}m_{x}v_{0}^{2}={\tfrac {1}{2}}m_{x}v_{1}^{2}+{\tfrac {1}{2}}m_{y}v_{2}^{2}\,\!}$. Кроме того, мы знаем стиль ${\displaystyle m_{x}v_{0}=m_{x}v_{1}\cos \theta _{1}+m_{y}v_{2}\cos \theta _{2}\,\!}$. Используя тригонометрию, мы можем определить

Точно так же мы знаем,

В хорошо контролируемом эксперименте энергия и масса первичных ионов (E₀ и m_x соответственно), а также геометрии рассеивания или отдачи известны, поэтому определение элементного состава поверхности дается корреляцией между E₁ или E₂ и m_y. Пики рассеяния с более высокой энергией соответствуют более тяжелым атомам, а пики с более низкой энергией соответствуют более легким атомам.

Получение количественного

В то время как получение качественной информации об элементном составе поверхности является относительно простым, необходимо понимать статистическое сечение взаимодействия между ионами и атомами поверхности, чтобы получить количественную информацию. Другими словами, легко выяснить, присутствует ли определенный вид, но гораздо сложнее определить, сколько этого вида там находится.

Модель двухчастичного столкновения не дает количественных результатов, поскольку игнорирует вклад кулоновского отталкивания, а также более сложные эффекты экранирования заряда электронами. Обычно это не является проблемой в экспериментах MEIS и RBS, но представляет проблемы в LEIS. Кулоновское отталкивание происходит между положительно заряженными первичными ионами и ядрами поверхностных атомов. Потенциал взаимодействия определяется как:

Где ${\displaystyle Z_{1}\,\!}$ и ${\displaystyle Z_{2}\,\!}$ — атомные номера первичного иона и поверхностного атома соответственно, ${\displaystyle e\,\!}$ — элементарный заряд, ${\displaystyle r\,\!}$ — межатомное расстояние, а ${\displaystyle \phi (r)\,\!}$ — функция экранирования. ${\displaystyle \phi (r)\,\!}$ учитывает интерференцию электронов, вращающихся вокруг каждого ядра. В случае MEIS и RBS этот потенциал можно использовать для расчета сечения рассеяния Резерфорда (см. Рассеяние Резерфорда) ${\displaystyle {\tfrac {d\sigma }{d\Omega }}}$:

Как показано справа, ${\displaystyle d\sigma \,\!}$ представляет собой конечную область для входящая частица, в то время как ${\displaystyle d\Omega \,\!}$ представляет собой угол рассеяния тела после рассеяния событие. Однако для LEIS ${\displaystyle \phi (r)\,\!}$ обычно неизвестно, что препятствует такой чистый анализ. Кроме того, при использовании пучков ионов благородных газов существует высокая вероятность нейтрализации при ударе (которая имеет сильную угловую зависимость) из-за сильного стремления этих ионов находиться в нейтральном, закрытом состоянии оболочки. Это приводит к плохому потоку вторичных ионов. См. AISS и TOF-SARS ниже для подходов к избежанию этой проблемы.

Слежка и блокировка

Затенение и блокирование являются важными концепциями почти во всех типах взаимодействия ионов с поверхностью и являются результатом отталкивательной природы взаимодействия ионов с ядром. Как показано справа, когда поток ионов течет параллельно к рассеивающему центру (ядру), каждый из них рассеивается в соответствии с силой кулоновского отталкивания. Этот эффект известен как затенение. В простой модели кулоновского отталкивания результирующая область «запрещенного» пространства позади рассеивающего центра принимает форму параболоида с радиусом ${\displaystyle r=2{\sqrt {\tfrac {Z_{1}Z_{2}e^{2}L}{E_{0}}}}}$ на расстоянии L от центра рассеяния. Плотность потока увеличивается вблизи края параболоида.

Блокирование тесно связано с затенением и подразумевает взаимодействие между рассеянными ионами и соседним рассеивающим центром (как таковое оно по своей сути требует наличия по крайней мере двух рассеивающих центров). Как показано, ионы, рассеянные первым ядром, теперь находятся на расходящихся путях, поскольку они подвергаются взаимодействию со вторым ядром. Это взаимодействие приводит к образованию еще одного «конуса затенения», который теперь называется блокирующим конусом, где ионы, рассеянные первым ядром, блокируются от выхода под углами ниже ${\displaystyle \alpha _{crit}\,\!}$. Эффекты фокусировки снова приводят к увеличению плотности потока вблизи ${\displaystyle \alpha _{crit}\,\!}$.

И при затенении, и при блокировке «запрещенные» области фактически доступны для траекторий, когда масса входящих ионов больше массы поверхностных атомов (например, Ar+, воздействующий на Si или Al). В этом случае область будет иметь конечную, но истощенную плотность потока.

Для ионов с более высокой энергией, таких как те, которые используются в MEIS и RBS, концепции затенения и блокировки относительно просты, поскольку преобладают взаимодействия ионов с ядрами, а эффекты электронного экранирования незначительны. Однако в случае LEIS эти эффекты экранирования мешают взаимодействиям ионов с ядрами, и отталкивающий потенциал становится более сложным. Кроме того, весьма вероятны множественные события рассеяния, что усложняет анализ. Важно то, что из-за используемых ионов с более низкой энергией LEIS обычно характеризуется большими сечениями взаимодействия и радиусами теневого конуса. По этой причине глубина проникновения низкая, и метод имеет гораздо более высокую чувствительность первого слоя, чем MEIS или RBS. В целом, эти концепции имеют важное значение для анализа данных в экспериментах LEIS по ударному столкновению (см. ниже).

Дифракция не играет большой роли.

Длина волны де Бройля ионов, используемых в экспериментах LEIS, задается как ${\displaystyle \lambda ={\tfrac {h}{mv}}}$. Используя наихудшее значение 500 эВ для иона 4He+, мы видим, что λ все еще составляет всего 0,006 Å, что все еще значительно ниже типичного межатомного расстояния 2-3 Å. Из-за этого эффекты дифракции незначительны в обычном эксперименте LEIS.

Вариации техники

В зависимости от конкретной экспериментальной установки LEIS может использоваться для получения различной информации об образце. Ниже перечислены некоторые из этих методов.

Сравнение с другими аналитическими методами