Введение к работе
Актузльность темы. Настоящая работа продолжает проводимый в Радиевом институте цикл исследований процесса неупругого распыления островксвых слоев металлов и полупроводников с большим Z, тяжелыми многэзгрядными ионами (ТМЗИ)-осхолками деления ядер (ОД).
Сами по себе ОД - ТМЗИ представляют уникальный вид излучения, а их взаимодействие с веществом косит весьма специфический характер. Так, энергия, выделяемая ОД на единицу длины может составлять -ЗкэВ/А, .а ее плотность в треке ~1fj25 эВ/см3 при характерном времени взаимодействия -10"16c (на длине 10 А). Подобную ситуацию невозможно получить в настоящее время ни с помощью лазеров, ни с помощью самых мощных электронных пучков. С другой стороны эффект, который производят эти частицы в бомбардируемом веществе, определяется не только типом вещества мишени (метал, диэлектрик, полупроводник, значение Z и т.д.), но и тем в каком виде око находится (массивном, крупно- или мелкозернистом). Например, как было показано ранее [1], неупругое распыление металлов и полупроводников с большим. Z ОД происходит благодаря размерному эффекту, т.е. когда распыляемое вещество находится в виде зерен или островков с размером меньше некоторой критической величины (-2С0 А). В этом смысле описываемые исследования безусловно имеют фундаментальный значение.
Такие исследования необходимы также для изучения изменений свойств материалов ядерных реакторов, в том числе и ядерного горючего, испытывающих воздействие данного, типа излучения, а также для изучения работоспособности мишеней и стрипперов з пучках ускорителей ТМЗИ и для повышения точности различных ядерно-физических экспериментов
Имевшиеся к началу настоящей работы экспериментальные данные об интегральных и дифференциальных характеристиках неуг.ругого распыления ОД мелкозернистых мишеней (наиболее детально было исследовано взаимодействие ОД с островковыми слоями золота) указывали ка то, что распыляемое вещество может покидать мишень не тслько в атомарном виде, но и в виде кластеров, вплоть до отрыва от подложки целых островков [1]. То есть в свободном состоянии могут образовываться частицы (в том числе и заряженные) с массами ~105-107 а.е.м. Таким образом, проблема прямого экспериментального
доказательства (или опровержения) факта существования супер-тяжелых кластерных иокоз в спектрах масс заряженных частиц, выбиваемых из островксвых мишеней зелота ОД. приобрела фундаментальное значение с точки зрения выяснения механизма быстрой передачи энергии от ТМЗИ через возбужденную электроннук. подсистему х атомам решетки а веществе с ультрадисперсной структурой.
Кроме этого, вопросы рассматриваемые в настоящей работе и ее результаты оказываются непосредственным образом связаны с физикой атомно-молекулярных кластеров (рассматриваемых в настоящее время как новая 5-я фаза вещества) - одной из наиболее интенсивно развивающихся последнее время междисциплинарной области знания о материи [2).
Исследования, составляющие содержание данной работы, связаны с дальнейшим изучением механизма неулругого распыления вещества в мелкозернистом состоянии ОД, в основном, с прямыми масс-спехтрометрическими измерениями масс (m/q) частиц , выбиваемых из островковых мишеней золота ОД и с выяснением роли кластерной компоненты в этом процессе.
Цепь работы состояла в том, чтобы на основе прямых масс-слектрометрических измерений во всем потенциально возможном диапазоне масс от массы атомарного колота (197 а.е.м.) до массы целого островка (~105-107 а.е.м.), выяснить, что представляют собой заряженные частицы, выбиваемые ОД из островковых мишеней золота (размеры островков 70 - 200 А) в результате неупругого распыления, (атомарные ионы, небольшие кластеры, и / или большие кластерные ионы с m/q порядка масс островков на мишени). В случае экспериментального подтверждения факта существования среди выбитых частиц тяжелых кластерных ионов необходимо было провести сравнение между распределением по m/q кластерных ионов, выбиваемых ОД из островковой мишени, и распределением по массам островков на самой мишени. Последнее могло дать дополнигельнук информацию о процессе ионообразования при неупругом распылении .Для решения поставленной задачи необходимо было создать новук масс-слектрографическую методику для работы в диапазоне m/q 105 107 а.е.м.
Научная новизна работы. К началу настоящей работы какие либс дзнные прямых масс-спектрометрических измерений о масса) заряженных частиц, возникающих 8 результате наулруголо распыленш
островковых слоев металлов ТМЗИ, полностью отсутствовали. Разработка «овей масс-спектрографической методики и ее использование совместно с традиционным масс-спектрометром по времени пролета впервые позволили провести измерения масс частиц, выбиваемых ОД из островковых мишеней золота, в диапазоне, перекрывающим несколько порядков величины 1х102-1х107а.е.м./е-. Было показано, что кластерные ионы с m/q<1x104 а.е.м. в результате неупругого распыления на образуются, а основная часть, выбиваемого из острозковой ыишени, золота приходится на частицы с rn/q 10лМ0б а.е.м7е". Таким образом глервые было получено прямое экспериментальное доказательство факта образования- тяжелых кластерных ионов с m/q порядка масс островков на мишени при неупругом распылении островковых мишений золота ОД. Применение масс-спектрографа с улучшенными характеристиками совместно с просвечивающим электронным микроскопом впервые позволило провести сравнение распределений по m/q кластерных ионов в свободном состоянии с распределением по массам островков на подложке. В процессе отладки новой масс-спектрографической методики были получены новые данные о начальных энергиях заряженных частиц золота, выбиваемых из мишени. На основе полученных экспериментальных данных предложенная ранее для описание процесса неупругого распыления островковых слоев ТМЗИ модель "изолированного зерна" [1] получила дальнейшее развитие.
Научная и практическая ценность работы. Проведенные исследования существенно расширяют наши знания о характере неупругого распыления островковых слоев металлов ОД и о взаимодействии ТМЗИ с веществом у поверхности, в иалем. Полученные данные позволяют более обосновано строить модельные педставления об изучаемом процессе, так как баз знания к какого рода объектам в конечном счете переходит энергия выделенная налетающим ионом в поверхностном слое мишени это едва ли возможно. Кроме этого, установление факта образования тяжелых кластерных ионов с m/q ~10^ а.е.м. в результате неупругого распыления острозкевых слоев металлов ОД имеет самостоятельное научное и прикладное значение, так как вводит зарегистрированные таким образом частицы как новый объект для исследования и возможного использования. На основе результатов настоящей работы может быть создан принципиально новый источник металлических кластерных ионов с m/q в диапазоне 105- Юб а.е.м./е-, зралтически недостижимом в источниках 'печного
типа" с конденсацией в среде инертного газа или в сверхзвуковой струе [2]. В дальнейшем он может быть положен в основу или составить часть широкого круга экспериментоз по изучению тяжелых кластерных ионов в свободном состоянии и их взаимодействия с различными агентами (различные виды фотснного и корпускулярного излучения, газовые мишени, поверхность твердого тела). В виде аналогичного источника кластерных ионсв возможно внедрение результатов данной работы в такие области технологии как микроэлектроника, химический катализ, новые покрытия и материалы [2].
Аппробзция работы. Основные результаты были представлены и обсуждены на международной конференции по ядерным и атомным кластерам (Турку, Финляндия, 1991), 6-й международной конференции "Радиационные эффекты в изоляторах" (Веймар, Германия, 1991), международном совещании по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра (Алма-Ата, 1992), международной конференции "Particle-induced Desorption Mass-Spectrometry (Хиршег, Австрия, 1993), международном совещании "Фуллерены и атомные кластеры" (Санкт-Петербург. 1995), на научных семинарах Радиевого института и«. В.Г.Хлопина и ФТИ им. А.Ф.Иоффе. .
Основные результаты, изложенные в диссертации, опубликованы б Є печатных работах.
Основные положения и результаты,- зыносимые на защиту.
-
Создание оригинального масс-спектрографа и методики исследования распределений по массам (іті/q) частиц,, выбиваемых при неупругом распылении ОД островковых слоев золота, в диапазоне m/q 105-ю7а.е.мУе.
-
Обнаружение кластерных ионов с m/q в диапазоне 1С5-107а.е.м7е", возникающих при неупругом распылении островковых мишеней зелота ОД.
3. Первое экспериментально измеренное распределение по m/q
кластерных ионов золота в диапазоне 1х105 - 1x10? а.е.м./е" и
сравнение его с распределением по массам островков на облучаемой
мишени, оцененного по данным электронно-микроскопических
исследований структуры данной мишени.
4.Результаты измерений m/q ионов, выбиваемых ОД из островковых слоев зогюта, измеренные методом времяпролетной масс-спектрометрии в диапазоне 1fj2 -1()4 а.е.м./е*.
5. Рассмотрение имеющихся в настоящее время моделей неупругого распыления островковых слоев ТМЗИ. Выбор модели
"изолированного зерна, как наиболее адекватно отражающей экспериментгльную картину изучаемого грщг.сса. Дальнейшее развитие этой модели с учетом данных, полученных в настоящей работе. Заключительная стадия процесса распыления рассматривается кал отскок от подложки целого островка с подхватом нескольких элементарных зарядов, в результате чего в свободном состоянии образуется тяжелый многозарядный кластерный ион. Оценивается энергия адгезионной связи островка с подложкой и энергия, которая может быть передана поверхностным атомам островка от горячих электронов. Показано, что этой энергии достаточно для отрыва островка от подложки. Оценка избыточной энергии, которая переходит в кинетическую энергию кластерного иона хорошо согласуется с экспериментальными оценками, полученными в данной работе.
6. Основное практическое использование результатов настоящей работы - создание источника супертяжелых кластерных ионов с m/q 105-Ю6 а.е.м./е* для широкого круга научных исследований и возможных приложений.
Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти гллп, заключения и одного приложения; содержит 133 страницы, включая 7 таблиц, 20 рисунков и список цитируемой литературы из 73 Нг-одызнований.
