Каналювання та розсіяння

Систематизовані фундаментальні результати досліджень із взаємодії пучків заряджених частинок з твердими тілами достатньо широко представлені у мо-нографії Е.-Х. Оцукі, відомого японського фізика-теоретика. За останні 30 років було відкрито ряд орієнтаційних ефектів, у тому числі каналювання заряджених частинок у кристалах. Інтерес до цих досліджень обумовлений багатьма практичними питаннями, особливо розв’язком задач напівпровідникової технології, особливо іонного легування, покращення радіаційної стійкості матеріалів, а також дослідженнями поверхонь пучками заряджених частинок.

Очевидно, що твердотільна мішень буде більш щільною, ніж газова. Тому у твердому тілі потрібно враховувати вплив валентних електронів (електронів провідності), орієнтацію періодичної гратки і поверхневі ефекти. Як відомо, у твердих тілах валентні електрони утворюють зонну структуру і відповідають за виникнення колективних коливань. Хоча колективні коливання від іонного пучка передають дуже невелику долю енергії іона, який рухається через тверде тіло, слід враховувати, що колективні коливання все таки можуть відігрівати велику роль у зміні внутрішньої енергії тіла. Так, наприклад, квантовомеханічна інтерференція, або дифракція електронів має місце, коли дебройлівська довжина хвилі частинки в кристалі буде не меншою за період кристалічної гратки. Довжина хвилі електрона стає одного порядку з періодом гратки (~ 0,1 нм) при енергії електронів близько 100 еВ. Дифракція електронів може відбуватися при енергії електронів до 1МеВ.

Каналювання іонів. - орієнтаційний ефект у кристалах, який обумовлений тим, що вздовж деяких виділених напрямків заряджені частинки можуть проникати на досить великі відстані. На проходження заряджених частинок через кристал суттєвий вплив здійснює періодичність розташування атомів вздовж виділених напрямків, тому потрібно враховувати орієнтацію і коливання гратки (збудження фононів). Хоча ця енергія фононів дуже мала (< 0,1 еВ), їх імпульс порівнюється з імпульсом, який розсіюється при атомних взаємодіях.

У 1960 році Девіс та інші показали, що на противагу аморфним тілам, у кристалічних тіл розподіл числа іонів за глибиною проникнення не гауссовий. Щоб перевірити ці експерименти, Робінсон і Оен у 1963 році зробили чисельне моделювання проникнення іонів у кристал. Вони показали, що невелика частина іонів, які падають на атомну площину, або атомний ланцюжок під малими кутами, локалізуються всередині каналу ( рис. 2.1). Іони, які падають під великими кутами, не локалізуються, а розсіюються. Явище локалізації іонів було названо «каналюванням».

Каналювання




Рис. 2.1

Теорію каналювання розробив у 1965 році Ліндхард. Спираючись на класичну механіку, він визначив критичний кут каналювання. Квантовомеханічна теорія каналювання електронів і позитронів далі була розвинута рядом авторів, які зв’язали це явище з електронною дифракцією.

Каналювання – блокування електронів.Оскільки електрони мають негативний заряд, ми не можемо спостерігати ефект каналювання; замість цього у кристалі вздовж напрямку атомного ланцюжка спостерігається ефект блокування. Електрони у кристалі притягуються позитивними іонами кристалічної гратки і розсіюються на великі кути (резерфордовське розсіяння).Таким чином, у напрямку атомного ланцюжка (у напрямку каналюючої вісі) електронні пучки спостерігати не можна. Це і є ефект блокування.

Пружне розсіяння.Багато фізичних явищ виникає при атомних взаємодіях із поверхнею твердого тіла. Наприклад, густина електронів на відстані близько 0,01 нм від поверхні металу зменшується до нуля. У твердих тілах в областях, близьких до поверхні, змінена як постійна гратки, так і коливання гратки. Зонна структура і колективний рух валентних електронів поблизу поверхні також змінюється у порівнянні з тим, що має місце у самому об’ємі.

Вивчення питання, що стосується впливу властивостей твердого тіла на процес атомних зіткнень, є непростим. Однак, в останній час у цьому напрямку досягнуто значного прогресу, завдяки здобуткам в інших областях досліджень, таких, як термоядерний синтез (взаємодія «плазма – стінка»), аналіз структури поверхні, іонна імплантація, поверхнева електронно-променева обробка та вивчення явищ розсіяння.

При вивчені зіткнень заряджених частинок масою М1 з атомами масою М2 у системі центру мас (ц.м.) задачу про розсіяння заряджених частинок можна вирішувати, вважаючи розсіювач нерухомим і використовуючи приведену масу , яку можна визначити наступним чином:

1/ М = 1/ М1 + 1/ М2.

У класичній механіці кут розсіяння однозначно визначається прицільним параметром b. Наприклад, кут розсіяння у полі з потенціалом U ( r ) записується у вигляді:

,

де ЕR – енергія частинки у системі центру мас :

ЕR = Мυ2 / 2 = М2 Е /(М1+ М2),



де Е – енергія частинки у лабораторній системі координат.

Непружне розсіяння.Класична механіка не дає повного опису непружного розсіяння (енергетичних втрат, коефіцієнта поглинання тощо) іонних і елек-тронних пучків в кристалах. Коли траєкторія каналювання іонів високої енергії розраховується за формулами класичної механіки, то для опису непружного розсіяння іонів доводиться застосовувати квантову механіку. У кристалах внаслідок дуже малої маси електрона проявляється велике непружне розсіяння електронів. Саме з непружними зіткненнями електронів з атомами, молекулами, а також з вільними електронами (електронами провідності) речовини пов’язуються максимальні енергетичні втрати. В результаті таких зіткнень відбувається іонізація та збудження атомів, дисоціація молекул, збудження колективних коливань в електронній плазмі і т.д..


1549871048014717.html
1549905370249486.html
    PR.RU™