2.8. Рассеяние ионов низких энергий (LEIS)

В то время как ионы высоких энергий - МэВ) могут проникать в твердое тело на глубину порядка нескольких микронов, ионы низких энергий рассеиваются почти полностью на поверхностном слое и широко используются для исследования "первого монослоя". Налетающие на мишень ионы низких энергий рассеиваются на атомах поверхности посредством бинарных столкновений и регистрируются электростатическим анализатором (рис. 2.12). Такой анализатор регистрирует только заряженные частицы, а в диапазоне энергий около 1 кэВ частицы, проникающие глубже первого монослоя, выходят наружу почти всегда в виде нейтральных атомов. Поэтому чувствительность эксперимента только к заряженным частицам еще более повышает поверхностную чувствительность метода низкоэнергетичного ионного рассеяния (LEIS от англ. Low Energy Ion Scattering). Главными причинами высокой поверхностной чувствительности этого метода являются зарядовая избирательность электростатического анализатора и очень большие значения сечений рассеяния.

Кинематические соотношения (2.5)-(2.7) между энергией и массой остаются справедливыми в области — 1 кэВ. Разрешение по массе определяется, как и прежде, энергетическим разрешением электростатического анализатора. Однако форма энергетического спектра значительно отличается от той, которая характерна для высоких энергий . Теперь спектр состоит из серии пиков, соответствующих атомным массам элементов поверхностного слоя.

Рис. 2.12. Замкнутая система регистрации с помощью электростатического анализатора, применяемая в рассеянии ионов низких энергий. Источник создает пучок ионов низких энергий, которые рассеиваются на исследуемых образцах под углом 90° и анализируются в электростатическом анализаторе энергий с поворотом ионов на 127°. 1 — налетающий ион; 2 — мишень; 3 — рассеянный ион; 4 — ионная пушка; 5 — набор мишеней; 6 — траектория положительного иона; 7 — анализатор энергий с поворотом пучка на 127°; 8 — канальный электронный умножитель.

Количественный анализ в этом диапазоне не является простым по двум основным причинам: 1) вследствие неопределенности сечений рассеяния и 2) из-за отсутствия достоверных данных о вероятности нейтрализации ионов, рассеянных на поверхности. Влияние второго фактора можно свести к минимуму, используя пучки с малой вероятностью нейтрализации и применяя

Рис. 2.13 Зависимость от энергии дифференциальных сечений Резерфорда (сплошная линия), Томаса — Ферми (штриховая линия) и Бора (штрихпуиктирная линия) для лабораторного угла рассеяния . Потенциалы Томаса — Ферми и Бора являются традиционными аппроксимациями экранированного кулоновского взаимодействия для а) рассеяния He на Аu и б) рассеяния Аr на Аu [4].

методы детектирования, нечувствительные к зарядовому состоянию рассеянного иона.

Сечения рассеяния оцениваются с помощью экранированных кулоновских потенциалов подобно тому, как было сделано в предыдущем разделе. Важность поправок на экранирование видна из рис. 2.13, где сечение рассеяния Резерфорда сравнивается с сечениями для двух различных экранировок кулоновского потенциала. Как отмечалось в предыдущем разделе, поправка на экранирование для ионов He с энергией — 1 МэВ составляет всего несколько процентов (при рассеянии Не на Аu), но достигает 2—3 порядков для энергий — 1кэВ. Количественный анализ возможен, если известен потенциал взаимодействия. Однако самая большая неопределенность метода низкоэнергетичного рассеяния ионов связана не с потенциалом, а с вероятностью нейтрализации, выдвигающейся на передний план при использовании детекторов, чувствительных к заряду частиц.

Низкоэнергетичные спектры рассеяния ионов на сплаве показаны на рис. 2.14. Более высокая разрешающая способность, характерная для тяжелых ионов, позволяет ясно различать . Эта методика используется для анализа поверхностных сегрегаций, позволяя легко обнаруживать относительные изменения состава поверхности.

Рис. 2.14. Энергетические спектры рассеяния (а) и (б) на мишени из сплава [9]. Энергия налетающих ионов — налетающий ион; 2 — мишень.