Предисловие

Одной из замечательных особенностей современной технологии является важная роль поверхности и приповерхностных областей твердого тела. Ионная имплантация и импульсные электронные пучки и лазеры используются для изменения состава и структуры вещества, тонкие слои наносятся самыми разнообразными источниками, эпитаксиальные пленки выращиваются под действием молекулярных пучков, окисление и реакции катализа изучаются в поддающихся контролю условиях. Все это стало возможным благодаря доступности и широкому распространению методов исследования, чувствительных к составу и структуре внешней поверхности твердых тел.

В этой книге рассматриваются физические явления, лежащие в основе методов анализа поверхностной области материалов. Для удовлетворения технологических потребностей постоянно создаются иовые методики и приборы, однако принцип их действия сводится к нескольким фундаментальным процессам, которые управляют взаимодействием частиц и излучений с веществом. Наша книга обращена к основам этих процессов. Приложения к анализу материалов непосредственно следуют из понимания процессов, определяющих энергии и интенсивности испускаемого излучения. Книга предназначена для специалистов по материаловедению, которые интересуются применением электронной спектроскопии или ионных пучков в анализе образцов, для экспериментаторов, которым нужна информация об установках, существующих за пределами их лабораторий, и особенно для студентов и аспирантов, которые в своих исследованиях будут работать с новыми поколениями приборов.

Современный анализ материалов основан на измерении характеристик частиц и излучений, испускаемых твердым телом, которое бомбардируется фотонами, электронами или тяжелыми частицами. Идентификация элементов осуществляется по энергии испускаемого излучения, а атомная концентрация определяется по его интенсивности. Основными процессами в анализе материалов являются кулоновское рассеяние на атоме (обратное рассеяние Резерфорда), образование вакансий на внутренних оболочках электронной структуры (рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия) и переходы между уровнями (электронный микроанализ и электронная оже-спектроскопия). Все они подробно обсуждаются в этой книге. Зависимость состава от глубины определяется с помощью распыления образца тяжелыми

ионами в сочетании с поверхностно-чувствительными методами анализа (электронная спектроскопия и масс-спектрометрия вторичных ионов). Другим способом построения профилей концентрации по глубине является измерение потерь энергии легких ионов (обратное рассеяние Резерфорда и ядерный экспресс-анализ). Структура поверхностных слоев обсуждается с дифракционной (низкоэнергетическая дифракция) и корпускулярной (кана-лирование) точек зрения. Книга завершается обсуждением использования ядерных методик для анализа состава образца.

Поскольку предметом книги являются основы современного анализа поверхностей, мы даем вывод формул для важнейших величин — энергии и поперечного сечения или вероятности перехода. Книга построена таким образом, что мы начинаем с изложения классических понятий теории атомных столкновений, которые используются в рассеянии Резерфорда (гл. 2), описании потерь энергии (гл. 3), распылении (гл. 4), каналировании (гл. 5) и. электронных взаимодействиях (гл. 6). Дается обзор дифракционных методов (гл. 7), применяемых в электронном и рентгеновском структурном анализе. Для понимания фотоэлектронных поперечных сечений и выходов флюоресценции требуется волновая механика; мы предлагаем обзор волнового уравнения и теории возмущений в гл. 8. Полученные соотношения используются при обсуждении фотоэлектронной спектроскопии (гл. 9), радиационных (гл. 10) и нерадиационных (гл. 11) переходов. В гл. 12 рассматривается применение ядерных методик к анализу тонких пленок.

Оба автора принимали самое непосредственное участие в исследовательских программах по анализу материалов. Мы осознаем необходимость обстоятельного рассмотрения методик, используемых в анализе тонких пленок и приповерхностныхслоев. Считаем, что для этой быстро меняющейся области исследований чрезвычайно важным является глубокое понимание основных процессов. Приборы могут измениться, но фундаментальные процессы останутся теми же самыми.

Мы использовали материал этой книги на старших курсах Корнеллского университета, а также в кратких курсах лекций для научных работников и инженеров, работающих в промышленности. Хотим поблагодарить студентов и аспирантов Корнеллского университета и наших коллег за комментарии и предложения по работе над текстом. Мы с глубокой признательностью отмечаем вклад д-ра Р. Преториуса из Национального ускорительного центра в Фауре. Он в значительной степени ответствен за содержание гл. 12. Благодарим Джейн Йоргенсен и Али Авцисой за рисунки и графики.

Л. Фельдман Д. Майер

Нашим женам и детям Бетти, Грегу и Дане и

Бетти, Джиму, Джону, Франку, Хелене и Биллу

Список сокращений

(см. скан)

Список обозначений

(см. скан)

(см. скан)