3.11. Распыление и пределы чувствительности

Зависимость сечения рассеяния Резерфорда от ясно указывает на высокую чувствительность метода к тяжелым элементам. Интересно установить, каким является предел чувствительности, т. е. каково минимальное количество вещества, которое можно этим методом обнаружить.

Предел применимости методов ионного рассеяния устанавливается эффектом распыления. Распыление — это процесс, в котором ион большой энергии, сталкиваясь с твердым телом, порождает в нем посредством многократных малоугловых рассеяний каскад вторичных ионов. Некоторая часть этих вторичных ионов получает импульс в подходящем направлении и покидает твердое тело, что приводит к эрозии поверхности. Такая эрозня очень важна с точки зрения анализа поверхности и полностью описана в Однако для рассеяния Резерфорда этот процесс является нежелательным и ограничивает чувствительность метода. Основной вопрос состоит в том, при каких условиях эрозия материала начнется до завершения измерений. Процесс распыления характеризуется количественно выходом У, который равен числу покидающих твердое тело атомов в расчете на один налетающий ион. Ниже мы вычислим предел чувствительности, устанавливаемый процессом распыления.

Рассмотрим тонкий слой вещества (возможно, субмонослой), содержащий . Выход рассеянных ионов определяется обычным для обратного резерфордовского рассеяния выражением:

где — дифференциальное сечение рассеяния, О — телесный угол захвата детектора, Q — число налетающих ионов.

Для того же числа налетающих ионов убыль атомов ANS из слоя в результате распыления ионами равна

где а — площадь пятна, создаваемого пучком. Потребуем, чтобы эрозия не превышала первоначальной толщины пленки, т. е.

что можно переписать как ограничение на Q в виде

а соответствующее минимальное значение определяется выражением

Оценим эту величину для слоя из золота воспользовавшись стандартными данными: сечение рассеяния ионов Не с энергией 2 МэВ на угол 170° равно телесный угол захвата детектора равен что соответствует размещению детектора с площадью на расстоянии 5 см от мишени; выход продуктов распыления У равен (см. гл. 4); сечение пучка а равно минимальное число регистрации обеспечивающее статистически достоверное измерение, произвольно выбрано равным . При этих значениях мы находим, что минимальная

Энергия рассеянной частицы

Кинематический фактор ,

Энергия ядра отдачи в ЛС

Угол отскока в ЛС

Угол рассеяния в СЦМ

Энергия рассеянной частицы в ЛС

Сечение рассеяния Резерфорда

Коэффициент энергетических потерь обратного рассеяния при нормальном падении

— масса и заряд налетающей частицы

— масса и заряя атома мишени

— угол рассеяния и угол отскока в ЛС

— угол рассеяния и угол отскока в СЦМ

— энергия налетающей частицы и атома мишени в ЛС после рассеяния

— энергия налетающей частицы в ЛС

— энергия налетающей частицы в СЦМ

— скорости потерь энергии на траекториях входа и выхода

толщина слоя составляет атомов на что эквивалентно 1/1000 монослоя. Пользуясь полученными выражениями, можно различными способами оптимизировать параметры и геометрию рассеяния с целью повышения чувствительности метода. Опыт подсказывает, что абсолютный предел чувствительности в благоприятном случае тяжелого рассеивателя составляет около атом/см2. Заметим, что условие на дозу облучения не является жестким. Выражение (3.39) приводит к допустимой дозе облучения, равной ионов или .