5.6. Поверхностный пик

Применение ионных пучков для исследования структуры поверхности основано на 1) точном измерении поверхностного пика монослоев и 2) возможности предсказания поверхностного пика для заданной поверхностной структуры. Например, изображенные на рис. 5.13 спектры от ориентированного кристалла различаются интенсивностями поверхностных пиков, соответствующих разным поверхностным структурам. Из-за поверхностных смещений перестроенная поверхность дает более высокий выход обратного рассеяния, чем идеальная поверхность.

Рис. 5.13. Спектр обратного рассеяния при каналировании, демонстрирующий поверхностный пик в случае идеальной (1) и "перестроенной" (2) поверхностей.

Рис. 5.14. Сравнение "универсальной" кривой с экспериментальными значениями для большого числа различных поверхностей с "объемоподобной" структурой. Экспериментальные значения определялись измерением обратного рассеяния. Запись обозначает кристалл с плоскостью поверхности (111); обратное рассеяние измерялось для каналирования вдоль оси (116) [5].

Более утонченное рассмотрение поверхностного пика принимает в расчет тот факт, что в его формирование дают вклад не два атома, а больше, и что потенциал взаимодействия является не чисто кулоновским, а экранированным (например, потенциалом Мольера). Интенсивность поверхностного пика устанавливается расчетами. Результаты большого числа вычислений показывают, что для поверхностного пика по-прежнему имеет место скейлинг, причем параметром скейлинга является отношение , где — радиус конуса тени, соответствующий потенциалу Мольера, и выполняется грубая оценка

Амплитуда поверхностного пика в единицах (число атомов)/цепочка была вычислена для широкого набора случаев в предположении, что поверхность идеальна и обладает «объемоподобной» структурой. Результаты изображены на рис. 5.14 в виде «универсальной кривой» для интенсивности

Рис. 5.15. Простой кубический кристалл с различными типами поверхности: а — идеальный кристалл; б — кристалл с перестроенной поверхностью; в — кристалл с релаксированной поверхностью; г — кристалл с адсорбированными на поверхности атомами. Справа указаны спектры обратного рассеяния, ожидаемые от различных поверхностных структур. Штриховая линия соответствует сигналу от "объемоподоб-ного" кристалла.

поверхностного пика как функции переменной p/RM, где р — амплитуда двумерных колебаний. Значения RM можно найти в монографии [5], где приводится также большое число экспериментальных данных. Согласие между "экспериментом и теорией является чрезвычайно хорошим.

На рис. 5.15 изображены четыре простых вида поверхностной структуры и соответствующие им спектры с поверхностными пиками. Пунктиром указаны выходы рассеяния на кристалле с идеальной поверхностью в случае, когда амплитуда тепловых колебаний р намного меньше радиуса конуса тени RM (рис. 5.15, а). Это условие гарантирует, что интенсивность поверхностного пика соответствует одному атому на цепочку. Кристалл с поверхностью, перестроенной таким образом, что поверхностные атомы смещены в плоскости поверхности (рис. 5.15, б), представляет ситуацию, в которой второй атом не затеняется. В этом случае интенсивность поверхностного пика в два раза больше, чем для идеального кристалла. Чтобы обнаружить релаксацию, вызванную смещением поверхностных атомов перпендикулярно поверхности (рис. 5.15, в), необходимо использовать наклонное падение пучка, при котором ряды атомов в объеме образца не попадают в конусы тени от атомов поверхности. Нормальное падение привело бы в этом случае к интенсивности поверхностного пика, эквивалентной одному монослою. Поэтому сравнение двух измерений — при нормальном и наклонном падении — позволяет обнаружить наличие растяжения. Поверхностный атом-адсорбат может затенять атомы подложки, если . Чувствительность ионного рассеяния к массам атомов-рассеивателей позволяет отличить подложку от адсорбата. На рис. 5.15, г адсорбированные атомы расположены точно над атомами поверхности и поэтому снижают амплитуду поверхностного пика подложки.

На рис. 5.16 проведено сравнение спектра, который получен с помощью пучка, направленного вдоль оси вольфраме (спектр от ориентированного кристалла), и спектра, который получен в разориентированном кристалле (случайный спектр). На рисунке отчетливо виден поверхностный пик, соответствующий примерно двум атомам на цепочку . Эффект каналирования приводит к уменьшению на два порядка выхода рассеяния в объеме кристалла при использовании геометрии каналирования по сравнению с выходом рассеяния при случайном падении. Именно подавление рассеяния в объеме образца, которое наблюдается в спектре от ориентированного кристалла, позволяет выполнить измерения поверхностного пика.