7. Каналирование и другие ориентационные эффекты при бомбардировке кристаллических тел ускоренными ионами 1.Виды ориентированного движения частиц в кристаллах. 2.Механизмы и определение каналирования. 3.Условия каналирования. 4.Движение пучка ускоренных частиц в монокристаллах. 5.Особенности взаимодействия каналируемых ионов с атомами монокристаллов. 6.Распределение по глубине внедренных ионов при каналировании. 7.Факторы, влияющие на процесс каналирования. 8.Деканалирование. 9.Фокусоны и краудионы.

1.Виды ориентированного движения частиц в кристаллах В аморфных твердых телах и поликристаллах с мелкодисперсной структурой атомы расположены хаотически и однородно. Все направления для движущихся частиц эквивалентны. Здесь движение атомов – неориентированное. В монокристаллах или поликристаллах, состоящих из крупных зерен, вследствие упорядоченности расположения атомов, помимо неориентированного движения осуществляются и ориентированные виды движения атомов: - каналирование (при больших энергиях движущихся частиц, значения которых, однако, ограничены сверху); - образование динамических краудионов и фокусонов (при малых энергиях).

1. Виды ориентированного движения частиц в кристаллах Возможные виды движения атомов в зависимости от их энергии: Диапазон энергий (эВ)Характерный процесс E > 10 4 Изотропное рассеяние E= Каналирование E= Дополнительная (непрямая или линзовая) фокусировка Е= Прямая фокусировка E

2. Механизмы и определение каналирования Пусть ион с энергией Е направлен на цепочку атомов, располагающихся на равном расстоянии d a друг от друга. Угол ψ между осью цепочки и направлением движения иона достаточно мал. Ион мог бы испытать лобовое столкновение с атомом А, если бы на него не воздействовали предыдущие атомы цепочки. На самом деле, при приближении иона к атомному ряду на него действуют силы отталкивания, причем из-за упорядоченного расположения атомов это отталкивания направлены в одну сторону, в сумме давая многократно увеличенную силу отталкивания со стороны ряда на летящий ион.

2. Механизмы и определение каналирования Воздействия со стороны атомов плотноупакованных рядов кристаллической решетки являются коррелированными. В результате никакого лобового соударения не происходит, а ион просто отражается от такой цепочки, приблизившись к ней на расстояние ρ min, которое может существенно превышать расстояние максимального сближения для случая лобового столкновения иона, имеющего энергию Е, с атомом А. Этот эффект коррелированного воздействия со стороны атомов приводит к существенному изменению всех параметров, характеризующих ионно-атомные взаимодействия (должны измениться угол рассеяния иона, потери энергии иона и др.)

2. Механизмы и определение каналирования Корреляция взаимодействий происходит, если ион провзаимодействует в процессе движения к оси цепочки с достаточно большим числом атомов. В этом случае можно рассматривать рассеяние не на потенциале каждого атома V, а на усредненном потенциале U, имеющем следующий вид: (1) где: d a – расстояние между атомами в цепочке, ρ – расстояние от иона до цепочки атомов, x – координаты атомов в цепочке, V – потенциальная энергия взаимодействия иона с отдельным атомом.

2. Механизмы и определение каналирования Каналирование – эффект движения ионов в пространстве между атомными рядами или плоскостями, когда имеет место коррелированное воздействие на ион со стороны атомных рядов или плоскостей атомов. Этот эффект проявляется в том случае, когда ион движется вдоль направления кристаллографических осей или плоскостей с плотной упаковкой атомов. Атомы или ионы, вовлеченные в процесс каналирования, называются каналонами.

2. Механизмы и определение каналирования Плоскостное каналирование. Частица, попадая в кристалл, может начать совершать устойчивые колебания между двумя плотноупакованными кристаллографическими плоскостями, причем ее движение ограничено в направлении, перпендикулярном к этим плоскостям. Если отражение частицы от плоскостей полное, то оно происходит поочередно от плоскостей, ограничивающих щель между ними. Это – плоскостное каналирование. Осевое (аксиальное) каналирование. Если движение частицы происходит вдоль плотноупакованного ряда, то есть движение каналируемых частиц определяется рассеянием на атомных цепочках, то это - осевое (аксиальное) каналирование.

3. Условия каналирования Для того, чтобы каналирование могло осуществиться, необходимо выполнение двух условий: 1) частица должна войти в канал между плоскостями (или рядами) атомов; 2) должна существовать некоторая спрямляющая сила, которая возвращает частицу к центру канала при ее отклонении. Для каждого канала в кристалле можно определить критические условия, накладываемые на параметры частицы для обеспечения ее захвата в канал. Такими параметрами частицы являются: - ее энергия; - угол входа в канал.

3. Условия каналирования Частица будет двигаться вдоль канала, если на нее будет действовать спрямляющая сила в этом направлении, что может быть обеспечено, если сила, определяемая усредненным потенциалом взаимодействия и направленная продольно каналу, существенно превосходит силу, действующую на частицу в поперечном направлении. При действии усредненного потенциала происходит не рассеяние на большой угол, а отражение от плоскости (ряда) под тем же малым углом, под которым частица вошла в канал. При этом ускоренная частица не может приблизиться к оси атомного ряда на расстояние, меньшее, чем параметр экранирования а.

3. Условия каналирования Линдхард рассмотрел задачу определения критического угла ψ с, под которым частица может войти в канал и при дальнейшем движении не покинет его. Если угол падения пучка частиц ψ будет больше ψ с, то частицы не будут захватываться в канал, и монокристаллическую мишень можно рассматривать как аморфную. Критический угол ψ с Линдхард определил в зависимости от энергии частицы Е с, которая равна: (2) где а – эффективный размер атома, d a – расстояние между атомами в цепочке.

3. Условия каналирования Критический угол для входа в канал: а) для больших энергий ионов Е>Е с : (3) б) для энергий ионов, меньших Е с : (4) Здесь - константа из аппроксимирующей функции экранирования, содержащейся в используемом парном потенциале взаимодействия.

3. Условия каналирования Из (3) и (4) видно, что критический угол по мере уменьшения энергии ионов Е и увеличении атомных номеров иона и атома мишени возрастает и, следовательно, каналирование облегчается. Критический угол также зависит от кристаллографического направления канала, так как для разных кристаллографических направлений – свое значение d a (расстояние между атомами в решетке). Критические углы ψ с для коррелированного взаимодействия с плоскостями плотноупакованных атомов всегда меньше, чем ψ с для подобного взаимодействия с атомными цепочками, имеющими те же кристаллографические индексы.

4. Движение пучка ускоренных частиц в монокристаллах Пусть из вакуума на кристалл падает пучок ионов, параллельный плотноупакованным рядам атомов. При пересечении поверхности кристалла направление движения ионов в общем случае изменяется, причем все ионы можно условно разделить на три группы.

4. Движение пучка ускоренных частиц в монокристаллах Группа А. Ионы группы А пересекают поверхность на таких расстояниях от атомов, находящихся в начале атомных рядов, что будут рассеиваться на углы, большие критических ψ с. Очевидно, что ионы группы А не будут испытывать коррелированных взаимодействий со стороны атомных рядов, т.е. в первом приближении их движение можно рассматривать как движение в неупорядоченной среде.

4. Движение пучка ускоренных частиц в монокристаллах Группа Б. Ионы группы Б, прицельные параметры для соударения с поверхностными атомами которых оказываются достаточно велики, рассеиваются на углы, малые по сравнению с критическими. Эти ионы отражаются от атомных цепочек, осциллируя между ними, но все время оставаясь на больших по сравнению с a расстояниях от осей атомных рядов. Пространственный период колебаний ионов группы Б должен быть очень велик и значительно превосходить межатомное расстояние d a.

4. Движение пучка ускоренных частиц в монокристаллах Группа В. Группе В соответствуют ионы, рассеянные на углы, близкие к ψ с. Период осцилляции между атомными цепочками для этих ионов относительно мал, составляя единицы межатомного расстояния. При рассеянии на цепочках атомов ионы группы В приближаются к их осям на расстояния, сравнимые с параметром экранирования.

4. Движение пучка ускоренных частиц в монокристаллах Таким образом, при проникновении пучка ионов внутрь монокристалла он распадается на две компоненты: - хаотический пучок (группа А); - каналируемый пучок (группы Б и В).

5. Особенности взаимодействия каналируемых ионов с атомами монокристаллов. Определяющей особенностью является невозможность близких взаимодействий, т.е. невозможны процессы, связанные со сближением атома и иона на расстояние, меньшее, чем параметр экранирования а. Т.е. невозможны такие процессы, как: - рассеяние на большие углы; - передача большой энергии атому, - ядерные реакции, - ионизация глубоких ионных оболочек.

5. Особенности взаимодействия каналируемых ионов с атомами монокристаллов. В результате происходит следующее: 1) сильно снижаются упругие потери энергии (т.е. потери энергии при упругом взаимодействии ионов с ядрами атомов); 2) наблюдается некоторое снижение электронных потерь в силу того, что в режиме каналирования частица проходит большую часть пути вдали от атомов рядов, т.е. ближе к сердцевине канала, где электронная плотность ниже; (установлено, что не всегда пропорциональны Е 1/2 ; в показатель степени р изменяется в пределах 0,3..0,9)

5. Особенности взаимодействия каналируемых ионов с атомами монокристаллов В результате происходит следующее (продолжение): 3) уменьшается отношение S n /S e и наблюдается преобладание электронных потерь при гораздо меньших значениях энергии ионов, чем при их неориентированном движении в веществе; 4) полные потери энергии, являющиеся суммой упругих и неупругих потерь, уменьшаются; 5)спрямление траекторий каналированных частиц по сравнению с их траекториями в неупорядоченном веществе (особенно это заметно для легких ионов, движущихся в мишенях, состоящих из тяжелых атомов); 6)Увеличение полного и проективного пробегов.

6. Распределение по глубине внедренных ионов при каналировании область А – ионы группы А, т.е. те, которые не испытали коррелированных воздействий со стороны атомных рядов (хаотический пучок); область Б – ионы группы Б, т.е. те, для которых условие каналирования выполняется с «запасом»; область В – ионы группы В, т.е. те, которые входят в канал, но при этом легко рассеиваются на углы, большие ψ с и поэтому испытывают деканалирование (т.е. часть пути проходят в режиме каналирования, а часть – в виде хаотического пучка).

6. Распределение по глубине внедренных ионов при каналировании Реально четкое разделение, как это имеется на рисунке, наблюдается редко, поскольку обычно амплитуда тепловых колебаний атомов, которые не учитывались, достаточно велика уже при комнатной температуре. Это «смазывает» всю картину, и распределение ионов по глубине при облучении параллельно атомным рядам имеет вид «аморфного» распределения с «хвостом» в область больших глубин, который резко обрывается при R max. Примечание. Максимальный пробег R max равен: причем,

7. Факторы, влияющие на процесс каналирования Доза ионов Если в результате ионной бомбардировки образуются устойчивые нарушения кристаллической структуры, то, накапливаясь по мере набора дозы, они будут изменять условия каналирования, приводя сначала к усилению деканалирования, а затем просто к полному разрушению атомных плоскостей и цепочек. Состояние поверхности На поверхности могут находиться неконтролируемые загрязнения, которые рассеивают мононаправленный пучок. Существованием такой пленки можно пренебречь только тогда, когда средний угол рассеяния в ней оказывается много меньше критического угла ψ с.

7. Факторы, влияющие на процесс каналирования Температура облучения. С влиянием температуры облучения на каналирование связаны два конкурирующих фактора: - с ростом Т увеличивается амплитуда тепловых колебаний атомов, следовательно наблюдается рост деканалированных ионов; - рост Т снижает концентрацию устойчивых радиационных дефектов, что должно уменьшать деканалирование. Какой из факторов будет доминировать, зависит от конкретных условий облучения.

8. Деканалирование Если ионы в процессе движения по каналу в силу разных причин перестанут испытывать коррелированные взаимодействия, произойдет деканалирование. Возможные причины деканалирования: - взаимодействие с тепловыми колебаниями цепочки, - взаимодействие с дефектами кристаллической структуры, - и др.

9. Фокусоны и краудионы При снижении энергии сталкивающихся атомов до нескольких сотен электронвольт столкновения атомов начинают распространяться преимущественно по цепочкам наиболее плотноупакованных рядов в кристаллической решетке – возникают цепочки атомных соударений, которые называют также цепочками фокусированных столкновений. Картина сфокусированных столкновений имеет следующий вид:

9. Фокусоны и краудионы На рисунке показано столкновение двух атомов ряда, когда угол вылета последующего θ 2 меньше угла вылета предыдущего атома θ 1. Величина - параметр фокусировки. Таким образом, условие возникновения последовательности фокусирующих столкновений состоит в том, чтобы при последовательных столкновениях атомов было обеспечено соотношение:

9. Фокусоны и краудионы Если сталкивающиеся частицы считать твердыми шарами радиуса R a, то условие выполняется при равновесном расстоянии между атомами в цепочке: Так как R a растет с уменьшением энергии атома, распространение фокусированных столкновений возможно лишь при энергиях ниже некоторой пороговой величины E f, Значения E f зависят от расстояния d a, индивидуального для каждого кристаллического вещества и направления кристаллографической оси. По имеющимся оценкам E f = эВ.

9. Фокусоны и краудионы В цепочках фокусированных столкновений возможны следующие ситуации: 1) при движении происходит только передача энергии; 2) наряду с передачей энергии происходит еще и передача массы (атомы последовательно замещают друг друга в узлах данного ряда кристаллической решетки).

9. Фокусоны и краудионы В случае 1) цепочка фокусированных столкновений рассматривается как движение своеобразной квазичастицы, называемой фокусоном. Случай 2) соответствует движению квазичастицы, называемой краудионом.

9. Фокусоны и краудионы Изучение фокусировки атомных столкновений показало, что цепочки последовательных атомных столкновений возникают при существенно более высоких энергиях, чем дают оценки по простой теории фокусировки. Этот процесс определяется атомами соседних рядов, которые при прохождении цепочки соударений получают отдачу в сторону от цепочки. Влияние соседних атомных рядов сказывается на развитии процесса фокусировки, что создает эффект непрямой или линзовой фокусировки.