Физика / 2. Физика твердого тела

Старшинов И.Н., к.ф.-м.н. Мельничук И.А.

Донецкий Национальный Университет, Украина

Учет макроскопического разогрева пучком при оценке вклада термического механизма

В работах [1,2] показано, что исследование угловой зависимости коэффициента распыления может быть использовано для выявления вклада термического механизма в общий выход распыления. Величина коэффициента распыления в работе [2] определялась по изменению скорости сдвига частоты кварцевого резонатора до облучения и во время воздействия пучка на поверхность образца. Однако, в этой работе оставался невыясненным вопрос о вкладе испарения, вызванного макроскопическим разогревом ионным пучком в общий выход частиц, покидающих поверхность.

Для выявления вклада испарения был произведен эксперимент по измерению коэффициента распыления, в котором проводилась регистрация выхода материала с поверхности в промежутках до облучения, и после окончания облучения при фиксированной температуре. Для измерения выхода распыления использовался, как и в [2] метод кварцевого микровзвешивания. Кварцевый резонатор АТ среза с собственной частотой 4806 кГц крепился на расстоянии порядка 3 см от облучаемого образца. Угол между плоскостью образца и плоскостью кварцевой пластины составлял 45 градусов. Резонатор был включен в контур автогенератора, частота которого измерялась с помощью электронно-счетного частотомера Ч3-34, регистрация частоты производилась ЭВМ с ЦАП с интервалом 1 сек. Для устранения влияния температуры на собственную частоту резонатора, кварцевая пластина помещалась в термостат с водяным охлаждением. В качестве исследуемого материала использовался магний, в отличие от опытов [2] в которых использовался цинк.

Последовательность проведения эксперимента была такова: образец, помещенный в вакуумную камеру, давление в которой составляло порядка 4*10^-5 торр, нагревался до определенной температуры с помощью нагревателя, управляемого ЭВМ, программно реализующей ПИД закон регулирования температуры, после того, как нагрев прекращался и температура стабилизировалась, на протяжении интервала времени в 5-7 минут производилась регистрация выхода материала с его поверхности. Далее открывался механический заслон, закрывающий поверхность образца от воздействия ионного пучка, и производилось облучение на протяжении 5 минут, потом заслонка закрывалась и без изменения температуры регистрировалась скорость испарения. После этого образец нагревался до большей температуры и процедура повторялась. На рис. 1 изображена типичная зависимость сдвига частоты от времени.

Рис. 1 Зависимость сдвига частоты от времени при облучении Mg ионами Ar⁺ c энергией 20 кэВ. Ток пучка ~ 20 мкА, температура образца 350° C.

По оси y откладывается сдвиг частоты f(t)-f(t₀), где t₀ – время окончания эксперимента. Вертикальными линиями показаны момент открытия и закрытия ионного пучка. Штрихованные лини – подгонка экспериментальных данных к линейным зависимостям по методу наименьших квадратов. Угловые коэффициенты (df/dt) этих линий пропорциональны скорости распыления (испарения) материала U. Из графика видно, что скорости испарения до и после облучения различны. Этот факт свидетельствует о том, что макроскопический разогрев поверхности мишени ионным пучком во время обучения приводит к заметному для метода кварцевого резонатора увеличению скорости испарения. Это обстоятельство требует учета макроскопического разогрева в процедуре определения коэффициента распыления Y_thermal по термическому механизму (Y_thermal=k•U_thermal, k = const ). В простейшем случае представляется целесообразным вычислять общую скорость распыления как разницу:

Где U – скорость распыления во время облучения (при «открытом» пучке). U_before – скорость испарения в промежутке до облучения, U_after – скорость испарения после облучения ионами. При достаточно большой температуре, когда вклад испарения в поток удаленных с поверхности атомов велик величина U_thermal при постоянном токе пучка пропорциональна коэффициенту распыления по термическому механизму.

Вычисления проведенные в соответствии с описанным выше показывают, что при температуре 350° плотности тока ионов 40 мкА/см² с энергией 20 кэВ при распылении Mg учет макроскопического нагрева в простейшей модели приводит к изменению значения коэффициента распыления приблизительно на 10%. Что является важным для термического механизма, поскольку при существенном его вкладе коэффициент распыления может достигать больших значений. Вычисленная таким образом скорость распыления более корректно учитывает изменение выхода материала за счет макроскопического разогрева ионным пучком.

Литература:

1. И.А. Мельничук, В.Н. Варюхин, А.А. Богунец // Поверхность. №12, 2004, С.31-35.

2. И.А. Мельничук, А.А. Богунец, И.Н. Старшинов//Взаимодействие ионов с поверхностью, ВИП 2005. Мат XVII Межд. конф. М. 2005. т.1. стр. 140-142.