Вторичная ионная эмиссия при бомбардировке металлических поверхностей протонами

В. Т. Черепин$^{1}$, М. А. Васильев$^{1}$, И. Н. Макеева$^{1}$, В. Н. Колесник$^{1}$, С. М. Волошко$^{2}$

$^1$Институт металлофизики им. Г.В. Курдюмова НАН Украины, бульв. Академика Вернадского, 36, 03142 Киев, Украина
$^2$Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского», просп. Победы, 37, 03056 Киев, Украина

Получена: 28.11.2017; окончательный вариант - 22.01.2018. Скачать: PDF

В обзорной статье содержатся результаты исследований закономерностей и особенностей вторичной ионной эмиссии при бомбардировке металлических поверхностей самыми лёгкими ионами — протонами, которые обладают наиболее низкими коэффициентами распыления и, следовательно, вызывают минимальную эрозию исследуемой поверхности. Интерес к изучению закономерностей и особенностей протонной масс-спектрометрии вызван поиском новых физических возможностей повышения выхода вторичных ионов с целью улучшения аналитических характеристик метода масс-спектрометрии вторичных ионов. В работе приведены результаты сравнительного систематического исследования процессов эмиссии вторичных ионов переходных металлов, бинарных сплавов и соединений, отличающихся электронной структурой, фазовым и стехиометрическим составами, при бомбардировке протонами и ионами аргона. Достоверно установлено, что процессы вторичной ионной эмиссии при бомбардировке протонами подчиняются основным закономерностям, выявленным при бомбардировке ионами инертных газов, в части зависимостей от атомного номера металлов и концентрационных соотношений в бинарных сплавах и соединениях, но принципиально отличаются аномально высокой вероятностью ионизации частиц, распылённых из металлических мишеней. Показано, что в случае бомбардировки протонами многокомпонентных мишеней, наблюдается частичное подавление структурных, фазовых и других матричных эффектов, существенных при бомбардировке ионами инертных газов. Эффекты усиления вторичной ионной эмиссии под влиянием адсорбции и имплантации водорода из бомбардирующего пучка протонов связаны с образованием поверхностных связей $Me$–H и количественно объяснены в рамках моделей, учитывающих разрыв химических связей атомов металла и адсорбата в процессе распыления и последующей ионизации распыляющихся атомов металла.

Ключевые слова: вторичная ионная эмиссия, масс-спектрометрия вторичных ионов, протоны, ионы аргона, металлическая поверхность, работа выхода электронов.

PACS: 07.75.+h, 14.20.Dh, 34.35+a, 41.75.Ak, 61.80.Lj, 68.49.Sf

Citation: V. T. Cherepin, M. O. Vasylyev, I. M. Makeeva, V. M. Kolesnik, and S. M. Voloshko, Secondary Ion Emission during the Proton Bombardment of Metal Surfaces, Usp. Fiz. Met., 19, No. 1: 49—69 (2018), doi: 10.15407/ufm.19.01.049


Цитированная литература (52)  
  1. V. I. Veksler, Vtorichnaya Ionnaya Ehmissiya Metallov [Secondary Ion Emission of Metals] (Moscow: Nauka: 1978) (in Russina).
  2. V. T. Cherepin and M. A. Ivanov, Vtorichnaya Ionno-Ionnaya Ehmissiya Metallov i Splavaov [Secondary Ion-Ion Emission of Metals and Alloys] (Moscow: Nauka: 1975) (in Russina).
  3. V. T. Cherepin, Ionnyy Zond [ion Probe] (Kiev: Naukova Dumka: 1981) [in Russian].
  4. V. T. Cherepin, Ionnyy Mikrozondovyy Analiz [Ion Microprobe Analysis] (Kiev: Naukova Dumka: 1981) (in Russina).
  5. V. T. Cherepin and M. A. Vasiliev, Metody i Pribory dlya Analiza Poverkhnosti Materialov [Methods and Devices for Analysis of the Material Surfaces] (Kiev: Naukova Dumka: 1982) (in Russian).
  6. V. T. Cherepin, Secondary Ion Mass Spectroscopy of Solid Surfaces (Oxford: Alden Press: 1987).
  7. V. E. Yurasova, Vzaimodeistvie Ionov s Poverkhnostyu [Interaction of Ions with Surface] (Moscow: Prima В: 1999) (in Russina).
  8. R. J.-B. Castaing and G. Slodzian, C.R. Acad. Sci. B, 251: 1010 (1960).
  9. Ya. M. Fogel, Sov. Phys. Usp., 10: 17 (1967). Crossref
  10. G. Slodzian and J.-F. Hennequin, C. R. Acad.Sci., B, 263, No. 22: 1246 (1966).
  11. A. Benninghoven, Surf. Sci., 53, No. 3: 596 (1975). Crossref
  12. A. Benninghoven, F. G. Rudenauer, and H. W. Werner, Secondary Ion Mass Spectrometry: Basic Concepts, Instrumental Aspects, Applications, and Trends, (New York: Wiley: 1987).
  13. L. A. Giannuzzi, B. I. Prenitzer, and B. W. Kempshall, Ion-Solid Interaction, (Berlin: Springer: 2005).
  14. J. C. Lee, H. J. Kang, K. J. Kim, Y. S. Kim, and D. W. Moon, Surf. Sci. 324: 338 (1995). Crossref
  15. V. P. Ivanov and S. N. Trukhan, J. Struct. Chem., 55, No. 5: 995 (2014). Crossref
  16. S. Fajardoa, D. M. Bastidasa, M. P. Ryanb, M. Criadoc, D. S. McPhailb, and R. J. H. Morrisd, Appl. Surf. Sci., 288: 423 (2014). Crossref
  17. V. V. Khvostov, I. K. Khrustachev, K. F. Minnebaev, E. Yu. Zykova, and V. E. Yurasova, Vacuum, 100: 84 (2014). Crossref
  18. K. F. Minnebaev, A. A. Khaidarov, and V. E. Yurasova, Surface Investigation X-Ray, Synchrotron and Neutron Techniques, 9: No. 5: 1107 (2015). Crossref
  19. S. A. Firstov, N. A. Krapivka, M. A. Vasiliev, S. I. Sidorenko, and S. M. Voloshko, Powder Metallurgy, No. 07/08: 98 (2016) (in Russina).
  20. M. A. Vasiliev, A. A. Kosyachkov, I. N. Makeeva, and V. T. Cherepin, Poverkhnost’, No. 1: 103 (1982) (in Russian).
  21. N. Kh. Dzhemelev and R. T. Kurbanov, Poverkhnost’, No. 1: 56 (1984).
  22. M. A. Vasiliev and I. N. Makeeva, Zavodskaya Laboratoriya. Diagnostika Materialov, 64, No. 9: 26 (1997).
  23. M. A. Vasiliev, I. N. Dubinskiy, A. A. Kosyachkov, I. N. Makeeva, S. P. Chenakin, V. T. Cherepin, and V. G. Kostyuchenko, Sposob Mass-Spektroskopicheskogo Posloinogo Analiza Tverdykh Tel, A. s. No. 1138855 (Published 07.02.1985. Bulletin No. 5).
  24. M. Junack, A. Eicke, W. Sichtermann, A. Benninghoven, Ion Formation from Organic Solids (Springer Series in Chemical Physics, 25) (Berlin, Heidelberg: Springer: 1983), p. 177. Crossref
  25. N. J. Popczun, L. Breuer, A. Wucher, and N. Winograd, J. Am. Soc. Mass. Spectrom., 28: 1182 (2017). Crossref
  26. J. Brison, S. Muramoto, and D. G. Castner, J. Phys. Chem. C, 114, No. 12: 5565 (2010). Crossref
  27. J. Matsuo, S. Ninomiya, H. Yamada, K. Ichiki, Y. Wakamatsu, M. Hada, T. Seki, and T. Aoki, Surf. Interfaсe Anal., 42, Nos. 10–11: 1612 (2010). Crossref
  28. M. L. Yu and N. D. Lang, Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B, 14: 403 (1986). Crossref
  29. G. Slodzian, Surf. Sci., 48: 161 (1975). Crossref
  30. M. L. Yu, Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B, 18: 542 (1986). Crossref
  31. H. Oechsner, Z. Sroubek, Surf. Sci.,127: 10 (1983). Crossref
  32. P. Sigmund, Phys. Rev., 184, No. 2: 416 (1969). Crossref
  33. M. I. Guseva and Yu. V. Martynenko, J. Nucl. Mater., 63, No. 1: 241 (1976). Crossref
  34. N. V. Plishivtsev, Fizicheskie Problemy Katodnogo Rasspyleniya [Physical Problems of Cathode Sputtering] (Москва: Izdatelstvo IAEh AN SSSR: 1979).
  35. A. A. Kosyachkov, Poverkhnost’, No. 4: 25 (1994).
  36. V. T. Cherepin, A. A. Kosyachkov, I. N. Dubinskiy, and V. Eh. Is’yanov, Pribory i Tekhnika Ehksperimenta, No. 1: 152 (1986) (in Russian).
  37. V. V. Nemoshkalenko, Ehlektronnaya Spektroskopiya Kristallov [Electron Spectroskopy of Crystals] (Kiev: Naukova Dumka: 1976) (in Russian).
  38. A. A. Kosyachkov, Poverkhnost’, No. 9: 128 (1989) (in Russian).
  39. K. Wittmaack, Phys. Scr., 6: 71 (1983). Crossref
  40. M. A. Vasiliev, A. A. Ksyachkov, I. N. Makeeva, and V. T. Cherepin, Metallofizika, 4, No. 3: 69 (1982) (in Russian).
  41. V. T. Сherepin, A. A. Kosyachkov, I. N. Makeeva, Secondary Ion Mass Spectrometry-SIMS IV (Eds. A. Benninghoven, J. Okano, R. Shimizu, and H. W. Werner) (Berlin Heidelberg: Springer-Verlag: 1984), p. 57.
  42. W. Gerhard, Z. Phys. B, 22: 31 (1975).
  43. K .Wittmaack, Phys. Lett. A, 69: 322 (1979). Crossref
  44. I. S. Bitenskiy and Eh. S. Paralis, Zhurnal Tekhnicheskoy Fiziki, 48: 1941 (1978) (in Russian).
  45. J. M. Schroeer, T. N. Rhodin, and R. C. Bradley, Surf. Sci., 34, No. 3: 571 (1973). Crossref
  46. K. F. Minnebaev, A. E. Saburov, and V. S. Chernysh, Poverkhnost’, No. 11: 150 (1987) (in Russian).
  47. O. A. Bannykh, P. B. Budberg, and S. P. Alsova, Diagrammy Sostoyaniya Dvoinykh i Mnogokomponenthykh Sistem na osnove Zheleza [State Diagrams of Binary and Multicomponent Iron-Based Systems] (Mosow: Metallurgiya: 1986) (in Russian).
  48. M. A. Vasil’ev, А. А. Kosyachkov, I. N. Makeeva, and V. T. Cherepin, Metallofizika, 9, No. 1: 43 (1987) (in Russian).
  49. M. A. Vasil’ev, A. A. Kosyachkov, I. N. Makeeva, and V. T. Cherepin, Poverkhnost’, No. 8: 39 (1987) (in Russian).
  50. A. A. Kosyachkov, V. T. Cherepin, and S. M. Chichkan’, Pis’ma v Zhurnal Tekhnicheskoj Fiziki, 17, No. 5, 61 (1991).
  51. K. W. Frese, Surf. Sci., 182: 85 (1987). Crossref
  52. H. Zuchner and T. Bruning, J. Alloys and Compounds, 231: 347 (1995). Crossref