Вторинна йонна емісія при бомбуванні металевих поверхонь протонами

В. Т. Черепін$^{1}$, М. О. Васильєв$^{1}$, І. М. Макеєва$^{1}$, В. М. Колесник$^{1}$, С. М. Волошко$^{2}$

$^1$Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, бульв. Академіка Вернадського, 36, 03142 Київ, Україна
$^2$Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», просп. Перемоги, 37, 03056 Київ, Україна

Отримана: 28.11.2017; остаточний варіант - 22.01.2018. Завантажити: PDF

В оглядовій статті аналізуються результати досліджень закономірностей і особливостей вторинної йонної емісії при бомбардуванні металевих поверхонь найлегшими йонами — протонами, що мають найнижчі коефіцієнти розпорошення і, отже, спричинюють мінімальну ерозію досліджуваної поверхні. Інтерес до вивчення закономірностей та особливостей протонної мас-спектрометрії зумовлено пошуком нових фізичних можливостей підвищення виходу вторинних йонів з метою поліпшення аналітичних характеристик методи мас-спектрометрії вторинних йонів. У роботі наведено результати порівняльного систематичного дослідження процесів емісії вторинних йонів перехідних металів, бінарних стопів і сполук, що відрізняються електронною структурою, фазовим і стехіометричним складами, при бомбардуванні протонами та йонами Арґону. Достовірно встановлено, що процеси вторинної йонної емісії при бомбардуванні протонами мають основні закономірності, виявлені при бомбардуванні йонами інертних газів, у частині залежности від атомового номеру металів і концентраційних співвідношень у бінарних стопах і сполуках, але принципово відрізняються аномально високою ймовірністю йонізації частинок, розпорошених з металевих мішеней. Показано, що в разі бомбардування протонами багатокомпонентних мішеней спостерігається зменшення структурних, фазових та інших матричних ефектів, істотних при бомбардуванні йонами інертних газів. Ефекти посилення вторинної йонної емісії під впливом адсорбції та імплантації Гідрогену з бомбардувального пучка протонів пов’язано з утворенням поверхневих зв’язків $Me$–H і кількісно пояснено в рамках моделів, що враховують розрив хемічних зв’язків атомів металу й адсорбату в процесі розпорошення та подальшої йонізації розпорошуваних атомів металу.

Ключові слова: вторинна йонна емісія, мас-спектрометрія вторинних йонів, протони, йони Арґону, металева поверхня, робота виходу електронів.

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


Цитована література (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