Рассеяние атомов на шероховатой поверхности
Теоретически исследовано рассеяние атомов на субмикроскопических геометрических дефектах поверхности клиновидного профиля. В качестве базовой модели принята схема зеркального отражения от поверхности. Устанавливается качественное различие закономерностей отражения от поверхности в вариантах, когда д...
Збережено в:
| Дата: | 2008 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
2008
|
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/7865 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Рассеяние атомов на шероховатой поверхности / А.С. Долгов, А.А. Гетман // Физическая инженерия поверхности. — 2008. — Т. 6, № 1-2. — С. 98-104. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-7865 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-78652010-04-21T12:01:53Z Рассеяние атомов на шероховатой поверхности Долгов, А.С. Гетман, А.А. Теоретически исследовано рассеяние атомов на субмикроскопических геометрических дефектах поверхности клиновидного профиля. В качестве базовой модели принята схема зеркального отражения от поверхности. Устанавливается качественное различие закономерностей отражения от поверхности в вариантах, когда дефект уподобляется «вмятине», либо “щели”. В рамках модели записаны точные формулы для распределения отраженных частиц по направлениям. Вводятся энергетические оценки развития процесса многократных соударений. Делаются прогнозы в отношении эволюции формы дефекта при продолжительном воздействии на поверхность. Указываются возможности управления этим процессом и использования потока отраженных от поверхности атомов как инструмента диагностики микрорельефа. Теоретично досліджено розсіяння атомів на субмікроскопічних геометричних дефектах поверхні клинуватого профілю. У ролі базової моделі прийнята схема дзеркального відбиття від поверхні. Установлюється якісна різниця закономірностей відбиття від поверхні у варіантах, коли дефект уподібнюється “вм’ятині”, або “щілині”. В рамках моделі записані точні формули для розподілу відбитих часток по напрямкам. Вводяться енергетичні оцінки розвинення процесу багаторазових співударянь. Робляться прогнози щодо еволюції форми дефекту при тривалому впливі на поверхню. Вказуються можливості керування цим процесом та використання потока відбитих атомів як інструменту діагностики мікрорельєфу поверхні. Atom dispersion on the submicroscopic geometrical wedge-shaped surface defects is theoretically investigated. Scheme of specular reflection from the surface is accepted as a base model. Qualitative differences of the surface reflection law with such types of defects as “dent” and “gap” are determinated. Accurate formulas for reflected particles direction distribution are written within the bounds of the model. Energy estimate of the multiple collision process is introduced. Defect form evolution prediction in the condition of continuous surface influence is made. 2008 Article Рассеяние атомов на шероховатой поверхности / А.С. Долгов, А.А. Гетман // Физическая инженерия поверхности. — 2008. — Т. 6, № 1-2. — С. 98-104. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1999-8074 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/7865 539.171 ru Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Теоретически исследовано рассеяние атомов на субмикроскопических геометрических дефектах поверхности клиновидного профиля. В качестве базовой модели принята схема зеркального отражения от поверхности. Устанавливается качественное различие закономерностей отражения от поверхности в вариантах, когда дефект уподобляется «вмятине», либо “щели”. В рамках модели записаны точные формулы для распределения отраженных частиц по направлениям. Вводятся энергетические оценки развития процесса многократных соударений. Делаются прогнозы в отношении эволюции формы дефекта при продолжительном воздействии на поверхность. Указываются возможности управления этим процессом и использования потока отраженных от поверхности атомов как инструмента диагностики микрорельефа. |
| format |
Article |
| author |
Долгов, А.С. Гетман, А.А. |
| spellingShingle |
Долгов, А.С. Гетман, А.А. Рассеяние атомов на шероховатой поверхности |
| author_facet |
Долгов, А.С. Гетман, А.А. |
| author_sort |
Долгов, А.С. |
| title |
Рассеяние атомов на шероховатой поверхности |
| title_short |
Рассеяние атомов на шероховатой поверхности |
| title_full |
Рассеяние атомов на шероховатой поверхности |
| title_fullStr |
Рассеяние атомов на шероховатой поверхности |
| title_full_unstemmed |
Рассеяние атомов на шероховатой поверхности |
| title_sort |
рассеяние атомов на шероховатой поверхности |
| publisher |
Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України |
| publishDate |
2008 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/7865 |
| citation_txt |
Рассеяние атомов на шероховатой поверхности / А.С. Долгов, А.А. Гетман // Физическая инженерия поверхности. — 2008. — Т. 6, № 1-2. — С. 98-104. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT dolgovas rasseânieatomovnašerohovatojpoverhnosti AT getmanaa rasseânieatomovnašerohovatojpoverhnosti |
| first_indexed |
2025-07-02T10:39:50Z |
| last_indexed |
2025-07-02T10:39:50Z |
| _version_ |
1836531361155907584 |
| fulltext |
ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 1-2, vol. 6, No. 1-298
ВВЕДЕНИЕ
Рассеяние атомных частиц при столкновении
с поверхностью попадает в поле зрения ряда
исследователей и, в той или иной мере, обсу-
ждается в огромном числе работ. Однако, ча-
ще всего названный эффект оказывается вне
фокуса внимания соответствующей разра-
ботки; молчаливо предполагается несамосто-
ятельным, сопутствующим другим явлениям:
распылению, осаждению, нагреву, которые
легче наблюдаются и представляются более
важными в прикладном отношении [1– 4].
В теоретическом анализе особый интерес
представляют те обстоятельства, которые от-
лиличают картину взаимодействия атомов с
твердым телом от особенностей парного вза-
имодействия двух частиц. Широкое разнооб-
разие микроскопических характеристик по-
верхности предопределяет обилие ситуаций,
требующих изучения. Одним из таких обсто-
ятельств, заведомо отсутствующих в предель-
но идеализированных схемах, является суб-
микроскопическая геометрическая неодно-
родность поверхности, что обозначается в на-
звании, а также и другими авторами терми-
ном “шероховатость”. Имеются работы, где
это обстоятельство учитывается или рассмат-
ривается с тех или иных точек зрения [2, 5 –
7]. Здесь обсуждается картина рассеяния ато-
мов в субмикроскопических впадинах, имею-
щих форму клина. Такая форма неоднород-
ности аппроксимирует значительный набор
вариантов реальных отклонений формы по-
верхности от идеальной (царапины, следы
обработки, последовательность моноатом-
ных ступеней). Ограничиваемся двумерной
схемой, что, впрочем, является не только уп-
рощающей идеализацией: роль координаты
вдоль направления царапины в некоторых
вполне реалистических условиях (направлен-
ная бомбардировка) может быть несуществ-
венной.
БАЗОВАЯ МОДЕЛЬ
Один из трудных вопросов анализа рассеяния
поверхностью – закон распределения направ-
лений в акте отражения от поверхности. От-
давая отчет о значительной вариативности
возможных форм индикатрисы рассеяния,
пригодных для разных вариантов массово
геометрических соотношений, мы выбираем
схему зеркального отражения. Такое допуще-
ние предполагает наличие элементов коллек-
тивности во взаимодействии с поверхностью
и является предельной формой корреляции
между направлениями до и после акта столк-
новения. Предположение наиболее адекватно
соответствует случаю бомбардировки легки-
УДК 539.171
РАССЕЯНИЕ АТОМОВ НА ШЕРОХОВАТОЙ ПОВЕРХНОСТИ
А.С. Долгов, А.А. Гетьман
Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского “ХАИ” (Харьков)
Украина
Поступила в редакцию 07.04.2008
Теоретически исследовано рассеяние атомов на субмикроскопических геометрических
дефектах поверхности клиновидного профиля. В качестве базовой модели принята схема
зеркального отражения от поверхности. Устанавливается качественное различие законо-
мерностей отражения от поверхности в вариантах, когда дефект уподобляется «вмятине», либо
“щели”. В рамках модели записаны точные формулы для распределения отраженных частиц
по направлениям. Вводятся энергетические оценки развития процесса многократных со-
ударений. Делаются прогнозы в отношении эволюции формы дефекта при продолжительном
воздействии на поверхность. Указываются возможности управления этим процессом и исполь-
зования потока отраженных от поверхности атомов как инструмента диагностики микро-
рельефа.
ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 1-2, vol. 6, No. 1-2 99
ми атомами при низких энергиях. Кинетичес-
кие особенности процесса могут быть рас-
пространены и на электронную компоненту
надтепловых энергий.
Модельный объект представлен на рис. 1.
Отрезок, представленный штриховой ли-
нией, определяет границу между дефектом
(“бороздка”) и примыкающей областью, иг-
рающей роль источника частиц. Распределе-
ние потока налетающих частиц на указанной
границе нет оснований отличать от однород-
ного.
Уравнения откосов бороздки таковы (на-
чало координат в вершине клина):
ϕ1 = q1x, q1 = –tgβ1 (1)
ϕ2 = q2x, q2 = tgβ2, (2)
а уравнение траектории первичной пада-
ющей в пределы бороздки частицы имеет вид
ψ0(x) = h + p0(x – x0), (3)
где p0 – задает направление первичного по-
тока, x0, h – координаты пересечения налета-
ющей частицей границы бороздки.
Если бороздка несимметрична, то роли
двух откосов различаются и поэтому требуют
рассмотрения по отдельности. Далее будем
обсуждать версию первоначального падения
на откос, обозначаемый индексом “1” (ле-
вый).
Пересечение прямых (1) и (3) определяет
точку (x1, y1), куда непосредственно попадает
атом, прибывший из внешней зоны. Общая
точка функции:
ψ1(x) = y1 + p1(x – x1), (4)
где p1 задает направление отразившегося
атома, и уравнения второго откоса (2) задают
позицию второго контакта обсуждаемого ато-
ма (x2, y2). Далее аналогично (4), записывается
уравнение траектории после второго соуда-
рения ψ2(x) и находится точка (x3, y3) оче-
редного контакта, теперь вновь с первым
откосом и т.д. Соответствующие аналитичес-
кие операции дают рекуррентные соотноше-
ния:
10
00
1 qp
hxpx
−
−= , (5)
122
121
122
−
−
− −
−
=
n
n
nn pq
pqxx ,
1,
21
22
212 ≥
−
−=+ n
pq
pqxx
n
n
nn , (6)
1
121
121
12 −
−
+=+ upv
vpup
n
n
n ,
2122
2122
22 upv
vpup
n
n
n −
+=
+
+
+ ,
vk = 2qk, n ≥ 0. (7)
Различие двух выражений (7) определя-
ется только несовпадением угла наклона двух
сторон клина. При этом каждое из выражений
(7) обладает перестановочной симметрией
p2n+1 ↔ p2n.
Соотношения (5 – 7) представляют важ-
нейшие параметры картины многократных
столкновений, но, разумеется, не исчерпы-
вают ее. Важную роль играет распределение
атомов на влете в бороздку и возможность вы-
лета из нее после одного или нескольких со-
ударений.
На каждый из откосов в общем случае
попадает только часть частиц, вылетающих
вдоль определенного направления p0 с верх-
него среза бороздки.
ВЕРОЯТНОСТИ СОУДАРЕНИЙ
Как видно из рис. 2, доля атомов, попада-
ющих на левый откос, W0 равна отношению
21 aa
b
+ , что совпадает с выражением
m
m
xa
x
−
−
1
,
позволяющим с учетом (2), (3), записать
)( 210
10
0 aap
hapW
+
+= . (8)
Выражение (8) справедливо для двух диа-
пазонов изменения p0: p0 < q1 и p0 > q2. Если
же q1 < p0 < 0, то W0 = 0. А условие 0 < p0 < q2
обеспечивает полное попадание на ограни-
ченный участок левого откоса (W0 = 0).
Имеется существенное различие вариан-
тов с мелкими бороздками β1 + β2 < π/2 (типа
Рис. 1.
А.С. ДОЛГОВ, А.А. ГЕТЬМАН
ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 1-2, vol. 6, No. 1-2100
вмятины) и глубокими β1 + β2 > π/2 (типа ще-
ли). Рассмотрим их отдельно, приняв также
упрощение β1 = β2 (симметричная бороздка).
Если 2β < π/2 (вмятина), то атом, влетев-
ший в бороздку, покидает ее либо сразу после
первого соударения, либо после второго.
Это задает две качественно различающие-
ся версии развития процесса. Вероятность
первого соударения в рамках используемой
модели – единица, а вероятность двух столк-
новений W2 (попадания во второй откос, пос-
ле отражения от первого) подлежит вычисле-
нию.
Выясняется, что общая структура выраже-
ния для W2 содержит два подварианта: π/6 <
β < π/4 и β < π/6, что также можно обозначить
неравенствами 33>q и 33<q (q ≡ q2, q1
= –q). В первом случае (“не слишком мелкая”
бороздка) получается
( )
+
⎪⎩
⎪
⎨
⎧
= ∫
−
∞−
212
12002 )(2
qq
dpWWpfW (9)
( ) ( ) ( ) ⎪⎭
⎪
⎬
⎫
++ ∫∫
∞
−−−
−
−− 133
01200
12
000
232
)()(
qqq
q
qq
dpWWpfdpWpf ,
где f(p0) – функция распределения ориента-
ции (тангенсов) направлений пролета атомов
через верхний срез бороздки; величина W0 оп-
ределяется формулой (8), где a1 = a2 ≡ a;
W12 – вероятность попадания во второй склон
при вылете из первого. Геометрическое пост-
роение, сходное с тем, что имеется на рис. 2,
с учетом соответствий (5, 6) определяет вы-
ражение
))(1(
)3()13(
0
2
22
0
12 qpq
qqqpW
++
−+−= . (10)
Второе слагаемое (9) учитывает вклад уг-
лов падения на соответствующий склон, бли-
зкие к скользящим, когда отраженный атом
гарантировано попадает на другой склон.
Первое слагаемое охватывает примыкающий
диапазон углов, где возможен вылет уже пос-
ле первого соударения, что учитывает величи-
на W12 (10), на верхнем пределе достигающая
единицы. Третье слагаемое охватывает сле-
дующий диапазон углов падения, ограничен-
ный возможностью попадания на другой
склон, что соответствует обращению W12 в
нуль на нижнем пределе. Этот диапазон выпа-
дает при приближении β к π/6. Диапазон уг-
лов, отвечающий более низким положитель-
ным значениям p0, соответствует гарантиро-
ванному вылету из бороздки и поэтому в фор-
муле (9) не присутствует.
В условиях β < π/2 (весьма мелкая вмяти-
на) аналогичные построения приводят к фор-
муле
( )
+
⎪⎩
⎪
⎨
⎧
= ∫
−
−−
q
qq
dpWWpfW
212
12002 )(2
( ) ( )
( )
⎪⎭
⎪
⎬
⎫
+ ∫
−−
−−
2
23
12
133
01200 )(
qq
qqq
dpWWpf . (11)
В простейшем предположении об изотро-
пности (двумерной) атомов во внешней зоне
и на уровне берегов бороздки нормированная
на единицу функция распределения по углам
первичной ориентации θ такова f(θ) = 1/π.
Используя соответствие f(θ)dθ = f(p0)dp0,
находим
2
0
0 1
11)(
p
pf
+
⋅
π
= . (12)
Это, в свою очередь, дает возможность,
найти функцию распределения по направле-
ниям атомов, испытавших первое соударение
с левым склоном бороздки
1
0
01 )()(
dp
dppfpf = .
Рис. 2.
РАССЕЯНИЕ АТОМОВ НА ШЕРОХОВАТОЙ ПОВЕРХНОСТИ
ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 1-2, vol. 6, No. 1-2 101
С учетом соответствия между p0 и p1 (7),
получается 2
1
1 1
11)(
p
pf
+
⋅
π
= , т.е. выражение
(12) с переобозначенным индексом. Анало-
гично, такие же выражения получаются и для
всех последующих функций распределения.
Подстановка выражений (8), (10), (12) в
соотношения (9), (11) после соответствую-
щих выкладок дает точные выражения для
величины W2, что также позволяет непосредс-
твенно определить вероятность вылета после
первого столкновения 1 – W2 и среднее число
столкновений 1 + W2. Выражение (11) при-
водится к виду:
⎩
⎨
⎧
+
−
−
+
−−β
+
−
π
= 2
3
2
2
2
2
2 31
3arctg
1
31
1
531
q
qq
q
q
q
qW
( )
( ) ⎪⎭
⎪
⎬
⎫
−
+
+
−−++ 22
2
2
32
3
14ln
1
3
2
1
4
1ln
2 q
q
q
qqqq
, (13)
что в линейном приближении по q дает
16
27ln2 qW ≈ . (14)
Если первичное воздействие ориентирова-
но по нормали к макроповерхности твердого
тела (p0 → ∞), что соответствует условиям
ряда экспериментов и технологий, то при
33<q (формула (11)) вероятность W2 = 0,
а в диапазоне 133 << q (9) величина W2 за-
писывается как
1
13
2
2
2 +
−=
q
qW , (15)
что соответствует изменению в пределах обо-
значенного диапазона от нуля до единицы.
Увеличение W2 с ростом q согласно (9),
(13), (14), (15) соответствует повышению
среднего количества столкновений атомов
приповерхностной области с поверхностью.
Это обстоятельство может играть более или
менее значительную роль в ряде реальных
ситуаций.
Один из вариантов такого типа отвечает
существенному превышению энергии падаю-
щих атомов над энергией атомов подложки.
Так зачастую обстоит дело при контакте по-
верхности с газовой или плазменной средой,
а в случае пучкового воздействия это преоб-
ладание может быть как угодно большим.
Здесь имеет место столкновительная переда-
ча энергии от бомбардирующих атомов ато-
мам подложки ([1, 2] и др.), зависящая от со-
отношения массово-геометрических пара-
метров атомов-партнеров по взаимодейст-
вию. Увеличение числа актов соударения па-
дающих атомов с поверхностью, обсуждае-
мое в данной работе, определяет рост коэф-
фициента аккомодации энергии поверхнос-
тью, что влияет на энергетический спектр от-
раженных атомов и способствует усилению
нагрева поверхности. Таким образом, эффек-
тивность передачи энергии от падающего на
поверхность атома определяется не только
микроскопическим механизмом акта взаимо-
действия, но и характеристиками более круп-
ного пространственного масштаба (“мезо-
скопическими”).
Так как вследствие наличия мезоскопичес-
кого рельефа на поверхности отдача энергии
от газовой фазы увеличивается, то, значит, по-
верхность проявляет себя как более холодная.
Это обстоятельство можно квалифицировать
как траекторное охлаждение атомов из приле-
гающей газовой фазы.
Для искусственно созданного направлен-
ного потока на поверхность более уместно
трактовать указанный эффект как кинемати-
ческие (траекторные) поправки к массе ато-
мов поверхности. Оценка указанной поправ-
ки может исходить из соответствия
( )
24
2
2
21 ⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
+µ
−µ≈⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+
−+⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+
−−
m
m
mM
mMW
mM
mМW , (16)
где m, M – массы снаряда и мишени, соответ-
ственно; µ – кинематически измененная (эф-
фективная) масса, эта величина понимается
также как результат осреднения по двум ка-
чественно различающимся сценариям про-
цесса отражения от поверхности.
При существенном преобладании массы
атомов поверхности над массой бомбардиру-
ющих атомов из соотношения (16) следует
21 W
M
+
≈µ , (17)
а при условии M << m
µ ≈ (1 + W2)M. (18)
А.С. ДОЛГОВ, А.А. ГЕТЬМАН
ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 1-2, vol. 6, No. 1-2102
Видим, что относительно тяжелые атомы
подложки, согласно (17), проявляют себя как
более легкие, а относительно легкие, вследст-
вие реализации повторных соударений ка-
жутся более тяжелыми (18). При этом масш-
таб различия между M и µ не более двух.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Средняя энергия отраженных от поверхности
атомов может играть роль индикатора поверх-
ностного рельефа. Изменение этой энергии,
или, шире, энергетического спектра, может
использоваться для анализа свойств поверх-
ности. Диагностическая особенность такого
метода в том, что он, в соответствии с резуль-
татами (9), (11), (13) – (15), дает информацию
о форме поверхностного рельефа, но не об
абсолютных значениях линейных характе-
ристик элементов рельефа.
Таким образом, предлагаемый инструмент
может рассматриваться как возможное допол-
нение к иным существующим приемам, какие
обычно ориентированы на определение абсо-
лютных характеристик шероховатостей.
Разумеется, практическая реализация вы-
сказанных предложений, как и постановка со-
ответствующих экспериментов, отнюдь не
просты. Относительно легкодоступным пред-
ставляется использование предполагаемого
подхода для сопоставления разных образцов,
сравнения результативности вариантов тех-
нологий. Здесь появляется возможность ис-
пользования некоторых эталонных образцов,
задающих определенный спектр энергий от-
раженных атомов. Энергетические отличия
исследуемого образца от характеристик эта-
лонного дает информацию о микрогеометрии
поверхностного рельефа.
Высказанные общие соображения в основ-
ном справедливы и в случае значений q, пре-
восходящих единицу (щель). Требуется, одна-
ко, обратить внимание на некоторые допол-
нительные обстоятельства. В отличие от ре-
льефа типа относительно мелкой вмятины,
атом в пределах щели может испытать боль-
шое число столкновений со стенками. Если
угол первоначальной ориентации достаточно
велик (p0 >> 1), то, в соответствии с форму-
лами (7), значения pk с увеличением индекса
уменьшаются по модулю с чередованием зна-
ка. Следует обратить внимание, что слагае-
мые в числителе каждого из выражений (7)
разных знаков. Это значит, что изменение
величин pn по указанному правилу будет
происходить только до тех пор, пока иерархия
численных значений указанных слагаемых
не изменится, иначе говоря, до тех пор, пока
величина uk|pk| не снизится до значения |vk|.
Таким образом, соответствие 1
2
2−
≈
q
qpn оп-
ределяет инверсию направления перемеще-
ния частицы. По достижению указанного ус-
ловия начинается возвратное движение атома
с ориентацией в сторону выхода из щели и
постепенным увеличением |pn|. Нетрудно убе-
диться, что изменение названных величин
для случая q >> 1 в области |pn| >> 1 следует
правилу ( )
k
qp k
n 2
1−≈ .
Согласно (7), на этапе последовательности
соударений, отвечающих проникновению
вглубь образца, величина q|pn| не более 2. Это
значит, что количество столкновений как на
этапе проникновения, так и на этапе возврата
около q2/4. Общее число столкновений зави-
сит от угла первоначальной ориентации p0 и,
тем самым, может управляться изменением
ориентации потока бомбардирующих атомов
относительно поверхности. Так условие
p0 < q–1 отвечает однократному соударению с
откосом щели и вылету из нее сразу после
этого. Диапазон p0 < 0 соответствует не менее
двум столкновениям; для области парамет-
ров, где p0 < –1/q , число столкновений не ме-
нее трех, в диапазоне p2 > 0 – более трех и
т.д. (напомним, что все значения pn в соответс-
твии с рекуррентными соотношениями (7)
однозначно определяются величиной p0).
Все столкновения атома с поверхностями
щели сопровождаются потерей некоторой
порции энергии. Общая картина перераспре-
деления энергии и сопутствующих эффектов
требует самостоятельного изучения, однако,
некоторые соображения предварительного
характера могут быть указаны и теперь.
РАССЕЯНИЕ АТОМОВ НА ШЕРОХОВАТОЙ ПОВЕРХНОСТИ
ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 1-2, vol. 6, No. 1-2 103
Следует думать, что во взаимодействии
атома с поверхностью определяющую роль,
как правило, играет акт парного взаимо-
действия с каким-то одним атомом на по-
верхности. Распределение передач энергии в
таких столкновениях можно считать одно-
родным в диапазоне, определяемом требова-
ниями сохранения энергии и импульса (так
получается и в модели твердых шаров, и в
довольно общей ситуации, когда упругое
рассеяние в системе центра инерции изот-
ропно). Таким образом, среднее значение
переданной в акте соударения энергии соот-
ветствует середине указанного диапазона.
Можно ввести ориентировочное соответст-
вие εk ∼ γkε0, где ε0 – исходная энергия атома,
2
22
)( mM
mM
+
+=γ .
Последовательность столкновений с по-
верхностями щели будет продолжаться до тех
пор, пока энергия не снизится до значения ε1
– энергии связи обсуждаемого атома с поверх-
ностью. Таким образом, наиболее вероятное
число столкновений оценивается значением
( )
( )γ
εε≈
1ln
ln 10
0K , (19)
что может соответствовать как этапу внедре-
ния в щель, так и возвратному движению. По-
ложение участка вероятной адсорбции оце-
нивается выражением (19), с учетом соотно-
шений (1), (2), (6).
Таким образом, выявляется наличие неко-
торой (вероятно, слабо очерченной) области
в пределах щели, где имеет место преиму-
щественное осаждение прилетающих атомов.
Это должно вести к появлению перемычек
на некотором уровне высоты щели, что, в
свою очередь, может приводить к разделению
дефекта на две части: бороздка типа вмятины
плюс изолированная от поверхности микро-
полость. Ввиду того, что указанный эффект
изолирует микрообъем от поверхностных
воздействий и, тем самым, способствует его
консервации, следует ожидать постепенного
накопления приповерхностных пор при
длительной эксплуатации соответствующего
образца в условиях всевозможных воздейст-
вий.
Положение области преобладающего оса-
ждения зависит от первичной энергии ε0. По-
казательным является сопоставление энерге-
тически обусловленной величины (19), и ука-
занной выше, геометрической оценкой q2/4,
соответствующей числу циклов прямого и
возвратного движений. Если K0 < q2/4, то
увеличение энергии отвечает осаждению на
более глубоких участках щели, что способст-
вует ее заращиванию. Если же, напротив K0
> q2/4, то влетевшие атомы как бы выталкива-
ются из бороздки, имея тенденцию к преиму-
щественному осаждению на неглубоких
участках дефекта.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Теоретически исследовано рассеяние атомов
на субмикроскопических геометрических де-
фектах поверхности клиновидного профиля.
Показано, что вследствие реализации повтор-
ных соударений относительно тяжелые атомы
подложки проявляют себя как более легкие,
а относительно легкие кажутся более тяжелы-
ми. Выявлены следующие возможности мо-
дификации рельефа поверхности при дли-
тельной бомбардировке атомами: заращи-
вание дефекта и постепенное накопление
приповерхностных пор. Обсуждаются воз-
можности диагностики поверхностного ре-
льефа на основе анализа энергетического
спектра отраженных атомов.
Построения данной работы допускают
значительное развитие в отношении приме-
нения их к более сложным формам рельефа
поверхности и использования иных видов
закономерностей рассеяния. Результаты ра-
боты также могут быть использованы для
трактовки распыления шероховатой поверх-
ности и прогнозирования изменения рельефа.
ЛИТЕРАТУРА
1. Баранцев Р.Г. Взаимодействие разреженных
газов с обтекаемыми поверхностями. – М.,
Ф.-М., 1975.
2. Фундаментальные и прикладные аспекты
распыления твердых тел./Под ред. Е.С. Маш-
ковой.– М.: Мир, 1989.
А.С. ДОЛГОВ, А.А. ГЕТЬМАН
ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 1-2, vol. 6, No. 1-2104
3. Haile I.M. Molecular Dynamics Simulation –
Elementary Methods. – New York: Wiley –
Interscience, 1992.
4. Кукушкин С.А., Осипов А.В.// УФН. – 1998.
– Т. 168, № 10. – С. 1083
ATOM DISPERSION ON THE
ROUGH SURFACE
A.S. Dolgov, A.A. Get‘man
Atom dispersion on the submicroscopic geometrical
wedge-shaped surface defects is theoretically
investigated. Scheme of specular reflection from the
surface is accepted as a base model. Qualitative dif-
ferences of the surface reflection law with such types
of defects as “dent” and “gap” are determinated. Ac-
curate formulas for reflected particles direction
distribution are written within the bounds of the
model. Energy estimate of the multiple collision pro-
cess is introduced. Defect form evolution prediction
in the condition of continuous surface influence is
made. Possibilities of mentioned process control and
РОЗСІЯННЯ АТОМІВ НА
ШОРСТКІЙ ПОВЕРХНІ
А.С. Долгов, А.А. Гетьман
Теоретично досліджено розсіяння атомів на суб-
мікроскопічних геометричних дефектах поверхні
клинуватого профілю. У ролі базової моделі при-
йнята схема дзеркального відбиття від поверхні.
Установлюється якісна різниця закономірностей
відбиття від поверхні у варіантах, коли дефект
уподібнюється “вм’ятині”, або “щілині”. В рам-
ках моделі записані точні формули для розподілу
відбитих часток по напрямкам. Вводяться енерге-
тичні оцінки розвинення процесу багаторазових
співударянь. Робляться прогнози щодо еволюції
форми дефекту при тривалому впливі на поверх-
ню. Вказуються можливості керування цим про-
цесом та використання потока відбитих атомів
як інструменту діагностики мікрорельєфу по-
верхні.
5. Берзин А.А., Морозов А.И.// ФТТ. – 2000. –
Т. 42, № 2. – С. 354
6. Пугина Е.В., Корнич Г.В., Бетц Г.// Складнi
системи i процеси. – 2003. – Т. 2, № 1.
7. Абросимова Г.Е., Аронин А.С.// ФТТ. – 2008.
– Т. 50, № 1. – С. 54
РАССЕЯНИЕ АТОМОВ НА ШЕРОХОВАТОЙ ПОВЕРХНОСТИ
|