Ядерно-физический метод исследования твердых тел основан на применении физического явления – упругого рассеяния ускоренных частиц на большие углы при их взаимодействии с атомами вещества. Этот метод достаточно давно используется в ядерной физике для определения состава мишеней путем анализа энергетических спектров обратно рассеянных частиц. Аналитические возможности рассеяния легких частиц получили широкое применение в различных областях физики и техники, начиная от электронной промышленности и заканчивая исследованиями структурных фазовых переходов в высокотемпературных соединениях.
Спектроскопия RBS (РОР)
В методе Резерфордовского обратного рассеяния (РОР или Rutherford Backscattering Spectrometry, RBS) используется пучок легких анализирующих частиц (гелий, водород), обратнорассеянные частицы регистрируются полупроводниковым детектором. При анализе энергетических спектров обратного рассеяния используются кинематические соотношения, известные величины сечений рассеяния и потерь энергии частиц при прохождении через конкретное вещество. Таким образом можно идентифицировать элемент, на котором происходит обратное рассеяние, и его концентрацию, по которой можно судить о стехиометрии соединений, а также толщину слоя и глубину его залегания.
Особенности метода:
- Проведение исследований без разрушения образцов
- Определение глубины залегания элементов
- Особая чувствительность к тяжелым элементам
- Исследование кристаллической структуры
- Разрешение по глубине порядка 20 нанометров
Особую актуальность и ценность для решения материаловедческих задач представляет возможность проведения исследований в режиме in situ, то есть проведение направленного ионно-пучкового модифицирования и анализа образцов в едином вакуумном цикле, данное технологическое решение реализовано на базе нашего ускорительного комплекса.
Спектроскопия MEIS (СРИСЭ)
Метод спектрометрии рассеяния ионов средних энергий (СРИСЭ или Medium Energy Ion Spectroscopy, MEIS) основан на принципе резерфордовского обратного рассеяния. Отличительной особенностью СРИСЭ является использование ионов с меньшей энергией, чем в традиционном методе РОР, поэтому с помощью метода СРИСЭ возможно исследовать толщины до 200А. Более серьёзное различие содержится в инструментах измерения. Для анализа обратнорассеянных ионов метод РОР использует кремниевые обедненные детекторы, которые имеют ограничение по разрешению ~15кэВ.
Метод СРИСЭ использует ионы с энергией меньше 200 кэВ, которые могут быть отклонены с помощью электростатического анализатора. Следовательно, возможно создание электростатического анализатора с разрешением, определяемым полем и размерами входной щели. Так же важным преимуществом электростатического анализатора является то, что при разрешении в 15 кэВ РОР позволяет анализировать образец с разрешением по глубине до 200А, тогда как электростатический анализатор позволяет анализировать энергии рассеянных ионов с разрешением 100 эВ и, следовательно, исследовать поверхность образца с разрешением в ангстрем. Данная методика реализована в нашей лаборатории с использованием экспериментальной камеры сверхвысокого вакуума фирмы HVEE. Электростатический анализатор используемый нами позволяет анализировать обратнорассеянные ионы с энергиями до 130кэВ с разрешением порядка 300эВ, что эквивалентно потерям в слое золота толщиной 10А.
