（原子与分子物理专业论文）低速高电荷态离子在晶体al（111）面掠射过程的计算机模拟.pdf

摘要 低速高电荷态离子，由于其电荷态极高而速度非常低( 小于玻尔速度) ，当 它与固体表面相互作用时，会有许多不同于普通低电荷态离子的特性，因此， 随着产生高电荷态离子离子源性能的提高，高电荷态离子与表面作用正在受到 越来越多的关注。 。 本论文用计算机模拟的方法研究了低速高电荷态离子在金属表面掠射的整 个运动过程。模拟中主要包括以下几个方面：入射离子所受的来自于固体的镜 像加速过程，入射离子与固体的电荷交换过程，靶原子的热振动和移位对入射 离子运动路径的影响以及入射离子的能损等方面。 本论文模拟的基本思想是在经典过垒模型下，采用蒙特卡罗方法( m o n t e c a r l o ) 来模拟入射离子与固体间电荷交换过程的随机性，并将入射离子连续的 运动过程离散化，在每一个步长中，将入射离子的运动近似看成是匀加速直线 运动。 本论文的主要意义在于它可以给出中空原子形成及变化过程的直观图像。 通过比较模拟得到的入射离子所获得的镜像能量随入射离子初始电荷态关系与 s t a i r c a s em o d e l 计算的结果以及和已有实验结果进行比较，我们发现，它们符合 的都比较好。另外，我们模拟也得到了入射离子的反散射率随其初始电荷态的 变化关系以及作用过程中入射离子的有效电荷与其到表面距离的变化关系等。 本论文主要分为三个部分：第一部分给出了低速高电荷态离子与固体作用 的历史背景及现状，第二部分为高电荷态离子与固体作用过程以及模拟过程的 理论描述，最后是我们的模拟结果及讨论。 a b s t r a c t s i n c eas l o wh i 曲a yc h a r g e di o n ( s h c i ) h a se x t r e m e l yh i g hc h a r g ea n dl o w v e l o c i t y , i t si n t e r a c t i o nw i t hs o l i ds u r f a c eh a sd i f f e r e n tc h a r a c t e rf r o mt h ei o n sw i t h l o wc h a r g e t h e r e f o r e ，w i t hd e v e l o p i n gt h et e c h n o l o g yp r o d u c i n gs h c i ，m o r ea n d m o r ea t t e n t i o nw a sf o c u s e do nt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ns h c ia n ds o l i ds u r f a c e t h i sa r t i c l ei sb e n d i n gi t s e l ft ot h ec o m p u t e rs i m u l a t i o no ft h ei n t e r a c t i o no f h i g h l yc h a r g e di o nw i t hm e t a ls u r f a c eu n d e rg r a z i n ga n g l e i nt h es i m u l a t i o n , w e m a i n l yc o n s i d e r i n g t h eb e l o wt h r e em a j o rp r o c e s s c $ ，i n c l u d i n gt h ei m a g e a c c e l e r a t i o no f h i g h l yc h a r g e di o n s ，t h ec h a r g ee x c h a n g ep r o c e s s e so f h i g h l yc h a r g e d i o n sw i t hs u r f a c e s ，t h et h e r m a lv i b r a t i o na n dd i s p l a c e m e n to ft a r g e ta t o ma n dt h e i r e f f e c to nt h ep r o j e c f i l e sp a t h ，t h ee n e r g yl o s so f t h ep r o j e c t i l ea n ds oo n t h em a i ni d e ao f t h es i m u l a t i o ni sa d o p t i n gm o n t ec a r l om e t h o da n dt h ec l a s s i c a l o v e rb a r r i e rm o d e lt os i m u l a t et h er a n d o m i c i t yo ft h ec h a r g ee x c h a n g ep r o c e s s e s b e t w e e np r o j e c t i l ea n dm e t a la n dt h ed i s p e r s i n go f p r o j e e t i l e sc o n t i n u u mm o v e m e n t i ne a c hs t e p ，t h em o v e m e n to f p r o j e c t i l ei sc o n s i d e r e dt oau n i f o r ma c c e l e r a t i o n t h el e a d i n gp o i mo f t h i sw o r ki st h a ti tc a ng i v et h ef o r m a t i o no f h o l l o wa t o ma n d i t si n t u i d o n i s t i cp i c t u r eo fi t sc h a n g e c o m p a r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l to fi m a g e e n e r g yg a i ni i lr e l a t i o nt ot h ei n i t i a lc h a r g es t a t eo ft h ep r o j e c t i l ea n dt h eo u t c o m eo f s t a i r c 船em o d e la n da l s ot h ee x p e r i m e n tr e s u l tu n d e rt h es a n l ec o n d i t i o n , w ef i n d t l l e ya l la c c o r dw i t he a c ho t h e rv e r yw e l l w ec a na l s og e tt h es a t i s f y i n gc o m p a r i s o n o fr e f l e c t i o nc o e f f i c i e n ti nr e l m i o nt ot h ei n i t i a lc h a r g es t a t eo fp r o j e c t i l ea n dt h e c h a n g eo fc h a r g es t a t eo fp r o j e c f i l e 、i t l li t sd i s t a n c ef r o mt h es o l i ds u r f a c ew i t ht h e o t h e ro u t c o m e t h i sa r t i c l ei sm a i n l yc o m p o s e do f t h r e es e c t i o n s o n ei sd e v o t e dt ot h es t a t u sq u o a n dt h eb a c k g r o u n do ft h ei n t e r a c t i o no fs l o wh i g h l yc h a r g e di o n sw i t l ls u r f a c e s ；t h e o t h e rp a r tc o n s i d e r st h et h e o r yd e s c r i p t i o no ft h ei n t e r a c t i o np r o c e s s ；t h ef i n a lp a r t w i l lp r e s e n to u rs i m u l a t i o nr e s u l t sa n di t sd i s c u s s i o n s 原刨性声明 本人郑重声明：本人所里交的学位论文，是在导师的指导下独立进行 研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、 数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成 果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：至塑盟日期：! 竺! ：! 兰：兰 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰 州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学 校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被 查阅和借阅：本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本 人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：至i j 亟导师签名：均! 型l 塾日期：! ! ! 查：! 点：i ! 第一章绪论 1 1 低速高电荷态离子与表面相互作用过程研究的意义 与高电荷态离子相关的物理是一种新的物理，它对基础科学和应用科学的 发展都有着很重要的作用【l 】。 对基础科学而言，高电荷态离子很直接的应用是检验人们对原子结构的认 识。人们开发新技术的过程中，往往要用到很多原子数据，其中绝大部分原子 数据并非来自实验值，而是来自于一些基准实验所得结果构建的理论导出的理 论值。但是，往往很多基准实验的基本物理参数都不处于极端条件，而利用高 电荷态离子，我们可以得到极端条件下( 极端高电荷或者极端电场) 的实验值， 通过与相应理论值的对比，可以帮助人们检验极端条件下的电动力学的正确性， 进一步增强人们对物质结构的认识【2 】。 另外，高电荷态离子还可以用于宇宙计时器( c o s m i cc h r o n o m e t e r s ) 用来 推算星系中核合成的寿命。近来两大x 射线天文台的观测结果开启了对外层空 问天体物理学研究的新纪元，在星系爆炸过程中，处于其中的高离化态物质发 出的x 射线谱正丰富着人们对原子物理学和有关高电荷态离子碰撞动力学的理 解，同时实验室中对高电荷态的研究也有助于人们理解其观测结果，并进一步 地理解星系的活动过程。在真空结构研究以及太阳耀斑研究领域，高电荷态离 子也正在扮演越来越重要的角色【”。 除了上述几个方面外，高电荷态离子在微电子学以及开发产生具有纳米结 构新技术方面也有很好的应用前景，其中包括用高电荷态离子溅射物质以改变 物质的某些特性 3 1 、离子印刷术f 4 】和用离子探测表面结构5 1 等方面。 另外，高电荷态离子在量子计算机【6 】、监控聚变等离子体内部条件变化【7 1 、 治疗癌症肿瘤嘲、产生d n a 碎片 9 1 等方面也有很重要的应用价值。在用飞行时 间一次级离子质谱仪( t o f - - s i m s ) 对从固体表面散射出来的正离子分析领域， 高电荷态离子已成为一种高分辨率的表面分析工具。对于探测高密度( 。1 0 9 a t o m s e r a z ) 的金属杂质，它具有特别高的灵敏性，其空间分辨率可达到纳米量 堡垄壹皇煎查塑主垄曼笪笪l ! ! ! ! 耍蔓塾堇墨堕盐蔓垫墼塑 级【1 0 】。 借助于对高电荷态离子与固体作用过程的研究，人们对自然界及宇宙的认 识也在不断的提高l 。过去人们一直认为日冕( s o l a rc o m n a ) 温度与太阳表面 的温度很近，约为6 0 0 0 度左右。后来，通过对f e 的高电荷态离子研究，人们 认识到日冕中的未知谱线并不是由地球上不存在的元素产生，而是f e 的1 2 价 正离子发出的谱线，由此人们推断，日冕的温度要比太阳表面的温度高出三个 数量级。 1 2 低速高电荷态离子与固体表面相互作用过程的研究背景及实验进展 在通常实验条件下，人们用物理和化学方法电离原子，所获得的都是低电 荷态离子，只能剥离掉原子最外层上的少量价电子。但是，在星球和宇宙，或 者在实验室高温等离子体中，不仅原子的价电子，其内部深层的电子也可以被 剥离。尤其是近年来低速高电荷态( s m c i ) 离子源( e b i t ( e l e c t r o n b e a m i o n t r a p ) 源、e c r i s ( e l e c t r o nc y c l o t r o nr e s o n a z l e ei o ns o u r c e ) 源、e b i s ( e l e c t r o nb e a mi o n s o u r c e ) 源等) 的出现，使得人们在实验中就可以得到高电荷态离子并对其进行 实验研究，这大大促进了低速高电荷态离子与固体作用过程研究的进程【1 2 1 。 高电荷态离子在多个维度上将对原子的研究推向了极端条件【1 】：首先，在 电荷态的维度上达到了极端；其次，由于高电荷态重离子的核电荷数z 很大， 从而可以产生很强的库仑场，比如类氢u 9 1 + 1 s 态产生的库仑场比氢原子1 s 态产 生的库仑场强度高6 个数量级，约为2 x1 0 1 6 v e m ，目前这是任何外场无法达到 的；另外，在核电荷数维数上达到极端，在高能重离子碰撞过程中，两个离子 可以靠的很近，形成一个瞬态的等效核电荷数极高的体系，这大大方便了人们 对高核电荷数领域的研究等等。 d e l a u n a y 等人【1 3 】通过研究离子轰击固体表面所激发出来的电子的产生机 理，开创了高电荷态粒子与表面相互作用过程研究的先河。后来，在前人研究 的基础上，n i e m a n n 等人( h 】研究了离子与铝表面的作用过程，s e h e n k e l 等人f 1 坷 研究了低速高电荷态离子与固体作用时的势能淀积过程，g i l l a s p y 等人【1 6 】探索 了高电荷态离子在印刷技术中的潜力。 现在，高电荷态离子与表面作用过程及其相关领域的研究已成为国际上广 4 堡墨壹皇煎查查王垄曼堡型l ! ! 1 2 耍垫盟堇里笪生墨! ! 堡型 受关注的热点研究领域之- - t ”，其研究已拓展到原子物理、固体物理、等离子 体物理等领域。 由于掠射条件下，入射离子与固体的作用时间可以很长，因此，对离子或 原予在固体表面掠射过程的研究已成为离子与表面作用过程研究的一个很重要 的分支。 其中，能量较高的离子在固体表面大角度掠射过程的实验研究开始于十九 世纪七十年代，当时研究的主要内容大致分为下面三个方面： 一：t h o m p s o n 等人【1 7 1 研究了能量为几个兆电子伏的离子与很薄的晶格膜作 用发生面沟道( “p l a n a rc h a n n e l i n g ”) 效应时，入射离子的路径以及能损等过程。 二：r a u 和s i z m a n n 等人【1 9 , 1 9 研究了1 5 0 千电子伏的d + 离子与表面作用过 程，并在通过研究出射自旋极化的电子给出表面磁性方面做出了很多有意义的 工作。 三：a n d r a 和b e r r y 等人t 2 0 2 1 】主要研究高能离子在表面掠射后，散射离子的 极化情况。对散射离子的轨道角动量空间各相异性分布的研究是产生自旋极化 的原子核束的基础，与高性能原子光谱学的应用息息相关。 低速高电荷态离子与固体表面作用过程的研究可以追溯到十九世纪五十年 代，h a g s 讯吼固对该过程的研究做出了很多有意义的工作，他认为实验中观测 到的总电子产额和它们的能量分布与入射离子跟固体的电荷交换过程( 共振中 性化和俄歇退激等过程) 有关，并给出了这些电荷交换过程的理论描述。后来， 他的这些理论被a r f f o v 等人】再次从实验和理论上给与证实。 近年来，高电荷态离子与固体作用过程的研究又取得了许多重大进展，文 献附研详细研究了离子与表面作用时的电荷交换过程研究，b u r g d o r f e r 等人网 建立了高电荷态离子与金属表面作用时，入射离子在表面上与固体作用的经典 过垒模型。x i a o 等人【2 8 1 研究发现了固体表面势对高电荷态离子引起的二次电子 发射的关联作用，另外，他们还发现，通过研究表面发射的电子能谱还可确定 离子径迹的温度等等。 n e i d h a r t 等人f 2 9 】用极低能量( 大于5 电子伏) 的h e + ，n e + 和a r + 离子轰击 氟化锂多晶时，发现有靶原子溅射出来，大约每个入射离子可以溅射出0 5 个 氟化锂分子。由于对金属来讲，如此低的能量不会产生靶原子的溅射，因此， 人们认为，极低能量下入射离子与绝缘体作用时溅射出的靶原子是由于入射离 堡垄塞皇笪查查王垄曼签笪l ! ! ! 迥塑盟堇星盟盐苎垫塾垫 子从绝缘体表面俘获电子后，由于绝缘体的电导率比较小，失去的电子不能及 时补充而形成电子缺陷引起的。低速高电荷态离子与碱金属卤化物的作用时， 人们发现溅射出的二次离子产额会随着入射离子初始电荷态的增加而迅速增加 口o 】。如果入射的束流强度一定，随着入射离子电荷态的增加，可以在表面刻蚀 出更大的结构。依据上述发现，b i t e n s k i i 等人提出了低速高电荷态离子与绝缘 体作用的“库仑爆炸”模型【3 l 】。 文献 3 2 - 3 5 1 详细研究了离子与固体作用时的动力学过程，包括离子与固体作 用时x 射线的研究，发射电子能谱的研究，出射离子的能损和电荷态的研究等 方面。随着研究地不断深入，一般认为【3 6 _ 3 7 1 ，低速高电荷态离子与金属表面作 用时，在距离表面较远时就可以从表面共振俘获大量电子并形成中空原子。“中 空原子”是1 9 9 0 年b r i a n d 等人【3 8 】研究能量为3 4 0 k e y 的舡1 7 + 离子与银表面作 用发出的能量较低的x 射线( 又称软x 射线) 时首次提出的。中空原子不同于 一般原子，它的绝大多数外壳层电子都占据主量子数n 很高的能级，而内壳层 上基本上是空的。后来的实验研究【3 9 】告诉人们。上述实验中观测到的x 射线主 要是由于表面附近和表面以下中空原子的退激过程产生的。 文献【摊删详细研究了高电荷态离子与固体作用过程中发射的电子和x 射 线，由它们的结果我们知道，被靶物质散射出来的粒子中中性原子的比例超过 百分之九十，并且该比例基本上不依赖于入射离子的电荷态。只有当初始时入 射离子l 壳层有空穴时，我们才可以观测到散射出来的粒子中带电离子比例会 略有上升，大约是其它初始条件都相同，只有l 壳层没有空穴条件下的两倍 4 5 j 。 另外，由上述实验可以推知【4 5 1 ，入射离子在被靶散射之前就已经完全中性化了， 并且入射离子在靶表面以上的中性化过程对入射离子内壳层空穴填充贡献比较 小，出射离子的完全中性化是由于固体表面附近大约2 埃米的范围内，固体表 面上准自由电子气的强屏蔽作用和准共振电子俘获过程( 即“s i d ef e e d i n g ”) 造 成的。 文献【4 6 】研究了低能高电荷态离子在表面上大角度入射时的能损，研究表明 此时入射离子与靶物质主要发生弹性碰撞过程，其中非弹性过程( 比如电荷交 换过程，表面等离子体的激发和入射离子的激发等) 基本上可以忽略。而对于 离子在表面上的掠射过程【1 4 7 1 ，由于入射离子距离表面很远时就可以跟很多靶 原子作用，此时，其能损表现为一系列小角度偏转的叠加，其弹性能损会大大 6 堡婆塞皇煎查查王垄曼堡型f ! ! 1 2 亘垫塑堇里盟盐蔓垫堡型 降低，从而入射离子与靶物质发生的各种非弹性过程就突显出来。并且通过对 氩离子在石墨表面掠射时的能损研究 4 t j ，我们可知，当采用有效入射角度考虑 能损时，可以认为，散射离子的能损基本上不依赖于入射离子的初始电荷态， 如图1 1 所示。 董 i 呈 詈 山 i m p a c ta n g l ea ( d e g ) i m a g ea d j u s t e di m p a c ta n g l e 口( d e g ) 图1 1a r 2 1 h 离子在石墨上掠射时， ( a ) 离子的能损与入射角岱的关系( b ) a r 离子的能损与有效入射角的关系， 图中的各种线代表各种模型下的理论计算值 设入射离子的初始能量为e ，入射角度为口，则有效入射角度( i m a g e - - a d j u s t e di m p a c ta n g l e ) 卢的定义【4 7 】为 董一唆s1毒由亡 堑蕉壹皇煎查塑王垄曼笪些! ! 1 2 亘垫塾堇墨盟盐墨垫基型 e s i n 2 ( ) = e s i n 2 ( 口) + 乓”， ( 1 - 1 ) 瓦。为入射离子与其镜像电荷作用获得的镜像能，其大小与出射离子的电荷态 有关。由此我们可知，入射离子在被散射前就已经中性化了。入射角相同时， 出射离子能损随入射离子电荷态的增大会增加，这主要是因为，电荷态的增加 使得入射离子获得的镜像能增加，从而使入射离子的有效入射角增大，导致其 弹性能损增加。 目前，对入射离子与固体作用获得镜像能的测量主要有两种方式： ( 一) ：通过探测出射粒子中，中性原子的角分布可以得知入射离子获得镜 像能的信息【4 扪。图1 - 2 给出了入射离子在金属表面掠射时的示意图。 图1 2x e o 和屉- + 离子在金属表面上散射时的示意图 由于带电离子与固体作用过程中，会受到其镜像电荷的吸引作用，使得带 电离子垂直于表面方向的能量增加，从而增大了入射离子的有效入射角，设o ： 为考虑镜像能以后入射离子的有效入射角，若入射离子离开表面时就已经变为 中性，则由镜面反射条件，我们可知 中p = 中h + m ：，中，= 2 0 h 。 ( 1 - 2 ) 设入射离子的能量为e ，则入射离子在该过程中获得的镜像能为m 】 = e ( s i n 2 0 ：- s i n 2 m h ) = e ( s i n 2 ( o ：”一o ，2 ) - s i n 2 ( 中，2 ) ) ( 1 - 3 ) ( 二) ：文献【4 9 ，5 川通过研究高电荷态离子与固体作用中发射的总电子产额随 入射离子初始速度的关系也可以给出入射离子获得的镜像能。如图1 3 所示。 用该方法获悉镜像能的思想【5 1 1 是，过程中溅射出来的电子产额取决于入射离子 第一次从固体共振俘获电子开始到其到达表面两者之间的时间长短，该时间越 堡婆壹皇煎查塑王垄曼签笪l ! ! 1 2 雪蔓塾塾基盟盐基垫墼塑 长时，由于电荷交换过程的时间会增长，我们将可以观测到更多的电子产额。 由图1 3 可知，随着速度的减小，入射离子与固体的电子产额是先线性增加， 然后达到饱和，饱和后仍可以观测到随着速度的减小其产额仍有增加的趋势。 开始时随着速度的减小，其电子产额的线性增加是由于此时获得的镜像能与其 动能相比可以忽略，而动能越小会导致入射离子与固体的作用时间增长，故可 以观测到更多的电子产额。当速度减小到一定程度后，入射离子获得的镜像能 会突显出来，因此我们将看到随着速度的进一步减小，电子产额的增加将变得 不明显。 言 量 卜 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5 0 ：扯脚。7 0 0 e v： j ，1 1 t h 7 1 + 一a u ： ：f ： ： o123 4 ( 1 一s m ) 图1 3t h 7 1 + 离子垂直于金表面入射时，测到的总电子产额与入射离子速度的 关系 1 , 3 低速高电荷态离子与表面作用过程的理论进展 在过去的几十年中，人们对高电荷态离子与表面作用过程进行了大量的实 验研究和理论研究【2 t5 2 ，现在，人们普遍认为，对于低速高电荷态离子在金 属表面上的运动过程，即与金属近距离作用( 入射离子受到固体表面附近电子 云的强屏蔽作用) 之前的作用过程，可以由经典过垒模型( c o b m ) 2 7 ，5 5 1 来描 述。该模型可以给出金属在表面上运动时发生的很多重要物理现象 】，包括 电子俘获、电子发射、电子的再俘获( 即入射离子已经俘获的电子又被固体俘 9 堡婆童皇煎查塑王垄曼笪笪i ! ! 1 2 亘垫塾堇堡盟盐蔓垫堡壑 获) 和镜像能的获得等过程。 图1 4 比较了高电荷态离子与金表面作用获得的镜像能实验值与同条件下 经典过垒模型( c o b m ) 给出的理论值【57 1 ，由图可知，两者符合地很好。图l - 4 中的实线代表阶梯模型【5 7 】的模拟结果( s t a i r c a s em o d e l ) ，阶梯模型是经典过垒 模型的一种简单近似，认为当入射离子到达某些距离时( 该距离下，入射离子 与固体的作用势垒低于费米面，其作用势垒的大小与入射离子的电荷态及其到 表面的距离有关) ，入射离子会立即从固体表面俘获电子，并降低一个单位电荷， 电荷态的降低导致入射离子与固体的作用势垒又高于费米面。随着距离的进一 步减小，势垒又有所下降，当降到能再一次共振俘获电子时，入射离子的电荷 态又降低一个单位电荷，如此类推，直到入射离子变为中性。图1 4 中的虚线 点代表经典极限值【5 l 】( c l a s s i c a ll o w e r l i m i t ) ，其理论基础为，当入射离子第一次 到达经典过垒模型给出的开始共振俘获电子的位置时，入射离子会立即中性化， 由此得出的入射离子获得的镜像能约为阶梯模型【5 7 】给出值的四分之三。 z q + - a u i n h l a lc h a r g es t a t eq 图1 - 4 高电荷态离子与金作用获得的镜像能实验值( 空心圆圈来自文献【4 吼，实 心圆圈来自文献【4 9 】，菱形点来自文献删) 与经典过垒模型的理论值【5 刀和经典极 限值【5 1 1 的比较 1 0 堡堡直皇煎查基兰垄曼笠笪【! ! 1 2 耍蔓壁堇墨盟盐差垫堡垫 上述经典过垒模型( c o b m ) 的核心思想是，当入射离子与固体的作用势 垒等于或低于固体的费米面时，入射离子才可以从固体表面共振俘获电子。事 实上，当入射离子与固体的作用势垒高于费米面时，入射离子也可以从固体俘 获电子，量子力学可以给出发生该过程的几率，但是由于它的发生概率比起经 典力学允许的电子俘获概率要小很多，因此，一般认为可以忽略作用势垒高于 费米面时的电子“隧道”俘获( “s u b b a r r i e r c a p t u r e ”) 过程跚。 通过对入射离子与固体作用总的电子溅射产额研究【5 9 ，删、出射电子统计分 布研列6 1 侧、能量较高( 大于5 0 电子伏) 俄歇电子谱研究6 4 南7 1 以及对被表面散 射出去粒子的研究【6 8 ，6 9 】和对能量较低的x 射线 7 0 , 7 1 ( s o f 【xr a y e m i s s i o n ) 研究， 我们可以给出高电荷态离子与表面作用过程的图像为【4 9 】：当高电荷态离子向表 面运动时，它受到自身镜像电荷的作用会向表面加速运动，同时，它还会从表 面俘获大量电子。 设入射离子带电荷为q ，金属的溢出功为w ( 单位& u ) ，如无特殊说明， 本论文下面所涉及的物理量都采用原子单位( 扎u ) 。则根据经典过垒模型1 2 7 1 可 ， 、l ，2 知，当入射离子到达表面的距离为足( * ! 兰兰 ) 时，入射离子与固体的作用 势垒开始低于固体的费米面，此时入射离子开始从固体表面共振俘获电子，由 于能级匹配，俘获的电子占据离子的高激发态，入射离子的电荷态降低一个单 位，由于电荷态的降低使得两者之间的作用势垒再次升高。随着到表面距离的 接近，两者之间的作用势垒又开始下降，当第一次降到固体的费米面时，入射 离子又可以从固体表面共振俘获电子。对于入射离子在表面上的电子俘获过程 可以依上类推。随着入射离子俘获电子的增多，由于已经俘获的电子对入射离 子的电荷屏蔽( s s ( s c r e e n i n gs l l i f i ) ) 作用，以及入射离子镜像电荷的作用( i s ( i m a g es h 谂) ) ，导致随着离子到表面距离的减小，其电子能级会升高。入射离 子的电子能级提升可以有两方面的影响：其一，使得入射离子共振俘获的电子 占据越来越低的能级；其二，对入射离子已经俘获的电子，当其能级被提升到 费米面以上时，入射离子可能会失去该电子又被固体获得，或者高于真空能级 时，变成空间中的自由电子。同时，随着俘获电子的增多，还可以发生俄歇退 激、与靶原子摩擦碰撞损失电子( p e e l i n go f f ) 等失去电子的过程。如图1 - 5 所 示。 图1 - s 当高电荷态离子“距离金表面距离为1 8 a _ u _ 时，两者之间的作用势垒 图1 - 5 中的虚线点代表入射离子与固体的作用势垒，图中的实线代表入射 离子的电子能级随距离的变化情况。由图可知，随着距离的减小，入射离子的 电子能级会上升。图1 5 最下面的箭头代表入射离子的前进方向，r i 代表共振 失去电子过程，r n 代表共振俘获电子过程，图中i s s s 代表由于已经俘获电子 的电荷屏蔽作用和入射离子镜像荷作用对入射离子能级提升造成的电子失去过 程，p o 代表入射离子与靶原子摩擦碰撞失去电子过程，a i 代表入射离子的自 电离过程，d c 为经典过垒模型鲫给出的n “从金表面共振俘获电子的临界距离。 上述复杂的电荷交换过程将导致随着入射离子到表面距离的减小。其外层电子 排布向能级n 减小的方向推移，并形成寿命极端的中空原子【弼( 即所谓的第一 代中空原子) 。 由于表面上上述退激过程都比较慢，使得入射离子到达表面时还不能退到 基态，入射离子处于高激发态上的电子将通过与固体靶原子摩擦碰撞过程失去， 并再次形成又一个比较紧致的中空原子f “。该中空原子会通过俄歇跃迁和辐射 跃迁等过程退激【”，因此实验上通过测量观测到的俄歇电子谱和x 射线谱，可 以得知固体内部高电荷态离子与固体作用过程的信息”5 ，7 “。图1 6 给出了上述 高电荷态离子与固体作用过程的示意图。 图1 6 高电荷态离子与固体表面作用形成中空原子的示意图 参考文献： 【l 】j d g i l l a s p y , j p h y s b ：a lm 0 1 o p t p h y s 3 4 ( 2 0 0 1 ) r 9 3 - r 1 3 0 【2 i m a t t i n s o n , l j c u r t i s ，c o n t e m p p h y s 3 0 ( 1 9 8 9 ) 1 7 3 1 8 5 【3 】t n h o r s k y , r e x , s c i i n s t r u m 6 9 ( 1 9 9 8 ) 1 6 8 8 - 1 6 9 0 【4 】rk a e s m a i e r , h l o s c h n e r , 5 3 ( 2 0 0 0 ) 3 7 - 4 5 【5 】ts c h e n k e l ，m wn e w m a n e ta 1 ，n u c l i n s l z u m m e t h o d sb1 6 1 ( 2 0 0 0 ) 6 5 - 7 5 【6 】l g r u b e r , j eh o l d e re ta 1 ，p h y s r e v l e t t 8 6 ( 2 0 0 1 ) 6 3 6 - 6 3 9 【7 j vp o r t o ，i k i n ke ta 1 ，p h y s r e v a6 1 5 0 ( 2 0 0 0 ) 4 5 0 1 8 1 m s c h o l z , n u c l i n s l r u m m e t h o d sb1 6 1 ( 2 0 0 0 ) 7 6 - 8 2 【9 j g i l l a s p y , t r a p p i n gh i g l l l yc h a r g e di o n s ：f u n d a m e n t a l sa n da p p l i c a t i o n s ，n o v as c i e n c e ， 2 0 0 1 【1 0 】张小安，肖国青，原子核物理评论，1 90 ) ( 2 0 0 1 ) 3 4 2 【1 1 j p b r i a n d , gg a r d i o ne ta 1 ，r e v i e wo f s c i e n t i f i c e n t s ，7 1 ( 2 0 0 0 ) 6 2 7 【1 2 a a r n a l g ，e a u m a y r e ta 1 ，s u r f s c i r e p 2 7 0 9 9 7 ) 1 1 3 ，a n d r e f e r e n c e s t h e r e i n 【1 3 m d e l a u n a y , p h y s r o y b3 5 ( 1 9 8 7 ) 4 2 3 2 【1 4 d n i e m a n n , p h y s r e v l e t l8 00 9 9 8 ) 3 3 2 8 【1 5 i t s e h e n k e l ，p h y s r e v l e f t8 3 ( 1 9 9 9 ) 4 2 7 3 【1 6 1 j d g i l l a s p y , j v a c s c i t e c h n 0 1 m 6 ( 6 ) ( 1 9 9 8 ) 3 2 9 4 【1 7 m w t h o m p s o n ，i n ：d vm o r g a n ( e d ) ，c h a n n e l i n g , w i l e y , l o n d o n , p 1 ( 1 9 7 3 ) 【1 8 c r a u , r s i z m a n n , p h y s l e t t4 3 a ( 1 9 7 3 ) 3 1 7 1 3 【1 9 c r a u , a p p l p h y s a4 9 ( 1 9 8 9 ) 5 7 9 【2 0 h j a n d r a , p h y s l e t t 5 4 a ( 1 9 7 5 ) 3 1 5 【2 1 h gb e r r y , r e p p i n g p h y s 4 0 ( 1 9 7 7 ) 1 5 6 【2 2 h d h a g s 圩哪，p h y s r e v 9 6 ( 1 9 5 4 ) 3 2 5 2 3 u a a i f o v , e d i n t e r a c t i o no f a t o m i cp a r t i c l e sw i t has o l i ds u r f a c e , ( c o n s u l t a n t sb u r e a u ， p l e n u m , n e w y o r k , 1 9 7 1 ) 2 4 h d h a g s t m r a ，p h y s r e v 9 6 ( 1 9 5 4 ) 3 3 6 【2 5 】m s c h u l z ，p b y s r e v a4 4 ( 1 9 9 1 ) 1 6 5 3 【2 6 1 lk o h r b m c k , n u c l i n s t m m m e t h o d sb5 6 ，5 7 ( 1 9 9 1 ) 2 1 9 【2 7 j b u r g d o r f e r , p 1 2 m c rc ta 1 ，p h y s r e v a4 4 ( 1 9 9 1 ) 5 6 7 4 【2 8 x i a ogp h y s r e v k t l ，7 9 ( 1 9 9 7 ) 1 8 2 1 【2 9 i t n e i d h a r t , p h y s r e v l c t t7 4 ( 1 9 9 5 ) 5 2 8 0 ，a n dr e f e r e n c e st h e r e i n 【3 0 s r a d z h a b o v , 1 lr a k h i m o ve ta 1 ，s e t f 也4 0 ( 1 9 7 6 ) 2 5 4 3 【3 1 i s b i t e m k i i ，m n m u r a k h m e t o v , s o y p h y s t e c h p h y s 2 4 ( 1 9 7 9 ) 6 1 8 ；i s b i t e n s k i ia n d e s p a r i l i s j p h y s c2 ( 1 9 8 9 ) 2 2 7 【3 2 y y a f a a z a k i ，i n t j m a s ss p e e t r o m 1 9 2 ( 1 9 9 9 ) 4 3 7 【3 3 h j a n d r ee ta 1 ，i ne l e c t r o n i ca n da t o m i cc o l l i s i o n s ，e d i t e db yw _ 凡m a cg i l l i v r a y , i o p c o n f e a e n c ep r o c e e d i n g s o n s t i m t eo f p h y s i c s , b r i s t o l ，1 9 9 2 ) p 8 9 【3 4 】p r o n c i ne ta 1 ，p h y s r e v l e t l 8 3 ( 1 9 9 9 ) 8 6 4 【3 5 c l e m e l le ta 1 ，p h y s r e v l e t t 8 1 ( 1 9 9 8 ) 1 9 6 5 【3 6 k t o k e s ie ta 1 ，p h y s r e v a6 1 ( 2 0 0 0 ) 0 2 0 9 0 1 【3 7 】n s t o l t e f f o h te ta 1 ，p h y s r e v a6 1 ( 2 0 0 0 ) 0 5 2 9 0 2 ；p h y s r e v l e t t 8 8 ( 2 0 0 2 ) 1 3 3 2 0 1 【3 8 j p b r i a n d , l d eb i l l ye ta l ，p h y s r e x , l e t l6 5 ( 1 9 9 0 ) 1 5 9 【3 9 】f w m e y e r , s h o v e r b u r ye ta 1 ，p h y s r e x , l e t t 6 7 ( 1 9 9 1 ) 7 2 3 【4 0 】s t d ez w a r t , t f r i e de ta l jp b y s b1 8 ( 1 9 8 5 ) l 6 2 3 【4 1 l f o l k e r t s ，s s c h i p p e r sc ta 1 ，p h y s r e v l e t l7 4 ( 1 9 9 5 ) 2 2 0 4 【4 2 ewm e y e r ，l f o l k e r se ta 1 ，n u c l 1 m t n l m m e t h o d sp h y s r e s s e c t b1 0 0 ( 1 9 9 5 ) 3 6 6 4 3 q y a h , d m z e h n e re ta 1 ，p h y s r e v a5 4 ( 1 9 9 6 ) 6 4 1 4 4 】s w i n e c k i ，c l c o e k ee ta 1 ，p h y s r e x , a5 3 ( 1 9 9 6 ) 4 2 2 8 4 5 w e i - p i n gh u a n g , p h d t h e s i s ，s t o c k h o l mu n i v e r s i t ys w e d e n ，( 1 9 9 9p u b l i s h e d ) 4 6 h n i e h u s ，w h e i l a n d 吼a 1 ，s u r f s c i r e p 1 7 ( 1 9 9 3 ) 2 1 3 4 7