离子与Pd表面散射中性化实验

离子与Pd表面散射中性化实验载能离子与固体表面的相互作用关系使得人们对微观层面有所认识和了解，本次实验主要研究载能Li+ 离子与金属Pd表面相互作用测量其中性化份额并总结其规律。本文共分为五部分来介绍：第一部分介绍载能 离子与固体相互作用的背景、相关研究进展以及应用；第二部分介绍实验所需的主要理论依据和模型；第三部分介绍实验仪器的组成以及每个实验仪器的用途，并且对样品的原位清洁处理做了详细介绍；第四部分为实验数据获取部分，大致描述了实验规律；第五部分主要对整个实验做了一个初步的总结。 载能离子与固体材料相互作用的研究一直是人们关注的焦点。载能离子在固体表面散射及相关问题的研究更是此类研究的热点，并由此发现并解决一些重要的理论问题，此外相关研究对现实中的一些实际应用起了很好的推动作用，例如离子束表面改性、表面结构分析、原子溅射沉积薄膜等等。近些年来，加速器技术的飞速发展，已经使得分子离子和大离子团的产生成为可能，为研究不同种类的离子及离子团与固体材料的相互作用过程提供了有利条件。当带电荷的离子掠射固体表面时，发生相互作用。首先固体表面电子受其扰动产生感应电场，吸引离子接近固体表面，此外，离子还要受到表面原子库仑力的排斥作用。因此研究固体表面感应电势以及离子的运动轨迹、能量损失以及中和比例是带电粒子与固体表面相互作用的重要课题之一。 Ritchie等人和Wagner在1966年提出的镜像反射模型(SRM)对研究表面感应电势和原子离子的阻止本领有着不可替代的重要意义。当离子平行于固体的表面飞行时，Nunez等人利用了三种近似形式的介电函数来描述有阻尼集体激发和单粒子激发对能量损失的影响；Echenique又讨论了不同入射速度情况下离子与固体表面的相互作用，描述了电子感应密度、感应电势、阻止力的结果。以上便是载能离子与固体材料相互作用及其相关研究的主要理论依据。 本文主要研究能量变化在15keV的Li+离子，在25度角入射的情况下，与Pd表面电子相互作用发生中性化的过程。通过实验探究，得出实验结果，进而分析数据，并找出其规律。第2章 离子与物质的相互作用 研究离子和物质的相互作用，在许多方面，如原子和原子核物理、固体物理、核辐射探测和防护、核技术应用等许多领域中，有重要的意义。许多物理现象的分析、解释，以及在许多有关方面的实际应用、研究工作中实验方案和方法的确定，都需要以离子与物质的相互作用为基础。深入分析离子与物质的相互作用对分析核物理理论以及实验测量结果和在实际中的应用（如重离子致癌等）是有重要意义的。离子与物质的相互作用中离子表面相互作用又是一个重点领域。它是一个动力学，多体过程，他集中研究表面以上轨迹的演化，入射离子与表面的电荷交换。弹性过程一般用两体碰撞模型进行描述。对于非弹性碰撞，入射离子与靶电子的激发导致光子，X-ray和二次电子的发射。在离子与物体表面掠射散射实验中，电子能损是主要机制，核能损几乎可以忽略，但在大角度散射实验中，核能损就变得非常重要。2.1 两体碰撞模型 顾名思义，两体碰撞就是两个物体直接相互作用。特点是，相碰的物体接触的时间很短，接触时的相互作用比较强烈，且接触前后并无其他相互作用。因此，在接触的过程中一般可以忽略外力的作用，认为系统总动量是守恒的。碰撞前后系统的质心速度不变，改变的只是两物体的相对动能。为了能够直观的去描述和计算，低能离子散射常用此模型经模型进行处理，从而使得问题能够简单化，具体化，也因此许多问题得到了很好的模拟与解释。模型化处理一般采用的是实验室参考系。在实验室参考系中，入射离子和靶的速度为和，能量为和。散射角和反冲角分别为和。有其中和分别是入射离子与靶的质量。 如果，最大的是 这意味着入射离子具有一个最大的散射角. 如果，发生背散射，可以在到的范围内探测到散射离子，是背散射的运动学因子。两体碰撞可以说是表面峰对应离子和靶表面原子的单次碰撞。下图展示了运动学因子，图1 不同入射离子的弹性碰撞的运动学因子2.2 沟道效应沟道效应是带电粒子到单晶中的一种特殊现象。当带电粒子以一个小的角度射入单晶中的一行行原子时，如果粒子轨迹被限在原子的行和面之间，可使粒子射程比随机方向射入时有明显的增加，即具有异常的穿透作用。而当入射角减小到某个临界值时，相邻原子的静电场也会扰动入射的离子，影响其轨迹，导致了影区的重叠。当入射角减小到0时，相邻的原子将不会暴露给入射离子。掠射角的离子表面散射就发生在这个区域，叫做平面沟道散射。Lindhand是研究沟道效应的先驱。对于平面沟道的情况，采用表面平面相互作用势来描述，它是由表面原子的周期势构成.对于轴沟道的情况，相互作用势由表面轴上一组原子的周期势构成。对于平面沟道的情况,对于轴沟道的情况，考虑到，我们可以估算平面沟道和轴沟道时的临界角.根据Lindhard的理论，热振动是主要的退沟道机制。由于最接近距离，是屏蔽长度a的量级。所以我们得到的临界角是，对于平面沟道，对于轴沟道， 在平面沟道的情况下，任意的方位角方向，即高的弥勒指数方向，入射离子在表面镜面散射。它经典轨迹才民容易确定。另一方面，轴向沟道发生在低弥勒指数的方向，散射离子的轨迹会有显著的分布，同时会影响入射离子的中性化份额和阻止本领。2.3 离子-表面相互作用的电荷交换过程自由电子气是借用理想气体模型描述费米子系统性质的量子力学模型。该模型中，粒子所处的量子态可用它们具有的动量来表征。对于周期性系统，譬如在金属原子点阵中运动的电子，亦可类似地引入“准动量”的概念以表征量子态。无论上述哪种模型，其具有费米能的量子态都处于动量空间中的一个确定的曲面上，这个曲面称为费米面。自由电子气的费米面是一个球面；周期体系中的费米面则通常是扭曲面。零度的费米分布函数是，量是化学势 具有波矢的轨道电子能量是， 对于一个有个电子的体系，处于基态意味着所有的电子占据着最低的能态，因此所有占据的电子态都在半径为的球内。这个球的表面能就叫做费米能。其中费米能。体系中的价电子数目决定了费米能和费米波失（动量）。因在半径为球内的轨道总数为，此外给定和电子，它具有两个自旋态，因此有， 我们得到的费米能为，以及费米速度为，我们假定在金属内部电子是自由的，通过局域势相互作用，晶体内均匀的势在表面处有一个很陡的边界。这个半无限势场在jellium边界处有一个势的台阶。而这个台阶到表面原子的距离是顶层原子晶格常数的一半。2.4 像电荷相互作用在经典的静电理论中，原子能级的移动量的一阶近似是， 对原子（Z=1）和离子（Z2）来说，这个移动量是正值，对于负离子（Z0），这个量是负值。这个关系告诉我们一般的特点就是，当一个原子或者分子接近金属表面的时候，电子的亲和能增加，而电离能减小。在一定距离的时候，电离能会和费米能级交叉，这样又使得共振跃迁成为可能。如下图图2 原子在金属面前的像电荷相互作用的示意图图3 对原子-表面碰挂的位置依赖的电离能I(R)和亲和能A(R)。和分别是金属的费米能和功函,是像平面的位置 共振跃迁是单电子跃迁过程，主要有两种过程：共振中性化和共振电离，此外还有准共振中性化过程。2.4.1 共振跃迁共振跃迁单电子跃迁过程，包括两种：共振中性化，入射离子从靶上俘获电子而中性化；电离共振，入射离子丢失电子到靶上而被电离。此外还有准共振化过程，靶电子通过隧道穿过势垒跑到入射离子上。在相互作用初期，遂穿过程几乎可以忽略。根据费米黄金定则，一阶近似可以得到跃迁率，即电子在距离表面为z处，在入射离子和表面之间的跃迁概率 是最终密度，揭示了入射离子的终态和靶初态的耦合矩阵元， 这里的操作算符是入射离子的库伦势，电子离核距离为r。因为终态和初的波函数是随距离z的增加而减小，所以在大距离z时也指数的变化，其中是z=0时的最大值，因子是耦合矩阵元的衰减长度的倒数。图4 当入射离子接近金属表面时的共振跃迁的草图 也就是说，当原子力表面很远的时候，它具有离散的能级，但当它接近表面时，原子和金属电子态的相互作用就会展宽原子的能级，而且由于像势作用，原子的电离能级将会上移，而亲和能级会下降。如果入射离子进一步接近靶表面，电离能级会移到表面的费米能及以下，这样展宽的原子能级电子态会和表面的满带的电子态共振。2.4.2 Auger跃迁Auger电子跃迁是双电子过程。如图3，俄歇中性化是指导带的一个电子跃迁到入射离子上，而另一个电子被激发到真空级或者是激子。Auger俄歇退激是指导带的一个电子被俘获到入射离子的亚稳态，然后退激到基态的时候伴随着发射入射离子的另一个电子。图5 俄歇电子过程草图：a，俄歇中性化 b，俄歇退激 当离子掠射入射的情况下，主要通过俄歇中性化机制发生中性化。在方位角为0和90方向上，离子份额有两个谷，主要是由于在表面散射的不同离子轨迹。在0方向上，中性粒子主要是入射离子经历表面沟道效应产生，只有一小部分中性粒子是由表面原子散射而产生。然而所有的离子是由在表面原子散射的人幸存下来。第三章 实验仪器本实验仪器主要由靶室、离子源、高压系统以及数据获取系统组成。离子源为Li+离子源。靶室为一真空室，里面装有离子源、Ar+ 枪、电子枪和样品装载装置以及一个四维操纵杆。Ar+ 枪、电子枪用于对样品的溅射和退火以达到清洁的目的，操纵杆可以控制离子与靶样品表面的掠射角度。位置灵敏探测器用于探测中和以及未中和的离子的数目。高压系统可提供上千伏特的高压给离子电子提供能量。接下来将对仪器做详细的介绍。3.1 靶室 3.1.1 真空系统 超高真空是指10-6到10-12Pa的真空。因为研究物体表面的性质，需要保持样品的清洁。如过暴露在空气中，很快就会吸附一层空气膜和其他杂质分子原子以及离子等，这对实验来说是绝对不允许的。故实验必须在超高真空中进行。实验中获得超高真空是使用机械泵作为前级泵，分子泵作为主泵，经过烘烤靶室从而获得超高真空。实验中通过分子泵抽气，一天后可达到2*10-6Pa，然后烘烤至120度，并对灯丝进行出气。再经过一周抽气，真空可达2*10-7Pa。能够达到实验的要求。 3.1.2离子源 离子源是由一个圆筒形的放电室(阳极)和装在里面的钨灯丝(阴极)，Wien Filter和聚焦系统构成。工作气体进入毛绒管后导入电离室，为维持稳定的放电，就要确保气压的足够和稳定。由于圆筒形的放电室内部需要接入高压，必须安装漏阀以达到和供气罐的绝缘。从灯丝发射出的热电子经过加速到达阳极，在此过程中获得足够的动能来电离工作介质。电离后的离子通过阳极板上的小孔引出。引出离子束的能量可以通过引出极和阳极之间的电压来控制。引出极接地，阳极上的电压的极性决定了要引出的是正离子束的还是负离子束。 离子源运行时间的长短取决于灯丝的寿命和工作气体。一些气体会对离子源造成污染从而导致放电不稳定，尤其是含碳的气体，比如 ，等。当离子源采用这些气体时，离子源内所有的金属表面会覆盖一定量的碳，不得不定期拆掉离子源清洁。 放电离子源产生的离子一般具有不同的荷质比，为了选择需要的离子种类，就必须要运用质量选择器。其中 Wien Filte是一个非常简单的速度选择器。在 Wienfilter里，电场和磁场相互垂直.通过调整电场强度，我们感兴趣的具有特定的速度离子，就可以直接通过WicnFilter，而其它的离子都会被抑制住。 3.1.3 Ar+ 枪、电子枪 由于本次试验是重复性试验，每次实验后靶样品表面都会残留上次实验留下的离子和杂质，会对之后的实验造成很大的影响。所以，每次实验后都要对样品进行清洁处理。Ar+ 枪、电子枪就担任了此角色。 通过漏阀将惰性气体Ar引入溅射离子枪，用加速后的由直径0.2mm钨丝加热产生的热电子电离气体。然后将产生的离子引出、加速并聚焦。经过聚焦后的束流直接打到样品上 。 由于溅射后样品表面不平整，需要退火。实验采用电子轰击加热的方法来实现高温退火处理的。下图是退火时的数据及其图像处理电压/V000.030.090.180.290.440.660.92电流/A0.50.70.91.11.21.31.61.92.1温度/202020202325273035电压/V1.051.281.652.052.462.772.983.143.37电流/A2.22.42.62.83.03.23.43.63.8温度/476084120169201242274305电压/V3.553.804.014.204.434.634.804.974.99电流/A4.04.34.54.74.95.15.35.45.5温度/327349366387406418430442449表1 退火实验数据记录图6 退火数据处理图像 由图可知，本实验自主设计的退火装置退火温度最终稳定在440摄氏度左右，足以达到样品二次清洁和表面平整的作用。样品搭载装置以及操纵杆 样品搭载装置，即靶架，主要由灯丝、阳极、测温系统、高压系统、靶固定架装置组成。为得到较好的加热效果，灯丝中心应与靶中心位置对齐。而且灯丝工作时本身具有热辐射，所以灯丝距阳极越近效果越好。灯丝距阳极越近，加热效果越好；灯丝距阳极越近，高压越低。因此灯丝距阳极的距离应根据实验中使用的高压以及绝缘效果来综合考虑。实验中会用到高压给电子加速。灯丝与阳极之间就具有很高的电压，因此需要好的绝缘材料，如陶瓷，在靶架设计中就需要设计其大小和形状。真空条件下击穿电压大约为10kV/cm，因此灯丝与阳极的距离就决定了高压的最大值。离靶越近，温度越高，因此接线柱应远离靶。对靠近的高温导线可以采用陶瓷套住裸线的方法。高压导线的耐压性决定了高压的大小，因此要使用满足实验条件的耐压导线。实验中，阳极与靶都是导电材料，如果给阳极接正高压，在测量靶上的各种数据时就需要耐高压的仪器，测量不方便。而给灯丝接负高压，则只需一个耐高压的灯丝电源，此时阳极为低电位，适合测量数据。所以我们选择给灯丝接负高压。灯丝材料我们选用钨丝，钨丝是常用的发光发热耐高温的材料，同时也是一种常用的热电子发射材料。阳极材料选用钽，钽耐高温性很强，导热性好。测量温度用K型热偶。其最佳位置是固定在靶中心，但实际无法做到。只能固定在阳极边缘，缺点是测量温度不够准确。当温度为500度时，低估50度左右。3.2 数据获取系统 如下图所示，图7 数据获取系统示意图 离子打样品Pd表面散射后会有中和和未中和的粒子，经过一个具有 V电压的偏转板后，中和和未中和的粒子会分开，进入到位置灵敏探测器的不同位置。如下图所示，图8 探测器探测粒子数示意图由位置灵敏探测器探测到的粒子个数经过两个前放、两个主放后进入多道分析器中获取数据。获取的数据由MPA-3软件处理。如下图，图9 MPA-3多道测量图像 可见明显有两个峰，左边的峰面积是未中和的离子计数，右边的峰面积是被中和的离子的计数，通过软件可以直接测出离子的个数。3.3 样品的准备本实验主要研究不同能量的Li+ 离子通过25入射角入射Pd表面的中性化情况，其作用原理是Li+ 离子与Pd表面原子相互作用发生电荷交换。如果靶表面不洁净，不平整，就会使得测量结果很不准确，甚至与实际完全不符合。所以实验前需要对样品表面进行处理，使其达到十分清洁平整。实验室中常用的手段是惰性气体离子溅射和退火处理。首先说明，这些技术并不是在所有情况下都可以运用的。离子溅射一般可以用来清洁每一个表面，但将导致表面结构损伤，更重要的是，对于多种成分的表面，比如合金，氧化物，离子溅射导致的优势溅射会导致靶材料另一种成分的富集。在较高的温度下，表面的污染物也可以解吸附，然而，对于含硫的物质可能就不适合的。因为退火后冷却的过程中，硫污染物会从靶墓底扩散到表面.一般，这种情况依赖于靶厚度，退火时间和温度.最后，还可以通过化学反应来消除表面的污染物.比如，镍表面上的碳污染物可以在高温下通入氧气，这样碳就变成一氧化碳或二氧化碳被清除。另外，表面的粗糙度对离子掠射角散射实验的结果有很大的影响.因此为了得到比较平整的表面，首先表面要经过机械的抛磨，然后在掠射角溅射表面.因为掠射角入射，不仅能有效的清除表面的吸附物，而且也不容易造成表面损伤，另外，在溅射的过程中，不停的旋转靶的方位角，这样也是为了避免对表面的优势溅射造成的缺陷。Pd（Pd）是第五周期族铂系元素，原子序数为46。Pd是银白色过渡金属，较软，熔点较低，有很好的延展性和可塑性,化学性质稳定。因为Pd吸附杂质能力较强，表面不大好处理，所以在散射实验中Pd材料研究的很少。本实验在实验技术条件可达到的情况下用Pd作为靶材料进行研究。清洁处理手段采用溅射和退火，具体步骤如下：（1） 获取真空。利用机械泵、分子泵、离子泵抽气，并采用烘烤等手段来获取超高真空。本实验能够达到的超高真空可达1*10-8Pa。（2） 溅射。将角度调整为15，充入氩气至真空为2.5*10-4Pa,然后利用氩枪打出3KeV的Ar+ 离子，通过聚焦后溅射样品Pd的表面。为避免优势溅射，学要每隔一段时间改变溅射位置并重复溅射。（3） 退火。利用电子轰击加热至450左右，退火20mins。（4） 重复以上溅射和退火过程20次左右便可获得清洁的表面。第四章 实验数据处理经上述样品Pd原位表面清洁处理过后，由于存在于超高真空中，样品Pd表面可保持很长时间的清洁，满足实验要求。接下来本实验在一定的角度下分别测量了不同能量的Li+ 离子入射Pd表面的中性化情况，经由多道系统以及MPA-3软件可读取总的计数值以及中和离子数、未中和离子数，很容易就能算出中性化份额。三次实验结果分别是在表面清洁前期，中期，后期得到的。下面将会对这三种情况分别进行处理及讨论。经过很长的前期准备，包括真空的获取和样品Pd的原位清洁处理，便可以进行中性化测量试验。需要说明的是，必须在最后一次退火后马上进行实验，否则由于金属Pd的性质，其表面很快覆盖一层杂质，会对实验造成很大的影响。4.1 入射角为25度，Li+ 离子散射在非清洁Pd表面的中性化情况 为了探究表面杂质对实验的影响，此次实验中的样品Pd的表面清洁做的不是很彻底。先利用操纵杆将Li+入射方向与样品平行方向的夹角调整为25度，然后用不同能量的Li+离子打Pd样品，能量从1.8KeV到5.0KeV。数据记录如下energyNEUTRALPTOTALneutralp1.8706007060102512687660020.854048652.54513431588280.5112143180.48878562323008254105540.2179268520.7820731483.551797770129490.3999536640.60004633641357938007515860.2632303340.7367696664.51285633323461790.2783949410.72160505952708256048831300.3257789010.674221099表2 入射角为15的Li+ 离子入射非清洁Pd表面的数据记录绘制成图像，如图10，更能直观的看出其规律。通过图像，我们可以得知，开始能量较低时，中性化份额随着入射离子能量的迅速的下降，而后随着能量的增加平缓的上升，且有很不和谐的点出现。由前文我们知道，Li+离子与样品Pd主要是共振跃迁机制从而中性化。当Li+离子接近Pd表面时，由于相互作用Li+离子的能级将会展宽，而且由于像势作用，其电离能级将会上移。而当Li+离子进一步接近靶表面，电离能级会移到表面的费米能及以下，这样展宽的原子能级电子态会和表面金属原子的满带的电子态共振。随着能量的增加，Li+离子与样品Pd表面原子的接触时间越来越短，且离子的电离图10 非清洁表面中性化份额比例图能上移，穿过表面的费米能级，导致中性化份额随着能量的增大而减小。大能量区域曲线上升猜想可能的原因有：1、由于跃迁概率与Li+离子和Pd原子的距离z有着指数关系，随着Li+离子能量的增大，z越来越小，从而跃迁概率会有所增加，导致能量较大时中性化份额会有所上升；2、由于表面不清洁，其吸附的杂质对中性化份额产生了较大影响。且杂质对中性化份额的影响是和样品Pd的影响是相反的。4.2 入射角为25度，Li+ 离子散射在清洁Pd表面的中性化情况由于上次实验过样品Pd表面并不是很清洁，需要对样品Pd进行彻底的原位清洁处理，即溅射和退火。为了更加说明样品Pd表面杂质会对实验产生很大影响的问题，在角度不变的情况下，实验在较清洁表面时测量了一组数据，能量从1.2KeV到5KeV，见表3，在彻底清洁表面时在此测量了一组数据，能量从1.4KeV到5KeV，见表4。具体过程是，在4.1实验的基础上，继续对样品Pd表面进行为期两天的原位清洁处理，会得到表面较清洁的样品Pd，重复4.1实验的步骤测量数据。然后，接着进行了为期六天的溅射和退火，目的是为了彻底清洁样品Pd的表面。而且根据目前相类似实验数据以及相关理论知识，可以保证样品Pd表面的原位清洁处理是很彻底的。如此之后在进行实验进行测量。energytotalNEUTRALPneutralp1.2587658760101.5381736062110.9447209850.0552790151.810153439057630.4323845170.56761548329599425853410.4435878740.5564121262.510543423663070.4017831740.598216826310650253181190.2376525820.7623474183.510592239881940.2263972810.773602719410809237684330.2198168190.7801831814.510185193082550.1894943540.810505646511116207190450.1863080240.813691976表3 入射角为15的Li+ 离子入射较清洁Pd表面的数据记录将上表绘制成图像，以便更加直观的观测规律，如图11图11 较清洁表面中性化份额比例图energytotalNEUTRALPneutralp1.4374336021410.9623296820.0376703181.64931359013410.7280470490.2719529511.89050311459360.3440883980.6559116022.58203177264310.216018530.783981473160842474136100.1538174580.8461825423.5116971569101280.1341369580.865863042410697150791900.1408806210.8591193794.510430141290180.1353787150.86462128559244111681280.1207269580.879273042表3 入射角为15的Li+ 离子入射清洁Pd表面的数据记录 按照前面的处理，将表3绘制成图像，如图12 图1