Кластерные ионы — новый объект в мире ионных пучков

Начало XXI-го века ознаменовалось появлением нового объекта в мире ионных пучков: кластерных ионов. В чём же состоит новизна?

Но, прежде чем ответить на этот вопрос, напомним, что развитие физики в предыдущем веке обязано выдающимся экспериментам Э. Резерфорда с учениками, которые заложили основу теории строения атома. Это стало возможным благодаря именно исследованию взаимодействия быстрых ионов с веществом. Отметим, что ХХ век был заполнен исследованиями взаимодействия атомарных и молекулярных ионов с веществом. Эти исследования до сих пор составляют колоссальный пласт в мировой науке. И сегодня физики проникают вглубь тайн материи, ускоряя пучки протонов до немыслимых энергий (десятки ТэВ) на большом адронном коллайдере.

Однако, не менее важными для развития физики являются и исследования взаимодействия нового объекта (кластерных ионов) с веществом при «приземлённых» (десятки-сотни кэВ) энергиях.

Кластер представляет собой ансамбль от нескольких единиц до десятков тысяч атомов или молекул. Такие образования могут существовать в вакууме в виде отдельных частиц или их пучков.

Отличие взаимодействия кластерного иона с твердым телом от взаимодействия атомного иона состоит в том, что от нескольких десятков до нескольких тысяч атомов, в зависимости от размера кластера, взаимодействуют одновременно как минимум с таким же количеством атомов мишени.

Поскольку кинетическая энергия атомов, составляющих кластер, значительно ниже энергии, до которой ускорен кластер, глубина проникновения бомбардирующих атомов в твердое тело очень мала. Плотность энергии, выделяемая при взаимодействии кластера с твердым телом, определяется, по сути, латеральным размером кластера и глубиной проникновения составляющих кластер атомов. Размер каскада атомных столкновений, образующийся при облучении мишени мономерами с такой же начальной энергией, как и кластер, существенно больше области взаимодействия кластера с твердым телом.

Поэтому при бомбардировке кластерами вблизи поверхности выделяется значительно более высокая энергия, чем та, которая выделяется при бомбардировке ионами мономеров.

Молекулярно-динамические (МД) расчеты взаимодействия кластерного иона Ar349 с энергией 50 кэВ с Si, выполненные нашими японскими коллегами, показали, что у поверхности мишени формируется плоская ударная волна. Температура на фронте волны может достигать от 104 до 105 К, а давление — нескольких Мбар. Очевидно, что такие экстремальные условия могут приводить к новым физическим явлениям, которые не наблюдались при бомбардировке твердых тел ионами мономеров.

Рис.1. Схема взаимодействия кластера с твердым телом.

В течение последних двадцати лет исследования взаимодействия кластерных ионов с поверхностью твердых тел развивались благодаря усилиям лаборатории профессора И. Ямады (Университет Киото, Япония). В эти многообещающие исследования включились и лаборатории в США, Англии, Германии, Швеции, Дании, Южной Кореи и др.

В сентябре 2007 года на базе совместных работ физического факультетом МГУ, НИИЯФ МГУ и ОАО «Тензор» была создана лаборатория ионно-пучковых нанотехнологий. В 2011 году усилиями сотрудников лаборатории был создан первый в России ускоритель газовых кластерных ионов (см. рис. 2).

Именно с этого момента в нашей стране стартовали исследования процессов формирования пучков кластерных ионов и их взаимодействия с веществом.

Рис. 2. Ускоритель газовых кластерных ионов на энергии до 20 кэВ.

	Кластеры формируются при адиабатическом расширении газа из сверхзвукого сопла в вакуум. Наши первые эксперименты были направлены на изучение свойств пучков кластерных ионов. На рис. 3 представлен массовый состав пучка кластерных ионов аргона и ксенона. Из рисунка видно, что в пучке присутствуют ионы различных размеров: от мономеров до кластеров, состоящих из нескольких тысяч атомов.
Рис. 3. Массовый состав пучка кластерных ионов аргона и ксенона.

Одним из наиболее эффективных методов исследования механизмов взаимодействия частиц с веществом является изучение дифференциальных характеристик процесса.

Нашей лабораторией были экспериментально исследованы угловые распределения распыленного вещества при облучении мишеней кластерными ионами аргона с энергией 10 кэВ. Распыленное вещество осаждалось на полуцилиндрический коллектор, который анализировался с помощью обратного резерфордовского рассеяния ионов He+ с энергией 1,7 МэВ. Было обнаружено, что при бомбардировке мишеней с большим значением модуля упругости (Mo, W) в диаграмме углового распределения распыленного материала появляется доминирующая составляющая (см. рис. 4), направленная вдоль нормали к поверхности, а при бомбардировке «мягких» мишеней (Cu, Cd, In) эмиссия материала мишени происходит, главным образом, при больших углах к нормали (описанные ранее в литературе так называемые «латеральные» угловые распределения).

Рис. 4. Угловые распределения частиц, распыленных из Cu (слева) и Mo кластерными ионами аргона с энергией 10 кэВ.

Для объяснения обнаруженного эффекта был предложен механизм, учитывающий упругие свойства мишени. Оценки показывают, что за счет передачи импульса атомам мишени от подлетающего кластера, состоящего из 1000 атомов аргона, в поверхностном слое создается давление до 10 Мбар. Вследствие этого возникает сжатие мишени. Поскольку энергия связи атомов в кластере мала (порядка 10 мэВ) кластер быстро разваливается на составляющие его атомы. При этом формируются нелинейные каскады атомных столкновений, ответственные за формирование «латерального» потока распыленных атомов. А релаксация упругого сжатия кристаллической решетки после развала кластера приводит к эмиссии распыленных частиц вдоль нормали к поверхности. Таким образом, особенность обнаруженного механизма состоит в том, что распыление происходит не только в результате передачи энергии атомам мишени от составляющих кластер атомов вследствие каскадов столкновений (латеральное распыление), но и результате взаимодействия кластера как цельного объекта с бомбардируемым веществом.

Результаты этих исследований опубликованы в статье: V.S. Chernysh, A.E. Ieshkin, Yu A. Ermakov. “The new mechanism of sputtering with cluster ion beams.” Appl. Surf. Sci. 326, 285 (2015).

Очевидно, что для понимания роли нового механизма распыления кластерными ионами в сглаживании рельефа поверхности и других явлениях, сопровождающих облучение поверхности кластерами, необходимы дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования. В январе этого года совместно с лабораторией профессора К. Нордлунда (Хельсинский университет) начаты совместные исследования распыления кластерными ионами с использованием МД расчётов. Эти расчёты проводятся сотрудниками нашей лаборатории, как на суперкомпьютере «Ломоносов», так и на суперкомпьютере Хельсинского университета.

Наряду с этим проводятся работы по созданию ускорителя газовых кластерных ионов нового поколения. В этой связи необходимо отметить, что ключевым вопросом в получении интенсивного пучка кластерных ионов является понимание процесса истечения газа из сверхзвукового сопла. Экспериментальные исследования этого процесса в сочетании с моделированием на ЭВМ проводятся нашей лабораторией в сотрудничестве с коллегами с кафедры физики молекулярных процессов и экстремальных состояний вещества (профессор И.А. Знаменская, доцент И.Э. Иванов с сотрудниками).

В 2013 году сотрудником нашей лаборатории Ю.А. Ермаковым (НИИЯФ МГУ) была защищена первая кандидатская диссертация, посвященная проблемам формирования пучков газовых кластерных ионов. А совсем недавно наш молодой коллега, младший научный сотрудник кафедры физической электроники А.Е. Иешкин защитил кандидатскую диссертацию, основной акцент в которой был сделан на процессы взаимодействия газовых кластерных ионов с веществом.

Надеемся, что исследования в этом уникальном направлении приведут к новым интересным результатам.

Ведущий научный сотрудник кафедры физической электроники В.С. Черныш