Молекулярные и атомные пучки Основные преимущества метода

Молекулярные и атомные пучки Основные преимущества метода • Высокая поверхностная чувствительность • Возможность исследования структурных особенностей поверхности. • Возможность исследования фононных спектров поверхности. • Возможность изучать процессы обмена и передачи энергии между колебательными и вращательными степенями свободы молекул. Основные недостатки: Сложность создания , контроля коллимирования и детектирования. Используемые газы: Инертные газы, молекулы водорода реже СО 2 NO, O 2… Энергии от десятых долей э. В до единиц э. В В этом случае рассеяние происходит не на ионных остовах, а на электронной плотности. В связи с этим дифракция наиболее ярко выражена для ионных кристаллов типа Li. F. На металлах практически не видно

Упругое рассеяние: • Характерно для легких атомов. • Нет передачи энергии между поверхностью и налетающим атомом • Глубина потенциальной ямы притяжения <40 мэ. В, отталкивание связано с перекрытием электронных облаков. Неупругое рассеяние: • Характерно для тяжелых атомов. • Более глубокая потенциальная яма притяжения • Обмен энергии сопровождается рождением и поглощением поверхностных фононов или к возбуждению и передаче энергии между колебательными и вращательными степенями свободы молекулы. Для достижения лучшего разрешения энергия должна быть порядка энергии фононов. Схема процессов упругого и неупругого рассеяния на поверхности в условиях, когда поверхностная периодичность не существенна. Показаны волновые векторы и их проекция в плоскости поверхности

Неупругое рассеяние Энергия частиц до 0. 1 э. В. Рассеяние идет на электронных облаках - как от «гладкой» поверхности (модель жестких кубов) Колебания атомов поверхности только в плоскости перпендикулярной поверхности. Варианты взаимодействия • Атом потеряет часть своей энергии или приобретает и при этом рассеяться назад в газовую фазу. При этом происходит значительное расширение спектра углов рассеяния (б) • Если атом в результате рассеяния теряет значительную часть энергии он захватывается и адсорбируется на поверхности в течении некоторого времени. Находясь при этом в состоянии равновесия с поверхностью при дальнейшей десорбции формирует косинусоидальное распределения по углам (в). Параметрическое разделение • Упругое рассеяние (а) Угловое распределение рассеянных частиц: а – упругое рассеяние, б – слабое неупругое рассеяние, в – захват с последующей десорбцией. Е=Ei/kbq. D – Е >> 1 многофононные процессы класическое оисание, при <<1 однофононные и дифракционные процессы m=Mg/Ms - легкие атомы отклоняются при одном взаимодействии, тяжелые сильнее и дольше взаимодействуют с поверхностью е=Еi/W – при е>>1 взаимодействие чисто отталкивательное, в обратном случае – доминирует захват и перескоки R=Rg/Rc - отношение радиусов взаимодействия определяет проникновение в глубину

Классическое представление рассеяния частиц с энергией 0. 1 -100 э. В. Частицы чувствуют переодический потенциал поверхности и расстояния взаимодействия короче. Двумерная картина возникновения радужных пиков рассеяния: а – Пути падающих и рассеянных частиц на потенциале учитывающем волнистость поверхностной плотности заряда. б - зависимость максимума интенсивности рассеянного пучка от угла рассеяния. в расположение радужных пиков по отношению к пучку отраженному в зеркальном направлении. Основная роль упругого рассеяния – формирование картины дифракции за счет суммирования картин вероятности дифракции отдельными атомами. Энергетическое и угловое уширение пучка и измерительной системы приводит к уширению дифракционных максимумов.

Получение и использование молекулярных пучков. Два метода получения пучков – эффузионный и газодинамический. Эффузионный метод – устройства типа ячейки Кнудсена. Параметры подбирают так, чтобы длина свободного пробега была больше отверстия источника. После коллимирующих апертур распределение молекул в пучке обязательно Максвеловское с характеристической температурой равной температуре печи. Область энергий получаемых в таких пучках – 0. 008 – 0. 32 э. В что соответствует температуре источника – 77 -3000 о. К Схема эффузионного (а) и газодинамического (б) источников.

Газодинамический метод. Существенное охлаждение газа при расширении в вакуум. Конверсия степеней свободы в поступательное движение приводит к большим скоростям в пучке. Средняя энергия поступательного движения (5/2)КТ. Возможности ускорения тяжелых молекул более быстрыми легкими. Характерная температура существенно ниже температуры сопла. Значительно более интенсивные потоки. Сопоставление распределения по скоростям в пучке для эффузионного (M=0) и газодинамического источника М – число Маха

Экспериментальные установки Детекторы: • Ионизационные квадрупольные • Болометры на основе легированного кремния при Т=1. 6 о. К • Ионизационные манометр Схема установки для исследования дифракции молекулярного пучка Схема установки для исследования кластеризации осаждения пленок с помощью молекулярного пучка

Применение молекулярных пучков для исследования Принципиальная диаграмма иллюстрирующая применение метода модуляции пучка для изучения кинетики десорбции и химических реакций на поверхности. Среднее время пребывания молекулы СО на поверхности платины {111} в зависимости от температуры, измеренное методом модуляции молекулярного пучка

Исследование структуры поверхности по дифракции атомных пучков. Дифрактограммы рассеяния Не на поверхности Ni {110} при разных степенях заполнения водородом при температуре 100 о. К Зависимость интенсивности рассеяния Не на структуре Н 2 на Ni {110} поверхности Ni {110} от угла рассеяния в плоскости падения и вне ее.

Исследование поверхностно локализованных фононов. Времяпролетный спектр рассеяния атомов Не на поверхности кристалла Li. F {001} 1 - пик упругого рассеяния. Остальные – результат взаимодействия с фононами Ослабление интенсивности рассеяния в зеркальном направлении в зависимости от температуры

Получение упорядоченных пленок повышенной плотной упаковки с использованием молекулярного пучка Сравнение рассеяния молекул Н 2 D 2 HD на поверхности Mg. O {001} показаны пики потерь, связанные с обменом энергией между поступательным движением и вращательными состояниями.