Ченнелинг (физика) - Channelling (physics)

Ченнелинг это процесс, который ограничивает путь заряжен частица в кристаллическое твердое вещество.[1][2]

Многие физические явления могут происходить, когда заряженная частица падает на твердую мишень, например, упругую рассеяние, неупругие процессы потерь энергии, вторичная электронная эмиссия, электромагнитное излучение, ядерные реакции и др. Все эти процессы имеют поперечные сечения которые зависят от прицельных параметров, участвующих в столкновениях с отдельными атомами мишени. Когда целевой материал однородный и изотропный распределение прицельного параметра не зависит от ориентации импульса частицы, и процессы взаимодействия также не зависят от ориентации. Когда материал мишени является монокристаллическим, выход физических процессов очень сильно зависит от ориентации импульса частицы относительно кристаллических осей или плоскостей. Или, другими словами, останавливающая сила частицы намного ниже в одних направлениях, чем в других. Этот эффект обычно называют эффектом «ченнелинга». Это связано с другими эффектами, зависящими от ориентации, такими как частицы дифракция. Эти отношения будут подробно обсуждены позже.

Рис. 1. Кристалл кремния толщиной около 12 нм, вид в направлении кристалла 110
Рис. 2. Тот же кристалл Si, что и на рис. 1, если смотреть в произвольно повернутом направлении.

История

Эффект каналирования был впервые обнаружен в приближение бинарных столкновений компьютерное моделирование в 1963 году[1] для объяснения экспоненциальных хвостов в экспериментально наблюдаемых распределениях ионов по пробегам, которые не соответствуют стандартным теориям проникновения ионов. Модельное предсказание было подтверждено экспериментально в следующем году измерениями глубины проникновения ионов в монокристаллические кристаллы. вольфрам.[3] Первые эксперименты по пропусканию иона, проходящего через кристаллы, были выполнены группой Национальной лаборатории Окриджа, показав, что распределение ионов определяется эффектом каналирования кристаллов в виде радуги.[4]

Механизм

С простой, классической точки зрения, качественно эффект каналирования можно понять следующим образом: если направление заряженной частицы, падающей на поверхность монокристалла, близко к главному направлению кристалла (рис.1), частица с высокой вероятностью будет происходит только малоугловое рассеяние, когда оно проходит через несколько слоев атомов в кристалле и, следовательно, остается в том же «канале» кристалла. Если он не находится в основном направлении кристалла или плоскости («случайное направление», рис. 2), он с большей вероятностью подвергнется рассеянию на большие углы и, следовательно, его конечная средняя глубина проникновения, вероятно, будет короче. Если направление импульса частицы близко к плоскости кристалла, но не близко к главным осям кристалла, это явление называется «плоским каналированием». Каналирование обычно приводит к более глубокому проникновению ионов в материал, эффект, который наблюдался экспериментально и при компьютерном моделировании, см. Рисунки 3-5.[5]

Отрицательно заряженные частицы вроде антипротоны и электроны тянутся к положительно заряженным ядра плоскости, и после прохождения центра плоскости они снова будут притягиваться, поэтому отрицательно заряженные частицы стремятся следовать направлению одной кристаллической плоскости.

Рис. 3. Карта направлений кристаллизации для ионов Si с энергией 10 кэВ в Si.[6] Красный и желтый цвета указывают направления с большей средней глубиной проникновения ионов, то есть направления, по которым ионы направляются.
Рис. 4. Определенные экспериментально профили глубины проникновения для ионов B с энергией 15 кэВ в Si вдоль каналов кристалла 100 и 110, а также в неканалированном направлении. Данные сканируются со сглаживанием от. Ref.[7]
Рис. 5. Компьютерное моделирование средней глубины проникновения ионов Xe с энергией 80 кэВ в монокристалл Au с учетом отклонения профиля имплантации от основного направления. Эти симуляции были выполнены с помощью кода MDRANGE. [8] для исследования облучения нанопроволок Au Xe.[9] Также показаны симуляции с использованием приближение бинарных столкновений SRIM код, который не принимает во внимание кристаллическую структуру и, следовательно, вообще не описывает каналирование. Порядок силы каналирования, т. Е. 110 имеет самый сильный эффект, 100 - средний, а 111 - самый слабый, согласуется с экспериментальными наблюдениями в гранецентрированная кубическая металлы.[10]

Поскольку кристаллическая плоскость имеет высокую плотность атомных электронов и ядер, каналированные частицы в конечном итоге подвергаются большому углу Резерфордское рассеяние или потери энергии при столкновении с электронами и выходе из канала. Это называется процессом «деканалирования».

Положительно заряженные частицы, такие как протоны и позитроны вместо этого отталкиваются от ядер плоскости, и после входа в пространство между двумя соседними плоскостями они будут отталкиваться от второй плоскости. Таким образом, положительно заряженные частицы стремятся следовать направлению между двумя соседними кристаллическими плоскостями, но на максимально возможном расстоянии от каждой из них. Следовательно, положительно заряженные частицы имеют меньшую вероятность взаимодействия с ядрами и электронами плоскостей (меньший эффект «деканалирования») и путешествуют на большие расстояния.

То же явление происходит, когда направление импульса заряженных частиц лежит близко к главной кристаллической оси высокой симметрии. Это явление называется «осевым каналом».

При низких энергиях эффекты каналирования в кристаллах отсутствуют, поскольку малоугловое рассеяние при низких энергиях требует больших прицельных параметров, которые становятся больше, чем межплоскостные расстояния. Здесь преобладает дифракция частицы. При высоких энергиях квантовые эффекты и дифракция менее эффективны, и эффект каналирования присутствует.

Приложения

Есть несколько особенно интересных применений эффектов ченнелинга.

Эффекты ченнелинга можно использовать как инструменты для исследования свойств кристалла. решетка и его возмущений (например, допинг ) в объемной области, недоступной для Рентгеновские лучи.Метод создания каналов может быть использован для определения геометрического расположения межстраничных объявлений. Это важный вариант Резерфордовское обратное рассеяние Метод анализа ионного пучка, обычно называемый резерфордовским обратным рассеянием / каналированием (RBS-C). Каналирование может даже использоваться для сверхфокусировки ионного пучка, который может использоваться для субатомной микроскопии.[11]

При более высоких энергиях (десятки ГэВ ), приложения включают в себя канализацию излучения для увеличения производства высокой энергии гамма излучение, а также использование изогнутых кристаллов для вывода частиц из ореола циркулирующего пучка в ускоритель частиц.

Общая литература

  • J.W. Майер и Э. Римини, Справочник по ионному пучку для анализа материалов, (1977) Academic Press, Нью-Йорк
  • L.C. Фельдман, Дж. Майер и С.Т. Пикро, Анализ материалов с помощью ионного канала, (1982) Academic Press, Нью-Йорк
  • Р. Ховден, Х. Л. Синь, Д. А. Мюллер, Phys. Ред. B 86, 195415 (2012). arXiv:1212.1154
  • Г. Р. Анстис, Д. К. Кай и Д. Дж. Х. Кокейн, Ультрамикроскопия 94, 309 (2003).
  • Д. Ван Дайк и Дж. Х. Чен, Solid State Communications 109, 501 (1999).
  • С. Хиллард и Дж. Силкокс, Ультрамикроскопия 58, 6 (1995).
  • С. Дж. Пенникук и Д. Э. Джессон, Physical Review Letters 64, 938 (1990).
  • М. В. Берри и Озориод. Ам, Журнал физико-математических и общих наук 6, 1451 (1973).
  • М. В. Берри, Journal of Physics Part C Physics Solid State Physics 4, 697 (1971).
  • А. Хоуи, Philosophical Magazine 14, 223 (1966).
  • П. Б. Хирш, А. Хоуи, Р. Б. Николсон, Д. В. Пэшли, М. Уилан, Электронная микроскопия тонких кристаллов (Баттервортс, Лондон, 1965).
  • Дж. У. Андерсен, Заметки о ченнелинге, http://phys.au.dk/en/publications/lecture-notes/ (2014)

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Робинсон, Марк Т .; Оэн, О. С. (1963). «Каналирование энергетических атомов в кристаллических решетках». Письма по прикладной физике. 2 (2): 30. Bibcode:1963АпФЛ ... 2 ... 30Р. Дои:10.1063/1.1753757.
  2. ^ Геммелл, Д. С. (1974). «Каналирование и связанные с ним эффекты при движении заряженных частиц через кристаллы». Ред. Мод. Phys. 46 (1): 129. Bibcode:1974РвМП ... 46..129Г. Дои:10.1103 / RevModPhys.46.129.
  3. ^ Корнельсен, Э. В .; Brown, F .; Дэвис, Дж. А .; Домей, Б .; Пирси, Г. Р. (1964). «Проникновение тяжелых ионов кэВ энергии в монокристаллический вольфрам». Физический обзор. 136 (3A): A849. Bibcode:1964ПхРв..136..849К. Дои:10.1103 / PhysRev.136.A849.
  4. ^ Krause, H.F .; Datz, S .; Диттнер, П. Ф .; Gomezd el Campo ,, J .; Миллер, Д. П .; Moak, C.D .; Nešković, N .; Пепмиллер, П. Л. (1986). «Эффект радуги в аксиальном ионном каналировании». Физический обзор B. 33 (9): 6036. Bibcode:1964ПхРв..136..849К. Дои:10.1103 / PhysRevB.33.6036.CS1 maint: лишняя пунктуация (связь)
  5. ^ Морган, Д. В. (1973). Ченнелинг: теория, наблюдения и приложения. Лондон: Уайли. ISBN  0471615102. OCLC  814411.
  6. ^ Нордлунд, Кай; Джурабекова, Флюра; Хоблер, Герхард (2016). «Большая часть кристаллических направлений приводит к каналированию ионов». Физический обзор B. 94 (21): 214109. Bibcode:2016PhRvB..94u4109N. Дои:10.1103 / PhysRevB.94.214109.
  7. ^ Кай, Дэвид; Gro / Nbech-Jensen, Niels; Snell, Charles M .; Бирдмор, Кейт М. (1996). «Феноменологическая электронная модель тормозной способности для молекулярной динамики и Монте-Карло моделирования имплантации ионов в кремний». Физический обзор B. 54 (23): 17147–17157. arXiv:физика / 9901056. Bibcode:1996PhRvB..5417147C. Дои:10.1103 / PhysRevB.54.17147. PMID  9985850. S2CID  13436616.
  8. ^ Нордлунд, К. (1995). «Молекулярно-динамическое моделирование пробегов ионов в диапазоне энергий 1–100 кэВ». Вычислительное материаловедение. 3 (4): 448–456. Дои:10.1016 / 0927-0256 (94) 00085-Q.
  9. ^ Наголенники, G .; Hinks, J. A .; Басби, П .; Mellors, N.J .; Ильинов, А .; Куронен, А .; Nordlund, K .; Доннелли, С. Э. (2013). «Повышение эффективности распыления от одноионного воздействия на золотые наностержни» (PDF). Письма с физическими проверками. 111 (6): 065504. Bibcode:2013ПхРвЛ.111ф5504Г. Дои:10.1103 / PhysRevLett.111.065504. PMID  23971585.
  10. ^ Уиттон, Дж. Л. (1967). «Ченнелинг в золоте». Канадский журнал физики. 45 (5): 1947–1957. Bibcode:1967CaJPh..45.1947W. Дои:10.1139 / p67-149.
  11. ^ Петрович, С .; Nešković, N .; Berec, V .; Чосич, М. (2012). «Суперфокусировка каналированных протонов и разрешение субатомных измерений». Физический обзор A. 85 (3): 291. Дои:10.1103 / PhysRevA.85.032901.CS1 maint: лишняя пунктуация (связь)

внешняя ссылка