Материал: anishik_v_m_uglov_v_v_cherenda_n_n_rezerfordovskoe_obratnoe
БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
Кафедра физики твердого тела
В. М. АНИЩИК, В. В. УГЛОВ, Н. Н. ЧЕРЕНДА
РЕЗЕРФОРДОВСКОЕ ОБРАТНОЕ РАССЕЯНИЕ
Методические указания к лабораторным работам
для студентов физического факультета специальности 1-31 04 01 «Физика»
МИНСК
2004
1
УДК 548: 53(076.5) ББК 22.37р
А 67
Р е ц е н з е н т ы:
доктор физико-математических наук, профессор И. С. Ташлыков кандидат физико-математических наук Ю. А. Федотова
Рекомендовано Ученым советом физического факультета 11 сентября, протокол № 1
Анищик В. М.
А67 Резерфордовское обратное рассеяние: Метод. указания к лабораторным работам для студентов физ. фак. спец. 1-31 04 01 «Физика» / В. М. Анищик, В. В. Углов, Н. Н. Черенда. – Мн.: БГУ, 2004. – 48 с.
Методические указания предназначены для студентов кафедры физики твердого тела и направлены на освоение метода резерфордовского обратного рассеяния и на развитие практических навыков определения из спектров обратного рассеяния состава гомогенных, гетерогенных и слоистых тонкопленочных систем, имеющих важное практическое значение в материаловедении и микроэлектронике. Пособие состоит из 5 лабораторных работ и рассчитано на 30 часов самостоятельной работы.
УДК 548: 53(076.5) ББК 22.37р
© Анищик В. М., Углов В. В. Черенда Н. Н., 2004
© БГУ, 2004
2
ПРЕДИСЛОВИЕ
Развитие любой отрасли науки ведет к появлению новых методов исследования. Эксперименты Э. Резерфорда в области ядерной и атомной физики легли в основу современного метода исследования элементного состава твердых тел – резерфордовского обратного рассеяния (РОР), одним из основных достоинств которого является возможность исследования образца без существенного нарушения его структуры. Изучение этого метода представляет интерес и потому, что он позволяет понять физические основы других методов анализа элементного состава: обратное рассеяние тяжелых ионов, анализ ядерных реакций и т. д.
Целью данного пособия является ознакомление с методом РОР, изучение основных используемых понятий, а также освоение методик обработки спектров. Внимание уделено развитию практических навыков, связанных с определением состава гомогенных, гетерогенных и слоистых тонкопленочных систем, имеющих важное практическое значение в материаловедении и микроэлектронике. В большинстве лабораторных работ, кроме теоретической части и задания, на конкретных примерах разбирается методика обработки спектров с учетом их специфики и сложности.
Методические указания предназначены для студентов старших курсов физического факультета, специализирующихся в области физики твердого тела, материаловедения. Кроме того, данное пособие может оказаться полезным при выполнении курсовых и дипломных работ и самостоятельном изучении студентами методов исследования элементного состава твердых тел.
3
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
КАЧЕСТВЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТНЫЙ АНАЛИЗ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА МЕТОДОМ РЕЗЕРФОРДОВСКОГО ОБРАТНОГО РАССЕЯНИЯ
Цель работы: качественный элементный анализ поверхности образца.
В основу метода резерфордовского обратного рассеяния (РОР) легли опыты (1911 г.) Резерфорда, Гейгера и Марсдена по прохождению α-частиц через тонкие металлические фольги. Было обнаружено, что несколько из 10 000 α-частиц меняют направление своего движения на угол больший, чем 90о, что впоследствии было объяснено столкновением налетающих частиц с атомным ядром.
Схема типичной современной системы РОР представлена на рис. 1.1. Пучок ионов из источника (1) ускоряется до нескольких МэВ в ускорителе (2) и попадает в серию устройств (3, 4), где происходит фокусировка ионов. Затем пучок попадает на анализируемый образец (5), находящийся в вакуумной камере. Обратнорассеянные ионы регистрируются детектором (6), где они генерируют электрический сигнал. Этот сигнал усиливается, обрабатывается аналогово-цифровыми преобразователями
(7) и поступает на управляющий компьютер (8). В результате формируется спектр РОР, представляющий собой график, по оси абсцисс которо-
Рис. 1.1. Схема установки резерфордовского обратного рассеяния
4
го откладывается номер энергетического канала (ni), в который попадает ион с определенной энергией, а по оси ординат – количество ионов (Hi), попавших в канал ni. В зависимости от типа анализатора (полупроводниковый, магнитный и т. д.) можно получить различные характеристики обратнорассеянных частиц (энергия, импульс и др.).
Рассмотрим упругое столкновение частицы массы М1 (масса бомбардирующего иона), движущейся с постоянной скоростью V0, с покоящейся частицей массы М2 (масса атома мишени). В результате столкновения происходит передача энергии и импульса от движущейся частицы к частице покоящейся. Предположение, что взаимодействие двух атомов можно рассматривать как простое упругое столкновение двух изолированных частиц, накладывает два условия:
1.Энергия бомбардирующей частицы E0 должна быть много больше энергии связи атома в мишени. Химические связи имеют энергию поряд-
ка 10 эВ, так что энергия E0 должна намного превышать эту величину (тем самым устанавливается нижний предел для энергии бомбардирующей частицы).
2.Должны отсутствовать ядерные реакции и резонансы. Это устанавливает верхний предел для энергии бомбардирующих частиц. Протекание ядерных процессов зависит от выбора типа бомбардирующего
атома и атома мишени, поэтому верхний предел энергий E0 меняется для различных пар. При использовании пучка ионов водорода ядерные эффекты могут проявляться даже при энергии ниже 1 МэВ. В случае же применения пучка ионов гелия они начинают проявляться при энергиях
2–3 МэВ.
Рис. 1.2. Схема столкновения бомбардирующей частицы с покоящимся атомом
5