Физика / 2.Физика твёрдого тела.

Melnichuk I. A.

Donetsk National University, Ukraine

Simplified estimation for development of geometric peculiarities of a ripple formed at initial stage of ion irradiation

It has been shown that the use of experimental angular dependence of sputtering yield results in a non-monotonous behavior of the displacement of side faces of the parent pattern element depending on the particles incidence angle. A dependence of critical ions incidence angle at which a pattern type should change from longitudinal to transversal one has been obtained. It has been shown that a formation of a step-like pattern with steps cross section decreasing with depth is possible in a case of prevailing thermal evaporation of a material at presence of a temperature gradient.

Развитие рельефа при ионной бомбардировке известное явление, которое привлекает внимание исследователей в связи с перспективами применения в нанотехнологии. Геометрические параметры рельефа, сформированного на поверхности магнитных материалов, являются интересными с точки зрения его влияния на конфигурацию доменных структур [1]. Рельеф, образующийся на поверхности материала с низкой энергией сублимации, имеет чрезвычайно высокую скорость формирования и специфическую структуру [2].

Вследствие случайного процесса распыления на начальной стадии формирования рельефа появляется зародыш и в соответствии с моделью [3] при его развитии послойное заполнение слоев атомами увеличивается с ростом глубины. В простейшем случае зародыш имеет коническую форму с углом θ между образующей конуса и нормалью к поверхности образца. Этим условиям также удовлетворяют зародыши в форме пирамиды или сферического сегмента. Эксперименты по формированию рельефа показывают, что в большинстве случаев после стадии развития его характер не изменяется. Другой сценарий описан в [4], где наблюдалось изменение характера рельефа при сверхбольших дозах облучения. Причем в [4] пришлось предположить, что в используемых ими условиях облучения поверхность находится не в аморфном состоянии. Отсюда следует, что для оценки характера рельефа, формируемого на легко аморфизующихся мишенях, достаточно рассмотреть начальные условия его образования. Если развивается поперечный рельеф, то точки B и D удаляются от начала координат быстрее, чем точки А и С. В противоположном случае развивается продольный рельеф. Основным параметром, определяющим форму развития рельефа, является угол падения φ [5]. Тогда все рассматриваемые особенности определяются различием в ориентации падающего пучка на распыляемую поверхность в перечисленных точках. В случае бесконечно малого каскада столкновений взаимная ориентация определяется углом между потоком падающих частиц и плоскостью касательной к поверхности конуса в точке взаимодействия. Изменение положения этой плоскости определяется локальной скоростью распыления, которая зависит от положения точки на поверхности зародыша, углов φ и θ, угловыми зависимостями скорости распыления. Смещения точек A-B и C-D определяются понижением первоначальной горизонтальной и смещением наклонных поверхностей за фиксированное время.

Угловая зависимость коэффициента распыления измерялась экспериментально и апроксимировалась формулой [6] для определения соотношения между длинами отрезков АС и BD при разных значениях φ. На рис. 2 представлены угловые зависимости скорости смещения точки В, рассчитанные для различных значений угла θ. Видно, что в зависимости от значения φ возможны как положительные так и отрицательные смещения этой точки, а величина θ определяет положение и величину интервала углов φ в котором смещение знак сохраняет. Величина критического угла определялась по смене знака разности АС – BD. Значения критических углов рассчитаны для образца (YSmLuCa)₃(FeGe)₅O₁₂. Модель предсказывает два значения φ_k для различных θ. Т.к. 0 < θ < π/2, то для θ было принято среднее значение θ = π/4 и получена величина критического угла φ_k = 70⁰. Эта величина соответствует значению, найденному из эксперимента.

Форма рельефа, сформированного при термическом распылении, рассмотрена с учетом двух факторов: а) вклад испарения в поток удаляемых атомов является существенным; б) для развития рельефа является необходимой предварительная активация образца для появления заметного потока испаренных атомов [7]. Полагая, что эффект активации обусловлен формированием отверстия (l) в окисной пленке распылением по каскадному механизму, учитывая сильную зависимость выхода испаренных атомов от температуры [4], можно получить, различные профили удаленного материала. Контуры, ограниченные отрезками касательными к крайним точкам этих профилей представлены на рис. 3 для случаев: а) равномерно нагретого образца – АBCD → A^a₁B^а₁C^а₁D^а₁ → A^а₂B^а₂C^а₂D^а₂; б) наличие градиента температуры вдоль оси OY - A^b₁B^b₁C^b₁ → A^b₂B^b₂C^b₂. Во втором случае контуры отличаются меньшим чем π/2 углом между боковой поверхностью и дном кратера. Наличие градиента температуры может быть связано не только с неравномерным начальным нагревом образца, но и с ухудшением его подвода к поверхностным слоям в процессе образования неровностей. Поэтому случай (б) более вероятен, а формирование элемента рельефа при развитии рядом расположенных зародышей может приводить к образованию выступов, толщина которых убывает с ростом глубины.

Литература

1. Melnichuk I. A. // EMMA-2000: Materials of Conference , 2000. – P. 113.

2. Мельничук И.А., Богунец А. А., Старшинов И. Н.// Изв. РАН. Сер. физ. Т. 70, № 6, (2006) С. 825.

3. Й. Восилюс, Л. Пранявичюс / Процессы на поверхности твердых тел, активируемые ионными пучками. Вильнюс, «Москалас», 1987, 214.

4. A.D. Brown and J. Erlebacher / PHYS. REV.B 72, 075350 _2005

5. Rudy A.S. and Bachurin V. I. // Bull. RAS: Physics, Vol. 72, No. 5, 2008

6. Yamamura, Y. // Radiat. Eff. Defects Solids.1984, 80 (1-2), 57-63.

7. I.N. Starshinov, I.A. Melnichuk/ Funktional Materials , № 2 (2010). P. 252-255.