Радиофизические методы диагностики материалов и сред (стр. 9 )

В качестве примера исследований трансформации рассмотрим вольфрам. Выбор этого металла обусловлен следующими обстоятельствами [10]. В нем обнаружены разнообразные магнитоакустические эффекты в нормальном к поверхности металла магнитном поле, связанные с большой длиной пробега электронов и сложным законом дисперсии квазичастиц.

Высокочастотная трансформация волн исследовалась методикой «работы на проход» (рис. 5.5), когда на одной стороне образца вольфрама возбуждался или регистрировался акустический сигнал, а на другой – электромагнитный. Все измерения проводились на частотах 20–400 МГц в режиме непрерывных колебаний в геометрии . Экспериментальные данные не зависели от направления трансформации при соответствующем направлении магнитного поля.

Рис. . Схема преобразователя акустических и электромагнитных волн металлами [10]: 1 – образец; 2 – пьезопреобразователь; 3 – электромагнитный контур; 4 – коаксиальные линии передачи энергии

Сигнал трансформации во всех экспериментах при на частотах МГц уверенно регистрировался на уровне 15–20 дБ/Вт выше порога чувствительности приемного тракта. Оценки коэффициента трансформации при дают значения для МГц, толщины образца мм, К.

Экспериментально обнаруженная нелокальная трансформация обусловила построение теории трансформации для пластины металла [10], а большинство экспериментальных результатов использованы при изучении механизмов трансформации в различных металлах.

5.4.4 Возбуждение, трансляция и детектирование высокочастотного гиперзвука

Использование гиперзвуковых волн с частотами выше 10 ГГц в значительной степени связано с разработкой эффективных методов возбуждения, трансляции и детектирования. Для возбуждения гиперзвука пьезокристалл помещают в электромагнитное поле, которое вызывает в нем упругие деформации, служащие источником объемных гиперзвуковых волн. В силу линейности пьезоэффекта распространение гиперзвука в таком кристалле приводит к возбуждению электромагнитного поля. Причем вследствие весьма малой длины волны гиперзвука возбуждение его, как и обратное преобразование в электромагнитное поле (детектирование), происходит вблизи граничных плоскостей пьезокристалла. Эффективность трансформации электромагнитного поля в гиперзвук и его детектирование характеризуется коэффициентом двойного преобразования , который определяется как отношение мощности электромагнитной волны, порожденной гиперзвуком, к мощности той же волны, возбудившей его в кристалле. Для коэффициента двойного преобразования можно записать выражение:

,

где – коэффициент электромеханической связи; , – волновые векторы электромагнитной и гиперзвуковой волн; – фактор, учитывающий ослабление эффекта обратного преобразования за счет отклонения от параллельности фазового фронта гиперзвуковой волны плоскости детектирования.

Так как , то условия распространения электромагнитной и гиперзвуковой волн в кристалле сильно «рассогласованы». Поэтому только весьма малая часть мощности электромагнитной волны расходуется на возбуждение гиперзвука, подавляющая ее часть фактически отражается от пьезокристалла. Вследствие этого мала и величина коэффициента двойного преобразования. На низких частотах можно увеличить путем использования при возбуждении гиперзвука объемного резонатора и обеспечить в меру его добротности многократное взаимодействие электромагнитной волны с пьезокристаллом, однако с увеличением частоты добротность резонатора падает, и такой способ оказывается неэффективным.

Одним из эффективных методов возбуждения и детектирования гиперзвука с частотами порядка  Гц является применение замедленной электромагнитной волны, распространяющейся у граничной плоскости пьезокристалла. Вследствие замедления волновой вектор электромагнитной волны увеличивается и это позволяет существенно повысить эффективность трансформации электромагнитного поля в гиперзвук. При возбуждении гиперзвука этим способом у граничной плоскости пьезокристалла располагается волноводная периодическая структура (рис. 5.6), с помощью которой формируется поле поверхностной замедленной электромагнитной волны. На поверхности пьезокристалла оно преобразуется в объемные гиперзвуковые волны, которые распространяются в направлении, составляющем небольшой угол (порядка ) по отношению к нормали. Возбужденные гиперзвуковые волны (рис. 5.6) «запоминают» структуру электромагнитного поля поверхностной замедленной волны. Поэтому для обратного преобразования гиперзвука необходимо применить точно такую же электродинамическую систему или использовать одну и ту же систему как для возбуждения, так и для детектирования гиперзвука. Таким способом в кварце при температуре жидкого гелия были возбуждены продольные и поперечные гиперзвуковые волны на частотах 40 и 75 ГГц [10].

Рис. . Схема устройства для возбуждения гиперзвука в кварце на частотах 9,4 и 75 ГГц: 1 – кварцевая призма; 2 – замедляющая спираль; 3 – рупор для возбуждения спирали; 4 – 4-миллиметровый волновод; 5 – замедляющая система типа «гребенки»

Поскольку волноводные периодические структуры, необходимые для замедления электромагнитной волны, могут быть реализованы на частотах, охватывающих практически весь миллиметровый радиодиапазон, метод замедленной волны позволяет достичь частот гиперзвука порядка Гц, однако его применение ограничено не достаточно совершенными пьезоэлектрическими кристаллами.

Эффективно возбуждать и детектировать гиперзвуковые волны с высокими частотами можно и способом «точечного» преобразования электромагнитного поля [10]. Он основан на следующем. Поскольку величина определяется главным образом отношением , то существенное (на много порядков) увеличение можно получить, если создать электромагнитное поле с такой структурой, в которой доминирует пространственная гармоника с волновым вектором, по величине близким к волновому вектору гиперзвука. Оказалось, что это возможно, если сконцентрировать электрическое поле СВЧ в очень малом объеме на торце установленной в волноводе и электрически согласованной с ним тонкой металлической иглы. Гиперзвуковая антенна-излучатель (приемная антенна) для «точечного» преобразования представляет собой нанесенную на кристалл текстурированную пьезоэлектрическую пленку из окиси цинка с металлическим подслоем, в которой с помощью иглы концентрируется электрическое СВЧ-поле. Толщина пьезоэлектрической пленки выбирается равной половине длины волны гиперзвука, поэтому если разложить функцию распределения сконцентрированного в ней электрического поля в интеграл по плоским волнам, то волна с окажется доминирующей. Вследствие этого при «точечном» преобразовании достигается высокая эффективность. На частоте порядка 10 ГГц, .

Хотя метод «точечного» преобразования и уступает способу замедленной поверхностной электромагнитной волны по достижимым частотам гиперзвука, тем не менее он позволяет весьма эффективно возбуждать гиперзвук в миллиметровом радиодиапазоне [10].

5.4.5 Экспериментальная установка для исследований взаимодействия электронного пучка с плазменными колебаниями в полупроводнике

Взаимодействие пучка с плазменными колебаниями экспериментально исследовалось в Германии и антимониде индия [10].

Взаимодействие пучка с образцом изучалось на установке рис. 5.7. Ленточный пучок электронов сечения  мм2 фокусировался магнитным полем. Для ускорения применялся источник импульсного напряжения с переменной длительностью импульса (от 0,2 до 100 мкс). Образец имел форму прямоугольной пластины длиной 6 мм, толщиной мм, шириной 3,5 мм и клинообразными срезами для согласования с волноводным трактом. В качестве генераторов служили лампы обратной волны, работавшие в диапазонах 12,5 и 1,5 мм в импульсном режиме (длительность импульса генератора была несколько больше импульса ускоряющего напряжения).

Рис. . Схема установки: Г – генератор; – аттенюаторы; – модуляторы; Д – детектор; У – усилитель; О – осциллограф; 1 – образец; 2 – сосуд дюара; 3 – коллектор; 4 – электронная пушка

На рис. 5.8 приведены зависимости приращения мощности от напряжения и тока в пучке для резонансной длины волны  мм.

Величина представляет собой разность мощности на выходе установки при наличии пучка и мощности в его отсутствие. При малых это отношение пропорционально инкременту нарастания. Наблюдалось монотонное увеличение с ростом напряжения и тока пучка, что можно объяснить его конечными размерами при взаимодействии с квазипотенциальными колебаниями в сильном магнитном поле.

а б

Рис. . Зависимости : а – от тока в пучке при  кВ, б – от ускоряющего напряжения при различных (мА): 1 – 90; 2 – 120; 3 – 200

5.4.6 Измерение свойств плазмы в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах волн

В установках для исследования управляемого термоядерного синтеза, таких как Токамак, с помощью электрического разряда образуется газовая плазма, которая в течение некоторого времени удерживается магнитным полем. Важными характеристиками такой нестационарной плазмы являются зависимости от времени концентрации электронов и частоты столкновений электронов с тяжелыми частицами. Их можно определить радиофизическим методом с помощью интерферометра миллиметрового диапазона волн.

Принцип измерений с использованием явления интерференции основан на исследовании характеристик зондирующей волны, прошедшей сквозь слой плазмы, и сравнении с прохождением этой волны в свободном пространстве. Изменение характеристик зондирующей волны функционально связано со свойствами плазмы. Метод измерения состоит в определении с помощью интерферометра сдвига фаз и ослабления зондирующей волны, проходящей сквозь слой плазмы в течение ее образования и распада, и в вычислении по этим параметрам средних концентраций электронов и частоты столкновений электронов в функции времени.

К измерительным интерферометрам, предназначенным для диагностики плазмы, предъявляется ряд требований в отношении диапазона измерений, быстродействия, точности устойчивости к вибрациям, стабильности во времени и др. Этим требованиям удовлетворяют волноводные гетеродинные интерферометры [9; 10]. Они характеризуются высокой чувствительностью, широким диапазоном измерения, малыми погрешностями, высокой стабильностью во времени. Принцип действия гетеродинного интерферометра состоит в переносе измерения сдвига фаз и ослабления со сверхвысокой частоты на более низкую промежуточную частоту (ПЧ). Упрощенная схема плазменной установки приведена на рис. 5.9.

Рис. . Общая схема плазменной установки с гетеродинным интерферометром

Металлическая камера 5 содержит плазменный объем 4 в форме тора, показанный в поперечном разрезе по диаметру образующей окружности тора. Волновой пучок 3 формируется передающей антенной 1, а после прохождения сквозь плазму и окна 2, 6, прозрачные для излучения мм-диапазона, принимается антенной 7. Мощность излучения канализируется волноводной системой 8, 9.

Измерительная часть интерферометра содержит генератор Г1 частоты , гетеродин Г2 частоты , измерительный канал (ИК) и опорный канал (ОК). Мощность волны генератора Г1 разделяется на две части и по ИК поступает в приемник П1, а по ОК – в гетеродинный приемник П2. Мощность волны гетеродина Г2 также делится на две части, которые поступают в приемники П1 и П2. Сигнал ПР с выхода усилителя промежуточной частоты (УПЧ) приемника П1, несущий информацию о сдвиге фаз и об амплитуде зондирующей волны, поступает на фазометр (ФМ) и милливольтметр (МВ). Сигнал ПЧ с выхода УПЧ приемника П2, несущий информацию о фазе и об амплитуде опорной волны, подается на ФМ и схему автоматической подстройки частоты (АПЧ) гетеродина Г2. Схема АПЧ применена для обеспечения постоянства значения ПЧ. Измерительные сигналы с выхода ФМ и МВ передаются в систему регистрации и обработки.

С целью снижения затухания мощности в ИК, длина которого может достигать 10 – 20 м, волноводы 8, 9 выполнены из труб повышенного сечения. Благодаря этому увеличивается динамический диапазон измерений. Волноводный шлейф (ШЛ) введен для уравнивания дисперсии волны ОК с ИК. В результате исключается погрешность измерения сдвига фаз из-за нестабильности частоты и паразитной модуляции генератора Г1. Антенны 1, 7 предназначены для уменьшения угла расходимости зондирующего пучка и снижения затухания его энергии.

Для определения концентрации электронов горячей плазмы в экспериментах по управляемому термоядерному синтезу ранее применялись интерферометры мм-диапазона радиоволн. В настоящее время созданы интерферометры, которые работают на меньших длинах радиоволн, т. е. на волнах субмм-диапазона. Метод измерения свойств плазмы при этом в принципе оказывается прежним, но средства измерения существенно изменяются в связи с использованием квазиоптических методов [10].

РАЗДЕЛ 6 АППАРАТУРНЫЕ КОМПЛЕКСЫ НОВЫХ НАПРАВЛЕНИЙ ПО ДИАГНОСТИКЕ МИКРО - И НАНОРАЗМЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ

,

Проведение исследований различных свойств материалов и объектов, структурированных в микро - и наноразмерных масштабах и их диагностика являются одним из приоритетных направлений современной науки и технологий. В связи с этим стоит задача создания новых видов аппаратурных комплексов (АК) и методов, которые могли бы обеспечить проведение как анализа микроструктуры и элементного состава новых наноматериалов и нанообъектов. Среди широкого многообразия физических принципов, на основе которых разрабатываются новые АК, в последнее время особое внимание уделяется сфокусированным пучкам заряженных частиц и микроволновой СВЧ-диагностике. В первом случае это связано с тем, что нижний предел размеров сфокусированного пучка в настоящее время лежит в нанометровом и субнанометровом диапазонах [11]. Поэтому за счет детектирования продуктов взаимодействия частиц пучка с веществом можно получать информацию о микроструктуре и элементном составе исследуемых объектов. Аналогичную информацию можно получить с помощью ближнеполевой СВЧ-диагностики с достижением пространственного разрешения порядка 100 нм, путем применения более простых в техническом исполнении АК [16].

Аппаратурные комплексы, основанные на сфокусированных электронных пучках, воплощены в растровых (SEM – scanning electron microscope) и трансмиссионных электронных микроскопах (TEM – transmission electron microscope), а также в комплексах электронно-пучковой литографии (EPL – electron probe lithography) [13; 15]. Процессы формирования пучков здесь достаточно хорошо изучены и основываются на аксиально-симметричных зондоформирующих системах. Направление улучшения параметров комплексов связано с применением различных типов мультипольных корректоров аберраций и энергетических фильтров. На базе этих аппаратурных комплексов развиты методы электронного зондового микроанализа (EPMA – electron probe microanalyzer) структуры и элементного состава исследуемых образцов: энерго-дисперсионная (EDS – energy dispersive spectrometer) и волновая дисперсионная (WDS – wavelength dispersive spectrometer) спектроскопии, оже-электронная микроскопия, спектроскопия энергетических потерь электронов (EELS – electron energy loss spectroscopy), изображение Z-контраста и др. Наряду с очень высоким разрешением (для некоторых методов разрешение находится на атомарном уровне) существуют принципиальные физические ограничения, связанные с особенностями электронных пучков. Сильное рассеяние электронов пучка на атомарных электронах исследуемых объектов приводит к необходимости применения тонких образцов для сохранения пространственного разрешения и чувствительности, что вызывает определенные вопросы к репрезентативности таких образцов реальным материалам. В случае регистрации характеристического рентгеновского излучения индуцированного электронным пучком (EDS, WDS) образуется высокий тормозной фон, который снижает чувствительность микроанализа.

6.1.1 Ядерный сканирующий микрозонд

К одним из сравнительно новых АК, предназначенных для исследований структуры и элементного состава образцов, относится ядерный сканирующий микрозонд (ЯСМЗ), в котором используется сфокусированный пучок легких ионов (ионов водорода или гелия) с энергией нескольких МэВ [12]. Пространственное разрешение в ЯСМЗ определяется размерами зонда на поверхности образца, а чувствительность микроанализа ряда ядерно-физических методов находится на уровне 1 ppm. Это позволяет исследовать приповерхностные слои толстых образцов без уменьшения пространственного разрешения и чувствительности. За свою 40-летнюю историю ЯСМЗ нашел широкое применение в различных направлениях исследований: в материаловедении, микроэлектронике, геологии, ботанике, биофизике и медицине, археологии и исследованиях предметов искусства, окружающей среды, микроимплантации и др.

В основе ядерного сканирующего микрозонда лежит ряд устройств и систем, основанных на различных физических принципах. На рис. 6.1 приведена иллюстрация традиционной схемы размещения основных элементов микрозонда. Здесь пучок ионов создается, как правило, с помощью плазменного источника ионов. Ускорение пучка до требуемой энергии в несколько МэВ осуществляется в ускорительной структуре электростатического ускорителя. Для выбора определенного сорта ионов применяется анализирующий магнит с щелевым устройством на выходе. Формирование пучка в ЯСМЗ производится с помощью управляющих электромагнитных полей. Сама система, обеспечивающая формирование пучка в зонд, называется зондоформирующей системой (ЗФС). Здесь предварительно сформированный пучок с помощью объектного и углового коллиматоров формируется в зонд при помощи системы фокусировки, которая состоит из набора активных ионно-оптических элементов, таких как квадрупольные линзы или сверхпроводящий соленоид. Для изменения положения зонда на поверхности образца применяется сканирующая система двух типов – механическая или электромагнитная, которая осуществляет смещение либо исследуемого образца, либо зонда соответственно.

Рис. . Традиционная схема расположения элементов и систем в ЯСМЗ

Методы локального 3D-микроанализа толстых образцов с применением сфокусированных пучков заряженных частиц рассматриваются в сравнении с

идеальными требованиями определения пространственного расположения атомов и их идентификации как химического элемента. Отсутствие в настоящее время таких методов приводит к необходимости рассмотрения существующих методов микроанализа с позиций, насколько они приближены к идеальным требованиям. В этой связи каждый метод оценивается тремя основными параметрами: пространственным разрешением, пределом обнаружения и чувствительностью. Пространственное разрешение определяется размерами области, из которой происходит выход вторичных продуктов взаимодействия частиц пучка с атомами исследуемого образца. Предел обнаружения характеризует наименьшее содержание элемента, которое можно обнаружить с заданной достоверной вероятностью и связан с возможностью выделения полезного сигнала из совокупности детектированных событий. Под чувствительностью метода следует понимать его способность обнаружить разницу между близкими концентрациями атомов определяемого элемента. Чувствительность зависит от сечения процесса выхода вторичного продукта и связана с количеством частиц в зонде. Чувствительность и разрешение в большинстве методов – связанные величины, так как обеспечение необходимой чувствительности требует роста количества частиц или тока пучка, что, в свою очередь, связано с увеличением размеров зонда. Важным свойством каждого метода является также возможность проведения количественного анализа концентрации элементов в исследуемой области образца. В табл. 6.1 приведены наиболее часто применяемые методы локального микроанализа в толстых образцах с применением ЯСМЗ, где указаны значения разрешения и чувствительности.

Таблица 6.1 – Характеристики методов локального микроанализа с применением ЯСМЗ

Метод	Разрешение, нм	Чувствительность, ppm	Количественный анализ (%)
PIXE	300	<1	5
RBS	500	10	3
NRA	1000	0,1	3
ERDA	>1000	500	3
IBIC	<100	-	Нет
IBIL	300	-	Нет
SEЕ	<100	-	‑

Основными методами локального количественного микроанализа, которые в совокупности позволяют проводить анализ всех элементов с массой , являются первые четыре метода, указанные в таблице.

Метод PIXE. Метод характеристического рентгеновского излучения индуцированного ионами (PIXE) пучка обусловлен ионизационными процессами атомов образца. Наблюдаемый рентгеновский спектр состоит из непрерывного спектра, вызванного тормозным излучением вторичных электронов, и линейного спектра, связанного с рекомбинацией ионизированных атомов и заполнением K, L, M электронных оболочек. Сам метод PIXE достаточно хорошо развит, и его преимущества основываются, как уже упоминалось выше, на сравнительно низком уровне тормозного фона по сравнению с электронными пучками в EPMA.

Усовершенствование метода PIXE для повышения локальности анализа основано на уменьшении размеров сфокусированного пучка на поверхности исследуемого образца. Однако в этом случае значительно уменьшается ток пучка, а следовательно и количество событий ионизации атомов. Сохранение выхода PIXE за счет только увеличения плотности тока, основанного на применении высокояркостных источников ионов, может иметь некоторые пределы, обусловленные радиационными повреждениями исходного материала и привнесением дефектов, не свойственных первоначальному образцу. Другой путь, связанный с увеличением телесного угла детектора за счет увеличения его площади, не эффективен, так как в этом случае ухудшается разрешение детектора и растут эффекты наложения регистрации событий, имеющих малый временной интервал. Одним из направлений решения этой задачи является разработка матричных детекторов с соответствующим контроллером, который позволяет синхронизировать набор всех событий и улучшить чувствительность метода PIXE до нескольких сотен ppm.

Методы RBS и ERDA. Методы, основанные на регистрации энергетического спектра резерфордовского обратного рассеяния (RBS) ионов и ядер отдачи (ERDA – elastic recoil detection analysis), которые образуются в результате скользящего взаимодействия ионов пучка с поверхностью, наиболее распространены и дают высокую точность при анализе профилей распределения элементов по глубине. Для общепринятых полупроводниковых детекторов заряженных частиц разрешение по глубине ~ 10 нм, а для методов детектирования, основанных на специализированных спектрометрах, разрешение достигает ~ . При этом образцы должны иметь полированную поверхность. Наибольшим препятствием, стоящим на пути получения высокого разрешения для промышленных и природных образцов, является шероховатость поверхности, что затрудняет интерпретацию экспериментальных результатов. В силу своих кинематических особенностей метод RBS наиболее эффективен при исследовании локального распределения тяжелых элементов в легкой матрице, например в задачах определения примесей тяжелых металлов в биологических объектах. Метод ERDA востребован при определении профилей концентрации водорода в приповерхностных слоях исследуемых материалов.

Метод NRA. Метод мгновенного излучения из ядерных реакций (NRA – nuclear reaction analysis) основан на разнообразных ядерных взаимодействиях легких ионов с энергией нескольких МэВ с атомами образца. Ион может преодолеть кулоновский барьер атомного ядра и приблизиться на расстояние, сравнимое с радиусом ядра, тогда существует вероятность, что произойдет ядерная реакция, которая приведет к структурному изменению ядра. Результатом такой реакции будут ионы водорода и гелия, нейтроны и -излучение, которые могут быть зафиксированы детектирующими устройствами. Зависимость сечения ядерной реакции от энергии для различных ядер имеет ряд узких резонансов. Поэтому вероятность реакции будет наиболее высокой, когда ионы пучка будут обладать этой энергией. По мере увеличения энергии пучка и достижении значения резонансной величины ядерные реакции для одного и того же сорта атомов будут происходить с поверхности образца. Дальнейшее увеличение энергии пучка будет приводить в результате торможения ионов к резонансной реакции с заглубленных слоев, что позволяет определять профили распределения элементов по глубине с разрешением ~ 10 нм и чувствительностью на уровне 0,1 ppm. Так как кулоновские силы для тяжелых ядер значительно снижают сечение реакций, поэтому наиболее эффективными для диапазона энергий пучка  МэВ являются взаимодействия с легкими ядрами образца . Высокая избирательная способность метода NRA является следствием того, что энергетические спектры и сечения ядерных реакций различны для разных элементов и их изотопов.

Метод IBIC. Метод регистрации заряда, индуцированного ионным пучком (IBIC – ion beam induced charge), наибольшее развитие получил в 1990-х годах для исследования устройств микроэлектроники, распределения дислокаций, полупроводниковых детекторов излучения, солнечных элементов и т. д. В этом методе в полной мере используются особенности прохождения легких ионов, ускоренных до энергий нескольких МэВ, в полупроводниковых материалах и изоляторах. Малое отклонение ионов от прямолинейной траектории обеспечивает высокое пространственное разрешение метода по сравнению с электронными пучками. Суть метода основана на способности образования электрон-дырочных e-h-пар в полупроводниковом материале при прохождении иона, вызванного передачей его энергии. Возможность измерения количества образованных e-h-пар связана с рядом внутренних и внешних условий, таких как рекомбинация на точечных и распределенных дефектах, концентрации примесей, диффузионной длины неосновных носителей, напряженности электрического поля и др. В методе IBIC применяются сфокусированные пучки легких ионов с энергией нескольких МэВ с очень малыми токами в пределах 0,1–1 фА и осуществляется измерение индивидуальных импульсов зарядов. Анализ при таких низких токах пучка возможен, так как каждый ион генерирует достаточно большое количество e-h-пар в полупроводниковом материале или изоляторе, чтобы общий заряд мог обладать величиной сигнала выше, чем уровень шума измерительного прибора.