Масоперенесення в металічних системах на основі Fe, Cu І Al при імпульсному та інтенсивному опроміненні іонами (стр. 1 )

Сумський державний університет

сумський інститут модифікації поверхні

На правах рукопису

УДК 539.121,8.04

Масоперенесення в металічних системах

НА ОСНОВІ Fe, Cu І Al при імпульсному та інтенсивному опроміненні іонами

01.04.07 – фізика твердого тіла

Дисертація

на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Науковий керівник

Погребняк Олександр Дмитрович,

доктор фізико-математичних наук, професор

Суми – 2008

ЗМІСТ

Перелік умовних СКОРОЧЕНЬ..........................................................................4

Вступ................................................................................................................. 5

РОЗДІЛ 1. Структурно-фазові перетворення в складних

структурАХ ПРИ ОПРОМІНЕННІ ІОНАМИ (Літературний огляд)..…11

1.1. Атомне перемішування і його механізми........................................... 12

1.2. Балістичне перемішування................................................................. 14

1.3. Перемішування первинно-вибитими атомами.................................. 19

1.4. Перемішування в каскадах зіткнень і піках зміщень......................... 23

1.5. Радіаційно-стимульована дифузія...................................................... 26

Висновки до розділу 1......................................................................................... 30

Розділ 2. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ МЕТОДИКИ ПРИГОТУВАННЯ,

ОПРОМІНЕННЯ та АНАЛІЗУ зразків..………………....…………………........31

2.1. Умови приготування та опромінення зразків.................................... 31

2.2. Установка для опромінення іонами.................................................... 32

2.2.1. Робота імплантера в режимах імплантації та осадження плівок 32

2.2.2. Використання магнітноізольованого діода........................... 35

2.3. Методи аналізу.................................................................................... 36

2.3.1. Резерфордівське зворотне розсіювання................................. 36

2.3.2. Конверсійна електронна мессбауерівська спектроскопія (КЕМС)................................................................................................. 38

2.3.3. Доплерівське уширення анігіляційного піка......................... 41

2.3.4. Метод резонансних ядерних реакцій..................................... 42

2.3.5. Дифракційний метод.............................................................. 43

2.3.6. Методи дослідження морфології поверхні........................... 44

2.3.7. Дослідження механічних характеристик.............................. 45

Висновки до розділу 2......................................................................................... 48

Розділ 3. Масоперенесення і сегрегація при високодозній імплантації і спільному осадженні тонких плівок................. 49

3.1. Імплантація іонів Та+ в мідний монокристал з орієнтацією (100), (111) 49

3.2. Імплантація іонів Cu+ і Ta+ і одночасне осадження цих же іонів в Al 56

3.3. Процеси сегрегації Al при високодозній імплантації в α-Fe.............. 66

3.4. Анігіляція позитронів в α-Fe і Pb при опроміненні ПІП.................... 79

Висновки до розділу 3......................................................................................... 87

Розділ 4. Процеси перемішування і утворення алмазоподіб­ного вуглецю при імпульсній високоінтенсивній імплантації іонів............................................................................................................................... 88

4.1. Структурно-фазові модифікації та осадження вуглецевої плівки на поверхню монокристала Fe-Cr-Ni-Mn імплантованого іонами W..................... 88

4.2. Перемішування систем Fe/Pb/Fe та Pb/Fe при впливі ПІП................ 95

4.3. Масоперенесення при впливі ПІП на металічні системи.................

4.3.1. Процеси інтенсивного перенесення атомів в речовині при імпульсному впливі іонів....................................................

4.3.2. Аномальне масоперенесення в полі ударної хвилі.............

4.4. Використання іонно-перемішаних під дією ПІП шарів Au/Fe/Ni у виготовленні магнітокерованих герметизованих контактів............................

4.5. Теплові процеси в приповерхневих шарах α-Fe при імпульсному та інтенсивному опроміненні іонами....................................................................

4.5.1. Теплопровідність.................................................................

4.5.2. Плавлення.............................................................................

4.5.3. Випаровування.....................................................................

Висновки до розділу 4 .....................................................................................

Висновки......................................................................................................

Список використаних джерел.........................................................

Перелік умовних СКОРОЧЕНЬ

АСМ – атомно-силова мікроскопія

ВІМС – мас-спектрометрія вторинних іонів

геркони – магнітокеровані герметизовані контакти

ДУАП – доплерівське уширення аннігіляційного піку

ЕРВІ – енергетичний розподіл вторинних іонів

ЕРВІП – емісія рентгенівського випромінювання, індукованого протонами

КЕМС – конверсійна електронна мессбауерівська спектроскопія

ОЕС – оже-електронна спектроскопія

ПЕМ – просвічуюча електронна мікроскопія

ПІП – потужний іонний пучок

ПІРВ – протонами індуковане рентгенівське випромінювання

РЕМ – растрова електронна мікроскопія

РЗР – резерфордівське зворотне розсіювання

ВСТУП

Актуальність теми. У зв'язку з розвитком нових пучкових технологій модифікування поверхневих шарів, осадження плівок і покриттів за допомогою іонно-плазмових технологій, перемішування тонких плівок під дією лазерного, електронного та іонного пучків необхідний кількісний і якісний контроль складу та структурно-фазового стану модифікованих шарів, покриттів і профілів імплантованих іонів. Помітне місце займають дослідження, що дозволяють вирішувати поставлені завдання, однак є ряд методичних і фізичних труднощів у інтерпретації результатів для одержання достовірної інформації про розподіл елементів, процеси сегрегації, утворення виділень вторинних фаз і утворення преципітатів [1-8].

Високодозна іонна імплантація дозволяє з високою швидкістю впроваджувати легуючі елементи і досягати дози () см-2 при варіації часу набору дози від 15 до 45 хвилин. При таких високих дозах поліпшуються службові характеристики металів і сплавів, а також виробів з них.

У той же час потужні іонні пучки (ПІП) використовуються не тільки для модифікації поверхневих шарів, але і для перемішування шарів, нанесення тонких плівок з інших матеріалів шляхом абляції та утворення нанодисперсних порошків. Тому дослідження процесів масоперенесення при високодозній іонній імплантації, впливів потужного іонного пучка, а також аналіз процесів осадження аморфного вуглецю з ділянками алмазоподібного вуглецю є на сьогоднішній день актуальним завданням.

При взаємодії ПІП з поверхнею визначальними чинниками, які впливають на структурні і фазові перетворення, що відбуваються в приповерхневих шарах, є: густина внесеної енергії; тривалість імпульсу; нагрівання і плавлення; абляція; випаровування; термомеханічні напруги, що приводять до різноманітних структурно-фазових перетворень, термодифузія, масоперенесення в рідкій і твердій фазах, що виникають при надшвидкому загартовуванні.

Однак фізична сутність багатьох процесів, що відбуваються при взаємодії концентрованих потоків енергії з поверхнею твердого тіла, цілком не розкрита. Це пов'язано головним чином з відсутністю систематичних експериментальних досліджень фазового складу і мікроструктури опромінених зразків та недостатньо повним теоретичним аналізом процесів, що відбуваються при взаємодії імпульсного та інтенсивного (D≈1016 cм-2 за хвилину) іонного опромінення з поверхнею твердого тіла.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана на кафедрі фізичної електроніки Сумського державного університету і в Сумському інституті модифікації поверхні. Вона є складовою частиною проектів ДКНТ України 2М-076/2000 та 2М-0145/2001 Міністерства освіти та науки України RST, CLG 978157 NATO Linkage Cooperation Project (2001 – 2003).

Мета і завння дослідження. Метою даної дисертаційної роботи є встановлення закономірностей процесів масоперенесення в металічних системах Ta/Cu/Al, Pb/Fe, Fe/Pb/Fe, Au/Fe/Ni, Ta/Cu, Al/Fe, W/Fe/Cr/Ni/Mn при імпульсному та інтенсивному опроміненні іонами, взаємодії домішок з поверхнею, дослідження процесів сегрегації при високодозній іонній імплантації, а також процесу формування алмазоподібних і аморфних вуглецевих плівок при іонній імплантації.

Відповідно до поставленої мети вирішувалися наступні завдання дослідження:

- встановити закономірності процесів перемішування при одночасному осадженні іонів (плівки) і послідовній імплантації іонів Ta, Cu на Al;

- проаналізувати енергетичні спектри вторинних іонів (ЕРВІ) Cu+, Ta+ та Al+;

- оцінити дози імплантації іонів Al у α – залізо, при яких відбувається сегрегація домішки, визначити розміри областей локалізації домішки за допомогою мікропучка протонів;

- дослідити закономірності утворення острівців алмазоподібного та аморфного вуглецю при імплантації іонів W у нержавіючу сталь;

- виявити зони залишкових напруг у Рb (стискуючих і розтягуючих) за допомогою методів ядер віддачі, анігіляції позитронів і вимірювання мікротвердості.

Об’єктом дослідження є процеси структурно-фазових перетворень у металічних системах під дією зовнішніх факторів.

Предметом дослідження є процеси масоперенесення в багатошарових структурах Ta/Cu/Al, Pb/Fe, Fe/Pb/Fe, Au/Fe/Ni, Ta/Cu, Al/Fe, W/Fe/Cr/Ni/Mn під дією імпульсного та інтенсивного опромінення іонами.

Відповідно до поставлених завдань використовувалися такі методи дослідження:

- резерфордівське зворотне розсіювання (РЗР);

- оже-електронна спектроскопія (ОЕС);

- електронна мікроскопія (РЕМ, ПЕМ);

- мессбауерівська спектроскопія з реєстрацією конверсійних електронів (КЕМС);

- протонами індуковане рентгенівське випромінювання (ПІРВ).

В окремих випадках для перевірки достовірності використовували вторинних іонів масспектрометрію (ВІМС), раман-спектроскопію на відбиття, атомно-силову мікроскопію (АСМ), анігіляцію повільних позитронів, пружний резонанс ядерної реакції, пружний резонанс протонів.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Уперше за допомогою методів ВІМС, ЕРВІ, ОЕС проведені систематичні експериментальні дослідження процесів перемішування при імплантації та одночасному і послідовному осадженні іонів Cu і Ta на підкладку з алюмінію. Встановлено, що поєднання імплантації з осадженням є більш ефективним процесом модифікації, ніж іонна імплантація.

2. Виявлено закономірності утворення плівок з аморфного та алмазоподібного вуглецю при імплантації іонів W у монокристали нержавіючої сталі. Встановлено товщину аморфної вуглецевої плівки (d≈20 нм) і висоту алмазоподібних конусів (h≈14 нм).

3. Уперше за допомогою мікропучка протонів визначені розміри областей локалізації домішок (L≈20 мкм) при імплантації іонів Al у a – залізі і визначені оптимальні дози імплантації (D≈1017 cм-2), при яких відбуваються процеси сегрегації.

4. Проведено комплексні дослідження залишкових напруг у кристалах свинцю за допомогою ядерно-фізичних методів аналізу (ядер віддачі, анігіляції позитронів) і вимірювання мікротвердості. Встановлено наявність на кривій розподілу мікротвердості двох максимумів.

5. Вивчено змінювання енергетичних спектрів вторинних іонів (ЕРВІ) в умовах динамічного перемішування іонів з підкладкою. Встановлено зміну форми спектра.

6. Виявлено, що у випадку наносекундного впливу ПІП (при густинах струму (10-150) А/см2) основний внесок у перенесення атомів дає дифузійний потік, обумовлений градієнтом температури, а міграція і переміщення в полі градієнта концентрації в рідкій фазі не є визначальними факторами у встановленні концентраційного профілю. Розраховано залежність ефективного коефіцієнта масоперенесення системи Pb/Fe від густини струму.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що дисертантом проведена систематизація результатів, одержаних автором експериментальними і теоретичними методами, включаючи результати комп'ютерного моделювання процесів масоперенесення при впливі ПІП.

Зроблено внесок у вивчення процесів сегрегації домішки при високоінтенсивній іонній імплантації. Запропоновано методи визначення залишкових напруг без руйнування зразків у поверхневих модифікованих шарах. Встановлено, що спільне осадження та імплантація іонів Ta, Cu у підкладку з Al приводить до значних (порівняно тільки з імплантацією) збільшення механічних характеристик, таких як адгезія, твердість, а також поліпшення корозійної стійкості. Одержані в роботі результати можуть бути використані для вибору режимів опромінювання ПІП при цілеспрямованій модифікації службових характеристик широкого кола конструкційних матеріалів на основі багатошарових структур. Фундаментальне значення одержаних результатів полягає у подальшому розширенні уявлень про процеси масоперенесення в металічних системах і структурно-фазові перетворення під дією ПІП.

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок дисертанта полягає в тому, що він виконав аналіз літературних даних, особисто виготовляв зразки для досліджень (Al, Pb, Fe54-Cr20-Nі16-Mn10; монокристали та ін.), проводив дослідження за допомогою ВІМС, РЕМ, вимірювання мікротвердості, проводив розрахунки коефіцієнтів масоперенесення та дифузії, брав участь в інтерпретації результатів досліджень, проведених за допомогою мікропучка протонів, анігіляції позитронів, енергетичного розподілу вторинних іонів (ЕРВІ) на зразках Al (Cu, Ta), а також в обговоренні та оформленні статей і доповідей, а саме: у роботах [1-8]- виготовлення зразків, проведення аналізу за допомогою вимірювання мікротвердості; у роботах [1, 2]- дослідження за допомогою методів растрової електронної мікроскопії та інтерпретація результатів дослідження за допомогою анігіляції позитронів, резерфордівського зворотного розсіювання іонів (РЗР) та емісії рентгенівського випромінювання індукованого протонами (ЕРВІП); [3, 4]- дослідження елементного аналізу за допомогою ВІМС, вимірювання перенесення матеріалу під час тертя, вимірювання адгезії, інтерпретація результатів аналізу, одержаних за допомогою повільного пучка позитронів, енергетичних спектрів вторинних іонів; у роботах [5, 6]- проводив аналіз за допомогою растрової електронної мікроскопії та брав участь в інтерпретації результатів аналізу за допомогою мікропучка протонів, анігіляції позитронів, конверсійної електронної мессбауерівської спектроскопії, РЗР і ACM аналізу; [7-8]- розрахував масовий коефіцієнт корозії та брав участь в інтерпретації результатів одержаних РЕМ та РЗР протонів ; [9]-брав участь в аналізі експериментальних робіт.

Апробація результатів дисертаційної роботи. Основні результати роботи доповідалися та обговорювалися на таких міжнародних конференціях: «ЙОН-2000» (Казимир-Дольни, Польща, 2000 рік); «Взаємодія випромінювання з твердим тілом », ВИТТ-97 (Мінськ, Бєларусь, 1997 рік); ); «Модифікація властивостей не напівпровідникових матеріалів пучками заряджених часток тілом », MPSL-96 (Суми, Україна, 1996 рік); «Плазмова обробка поверхні», PSE-2000, Garmish-Partenkirchen (Німеччина, 2000 рік); Х Міжнародній нараді «Радіаційна фізика твердого тіла» (Севастополь, 2000 рік), а також на наукових семінарах кафедри фізичної електроніки Сумського державного університету і Сумського інституту модифікації поверхні.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в дев’яти роботах, з яких 7 статей у фахових журналах, які входять до переліку ВАК України, та одна теза доповіді на міжнародній науковій конференції.

Структура і зміст роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел. Загальний обсяг дисертації -140 сторінок машинописного тексту, в тому числі 40 рисунків, 9 таблиць. Список використаних джерел налічує 172 найменування.

Розділ 1
Структурно-фазові перетворення в складних структурах
при опроміненні іонами (ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД)

При імплантації прискореного іона або атома у тверде тіло його енергія витрачається на взаємодію з атомами та електронами мішені [9], внаслідок чого він поступово сповільнюється і зупиняється на визначеній глибині. Цей процес – іонна імплантація, у даний час широко використовується в напівпровідниковій технології [10], а з недавнього часу і для модифікації поверхневих властивостей металів [11]. Крім того, виділена енергія поблизу поверхні є причиною виходу енергетичних атомів і іонів, електронів, фотонів та ін. [12]. Видалення атомів з поверхні іонним розпиленням, широко використовується для ерозії, осадження й аналізу матеріалів [13]. Взаємодія іонів з атомами твердого тіла приводить до їхнього зміщення з займаних положень, а послідовне зміщення до порушення мікроструктури і транспортуванню матеріалу. Останній ефект одержав назву "іонного" або "атомного перемішування" [14] . Користуючись цією термінологією, ми будемо розглядати всі основні зміни просторового розподілу атомів твердого тіла в результаті бомбардування прискореними іонами.

Незважаючи на те, що іонне перемішування успішно використовується в метал-напівпровідникових і метал-металевих тонкоплівкових системах для утворення нових рівноважних і метастабільних сумішей, аморфних сплавів і твердих розчинів, ще не всі фундаментальні процеси досить зрозумілі. Число робіт, присвячених дослідженням у цій області, безупинно росте.

Огляд робіт, що відносяться до розглянутих питань, виявився б занадто великим. Тому в даній роботі розглядаються лише найбільш загальні, фундаментальні процеси, що спостерігаються при дослідженні іонного перемішування. Тут ми охарактеризуємо ті з них, що важливі для найбільш повного уявлення про це явище на сучасному рівні. Поряд з цим, буде дана практична значимість цього ефекту і його перспективи.

Іншим способом перемішування металевих структур є плавлення і випаровування при впливі потужних іонних пучків (ПІП) наносекундної тривалості. На сьогоднішній день таких робіт проведено значно менше, оскільки вони ведуться, в основному у США (на прискорювачі лабораторії Фізики плазми Корнельського університету) і в НДІ ЯФ м. Томська на прискорювачах "Тонус", «МУК» і "Темп". У роботі проводиться докладний аналіз результатів з імпульсного іонного перемішування одношарових і багатошарових структур. На початку 90-х років з'явилися перші роботи з імпульсного відпалювання ПІП іоннолегованих напівпровідників, їх кристалізації, утворенню дефектів, створенню контактів, а потім і формуванню силіцидів.

1.1. Атомне перемішування і його механізми

В останні роки пильний погляд широкого кола дослідників спрямований на вивчення явищ і процесів, що відбуваються при впровадженні прискорених іонів у тверді тіла, з метою розуміння ефектів атомного перемішування, що спостерігаються при цьому. Для пояснення цих ефектів запропоновано кілька механізмів (процесів). У табл. 1.1 представлена класифікація процесів, що відносяться до іоннопроменевого перемішування [15-17] і висвітлена їх еволюція в часі.

З таблиці видно, що іонне перемішування може реалізовуватися різними механізмами. Внесок того або іншого механізму залежить від багатьох факторів: енергії іона і дози, співвідношення маси іона та атома мішені, умов опромінення і самої системи, що опромінюється. Балістичне перемішування (перемішування за допомогою пружних зіткнень) може бути індуковано імплантацією первинно вибитих атомів, каскадом зіткнень і піками зміщень [18-20]. Природа цих механізмів полягає в передачі значної кінетичної енергії налітаючого іона атомам підкладки, що дозволяє їм зміщатися зі свого місця розташування в напрямку отриманого імпульсу.

Процес, що здійснюється через механізми радіаційно-стимульованої дифузії і сегрегації, являє собою дифузію атомів підкладки й атомів розчиненого елемента,

Таблиця 1.1

Класифікація процесів іонного перемішування

Процес	Основні риси
Балістичне перемішування	Швидкі процеси, термічно неактивні, високі енергії, різна швидкість зміщення атомів домішків і матеріалу
Перемішування первинно вибитими атомами (~10-13 с)	Зіткнення між рухливими та статичними частинками, низька густина, незалежні переміщення, перші зіткнення, не залежить від температури
Каскадне перемішування (~ 10-12 с)	Зіткнення між рухливими та статичними частинками, незалежні переміщення, послідовні зіткнення, лінійні явища, виділена енергія пропорційна числу переміщень, ізотропне та анізотропне перемішування, висока густина
Піки зміщень (~10-11с)	Зіткнення між частинками, що рухаються, переміщення, які перекриваються; нелінійні явища, всі атоми в матеріалі мають енергію теплоти плавлення
Дифузійні процеси	Запізнілі процеси, низькі енергії, термічноактивні, залежні від термодинаміки системи
Перемішування радіаційно-стимульованою дифузією (протягом опромінення)	Перенесення речовини здійснюється за допомогою радіаційно-стимульованої дифузії, термічно активізований процес, утворення потоків точкових дефектів, агломерація дефектів, висхідна дифузія
Радіаційно-стимульована сегрегація (протягом опромінення)	Перенесення здійснюється за допомогою потоку дефектів, що генеруються при опроміненні
Модифікована опроміненням дифузія (1г. після опромінення)	Післядіючі дифузійні ефекти, термічно активні

внаслідок утворення і міграції радіаційно-індукованих дефектів (тобто вакансій, міжвузлових атомів і їхніх комплексів), які утворюються в процесі іонного бомбардування. Дифузійне перемішування термічно активує процес, що залежить від температури підкладки. Балістичний і дифузійний процеси, що звичайно відбуваються разом у твердому тілі, переводять його в стан, який не є термічно рівноважним, однак, може зберігатися досить довго після припинення опромінення. У цей період змінюються кінетичні властивості твердого тіла. Звичайно, така модифікована опроміненням дифузія відповідає типовим дифузійним змінам, що відбуваються протягом близько однієї години після опромінення. Цей процес, також як і будь-який інший кінетичний процес, залежить від температури.

Оскільки багато факторів впливають на процес атомного перемішування, це іноді призводить до великих змін величини перемішування, глибини проникнення домішки [21] (більш ніж у 10 разів), що міняється від системи до системи і не може бути пояснена в простої теорії зіткнень. Підстави для цих розходжень у загальному випадку поки ще невідомі. Тому варто вивчити механізми атомного перемішування для різних систем у різних експериментальних умовах.

Для з'ясування приведених процесів розглянемо найбільш важливі з них докладніше.

1.2. Балістичне перемішування

Першим теоретичним підходом для опису ефектів балістичного перемішування атомів у твердих тілах з використанням ЕОМ був метод Монте-Карло [14]. Пізніше для опису процесу перемішування Андерсен [23] використовував модель випадкового блукання. Маттесон та ін. [24,25] , Коллінз і ін. [26,27] змоделювали перемішування дифузійними явищами, короткий огляд яких даний у роботі [28]. Зиґмунд і Грес-Марті [29-31] , а також Хофер і Літтмарк [33-34] показали, що в балістичне перемішування вносять різний вклад низько - і високоенергетичні каскади, що розвиваються в результаті лобових зіткнень з атомами домішок.

Ними ж отримано кількісний вираз для розрахунку профілів розподілу атомів віддачі. Аналогічно Крістел і Гібоні [35,36], а недавно Маннінг [28] привели розв’язок цієї задачі послідовним чисельним інтегруванням транспортного рівняння Больцмана.

Вони показали [35,36] (також як і автори [14, 22-37], які цитувались вище ), що розподіл імплантованих атомів віддачі має приблизно експонентний вид. Хвіст, що йде всередину мішені, обумовлений великими пробігами первинно вибитих атомів (тобто атомів, на які прийшлось одне з перших зіткнень з налітаючим іоном). Центральний район кожного розподілу концентрації С(х) за глибиною можна апроксимувати експоненційно згасаючою функцією у формі [35]

, (1.1)

де А і L – два параметри, що характеризують розподіл;

Ns – середня енергія налітаючого іона.

При цьому було виявлено, що просторовий розподіл описується характеристичною довжиною загасання L, яка пропорційна максимально переданій енергії налітаючим іоном, атомові віддачі γЕ0 , де

, (1.2)

де і – маса іона та атома віддачі відповідно.

Зробивши розрахунок для 36 розподілів, автори [35] дійшли висновку, що характеристична довжина загасання L, дуже добре апроксимується лінійною залежністю

L = 3,75gЕ0 . (1.3)

Передекспоненційний член у формулі (1.1) задається рівнянням [35]

A = {1000 (gx)-1 · Ф · 8,7 · 104} · g(RP/d), (1.4)

з g(RP/d) = exp {-[Ln(RP/d)]2 0,51},

де Ф – імплантована доза;

d – товщина нанесеної плівки;

RP – середній проективний пробіг іонів.

Було показано [35], що характеристична довжина L майже не залежить від сорту первинних іонів і товщини плівки, а максимальний ефект атомного перемішування спостерігається у випадку, коли середній проективний пробіг іонів приблизно дорівнює товщині плівки. Так, для випадку SiО2 на Si [35], обчисленого з їхнього напівемпіричного рівняння, максимальний ефект спостерігається за умови, коли товщина плівки окисла складає 77 відсотків пробігу іона в SiО2 .

Аналізуючи ці [14, 25-36] та інші роботи [38-43] з дослідження атомного перемішування можна дійти висновку, що розподіл атомів віддачі може бути розділений на три типи.

1. Первинні атоми віддачі, одержані із середніми і високими енергіями в результаті прямих лобових зіткнень з іонами, що налітають. Вони мають самий великий пробіг і вносять вклад у просторовий розподіл профілів атомів віддачі на відстанях більше, ніж кілька десятків нанометрів.

2. Вторинні атоми віддачі із середніми енергіями, одержані іншими атомами віддачі. Вони збільшують приповерхневу концентрацію.

3. Каскадні атоми віддачі, одержані з дуже низькою енергією в каскадах зіткнень, що розвиваються поблизу міжфазової границі плівка-підкладка. Пробіги їх можуть досягати декількох нанометрів, але оскільки вони утворюються в більшості, то можуть збільшувати поверхневу концентрацію на порядки.

Сукупність вторинних атомів віддачі (2) і каскадних атомів віддачі (3) є суттю механізму перемішування в каскадах зіткнень, тобто каскадного перемішування. Розходження між ефектами первинно вибитих атомів і каскадних атомів досить довільне. Вони представляють дві крайності в процесі гальмування іонів (атомів), для яких розроблені існуючі теоретичні моделі. Робота [44] по еволюції каскадів частково заповнює відстань між цими граничними випадками.

Слід зазначити, що іноді теоретичні оцінки балістичного перемішування виявляються на порядок меншими тих величин, що спостерігаються експериментально [31]. Ці факти говорять про те, що в таких випадках при перемішуванні важливу роль відіграють інші механізми.

Розглянемо ще один цікавий ефект (балістичний за природою), що стосується перемішування розчиненої домішки всередині матриці. Це можуть бути тонкі шари-мітки, поховані в товщі матриці. При балістичному перемішуванні буде спостерігатися різна швидкість зміщення атомів домішки і матриці. Оскільки цей процес статистичний, то профіль кривої, що описує розподіл домішки буде уширюватись. Однак, якщо домішка буде переміщатися частіше і далі (у середньому), ніж атоми матриці, то ми будемо спостерігати сумарний потік домішки (дрейф) від поверхні. У протилежному випадку сумарний потік домішки буде спрямований до поверхні. Таким чином, у таких випадках можна чекати "дрейф" розподілу також, як і його розширення. Вперше ефект диференційного перемішування атомами віддачі був передбачений Зиґмундом і Грас-Марті [29,30], а пізніше спостерігався експериментально [45-48]. Однак спостережуване зміщення домішкового розподілу платини в аморфному кремнії [45-48], що було індуковане опроміненням іонами ксенону, мало протилежний напрямок щодо передбаченого Зиґмундом і Грас-Марті [29,30]. Аналогічний ефект отримано для вольфрамових шарів-міток, розміщених у міді [47] і нікелевих шарів-міток, розміщених у кремнії та алюмінії [48]. Однак, автори роботи [49] показали, що зміщення, які спостерігалися, і розширення вольфрамового розподілу в міді, що були зафіксовані методом зворотного резерфордівського розсіювання, обумовлені кластеризацією нерозчинного в міді вольфраму в сфероїди у результаті опромінення іонами ксенону. Цей ефект вони виявили для досить товстого шару-мітки ~2,5 нм. Виходячи з такого припущення, вони дійшли висновку, що тонкий шар-мітка повинен давати значно менше зміщення.

Однак, зміщення шару вольфраму (0,4 нм) виявилося в три рази більшим. Теоретичне дослідження ефекту зрушення дає протилежні результати. Так, на противагу розрахункам Зиґмунда і Грас-Марті [29,30] що передбачали, що важкі атоми домішки в легкій матриці зміщуються вперед до поверхні внаслідок того, що атоми віддачі матриці мають більший пробіг і проходять домішковий шар, Рош і ін. [50] вважають, що всупереч ефекту переваги мас і більший пробіг легких атомів середній пробіг усередину більше для важкого елемента. Це зумовлено збереженням переважаючого імпульсу важкого компонента в напрямку первинного пучка, що раніше експериментально і спостерігалося Ляу [51] і Пайном [45] . У роботі [16] повідомляється, що Літтмарк і ін. провели теоретичний розрахунок для зміщень шарів-міток, ґрунтуючись на транспортній теорії [34] з урахуванням ефектів релаксації решітки і виявили, що зміщення міток збігається із спостереженнями в експериментах. Але в останній статті [16] автори пропонують інший підхід для пояснення зміщення і розширення шарів-міток на основі дифузійного рівняння. Рух домішки та атомів матриці в цій моделі розглядається як результат взаємодії каскадів зіткнень і дефектів, які утворюються при цьому. Зміщення трактується як результат анізотропії густини дефектів і зв'язуються з потоками вакансій і міжвузлових атомів.

У цьому зв'язку заслуговує на увагу робота Маттесона та ін. [52], в якій вивчалося перемішування іонами As2+ (Е = 180 кеВ, Р£ 0,1 Вт) тонких шарів-міток Sn (~ 1 нм) розташованих у товщі Si і Ge при кімнатній температурі. Кремній і германій були обрані внаслідок великого розходження мас (2,5 рази). Вони мають дуже схожі властивості і мають необмежену розчинність один в одному. Вибір Sn був обумовлений нерозчинністю в Si і Ge і можливістю виразного відділення сигналу на спектрах зворотного розсіювання. Експерименти показали, що величина перемішування шарів-міток Sn у Ge у п'ять разів більша ніж у Si. Схожа ситуація спостерігалася і для дрейфу піка домішкового розподілу на спектрах зворотного розсіювання. Автори припустили, що величина перемішування має прямий зв'язок з величиною виділеної енергії в пружних зіткненнях Ed, а дрейф розподілу зумовлений градієнтом виділеної енергії. Для перевірки цієї ідеї вони провели експерименти з перемішування шарів Sn у матриці, що складається з Si і Ge, але розділена шаром-міткою Sn. Ця гіпотеза добре підтвердилася експериментально: розширення і дрейф відбулися в напрямку більшої ймовірності переміщення в результаті пружних зіткнень, тобто в напрямку більшої виділеної енергії (якщо кремній на поверхні, то зрушення убік Ge (рис. 1.1.а), у іншому випадку – навпаки (рис. 1.1.в)). На внутрішній частині наведена схема перемішування систем під дією As2+. Подібний прямий зв'язок між величиною перемішування і густиною виділеної енергії був виявлений і в роботі [53] .