劉 璇 宋張勇張秉章 錢 程方 興 邵曹杰王 偉劉俊亮 徐俊奎 馮 勇 朱志超 陳 林 郭艷玲 孫良亭楊治虎 于得洋
1(中國科學(xué)院近代物理研究所 蘭州730000)2(蘭州大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 蘭州730000)3(南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 衡陽421001)4(中國科學(xué)院大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 北京100049)
高電荷態(tài)離子與固體表面相互作用中發(fā)射的X射線是高電荷態(tài)離子與物質(zhì)相互作用過程中的重要物理問題之一。高電荷態(tài)離子與固體表面相互作用的研究在國際上歷來備受關(guān)注[1-4],其中X射線發(fā)射研究涉及原子結(jié)構(gòu)、能級(jí)壽命、離子中性化以及能量沉積機(jī)制等。高電荷態(tài)離子與固體表面的相互作用在固體表面處理和固體結(jié)構(gòu)分析等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。此外,高電荷態(tài)離子與半導(dǎo)體材料的相互作用在新材料的研究和表面改性,以及急需的新型納米材料和超小尺寸半導(dǎo)體芯片的研制[5-8]等方面發(fā)揮著重要作用。
過去的20年中,已經(jīng)有多個(gè)課題組對(duì)低速(速度小于玻爾速度VBohr=2.9×106m·s-1)高電荷態(tài)離子與固體表面的相互作用進(jìn)行了研究。Hagstrum等[9-10]研究了He1+、Ne1+、Ar1+、Xe1+、Xe5+離子入射鎢表面的Auger電子能譜;Briand等[11]研究了低速高電荷態(tài)Ar17+離子與不同的金屬表面相互作用形成的多激發(fā)態(tài)“空心原子”的性質(zhì);Meyer等[12]報(bào)道了不同電荷態(tài)的N離子和Ar離子與Au(110)和Cu(001)表面作用過程中發(fā)射電子的能量分布;中國科學(xué)院近物所的研究小組[13]利用Xeq+(q=12~29)與Al相互作用,證明了分子軌道晉升機(jī)制是下表面“空心原子”激發(fā)的重要方式。當(dāng)?shù)退俑唠姾蓱B(tài)離子與固體表面相互碰撞時(shí),由于它們之間存在巨大的庫侖相互作用,庫倫勢能占據(jù)主導(dǎo)地位。在入射高電荷態(tài)離子接近固體表面過程中,它能將多至幾百keV的勢能在飛秒時(shí)間內(nèi)沉積于靶表面納米尺度范圍內(nèi),Watanabe等[14-15]發(fā)現(xiàn)高電荷態(tài)離子與金屬表面相互作用會(huì)通過發(fā)射X射線來耗散勢能。還有其他多個(gè)研究小組通過X射線發(fā)射[16-18]、可見光輻射等方法[19-22]研究低速高電荷態(tài)離子與表面相互作用過程中的能量沉積和轉(zhuǎn)移。
近年來,隨著離子源和加速器的不斷發(fā)展以及探測技術(shù)的日益成熟,高電荷態(tài)離子與固體表面相互作用的研究已經(jīng)延伸到了天體物理、原子物理、等離子體物理等領(lǐng)域。特別是高電荷態(tài)氮離子與物質(zhì)相互作用的研究對(duì)天體物理有著非常重要的研究價(jià)值,因而重新開始受到關(guān)注。在天體物理中,恒星、星系、行星狀星云等研究中均涉及等離子體原子物理過程,同時(shí)氮元素在天體中的占比較大,這是本工作選擇高電荷態(tài)氮離子的原因。本工作探測了高電荷態(tài)氮離子(Nq+,q=3,5,6)與金屬Cu表面碰撞中發(fā)射的K-X射線能譜,并研究了K-X射線產(chǎn)額、K殼層電離截面值與入射離子動(dòng)能及電荷態(tài)之間的依賴關(guān)系。這對(duì)離子與金屬表面相互作用中形成的上表面“空心原子”的退激過程、高電荷態(tài)離子在固體表面的中性化過程具有重要意義。
本工作在中國科學(xué)院近代物理研究所的電子回旋共振離子源(Electron Cyclotron Resonance Ion Source,ECRIS)上進(jìn)行,圖1是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖。Nq+(q=3,5,6)離子束流由14.5 GHz的ECRIS提供。ECRIS利用微波加熱等離子體,在此過程中微波會(huì)給電子傳遞能量,使其變成高能電子,而高能電子會(huì)將離子源中的原子不斷電離并形成等離子體,同時(shí)等離子體受到磁場約束,繼續(xù)被高能電子電離,逐漸形成高電荷態(tài)離子。通過改變引出電壓將所需的離子束流引出,經(jīng)校正、四極透鏡聚焦后利用90°分析磁鐵將束流引入搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后,束流首先會(huì)通過束流輪廓儀,可以直觀地觀測到束斑的大小和位置,并根據(jù)需要調(diào)節(jié)束斑的大小和位置。經(jīng)過調(diào)節(jié)后的束流通過直徑10 mm的狹縫進(jìn)入長度為600 mm的束流準(zhǔn)直管道,在管道中利用自行研制的束流密度計(jì)(入射孔徑4 mm,測量孔徑2 mm)估算束流的強(qiáng)度,有關(guān)束流密度計(jì)的研制工作將在后續(xù)的文章中報(bào)道。最后,束流經(jīng)管道中的兩組偏轉(zhuǎn)板和四極透鏡的調(diào)節(jié),通過直徑為5 mm的狹縫進(jìn)入靶室(真空度約為1.5×10-6Pa)與Cu靶相互作用,束流強(qiáng)度在3~11 nA范圍內(nèi)。金屬Cu的化學(xué)純度為99.99%,表面經(jīng)過凈化處理,靶的面積為17×17 mm2,厚度0.5 mm。本實(shí)驗(yàn)利用的X射線探測器為美國AMPTEK公司生產(chǎn)的硅漂移探測器(Silicon Drift Detector,SDD),SDD探測器的能量分辨率在5.9 keV峰為136 eV,探測器與束流方向呈45°,探測器與靶心的距離為140 mm,其幾何立體角約為0.004 sr,洪式電子槍與束流方向呈90°(電子槍是為了中和靶表面累積的正電荷)。實(shí)驗(yàn)前使用標(biāo)準(zhǔn)放射源55Fe對(duì)探測器進(jìn)行了能量刻度。
圖1 ECRIS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the ECRIS experimental platform
選擇10~20 keV/q的N3+以及1.5~20 keV/q的N5+離子入射Cu靶表面,激發(fā)出X射線,SDD探測器采集的X射線能譜通過束流歸一化處理,得到圖2所示的X射線譜圖。由于發(fā)射的L殼層X射線能量較低,所以SDD探測器只能測量K殼層的X射線。根據(jù)美國伯克利國家實(shí)驗(yàn)室X光與現(xiàn)代光源中心提供的數(shù)據(jù),可知圖2中的兩個(gè)特征X射線峰從能量低到高分別對(duì)應(yīng)C的Kα-X射線和N的Kα-X射線;經(jīng)擬合,N的特征X射線峰的半高全寬(Full Width at Half Maximum,F(xiàn)WHM)約為60 eV,分辨率較好。在實(shí)驗(yàn)過程中,之所以會(huì)探測到C的特征X射線,可能是304不銹鋼所制的樣品架中含有C元素,一部分入射束流與其碰撞,誘發(fā)C原子電離輻射X射線。
圖2 不同動(dòng)能的Nq+(q=3、5)離子入射Cu表面發(fā)射的X射線譜(a)動(dòng)能為10~20 keV/q的N3+,(b)動(dòng)能為1.5~20 keV/q的N5+Fig.2 X-ray spectra in collisions of different kinetic energy Nq+(q=3,5)ions with the Cu surface(a)N3+ions with the 10~20 keV/q,(b)N5+ions with the 1.5~20 keV/q
假設(shè)X射線是各向同性發(fā)射的,則可以推導(dǎo)出本實(shí)驗(yàn)中的Nq+(q=3、5、6)離子的K-X射線產(chǎn)額:
式中:Nx是探測器測量的K-X射線總計(jì)數(shù),可以通過計(jì)算機(jī)程序?qū)射線譜進(jìn)行積分確定;Np是入射粒子的總計(jì)數(shù),可以根據(jù)束流密度計(jì)測量的電流計(jì)算得出。在實(shí)驗(yàn)中,SDD探測器相對(duì)樣品的立體角Ω約為0.004 sr,對(duì)N特征峰的本征效率ε為0.202。吸收系數(shù)μ可根據(jù)公式近似計(jì)算得。對(duì)于本實(shí)驗(yàn),誤差主要產(chǎn)生于束流離子數(shù)的統(tǒng)計(jì)及探測器立體角,經(jīng)過誤差傳遞公式計(jì)算,誤差小于10%。依據(jù)式(1)得到N3+、N5+的K-X射線產(chǎn)額(圖3)。隨著動(dòng)能的增加,N3+、N5+的K-X射線產(chǎn)額均增大,并且K-X射線產(chǎn)額隨入射離子電荷態(tài)的增加而增大。
圖3 Nq+(q=3,5)離子入射Cu表面發(fā)射的K-X射線產(chǎn)額與入射離子動(dòng)能的關(guān)系Fig.3 The K-shell X-ray yield in collisions of Nq+(q=3,5)ions with the Cu surface vs.the kinetic energy of incident ions
對(duì)于實(shí)驗(yàn)中N3+、N5+離子入射樣品表面產(chǎn)生的K-X射線,主要是由于離子進(jìn)入表面后與靶原子進(jìn)行緊密碰撞所致。若假設(shè)N離子沿直線軌跡減速,并且忽略能損歧離,則可以用式(2)從X射線產(chǎn)額Y(E0)計(jì)算K殼電離截面:
式中:E0代表束流的初始能量;N為靶原子密度;?表示N原子的K殼平均熒光產(chǎn)額,N離子在Cu靶中的阻止本領(lǐng)dE/dR可使用SRIM程序計(jì)算得到,dY(E)/dE則先通過擬合多項(xiàng)式ln(E)和ln(Y(E)),再經(jīng)微分?jǐn)M合后獲得;θ是束流方向與靶面法線之間的夾角;φ是探測器的探測方向與束流線的夾角。式(2)中的第二項(xiàng)表示樣品對(duì)X射線的自吸收,μ是自吸收系數(shù),對(duì)于能量為幾百keV的低能入射離子,該自吸收項(xiàng)可忽略。電離截面的誤差主要有產(chǎn)額誤差和斜率誤差的共同影響,誤差小于10%,依據(jù)式(2)得到K殼電離截面如圖4所示。對(duì)于N3+、N5+入射離子,電離截面均在10-21cm2數(shù)量級(jí),且隨入射離子動(dòng)能的增加單調(diào)增大。
圖4 Nq+(q=3、5)離子入射Cu表面引起的K殼層電離截面隨入射離子動(dòng)能的關(guān)系(a)N3+,(b)N5+Fig.4 The K-shell ionization cross-section in collisions of Nq+(q=3,5)ions with the Cu surface vs.the kinetic energy of incident ions (a)N3+,(b)N5+
N3+離子的電子組態(tài)為1s22s2,N5+離子的電子組態(tài)為1s2,它們在K層均沒有空穴,所以進(jìn)入表面后會(huì)與Cu原子發(fā)生緊密碰撞,在此過程中直接庫倫電離起到主要作用。N3+、N5+離子進(jìn)入Cu表面內(nèi)發(fā)生碰撞,使K殼層的一個(gè)電子被電離并在K殼產(chǎn)生空穴,然后退激發(fā)射K-X射線,所以K-X射線產(chǎn)額會(huì)隨著入射離子動(dòng)能的增加而增大,而且從圖3中發(fā)現(xiàn),N5+的K-X射線產(chǎn)額比N3+的大得多,推測可能是N3+的L層電子對(duì)K層電子產(chǎn)生了屏蔽,所以其K層電子的碰撞電離變得困難,使得K-X射線產(chǎn)額變小。此外,考慮到還可能存在多電子激發(fā)[23]作用。在高電荷態(tài)N離子接近表面的過程中,入射離子攜帶的巨大動(dòng)能和勢能會(huì)迅速沉積在Cu表面,使得Cu表面的大量電子被激發(fā)。在多個(gè)電子的共同作用下,N3+、N5+離子的一個(gè)K層電子被激發(fā)并在K層形成一個(gè)空穴,會(huì)使占據(jù)在L層的電子發(fā)生2p→1s的偶極躍遷,發(fā)出K-X射線。但是由于入射離子動(dòng)能較小,所以多電子激發(fā)作用在本次實(shí)驗(yàn)中占據(jù)的比重較少,仍然考慮直接庫倫電離作用是N3+、N5+離子與表面作用產(chǎn)生K-X射線的主要原因。
選擇入射動(dòng)能為1.5~20 keV/q的N6+離子,通過束流歸一化處理得到X射線譜(圖5)。圖5中存在明顯的雙峰結(jié)構(gòu),與圖2一樣,雙峰從左至右分別為C的Kα-X射線峰和N的Kα-X射線峰。
圖5 1.5~20 keV/q的N6+離子與Cu表面相互作用發(fā)射的X射線譜Fig.5 X-ray spectra induced by the interaction between 1.5~20 keV/q N6+ions and the Cu surface
對(duì)于N6+離子與Cu表面相互作用的過程,可以從二體碰撞近似理論出發(fā),根據(jù)經(jīng)典過壘模型[24],當(dāng)入射的N6+離子接近臨界距離:
式中:q為N6+的電荷態(tài);W為Cu的功函數(shù),取4.65 eV。由于金屬表面對(duì)入射的高電荷態(tài)離子起著鏡像加速作用,使入射離子的動(dòng)能增加,增加的動(dòng)能滿足:
當(dāng)其撞擊表面時(shí),高電荷態(tài)N6+離子與Cu靶表面間的勢壘高度低于費(fèi)米面,使得Cu表面的電子被共振俘獲到N6+離子的高激發(fā)空態(tài),其主量子數(shù)如式(5),并形成“空心原子”。
處于激發(fā)態(tài)的空心N原子在飛秒(fs)[25]時(shí)間尺度上迅速衰減。在本實(shí)驗(yàn)中,探測到不同動(dòng)能的N6+離子與Cu表面作用產(chǎn)生的X射線,并且N6+離子的K-X射線產(chǎn)額誤差同樣受到束流離子數(shù)統(tǒng)計(jì)及探測器立體角的影響,經(jīng)過誤差傳遞公式計(jì)算可知,誤差小于10%。根據(jù)式(1),計(jì)算得到N6+離子的K-X射線產(chǎn)額(圖6)。對(duì)于N6+離子,其K-X射線產(chǎn)額與入射離子動(dòng)能沒有明顯依賴關(guān)系。
圖6 N6+離子入射Cu表面發(fā)射的K-X射線產(chǎn)額隨入射離子動(dòng)能的關(guān)系Fig.6 The K-shell X-ray yield in collisions of N6+ions with the Cu surface vs.the kinetic energy of incident ions
N6+離子的基本電子組態(tài)為1 s,在K層有一個(gè)空穴。當(dāng)N6+離子快速接近表面并與表面相互作用時(shí),會(huì)俘獲表面的電子形成上表面“空心原子”,然后“空心原子”級(jí)聯(lián)退激,發(fā)出K-X射線[25]。除此之外,N6+離子進(jìn)入表面內(nèi)也會(huì)通過直接碰撞電離產(chǎn)生K-X射線。由于N3+、N5+離子主要通過直接庫倫電離作用產(chǎn)生K-X射線,于是把K-X射線產(chǎn)額近似等于N6+離子通過直接碰撞電離方式產(chǎn)生K-X射線產(chǎn)額。經(jīng)過計(jì)算得到,N6+離子上表面“空心原子”級(jí)聯(lián)退激產(chǎn)生的K-X射線產(chǎn)額約占其總K-X射線產(chǎn)額的97%,所以N6+離子主要通過上表面“空心原子”的級(jí)聯(lián)退激產(chǎn)生K-X射線。同時(shí),N6+離子的K-X射線產(chǎn)額應(yīng)該隨著入射離子動(dòng)能的增加而下降。這是因?yàn)殡S著入射離子動(dòng)能的增加,其速度就越快,與Cu表面的作用時(shí)間變短,K-X射線產(chǎn)額也隨之變小。但是在圖6中,N6+離子的K-X射線產(chǎn)額與其動(dòng)能卻并沒有明顯的關(guān)系,于是選取N6+離子動(dòng)能最小值9 keV和最大值120 keV的兩個(gè)動(dòng)能點(diǎn),計(jì)算得其與表面相互作用的時(shí)間分別為3.1×10-15s和8.5×10-16s,發(fā)現(xiàn)其與表面相互作用的時(shí)間差別并不是很大,所以兩個(gè)動(dòng)能點(diǎn)的K-X射線產(chǎn)額也不是很大。另一個(gè)原因可能是實(shí)驗(yàn)誤差的影響,導(dǎo)致N6+離子的K-X射線產(chǎn)額并沒有隨其動(dòng)能的增加存在明顯的下降趨勢。
基于中國科學(xué)院近代物理研究所的ECRIS,本工作測量了入射動(dòng)能為4.5~120 keV的Nq+(q=3,5,6)離子與Cu表面相互作用發(fā)射的X射線能譜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:1)N3+和N5+離子進(jìn)入表面,與Cu原子發(fā)生了緊密碰撞,在此過程中的直接庫倫電離是其KX射線產(chǎn)生的主要原因,Nq+(q=3,5)的K-X射線產(chǎn)額和K殼層的電離截面均隨入射離子動(dòng)能的增加而增大,并且其K-X射線產(chǎn)額也隨入射離子的電荷態(tài)增加而增大。2)N6+離子入射Cu表面發(fā)射的K-X射線,主要是由于相互作用中形成的上表面“空心原子”的級(jí)聯(lián)退激所致,并且上表面“空心原子”級(jí)聯(lián)退激產(chǎn)生的K-X射線產(chǎn)額約占其總K-X射線產(chǎn)額的97%,所以N6+的K-X射線產(chǎn)額與其初始的K殼空穴數(shù)相關(guān)。此外,在本實(shí)驗(yàn)中N6+離子的K-X射線產(chǎn)額與入射離子動(dòng)能沒有明顯關(guān)系。