Анализ ядерных реакций (NRA)
| При анализе ядерных реакций наличие любого элемента (особенно элементов с малой массой, таких как C, N, O) обнаруживается посредством ядерных реакций, испускаемых почти мгновенно из ядерных реакций, производимых в мишени облучающим лучом. Одним из преимуществ этого анализа является его сочетание со спектрометрией обратного рассеяния, что позволяет проводить высокочувствительное профилирование по глубине элементов, особенно распределенных на поверхности и в приповерхностной области материала. Характеристики излучения, испускаемого с различной глубины, зависят от потерь энергии падающими ионами при попадании в образец, а также от заряженных частиц, испускаемых в результате реакций при выходе из образца. Основное внимание в этой лекции уделяется обсуждению того, как определить глубинный профиль концентрации различных примесей микроэлементов путем анализа некоторых ядерных реакций. Сначала давайте рассмотрим основные методологии: | ||
| Основная методология | ||
| Для профилирования глубины с использованием NRA обычно используются два различных метода, а именно метод энергетического анализа и метод резонанса.5 В первом случае энергия анализирующего луча фиксируется, и во время анализа регистрируются энергетические спектры частиц, по которым получают профили по глубине. Второй метод, известный как резонанс, используется при получении резкого пика (резонанса) в зависимости от энергии. В этом случае профиль глубины получается из измерения выхода ядерной реакции в зависимости от энергии анализирующего луча. | ||
| Сначала обсудим метод энергетического анализа. | ||
| В этом методе в качестве зондов используются как нейтроны, так и заряженные частицы. Позвольте мне начать со следующей реакции, индуцированной нейтронами. 10В (п, а)7Ли. Энергия испускаемых альфа-частиц составляет ~1.5 МэВ, а сечение реакции ~4000 барн.6 Заряженные частицы (альфа и Li), которые испускаются изотропно из-за этой реакции, начинают двигаться наружу, покидают образец и обнаруживаются в подходящей системе обнаружения. Энергия обнаруженной частицы зависит от потери энергии частицей на пути наружу и глубины (от поверхности), где происходит ядерная реакция. Разность энергий (ΔE) альфа-частицы с поверхности и из слоя на глубине t определяется выражением: | ||
/equ5_15.png){kind=small} | ||
| Количественный анализ распределения элементов по глубине, т. е. профиля по глубине, производится непосредственно из спектра заряженных частиц. Диапазон, который можно считать расстоянием, которое частицы могут пройти после создания и все еще покинуть поверхность, зависит от состава. | ||
| Посмотрим теперь на ядерные реакции, вызываемые заряженными частицами: | ||
| В реакциях, вызванных заряженными частицами, энергия падающих частиц достаточно высока, чтобы они могли проникать через кулоновский барьер, что приводит к различным ядерным реакциям. Например, дейтрон с энергией ~ 1.7 кэВ при бомбардировке мишени из нитрида алюминия приводит к следующим ядерным реакциям:7 27 Al (d,p) 28 Al, 14 N(d,p) 15 N, 14 N(d,α) 12 C. Схема геометрии и реакций, связанных с этим конкретным примером, показана на рис. m5.9. | ||
/5.14.png) | ||
РИСУНОК m5.9 Схема реакции, индуцированной дейтерием, и базовая структура, полученная по профилю алюминия по глубине.xН/Н | ||
| Упруго рассеянные частицы останавливаются в тонком поглотителе, чтобы предотвратить насыщение скорости счета детектора и электронной системы. Давайте теперь посмотрим основные уравнения, которые управляют составом слоя и профилем глубины, используя этот процесс ядерной реакции. Аналогично методу RBS, количество обнаруженных частиц Y D пропорционально поверхностной концентрации (атомов/см² ) N t и определяется следующим уравнением: | ||
/equ5_16.png){kind=small} | ||
| где σ(θ) — дифференциальное сечение, Q — число падающих частиц, Ω — телесный угол обнаружения. Однако сечение в этом процессе не может быть представлено простой аналитической формулой. Это можно получить из литературы по ядерной физике. Для профилирования по глубине разница энергий между обнаруженными частицами, происходящими с поверхности и с глубины d, зависит от потерь энергии на пути внутрь и наружу. | ||
/equ5_17.png){kind=small} | ||
| Разница между этим и RBS заключается в том, что кинематический фактор K RBS заменен фактором реакции a.6 Если сечение реакции известно, профиль концентрации можно вывести из формы экспериментального спектра. | ||