離子與Pd表面散射中性化實(shí)驗(yàn)

1、離子與Pd表面散射中性化實(shí)驗(yàn)載能離子與固體表面的相互作用關(guān)系使得人們對(duì)微觀層面有所認(rèn)識(shí)和了解， 本次實(shí)驗(yàn)主要研究載能Li +離子與金屬Pd表面相互作用測(cè)量其中性化份額并總 結(jié)其規(guī)律。本文共分為五部分來(lái)介紹：第一部分介紹載能離子與固體相互作用的背景、相關(guān)研究進(jìn)展以及應(yīng)用；第二部分介紹實(shí)驗(yàn)所需的主要理論依據(jù)和模型； 第三部分介紹實(shí)驗(yàn)儀器的組成以及每個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器的用途，并且對(duì)樣品的原位清潔 處理做了詳細(xì)介紹；第四部分為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取部分，大致描述了實(shí)驗(yàn)規(guī)律；第五 部分主要對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)做了一個(gè)初步的總結(jié)。載能離子與固體材料相互作用的研究一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。載能離子在固體表面散射及相關(guān)問(wèn)題的研究更是此類(lèi)研究

2、的熱點(diǎn)，并由此發(fā)現(xiàn)并解決一些重要 的理論問(wèn)題，此外相關(guān)研究對(duì)現(xiàn)實(shí)中的一些實(shí)際應(yīng)用起了很好的推動(dòng)作用，例如離子束表面改性、表面結(jié)構(gòu)分析、原子濺射沉積薄膜等等。近些年來(lái)，加速器技 術(shù)的飛速發(fā)展，已經(jīng)使得分子離子和大離子團(tuán)的產(chǎn)生成為可能，為研究不同種類(lèi)的離子及離子團(tuán)與固體材料的相互作用過(guò)程提供了有利條件。當(dāng)帶電荷的離子掠射固體表面時(shí)，發(fā)生相互作用。首先固體表面電子受其擾動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)，吸引離子接近固體表面，止匕外，離子還要受到表面原子庫(kù)侖力的排斥作用。因此研究固體表面感應(yīng)電勢(shì)以及離子的運(yùn)動(dòng)軌跡、 能量損失以及中和比例是帶電粒子與固 體表面相互作用的重要課題之一。Ritchie等人和Wagner在19

3、66年提出的鏡像反射模型（SRM）對(duì)研究表面感 應(yīng)電勢(shì)和原子離子的阻止本領(lǐng)有著不可替代的重要意義。當(dāng)離子平行于固體的表面飛行時(shí)，Nunez等人利用了三種近似形式的介電函數(shù)來(lái)描述有阻尼集體激發(fā)和 單粒子激發(fā)對(duì)能量損失的影響；Echenique又討論了不同入射速度情況下離子與 固體表面的相互作用，描述了電子感應(yīng)密度、感應(yīng)電勢(shì)、阻止力的結(jié)果。以上便 是載能離子與固體材料相互作用及其相關(guān)研究的主要理論依據(jù)。本文主要研究能量變化在15keV的Li+離子，在25度角入射的情況下，與 Pd表面電子相互作用發(fā)生中性化的過(guò)程。通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)而 分析數(shù)據(jù)，并找出其規(guī)律。第二章離子與物質(zhì)的相互作用研

4、究離子和物質(zhì)的相互作用，在許多方面，如原子和原子核物理、固體物理、 核輻射探測(cè)和防護(hù)、核技術(shù)應(yīng)用等許多領(lǐng)域中，有重要的意義。許多物理現(xiàn)象的 分析、解釋?zhuān)约霸谠S多有關(guān)方面的實(shí)際應(yīng)用、 研究工作中實(shí)驗(yàn)方案和方法的確 定，都需要以離子與物質(zhì)的相互作用為基礎(chǔ)。 深入分析離子與物質(zhì)的相互作用對(duì) 分析核物理理論以及實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果和在實(shí)際中的應(yīng)用 （如重離子致癌等）是有重 要意義的。入射鳥(niǎo)子A中離子與物質(zhì)的相互作用中離子一表面相互作用又是一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域。它是一個(gè)動(dòng)力學(xué)，多體過(guò)程，他集中研究表面以上軌跡的演化， 入射離子與表面的電荷交 換。彈性過(guò)程一般用兩體碰撞模型進(jìn)行描述。 對(duì)于非彈性碰撞，入射離子與靶電 子

5、的激發(fā)導(dǎo)致光子，X-ray和二次電子的發(fā)射。在離子與物體表面掠射散射實(shí)驗(yàn) 中，電子能損是主要機(jī)制，核能損幾乎可以忽略，但在大角度散射實(shí)驗(yàn)中，核能 損就變得非常重要。2.1兩體碰撞模型顧名思義，兩體碰撞就是兩個(gè)物體直接相互作用。 特點(diǎn)是，相碰的物體接觸 的時(shí)間很短，接觸時(shí)的相互作用比較強(qiáng)烈，且接觸前后并無(wú)其他相互作用。因此， 在接觸的過(guò)程中一般可以忽略外力的作用，認(rèn)為系統(tǒng)總動(dòng)量是守恒的。碰撞前后 系統(tǒng)的質(zhì)心速度不變，改變的只是兩物體的相對(duì)動(dòng)能。為了能夠直觀的去描述和 計(jì)算，低能離子散射常用此模型經(jīng)模型進(jìn)行處理， 從而使得問(wèn)題能夠簡(jiǎn)單化，具 體化，也因此許多問(wèn)題得到了很好的模擬與解釋。 模型化處理

6、一般采用的是實(shí)驗(yàn) 室參考系。在實(shí)驗(yàn)室參考系中，入射離子和靶的速度為 vi和V2,能量為Ei和E2。散射15角和反沖角分別為8和小。有v1M 1cosv2M i M 22M12cosM1 M 212M1M 2M 1M 2E11 E1E2 Eo4MlM 22M1 M22 cos2,其中和分別是入射離子與靶的質(zhì)量。如果M1 M2,最大的是2 . M2；COS m 1,0M1這意味著入射離子具有一個(gè)最大的散射角如果M1 M2,發(fā)生背散射，可以在到的范圍內(nèi)探測(cè)到散射離子，是背散射 的運(yùn)動(dòng)學(xué)因子。兩體碰撞可以說(shuō)是表面峰對(duì)應(yīng)離子和靶表面原子的單次碰撞。下圖展示了運(yùn)動(dòng)學(xué)因子,1222.22，E1 M 2 M

7、1 SinM 1 cosk E2M1 M 2圖1不同入射離子的彈性碰撞的運(yùn)動(dòng)學(xué)因子2.2 溝道效應(yīng)溝道效應(yīng)是帶電粒子到單晶中的一種特殊現(xiàn)象。 當(dāng)帶電粒子以一個(gè)小的角度 射入單晶中的一行行原子時(shí)，如果粒子軌跡被限在原子的行和面之間， 可使粒子 射程比隨機(jī)方向射入時(shí)有明顯的增加， 即具有異常的穿透作用。而當(dāng)入射角減小 到某個(gè)臨界值時(shí)，相鄰原子的靜電場(chǎng)也會(huì)擾動(dòng)入射的離子，影響其軌跡，導(dǎo)致了 影區(qū)的重疊。當(dāng)入射角減小到0°時(shí)，相鄰的原子將不會(huì)暴露給入射離子。掠射 角的離子表面散射就發(fā)生在這個(gè)區(qū)域，叫做平面溝道散射。Lindhand是研究溝道 效應(yīng)的先驅(qū)。對(duì)于平面溝道的情況，采用表面平面相互作

8、用勢(shì)來(lái)描述，它是由表 面原子的周期勢(shì)構(gòu)成.對(duì)于軸溝道的情況，相互作用勢(shì)由表面軸上一組原子的周 期勢(shì)構(gòu)成。對(duì)于平面溝道的情況,Up z 2 zz1z2a 史exp bZ7i bia對(duì)于軸溝道的情況，Ua r V Vi r 1 2：z2 aiK0bi1考慮到Ur min Ei Eosin2 ，我們可以估算平面溝道和軸溝道時(shí)的臨界角. 根據(jù)Lindhard的理論，熱振動(dòng)是主要的退溝道機(jī)制。由于最接近距離 rmin ,是屏 蔽長(zhǎng)度a的量級(jí)。所以我們得到的臨界角是，對(duì)于平面溝道，P .2 NZiZ2dpaarcsin .:,Eo對(duì)于軸溝道,arcsin：2 Z i Z 2 ' d pE o在平面

9、溝道的情況下，任意的方位角方向，即高的彌勒指數(shù)方向，入射離子 在表面鏡面散射。它經(jīng)典軌跡才民容易確定。另一方面，軸向溝道發(fā)生在低彌勒 指數(shù)的方向，散射離子的軌跡會(huì)有顯著的分布，同時(shí)會(huì)影響入射離子的中性化份 額和阻止本領(lǐng)。2.3 離子-表面相互作用的電荷交換過(guò)程自由電子氣是借用理想氣體模型描述費(fèi)米子系統(tǒng)性質(zhì)的量子力學(xué)模型。該模型中，粒子所處的量子態(tài)可用它們具有的動(dòng)量來(lái)表征。對(duì)于周期性系統(tǒng)，譬如在 金屬原子點(diǎn)陣中運(yùn)動(dòng)的電子，亦可類(lèi)似地引入“準(zhǔn)動(dòng)量”的概念以表征量子態(tài)。無(wú)論上述哪種模型，其具有費(fèi)米能的量子態(tài)都處于動(dòng)量空間中的一個(gè)確定的曲面上，這個(gè)曲面稱(chēng)為費(fèi)米面 面則通常是扭曲面。零度的費(fèi)米分布函數(shù)是

10、，自由電子氣的費(fèi)米面是一個(gè)球面；周期體系中的費(fèi)米1eE kT 1量小是化學(xué)勢(shì)具有波矢k的軌道電子能量是，2k2Ek 2m2kx2 ky2 kz2 ,2m對(duì)于一個(gè)有個(gè)電子的體系，處于基態(tài)意味著所有的電子占據(jù)著最低的能態(tài)，因此所有占據(jù)的電子態(tài)都在半徑為的球內(nèi)。這個(gè)球的表面能就叫做費(fèi)米能Ef o其中費(fèi)米能E f量）。因在半徑為態(tài)，因此有，體系中的價(jià)電子數(shù)目決定了費(fèi)米能和費(fèi)米波失（動(dòng)kf球內(nèi)的軌道總數(shù)為N ,此外給定和電子，它具有兩個(gè)自旋4 kf32_32 23LV3 2N 3,kf N, kf3 2V我們得到的費(fèi)米能為,Ef2m3 2NV以及費(fèi)米速度為,213Vf3 2NV我們假定在金屬內(nèi)部電子是自

11、由 在表面處有一個(gè)很陡的邊界。這個(gè)半無(wú)，通過(guò)局域勢(shì)相互作用，晶體內(nèi)均勻的勢(shì) 據(jù)勢(shì)場(chǎng)在jellium邊界zj處有一個(gè)勢(shì)的臺(tái)階。而這個(gè)臺(tái)階到表面原子的距離是頂層原子晶格常數(shù)的一半。2.4像電荷相互作用在經(jīng)典的靜電理論中，原子能級(jí)的移動(dòng)量的一階近似是，2Z 1E .4R對(duì)原子（Z=1）和離子（Z：2）來(lái)說(shuō)，這個(gè)移動(dòng)量是正值，對(duì)于負(fù)離子（Z= 0）, 這個(gè)量是負(fù)值。這個(gè)關(guān)系告訴我們一般的特點(diǎn)就是，當(dāng)一個(gè)原子或者分子接近金 屬表面的時(shí)候，電子的親和能增加，而電離能減小。在一定距離的時(shí)候，電離能 會(huì)和費(fèi)米能級(jí)交叉，這樣又使得共振躍遷成為可能。如下圖圖2原子在金屬面前的像電荷相互作用的示意圖圖3對(duì)原子-表面

12、碰掛的位置依賴(lài)的電離能I（R）和親和能A（R）。Ef和W分別是金屬的費(fèi)米能和功函，R0是像平面的位置共振躍遷是單電子躍遷過(guò)程，主要有兩種過(guò)程：共振中性化和共振電離，此 外還有準(zhǔn)共振中性化過(guò)程。2.4.1 共振躍遷共振躍遷單電子躍遷過(guò)程，包括兩種：共振中性化，入射離子從靶上俘獲電子而中性化；電離共振，入射離子丟失電子到靶上而被電離。 此外還有準(zhǔn)共振化 過(guò)程，靶電子通過(guò)隧道穿過(guò)勢(shì)壘跑到入射離子上。 在相互作用初期，遂穿過(guò)程幾 乎可以忽略。根據(jù)費(fèi)米黃金定則，一階近似可以得到躍遷率 Gr,即電子在距離表面為z 處，在入射離子和表面之間的躍遷概率Gr 2pHf,i2 f,f是最終密度，Hf, i揭示了入

13、射離子的終態(tài)| f和靶初態(tài)| i的耦合矩陣元,Hf，if| q/r| i ,這里的操作算符是入射離子的庫(kù)倫勢(shì)，電子離核距離為r。因?yàn)榻K態(tài)和初的波函數(shù)是隨距離z的增加而減小，所以在大距離 z時(shí)也指數(shù)的變化，Gr z Gr 0 exp az ,其中是z=0時(shí)的最大值，因子是耦合矩陣元的衰減長(zhǎng)度的倒數(shù)。圖4當(dāng)入射離子接近金屬表面時(shí)的共振躍遷的草圖也就是說(shuō)，當(dāng)原子力表面很遠(yuǎn)的時(shí)候，它具有離散的能級(jí)，但當(dāng)它接近表面 時(shí)，原子和金屬電子態(tài)的相互作用就會(huì)展寬原子的能級(jí)，而且由于像勢(shì)作用，原子的電離能級(jí)將會(huì)上移，而親和能級(jí)會(huì)下降。如果入射離子進(jìn)一步接近靶表面， 電離能級(jí)會(huì)移到表面的費(fèi)米能及以下，這樣展寬的原子

14、能級(jí)電子態(tài)會(huì)和表面的滿 帶的電子態(tài)共振。2.4.2 Auger 躍遷Auger電子躍遷是雙電子過(guò)程。如圖 3,俄歇中性化是指導(dǎo)帶的一個(gè)電子躍 遷到入射離子上，而另一個(gè)電子被激發(fā)到真空級(jí)或者是激子。Auger俄歇退激是然后退激到基態(tài)的時(shí)候伴隨著發(fā)指導(dǎo)帶的一個(gè)電子被俘獲到入射離子的亞穩(wěn)態(tài)，射入射離子的另一個(gè)電子。圖5俄歇電子過(guò)程草圖：a,俄歇中性化 b ,俄歇退激當(dāng)離子掠射入射的情況下，主要通過(guò)俄歇中性化機(jī)制發(fā)生中性化。在方位角 為0°和90°方向上，離子份額有兩個(gè)谷，主要是由于在表面散射的不同離子軌 跡。在00方向上，中性粒子主要是入射離子經(jīng)歷表面溝道效應(yīng)產(chǎn)生，只有一小 部分

15、中性粒子是由表面原子散射而產(chǎn)生。 然而所有的離子是由在表面原子散射的 人幸存下來(lái)。第三章實(shí)驗(yàn)儀器本實(shí)驗(yàn)儀器主要由靶室、離子源、高壓系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)組成。 離子源 為L(zhǎng)i +離子源。靶室為一真空室，里面裝有離子源、 Ar+槍、電子槍和樣品裝載裝 置以及一個(gè)四維操縱桿。Ar+槍、電子槍用于對(duì)樣品的濺射和退火以達(dá)到清潔的 目的，操縱桿可以控制離子與靶樣品表面的掠射角度。位置靈敏探測(cè)器用于探測(cè)中和以及未中和的離子的數(shù)目。高壓系統(tǒng)可提供上千伏特的高壓給離子電子提供 能量。接下來(lái)將對(duì)儀器做詳細(xì)的介紹。3.1 靶室3.1.1 真空系統(tǒng)分子泵作為主泵，經(jīng)過(guò)烘烤靶室從超高真空是指10-6到10-12Pa的真

16、空。因?yàn)檠芯课矬w表面的性質(zhì)，需要保持 樣品的清潔。如過(guò)暴露在空氣中，很快就會(huì)吸附一層空氣膜和其他雜質(zhì)分子原子 以及離子等，這對(duì)實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)是絕對(duì)不允許的。故實(shí)驗(yàn)必須在超高真空中進(jìn)行。實(shí) 驗(yàn)中獲得超高真空是使用機(jī)械泵作為前級(jí)泵，而獲得超高真空。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)分子泵抽氣，一天后可達(dá)到 2*10-6Pa,然后烘烤至 120度，并對(duì)燈絲進(jìn)行出氣。再經(jīng)過(guò)一周抽氣，真空可達(dá) 2*10-7Pa。能夠達(dá)到實(shí) 驗(yàn)的要求。3.1.2 離子源離子源是由一個(gè)圓筒形的放電室（陽(yáng)極）和裝在里面的鴇燈絲（陰極），Wien Filter和聚焦系統(tǒng)構(gòu)成。工作氣體進(jìn)入毛絨管后導(dǎo)入電離室，為維持穩(wěn)定的放 電，就要確保氣壓的足夠和穩(wěn)定。由于

17、圓筒形的放電室內(nèi)部需要接入高壓，必須安裝漏閥以達(dá)到和供氣罐的絕緣。 從燈絲發(fā)射出的熱電子經(jīng)過(guò)加速到達(dá)陽(yáng)極， 在 此過(guò)程中獲得足夠的動(dòng)能來(lái)電離工作介質(zhì)。電離后的離子通過(guò)陽(yáng)極板上的小孔引出。引出離子束的能量可以通過(guò)引出極和陽(yáng)極之間的電壓來(lái)控制。引出極接地， 陽(yáng)極上的電壓的極性決定了要引出的是正離子束的還是負(fù)離子束。離子源運(yùn)行時(shí)間的長(zhǎng)短取決于燈絲的壽命和工作氣體。一些氣體會(huì)對(duì)離子源 造成污染從而導(dǎo)致放電不穩(wěn)定，尤其是含碳的氣體，比如 CO2, CF4等。當(dāng)離 子源采用這些氣體時(shí)，離子源內(nèi)所有的金屬表面會(huì)覆蓋一定量的碳， 不得不定期 拆掉離子源清潔。放電離子源產(chǎn)生的離子一般具有不同的荷質(zhì)比，為了選擇需

18、要的離子種類(lèi)， 就必須要運(yùn)用質(zhì)量選擇器。其中 Wien Filte是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的速度選擇器。在 Wienfilter里，電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互垂直.通過(guò)調(diào)整電場(chǎng)強(qiáng)度，我們感興趣的具有特定 的速度離子，就可以直接通過(guò) WicnFilter,而其它的離子都會(huì)被抑制住。3.1.3 Ar +槍、電子槍由于本次試驗(yàn)是重復(fù)性試驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)后靶樣品表面都會(huì)殘留上次實(shí)驗(yàn)留下 的離子和雜質(zhì)，會(huì)對(duì)之后的實(shí)驗(yàn)造成很大的影響。 所以，每次實(shí)驗(yàn)后都要對(duì)樣品 進(jìn)行清潔處理。Ar+槍、電子槍就擔(dān)任了此角色。通過(guò)漏閥將惰性氣體Ar引入濺射離子槍?zhuān)眉铀俸蟮挠芍睆?0.2mm鴇絲加 熱產(chǎn)生的熱電子電離氣體。然后將產(chǎn)生的離子引出、加速

19、并聚焦。經(jīng)過(guò)聚焦后的 束流直接打到樣品上。由于濺射后樣品表面不平整，需要退火。實(shí)驗(yàn)采用電子轟擊加熱的方法來(lái)實(shí)現(xiàn) 高溫退火處理的。下圖是退火時(shí)的數(shù)據(jù)及其圖像處理電壓N000.030.090.180.290.440.660.92電流/A0.50.70.91.11.21.31.61.92.1溫度/202020202325273035電壓/V1.051.281.652.052.462.772.983.143.37電流/A2.22.42.62.83.03.23.43.63.8溫度/476084120169201242274305電壓/V3.553.804.014.204.434.634.804.974.

20、99電流/A4.04.34.54.74.95.15.35.45.5溫度/327349366387406418430442449表1退火實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄t/min圖6退火數(shù)據(jù)處理圖像由圖可知，本實(shí)驗(yàn)自主設(shè)計(jì)的退火裝置退火溫度最終穩(wěn)定在440攝氏度左右，足以達(dá)到樣品二次清潔和表面平整的作用。樣品搭載裝置以及操縱桿樣品搭載裝置，即靶架，主要由燈絲、陽(yáng)極、測(cè)溫系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)、靶固定架裝置組成。為得到較好的加熱效果，燈絲中心應(yīng)與靶中心位置對(duì)齊。 而且燈絲 工作時(shí)本身具有熱輻射，所以燈絲距陽(yáng)極越近效果越好。 燈絲距陽(yáng)極越近，加熱 效果越好；燈絲距陽(yáng)極越近，高壓越低。因此燈絲距陽(yáng)極的距離應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)中使 用的高壓

21、以及絕緣效果來(lái)綜合考慮。 實(shí)驗(yàn)中會(huì)用到高壓給電子加速。燈絲與陽(yáng)極 之間就具有很高的電壓，因此需要好的絕緣材料，如陶瓷，在靶架設(shè)計(jì)中就需要設(shè)計(jì)其大小和形狀。真空條件下?lián)舸╇妷捍蠹s為10kV/cm,因此燈絲與陽(yáng)極的距離就決定了高壓的最大值。離靶越近，溫度越高，因此接線柱應(yīng)遠(yuǎn)離靶。對(duì)靠近 的高溫導(dǎo)線可以采用陶瓷套住裸線的方法。高壓導(dǎo)線的耐壓性決定了高壓的大 小，因此要使用滿足實(shí)驗(yàn)條件的耐壓導(dǎo)線。實(shí)驗(yàn)中，陽(yáng)極與靶都是導(dǎo)電材料，如 果給陽(yáng)極接正高壓，在測(cè)量靶上的各種數(shù)據(jù)時(shí)就需要耐高壓的儀器， 測(cè)量不方便。 而給燈絲接負(fù)高壓，則只需一個(gè)耐高壓的燈絲電源，此時(shí)陽(yáng)極為低電位，適合測(cè) 量數(shù)據(jù)。所以我們選擇給燈絲

22、接負(fù)高壓。 燈絲材料我們選用鴇絲，鴇絲是常用的 發(fā)光發(fā)熱耐高溫的材料，同時(shí)也是一種常用的熱電子發(fā)射材料。陽(yáng)極材料選用鑰， 鑰耐高溫性很強(qiáng)，導(dǎo)熱性好。測(cè)量溫度用K型熱偶。其最佳位置是固定在靶中心, 但實(shí)際無(wú)法做到。只能固定在陽(yáng)極邊緣，缺點(diǎn)是測(cè)量溫度不夠準(zhǔn)確。當(dāng)溫度為 500度時(shí)，低估50度左右。3.2 數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)如下圖所示，位置靈敏探測(cè)器'> 前置放大器>前置放大器V多通分析器<=壬放大器主放大詈圖7數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)示意圖離子打樣品Pd表面散射后會(huì)有中和和未中和的粒子， 經(jīng)過(guò)一個(gè)具有V電壓 的偏轉(zhuǎn)板后，中和和未中和的粒子會(huì)分開(kāi)，進(jìn)入到位置靈敏探測(cè)器的不同位置。 如下圖所示

23、，圖8探測(cè)器探測(cè)粒子數(shù)示意圖由位置靈敏探測(cè)器探測(cè)到的粒子個(gè)數(shù)經(jīng)過(guò)兩個(gè)前放、兩個(gè)主放后進(jìn)入多道分析器中獲取數(shù)據(jù)。獲取的數(shù)據(jù)由 MPA-3軟件處理。如下圖，圖9 MPA-3多道測(cè)量圖像可見(jiàn)明顯有兩個(gè)峰，左邊的峰面積是未中和的離子計(jì)數(shù)，右邊的峰面積是被 中和的離子的計(jì)數(shù)，通過(guò)軟件可以直接測(cè)出離子的個(gè)數(shù)。3.3 樣品的準(zhǔn)備本實(shí)驗(yàn)主要研究不同能量的Li +離子通過(guò)25°入射角入射Pd表面的中性化 情況，其作用原理是Li +離子與Pd表面原子相互作用發(fā)生電荷交換。如果靶表 面不潔凈，不平整，就會(huì)使得測(cè)量結(jié)果很不準(zhǔn)確，甚至與實(shí)際完全不符合。所以 實(shí)驗(yàn)前需要對(duì)樣品表面進(jìn)行處理，使其達(dá)到十分清潔平整。

24、實(shí)驗(yàn)室中常用的手段 是惰性氣體離子濺射和退火處理。首先說(shuō)明，這些技術(shù)并不是在所有情況下都可以運(yùn)用的。 離子濺射一般可以 用來(lái)清潔每一個(gè)表面，但將導(dǎo)致表面結(jié)構(gòu)損傷，更重要的是，對(duì)于多種成分的表 面，比如合金，氧化物，離子濺射導(dǎo)致的優(yōu)勢(shì)濺射會(huì)導(dǎo)致靶材料另一種成分的富 集。在較高的溫度下，表面的污染物也可以解吸附，然而，對(duì)于含硫的物質(zhì)可能 就不適合的。因?yàn)橥嘶鸷罄鋮s的過(guò)程中，硫污染物會(huì)從靶墓底擴(kuò)散到表面.一般, 這種情況依賴(lài)于靶厚度，退火時(shí)間和溫度.最后，還可以通過(guò)化學(xué)反應(yīng)來(lái)消除表 面的污染物.比如，鍥表面上的碳污染物可以在高溫下通入氧氣，這樣碳就變成 一氧化碳或二氧化碳被清除。另外，表面的粗糙度對(duì)

25、離子掠射角散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果 有很大的影響.因此為了得到比較平整的表面，首先表面要經(jīng)過(guò)機(jī)械的拋磨，然 后在掠射角濺射表面.因?yàn)槁由浣侨肷?，不僅能有效的消除表面的吸附物，而且 也不容易造成表面損傷，另外，在濺射的過(guò)程中，不停的旋轉(zhuǎn)靶的方位角，這樣 也是為了避免對(duì)表面的優(yōu)勢(shì)濺射造成的缺陷。Pd (Pd)是第五周期Vffl族柏系元素，原子序數(shù)為46。Pd是銀白色過(guò)渡金屬， 較軟，熔點(diǎn)較低，有很好的延展性和可塑性，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。因?yàn)镻d吸附雜質(zhì)能 力較強(qiáng)，表面不大好處理，所以在散射實(shí)驗(yàn)中Pd材料研究的很少。本實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)技術(shù)條件可達(dá)到的情況下用 Pd作為靶材料進(jìn)行研究。清潔處理手段采用濺射 和退火，具體步驟

26、如下：(1)獲取真空。利用機(jī)械泵、分子泵、離子泵抽氣，并采用烘烤等手段來(lái) 獲取超高真空。本實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜻_(dá)到的超高真空可達(dá)1*10-8 Pa。(2)濺射。將角度調(diào)整為15° ,充入氮?dú)庵琳婵諡?.5*10-4Pa,然后利用 氮槍打出3KeV的Ar+離子，通過(guò)聚焦后濺射樣品 Pd的表面。為避免優(yōu)勢(shì)濺射， 學(xué)要每隔一段時(shí)間改變?yōu)R射位置并重復(fù)濺射。(3)退火。利用電子轟擊加熱至450c左右，退火20mins。(4)重復(fù)以上濺射和退火過(guò)程20次左右便可獲得清潔的表面。第四章實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理經(jīng)上述樣品Pd原位表面清潔處理過(guò)后，由于存在于超高真空中，樣品 Pd 表面可保持很長(zhǎng)時(shí)間的清潔，滿足實(shí)驗(yàn)要求。接下

27、來(lái)本實(shí)驗(yàn)在一定的角度下分別 測(cè)量了不同能量的Li +離子入射Pd表面的中性化情況，經(jīng)由多道系統(tǒng)以及MPA-3 軟件可讀取總的計(jì)數(shù)值以及中和離子數(shù)、 未中和離子數(shù)，很容易就能算出中性化 份額。三次實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別是在表面清潔前期，中期，后期得到的 。下面將會(huì)對(duì)這 三種情況分別進(jìn)行處理及討論。經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)的前期準(zhǔn)備，包括真空的獲取和樣品 Pd的原位清潔處理，便可以進(jìn)行中性化測(cè)量試驗(yàn)。需要說(shuō)明的是，必須在最后 一次退火后馬上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，否則由于金屬Pd的性質(zhì)，具表面很快覆蓋一層雜質(zhì)， 會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)造成很大的影響。4.1入射角為25度，Li+離子散射在非清潔Pd表面的中性化情況為了探究表面雜質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，此次實(shí)驗(yàn)

28、中的樣品Pd的表面清潔做的不是很徹底。先利用操縱桿將Li+入射方向與樣品平行方向的夾角調(diào)整為25度，然后用不同能量的Li+離子打Pd樣品，能量從1.8KeV至ij 5.0KeV。數(shù)據(jù)記錄如下energyNEUTRALPTOTALneutralP1.87060；07060102512687660020.854048652.54513431588280.5112143180.48878562323008254105540.2179268520.7820731483.551797770129490.3999536640.60004633641357938007515860.2632303340.73

29、67696664.51285633323461790.2783949410.72160505952708256048831300.3257789010.674221099表2入射角為15°的Li+離子入射非清潔 Pd表面的數(shù)據(jù)記錄繪制成圖彳象,如圖10,更能直觀的看出其規(guī)律。通過(guò)圖像，我們可以得知，開(kāi)始能量較低時(shí)，中性化份額隨著入射離子能量 的迅速的下降，而后隨著能量的增加平緩的上升， 且有很不和諧的點(diǎn)出現(xiàn)。由前 文我們知道，Li +離子與樣品Pd主要是共振躍遷機(jī)制從而中性化。當(dāng) Li +離子接 近Pd表面時(shí)，由于相互作用Li+離子的能級(jí)將會(huì)展寬，而且由于像勢(shì)作用，其電 離能級(jí)將會(huì)上

30、移。而當(dāng)Li+離子進(jìn)一步接近靶表面，電離能級(jí)會(huì)移到表面的費(fèi)米 能及以下，這樣展寬的原子能級(jí)電子態(tài)會(huì)和表面金屬原子的滿帶的電子態(tài)共振。 隨著能量的增加，Li+離子與樣品Pd表面原子的接觸時(shí)間越來(lái)越短，且離子的電 離19Q,86 41 o o O額份化性中1.52.02.53.03.54.04.55.05.5能量(KeV)圖10非清潔表面中性化份額比例圖能上移，穿過(guò)表面的費(fèi)米能級(jí)，導(dǎo)致中性化份額隨著能量的增大而減小。大能量 區(qū)域曲線上升猜想可能的原因有：1、由于躍遷概率Gr z與Li +離子和Pd原子的 距離z有著指數(shù)關(guān)系，Gr z Gr 0 exp az，隨著Li +離子能量的增大，z越來(lái)越 小

31、，從而躍遷概率Grz會(huì)有所增加，導(dǎo)致能量較大時(shí)中性化份額會(huì)有所上升；2、 由于表面不清潔，其吸附的雜質(zhì)對(duì)中性化份額產(chǎn)生了較大影響。 且雜質(zhì)對(duì)中性化 份額的影響是和樣品Pd的影響是相反的。4.2 入射角為25度，Li+離子散射在清潔Pd表面的中性化情況由于上次實(shí)驗(yàn)過(guò)樣品Pd表面并不是很清潔，需要對(duì)樣品 Pd進(jìn)行徹底的原 位清潔處理，即濺射和退火。為了更加說(shuō)明樣品Pd表面雜質(zhì)會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生很大影響的問(wèn)題，在角度不變的情況下，實(shí)驗(yàn)在較清潔表面時(shí)測(cè)量了一組數(shù)據(jù)，能量從1.2KeV到5KeV,見(jiàn)表3,在徹底清潔表面時(shí)在此測(cè)量了一組數(shù)據(jù)，能量從 1.4KeV 至U 5KeV ,見(jiàn)表 4。具體過(guò)程是，在4.1

32、實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)對(duì)樣品 Pd表面進(jìn)行為期兩天的原 位清潔處理，會(huì)得到表面較清潔的樣品 Pd,重復(fù)4.1實(shí)驗(yàn)的步驟測(cè)量數(shù)據(jù)。然 后，接著進(jìn)行了為期六天的濺射和退火，目的是為了徹底清潔樣品 Pd的表面。 而且根據(jù)目前相類(lèi)似實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及相關(guān)理論知識(shí)，可以保證樣品 Pd表面的原位 清潔處理是很徹底的。如此之后在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量。energytotalNEUTRALPneutralP1.258765876010:1.5381736062110.9447209850.0552790151.810153439057630.4323845170.56761548329599425853410.4435878

33、740.5564121262.510543423663070.4017831740.598216826310650253181190.2376525820.7623474183.510592239881940.2263972810.773602719410809237684330.2198168190.7801831814.510185193082550.1894943540.810505646511116207190450.1863080240.813691976表3入射角為15°的Li+離子入射較清潔 Pd表面的數(shù)據(jù)記錄將上表繪制成圖像，以便更加直觀的觀測(cè)規(guī)律，如圖 110 中性

34、化份額1.0 -,86 / 2 o o o O 額份化性中1.01.52.02.53.03.54.04.55.05.5能量(KeV)圖11較清潔表面中性化份額比例圖energytotalNEUTRALPneutralP1.4374336021410.9623296820.0376703181.64931359013410.7280470490.2719529511.89050311459360.3440883980.6559116022.582031772643110.216018530.783981473160842474136100.1538174580.8461825423.5116971569101280.1341369580.865863042410697150791900.1408806210.8591193794.510430141290180.1353787150.86462128559244111681280.1207269580.879273042表3入射角為15°的Li+離子入射清潔 Pd表面的數(shù)據(jù)記錄按照前面的處理，將表3繪制成圖像，如圖12.中性化份