核分析原理及技术第三章

第三章沟道效应Channelingeffect§1.基本概念一、沟道效应定义沟道效应是指一束高度准直的正离子沿晶体低指数晶轴或晶面入射时，由于受到原子列的周期性静电力的作用，使其近距相互作用（背散射，核反应，内电子激发等）产额剧烈下降，靶物质阻止本领大大减小，入射离子在晶体中的射程增加的现象。randomplanaraxial沿Si[111]方向的沟道M.F.Wuetal,J.Appl.Phys.79(1996)6920二、临界角1/2临界角1/2是指能保持沟道效应的最大入射角。A：1/2；B：=1/2；C：1/2设入射离子在某位置速度为v，动能为E，与原子列的垂直距离为1.入射角（与晶轴或晶面间的夹角）很小则横向动能很小，不足以克服屏蔽势能U(0)。即2201001sin()2EMU满足能量守恒定律200()EUEELinhard采用T-F势算出2212min2()ZZeUd1222113[lg(1)]2ln2au221332120.4683()aZZa为屏蔽距离，一般为0.1~0.3Åu1为晶格原子热振动振幅均方根值，可用Debye理论计算，通常在0.05Å~1Å之间。这样可估计出值一般在0.8~1.2之间。2.=1/2时，有2min01/2()EuE12212102ZZeEd可以看出，与离子种类，能量及晶体性质，轴方向和温度有关。几种晶体中的临界角1.0MeV1/21/210MeV1/21/2100MeV1/21/212Mg0.90.550.50.150.30.0542Mo2.71.350.750.350.50.174W2.32.00.850.50.60.15Ep晶体1/2为轴沟道临界角，1/2为面沟道临界角面沟道比轴沟道要窄得多。Barrett用Montcarlo方法算出其中1210.8()RsF11.2ua是用Moliere屏蔽函数计算得的单弦势平方根。()RsF4HeP能量（MeV）计算(°)实验(°)计算(°)实验(°)1.000.660.650.030.470.470.031.250.590.600.031.500.540.540.030.380.380.032.000.470.460.030.330.330.03用此方法算出的临界角与实验得到的数值符合得很好。三、角扫描曲线，沟道坑，产额极小值固定能量窗，以不同倾角收集背散射粒子，可得到角扫描曲线。在角扫描曲线中发生沟道效应的区域产额下降，反映为沟道坑。在＝0时，近距作用产额降至极小值Ymin，由正常退道离子数所决定。定义归一化产额则沟道效应发生的条件：①②12minminmin/rYY/rYYLinhard的公式Barrett的公式（拟合）其中22min1(2)Ndua1222min118.8(1)Ndu11/2126ud例如：α粒子从Ge〈110〉方向入射T＝20°C，u1＝0.085Å，a＝0.148Å，d＝4.0Å，N＝0.0442Å-3，ψ1/2＝1.315º，＝2.04得到min＝0.020(Linhard）min＝0.0268(Barret)对完美晶体，一般min~3%实验值高于理论值，这主要是由表面氧化层，碳污染，杂质污染，加工应力导引起。一、定向谱与随机谱•入射束对准主晶轴或主晶面得到的背散射谱称为定向谱或对准谱(aligned)•为了进行对比分析，还要偏一个角度再测一个随机谱(random)§2.退沟道效应与束流集中效应表面峰在定向谱最小产额处，定向谱计数为Ha，随机谱计数为Hr对轴沟道min＝1×10-2～3×10-2对面沟道min～10－1minaarrYHYH二、退沟道效应（dechanneling)随着入射深度的增加，原来穿入沟道的粒子经多次散射，其速度方向与沟道偏离了较大的角度，以致发生大角散射。加入到随机部分中。由于退沟道效应，定向谱随能量减小而逐渐升高。三、束流集中效应（fluxpeaking）在原子列排斥作用下，原来强度均匀分布的离子束在穿过一段沟道后，强度的空间分布就不均匀了，沟道中心强度大。而靠近原子处几乎为零。一、实验设备与背散射分析相似,但其特殊性在于：1.用静电、串列等MeV能量的加速器产生的离子，需要经很好的准直。2.靶架需有精密的多维转动平动系统。3.探测器采用Au-Si面垒探测器，也可用静电分析器或时间分析谱仪。a.静电分析器采用能量分辨高，～1kV，但要逐点测量，使测量时间延长。b.TOF可测重离子，改善质量分辨，有较好的深度分辨，但时间分析技术复杂。§3.实验技术二、找沟道技术立方晶体〈100〉轴，晶体沿转360后，可以观测到8个大的极小值（面沟道）。对应于以下晶面(100)，(110)，(010)，及它们的反向晶面。(1,1,0)(110)它们对应的角记为1-8。作极坐标图(,)，以直线连结1-5，2-6，3-7，2-8，4条线将交于一点P(0,0)，其坐标，就是转角器应转过的角度。§4.沟道效应的应用一、晶格无序度总量及其分布测量一般要测三个谱：①随机谱；②完美定向谱；③损伤定向谱随机因子定义随机因子为束流中随机部分所占份额()()arYtYt损伤定向谱中的随机因子为(t)完美定向谱中的随机因子为(t)但'()'()arYtYt在损伤谱上一点的值对应为深度为t处的背向散射粒子数沟道束随机束''()()()()[()]DDarNtNNtYtYttNN''''()()()()()[1()]()()[]()()DDDarrrNtNNtNtYtYttYttYttNNN沟道束→位移原子随机束→晶格原子随机束→位移原子'''()()()[1()]()()DarrNtYtYttYttN位移原子的贡献晶格原子的贡献1''11()()[1()]()iiijjjtttPt正常退道损伤退道P(t)为在t处由损伤引起的退道几率'''()()[1()]()()aDrYtNtttYtN'''()()()()1()arDYttYtNtNt损伤分布''()()aDrDDYNNtYNNNN近表面处，'(0)aaYY(0)'(0)(0)(0)arYY''''minmin'min()()()arYttYt()0DNt在Yamin处,可以认为(t)是连接(Ya(0),0)和(Yamin,tmin)两点间的直线与Yr(t)的比值，因而就求出了(t)，从而可以求出ND(t)，即得到损伤分布。0()(0)[]DDiirAENNtY总损伤量，即A?二、杂质原子定位杂质的三种位置：1.沟道背散射杂质谱定位法Si（110）晶面上所见的晶格阵列符号〈111〉〈110〉〈100〉〈100〉否否否替位否是是四角间隙是是是偏离晶格是否可见杂质原子Si样品中掺入Ga，In，Bi的束沟道背散射谱Ga：三种情况都一样，说明它处于偏离晶格的间隙位置In：〈111〉方向产额为随机方向的40%〈110〉方向产额为随机方向的70%30%替位位置，30%四角间隙位置，40%偏离晶格间隙位置Bi〈110〉方向与〈111〉方向谱相同，均为随机谱的10%90%替位位置,10%偏离晶格的间隙位置2.沟道角分布杂质定位法(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)3.测定表面层结晶状态和晶体损伤例如：超晶体格点阵周期的测定Sisubstrate{110}plane=35.26=0.30CoSi2epilayer111110or114OfCoSi2110or114ofSia=0.5365nma=0.5431nm下课！