Метод обратного резерфордовского рассеяния

 

Ядерно-физический метод исследования твердых тел, так называемый метод обратного резерфордовского рассеяния, основан на применении физического явления – упругого рассеяния ускоренных частиц на большие углы при их взаимодействии с атомами вещества. Этот метод достаточно давно используется в ядерной физике для определения состава мишеней путем анализа энергетических спектров обратно рассеянных частиц. Аналитические возможности резерфордовского рассеяния легких частиц получили широкое применение в различных областях физики и техники, начиная от электронной промышленности и заканчивая исследованиями структурных фазовых переходов в высокотемпературных соединениях.

 

 

 

Рассмотрим принципиальные особенности метода обратного резерфордовского рассеяния. Возможная схема применения метода показана на Рис. Коллимированный пучок ускоренных частиц с массой М1, порядковым номером Z1 и энергией Е0направляется на поверхность объекта исследования. В качестве объекта исследования может быть достаточно тонкая пленка, масса и порядковый номер атомов которой равны, соответственно, М2 и Z2.

 

Часть ионов в пучке будет отражаться от поверхности с энергией KМ2E0, а часть пройдет вглубь, рассеиваясь затем на атомах мишени. KМ2– кинематический фактор:

 

 

Если энергии частиц анализирующего пучка достаточно для того, чтобы достичь задней поверхности мишени, то рассеянные атомами этой поверхности частицы будут иметь энергию E1. В случае присутствия на поверхности пленки примеси, масса атомов которой равна М3, появится пик в области энергий KМ3E0.

 

Аналитические возможности метода. Применение метода для определения пространственного распределения примесей и дефектов основано на возможности регистрировать разницу в энергии частиц ΔE, рассеянных атомами, находящимися на разной глубине. Частица, попадающая в детектор, претерпев акт упругого рассеяния на некоторой глубине x, имеет меньшую энергию, чем частица, рассеянная атомами вблизи поверхности. Это связано, во-первых, с потерями энергии на пути в мишень и из нее, а, во-вторых, из-за различий в потерях энергии при упругом взаимодействии частицы с атомами, находящимися на поверхности и на глубине x.

 

 

Рассмотрим процесс рассеяния частиц на большой угол на глубине и на поверхности в соответствии с Рис.

 

 

Последнее соотношение лежит в основе перевода энергетической шкалы в спектрах обратного рассеяния в шкалу глубины. При этом глубинное разрешение определяется энергетическим разрешением детектора и может составлять величину до 20 нм. Для определения энергетических потерь частицы (-dE/dx)вх и (-dE/dx)вых можно использовать формулу Бете-Блоха.