Резерфордовское обратное рассеяние (RBS) — метод аналитической физики поверхности и тонких плёнок, основанный на измерении энергии и углов рассеянных ионов, направленных на образец. Метод позволяет получать количественную информацию о составных элементах, глубинном распределении элементов и толщине тонких плёнок с высокой точностью.
В RBS на образец направляют пучок тяжелых ионов (чаще всего альфа-частиц, то есть He²⁺ с энергией 1–3 МэВ). При взаимодействии этих ионов с атомами мишени происходит упругое столкновение, в результате которого ион рассеивается в обратном направлении. Измеряя энергию рассеянных ионов под определённым углом, можно определить массу атомов в образце и глубину их залегания.
Основной процесс — упругое столкновение двух частиц: движущегося тяжелого иона (массой M1, энергией E0) и неподвижного атома мишени (массой M2).
Энергия рассеянного иона после столкновения определяется законом сохранения энергии и импульса:
E1 = E0 ⋅ K(θ)
где K(θ) — коэффициент передачи энергии, зависящий от угла рассеяния θ и масс частиц:
$$ K(\theta) = \left( \frac{M_1 \cos \theta \pm \sqrt{M_2^2 - M_1^2 \sin^2 \theta}}{M_1 + M_2} \right)^2 $$
Для обратного рассеяния (угол θ близок к 170–180°) чаще выбирают знак «+».
Энергия иона после рассеяния служит «отпечатком» массы атома, от которого произошло рассеяние.
При прохождении ионов вглубь образца они теряют энергию за счёт взаимодействия с электронами и ядрами вещества (ионизационные потери и кулоновское рассеяние).
Общая потеря энергии иона, приходящаяся на глубину x, описывается через средний коэффициент остановки S (Energy Loss per unit length):
ΔE = S ⋅ x
Следовательно, ион, рассеянный на глубине x, потеряет часть энергии при выходе на поверхность, и его энергия будет меньше, чем у иона, рассеянного с поверхности. Это позволяет строить профиль концентрации элементов по глубине.
Энергия ионов: Обычно используются ионы He²⁺ с энергией от 1 до 3 МэВ. Возможен выбор других ионов (например, H⁺), но He²⁺ оптимальны из-за хорошей массы и энергии для упругих столкновений с большинством элементов.
Угол рассеяния: Чаще всего детектор расположен под углом ~170°, что соответствует обратному рассеянию. Такой угол позволяет максимизировать разрешение по массе и чувствительность к легким элементам.
Разрешающая способность по глубине: На порядок порядка 5–10 нм, что позволяет анализировать тонкие плёнки и границы раздела.
Массовое разрешение: Позволяет различать элементы с массами, отличающимися примерно на 1–2 а.е.м.
Определение элементного состава: RBS позволяет точно количественно определить массовый состав верхних слоев и плёнок.
Измерение толщины тонких плёнок: Толщина плёнки определяется по смещению энергетического пика иона, рассеянного от слоя, относительно поверхности.
Глубинное распределение примесей: Метод позволяет оценивать распределение легких и тяжелых примесей в подложке и плёнке.
Анализ границ раздела: RBS показывает резкие или диффузные изменения состава, что важно для изучения интерфейсов.
Подготовка образца: Образец помещается в вакуумную камеру, обеспечивающую давление порядка 10−6 – 10−8 Торр для минимизации рассеяния в газах.
Генерация ионизированного пучка: Часто используют ионный пушка или ускоритель с генерацией пучка He²⁺ с заданной энергией.
Измерение энергии рассеянных ионов: Используют энергоспектрометры на основе кремниевых детекторов с обратным смещением. Они регистрируют количество ионов по их энергиям.
Обработка спектров: По позициям и ширине энергетических пиков строится элементный и глубинный профиль.
Для интерпретации спектров применяется моделирование, учитывающее:
Распределение энергии ионов во времени и пространстве.
Стопные мощности (энергетические потери в веществе).
Упругое и неупругое рассеяние.
Геометрию эксперимента.
Сравнение экспериментальных и смоделированных спектров позволяет точно извлекать толщину, состав и профиль плёнок.
Преимущества:
Высокая точность количественного анализа.
Неразрушающий характер исследования.
Возможность анализа лёгких и тяжёлых элементов.
Глубинное профилирование с нанометровым разрешением.
Ограничения:
Требуется вакуум и сложное оборудование (ускоритель).
Ограниченная чувствительность к очень легким элементам (например, водороду).
Низкая пространственная разрешающая способность (обычно анализируется большая площадь).
RBS часто комбинируют с:
SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry): для анализа легких элементов и изотопов.
XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy): для изучения химического состояния элементов.
AFM и SEM: для морфологического исследования поверхности.
Резерфордовское обратное рассеяние является одним из ключевых методов в физике поверхности и тонких плёнок. Его способность к количественному определению состава и глубинному профилированию делает RBS незаменимым инструментом при изучении тонкопленочных структур, микроэлектроники, материаловедения и нанотехнологий. Понимание физики рассеяния и корректная интерпретация спектров позволяют получать детальную и достоверную информацию о структуре и составе образцов.