«Каналирование заряженных частиц»

в кристаллах, движение частиц вдоль «каналов», образованных параллельными друг другу рядами атомов. При этом частицы испытывают скользящие столкновения (импульс почти не меняется) с рядами атомов, удерживающих их в этих «каналах» (рис.).

Если траектория частицы заключена между двумя атомными плоскостями, то говорят о плоскостном каналировании, в отличие от аксиального каналирования, при котором частица движется между соседними рядами атомов.

К. з. ч. было предсказано американскими физиками М. Т. Робинсоном и О. С. Оуэном в 1961 и обнаружено в 1963—65 несколькими группами экспериментаторов. Каналирование тяжёлых частиц (протонов и ионов) наблюдается при энергиях больше нескольких кэв, что соответствует длине Волны де Бройля, малой по сравнению с постоянной кристаллической решётки. К. з. ч. в этом случае может быть описано законами классической механики. Для К. з. ч. необходимо, чтобы угол, образуемый скоростью частицы и осью атомного ряда (или плоскостью для плоскостного каналирования), не превышал некоторого критического значения Ψ_кр. Угол Ψ_кр тем больше, чем больше атомные номера частицы и атома кристалла, чем меньше энергия частицы и чем меньше расстояние между атомами в ряду атомов, вдоль которого происходит К. з. ч. Для аксиального каналирования в некоторых направлениях Ψ_кр =0,1—5° (для плоскостного каналирования в несколько раз меньше).

Траектория каналированных частиц проходит дальше от ядер атомов кристаллической решётки, чем траектория неканалированных частиц. Это приводит к важным следствиям: 1) длина пробега частиц в канале значительно больше, чем длина пробега неканалированных частиц, т.к. электронная плотность в каналах меньше, чем в среднем в кристалле. Увеличение длины пробега ионов при К. з. ч. используется при ионном легировании полупроводников (см. Ионное внедрение). 2) Поскольку каналированные частицы движутся сравнительно далеко от ядер и близких к нему электронных оболочек (К и L оболочек), то вероятность ядерных реакций и возбуждения рентгеновского излучения под действием каналированных частиц намного меньше.

Частицы, движущиеся в каналах, могут выходить из канала в результате рассеяния на дефектах в кристалле (См. Дефекты в кристаллах), что используется для изучения дефектов. С эффектом К. з. ч. тесно связан эффект теней (см. Теней эффект).

Каналирование электронов отличается от каналирования тяжёлых частиц. Особенности каналирования электронов обусловлены влиянием их волновых свойств и отрицательным зарядом.

Лит.: Туликов А. Ф., Влияние кристаллической решетки на некоторые атомные и ядерные процессы. «Успехи физических наук», 1965, т. 87, в. 4, с. 585; Линдхард И., Влияние кристаллической решетки на движение быстрых заряженных частиц, там же, 1969, т. 99, в. 2, с. 249; Томпсон М., Каналирование частиц в кристаллах, там же, 1969, т. 99, в. 2, с. 297; Каган Ю. М., Кононец Ю. В., Теория эффекта каналирования, «Журнал экспериментальной и теоретической физики», 1970, т. 58, в. 1, с. 226.

Ю. В. Мартыненко.

Рис. к ст. Каналирование заряженных частиц.

КАНАЛИРОВАНИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

- движение заряж. частиц внутри монокристалла вдоль "каналов", образованных параллельными рядами атомов или плоскостей. К. з. ч. было предсказано М. Т. Робинсоном (М. Т. Robinson) и О. С. Оэном (О. S. Оеп) в 1961 и обнаружено в 1963. Различают аксиальное и плоскостное К. з. ч. Аксиальное К. з. ч. наблюдается, когда пучок быстрых заряж. частиц падает на монокристалл под малым углом к одной из кристаллографич. осей. При этом положительно заряж. быстрая частица (напр., протон), приближаясь к одной из цепочек атомов, параллельных кристаллографич. оси, в результате серии последоват. актов слабого рассеяния на упорядочение расположенных атомах как бы плавно искривляет свою траекторию так, что наблюдается почти зеркальное отражение частицы от цепочки (V₂@V₁; рис. 1, кривая а). Из теории следует, что такого рода "зеркальность" наблюдается приV₁<V _Л, где V _Л - т. н. угол Линдхарда, к-рый определяется соотношением:

Здесь Z₁e, Z₂e - заряды движущейся частицы и ядра атома монокристалла, E- энергия частицы, l - расстояние между соседними атомами в цепочке. При таком движении частица в течение всего времени удерживается вдали от ядер, находящихся на оси цепочки. При увеличении V₁ до значений V₁>V _Л характер движения изменяется.

Рис. 1. Траектории заряженных частиц в кристалле при угле падения на грань кристалла V<V _Л (кривая а) и при V>V _Л (кривая б).

Частица может испытывать близкие столкновения с ядрами, в результате к-рых она рассеивается на большой угол (кривая б) и далее движется так же, как в неупорядоч. среде. Угол V _Л составляет величину порядка долей градуса. В толще кристалла частица, движущаяся в режиме аксиального К. з. ч., испытывает последовательные акты "зеркального" отражения от разных цепочек. В поперечной плоскости движение такой частицы в общем случае представляет случайное блуждание (рис. 2). Плоскостное К. з. ч. наблюдается при падении пучка под малым углом к кристаллографич. плоскости. В этом случае частицы попеременно отражаются от соседних плоскостей; их траектория напоминает синусоиду (рис. 3). При этом частица также удерживается вдали от ядер.

Наиб. ярко К. з. ч. может проявляться в угловых распределениях продуктов ядерных реакций на монокристаллической мишени (рис. 4). Резкое уменьшение интенсивности вылетающих частиц при V₁=0 свидетельствует о том, что осн. часть падающего пучка попадает в режим К. з. ч., и вероятность столкновений с ядрами, а следовательно протекания ядерных реакций существенно снижается.

Рис. 4. Зависимость числа зарегистрированных частиц N- продуктов реакции от угла V₁ между кристаллографической осью и направлением падающего пучка.

Рис. 5. Поперечный периодический потенциал V(l) для плоскостных каналов в случае позитронов (a) и электронов (б).

Удержание каналированных частиц вдали от оси цепочки приводит и к др. физ. явлениям. Так, приV₁<V _Л уменьшается выход характеристич. рентг. лучей от внутр. электронных оболочек. Каналированные частицы имеют существенно большие пробеги по сравнению с частицами, движущимися в отсутствие К. з. ч. Это связано, с одной стороны, с тем, что отсутствие близких столкновений с ядрами уменьшает ядерные потери энергии, а с другой - траектория каналированных частиц лежит в области пониж. электронной плотности; при этом ионизац. потери уменьшаются. <Первоначально К. з. ч. наблюдалось для пучков положительно заряженных лёгких ионов (протоны, дейтроны, a-частицы) при энергии порядка 1 МэВ. В этом случае из-за малости длины волны де Бройля движущегося иона характер его движения можно описать классически в виде последовательности столкновений с упорядоченно расположенными атомами кристалла. <В случае движения более лёгких частиц (электронов и позитронов) часто существенны квантовые эффекты. На рис. 5 параболами приближённо изображена форма поперечного периодич. потенциала V для плоскостных каналов в случае позитронов (рис. 5, а )и электронов (рис. 5, б). Горизонтальными линиями изображены энергетич. уровни поперечной составляющей движения частиц в кристалле. Стрелками указаны нек-рые из возможных квантовых переходов (соотвeтствующее этим переходам эл.-магн. излучение наблюдается). Каналированные позитроны движутся в "пустотах", а электроны - в областях, "занятых" ядрами кристалла. Это различие имеет следствия: позитроны движутся в режиме К. з. ч. относительно продолжит, время, электроны же имеют повыш. вероятность рассеяться на ядрах на большой угол, так что их "длина каналирования" существенно меньше. Процесс выбывания частиц из режима каналирования наз. деканалированием. Скорость деканалирования определяется зарядом и энергией движущейся частицы и характеристиками кристалла (заряд ядер, темп-pa, дефекты и др.).К. з. ч. имеет ряд приложений. Одно из них - т. н. метод обратного рассеяния на монокристаллах. Пучок падающих частиц направляется вдоль кристаллографич. осей или плоскостей, измеряется энергетич. спектр продуктов рассеяния или ядерных реакций. Любые отклонения от идеальной решётки (температурные колебания атомов, дефекты) приводят к характерному искажению энергетич. спектра (рис. 6).

Рис. 6. Энергетический спектр рассеянных частиц при рассеянии на бездефектном кристалле (I); в кристалле, у которого на некоторой глубине располагается слой со значительным количеством дефектов (II); E₁ и E₂ - энергии частиц, рассеянных на передней и задней стенках этого слоя; высота пика на кривой II определяет концентрацию дефектов; III-отсутствие каналирования.

Методом обратного рассеяния удаётся экспериментально определять положение примесных атомов в ячейке кристалла, исследовать структуру поверхностного слоя монокристалла и др. <К. з. ч. необходимо учитывать при ионной имплантации, т. к. при определ. условиях оно может привести к расширению имплантированного слоя и усложнению его структуры. <К. з. ч. относится к группе т. н. ориентац. эффектов, возникающих при взаимодействии быстрых заряж. частиц с кристаллами (см. также Теней эффект). Лит.: Тулинов А. Ф., Влияние кристаллической решетки на некоторые атомные и ядерные процессы, "УФН" 1965, т. 87, с. 585; Линдхард И., Влияние кристаллической решетки на движение быстрых заряженных частиц, там же, 1960, т. 99, с. 249; Кумахов М. А., Ширмер Г., Атомные столкновения в кристаллах, М., 1980. А. Ф. Тулинов.