在多电荷Cs+和Si+离子轰击下，表面涂有银的石英谐振器的二次离子发射现象

《Vacuum》：Secondary ion emission of a surface quartz resonator coated with silver under bombardment by multiply charged Cs+ and Si+ ions

　　

Sh.Dj. Akhunov|I.M. Saydumarov|Sh.Z. Urolov|S.S. Iskhakova|Sh.M. Akhmedov|A.Sh. Radjabov|Zhan Yu|D.T. Usmanov

乌兹别克斯坦科学院Arifov离子等离子体与激光技术研究所，地址：Durmon Yoli街33号，塔什干100125，乌兹别克斯坦

摘要

在本研究中，我们研究了用多次带电的Cs^q+和Si^q+离子轰击时，涂有银层的石英谐振器表面的二次离子发射现象。为此，我们开发并测试了Cs^q+和Si^q+离子源。实验使用的是经过现代化的MI 1201质谱仪，该质谱仪配备了Cs^q+和Si^q+离子源。轰击用的多次带电离子的能量范围为每单位电荷1–10 keV。经过长时间的离子轰击后，银层被蚀刻掉，暴露出了为提高银层与石英附着力而涂覆的过渡层铬层。在银层与铬层的交界处，质谱中观察到了由铯、银和铬原子组成的簇离子；随着进一步蚀刻，铬离子成为质谱中的主要峰。我们采用了表面电离技术作为后续电离手段来检测中性物种，并评估了铬在溅射过程中的电离概率。实验结果表明，随着轰击用多次带电离子中原子数量的增加，二次原子和分子离子的产率也随之增加，这一现象在电离势较大的轻元素中尤为明显。

引言

二次离子质谱（SIMS）是一种分析固体材料基本性质的强大技术。带电粒子与固体之间的相互作用提供了关于材料物理化学性质及其电离机制的独特信息。迄今为止，已经使用SIMS技术研究了多种材料，实验中使用了原子、簇离子、分子离子以及多次带电离子，在广泛的能量范围内进行了研究[[1], [2], [3], [4], [5], [6]]。这些研究极大地促进了人们对二次离子发射机制的理解[[7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14]]。众所周知，多次带电离子与固体相互作用时伴随着势能的释放，这部分能量会沉积到薄表面层的电子子系统中。这种能量的后续释放不仅导致电子的发射，还由于电子子系统的强烈局部激发而增加了二次离子的产率。这些效应为提高SIMS的灵敏度和分析能力提供了有希望的途径。

Ghalab等人使用SF₅⁺和Xe⁺离子轰击银表面，研究了Ag_n中性簇和Ag_n⁺簇离子的形成[15]。他们采用波长为193 nm的强紫外激光进行激光后续电离，以检测中性物种。研究发现，与使用Ar⁺或Xe⁺离子相比，使用SF₅⁺离子显著提高了簇离子的产率。当使用SF₅⁺离子时，银原子和Ag_n簇的电离概率增加；然而，SF₅⁺对银表面的轰击并未显著增加中性物种的产率。Mayer等人同时测量了从覆盖有Cs的多晶银表面溅射出的Gs、Ag和AgCs的离子的电离概率，这些离子以中性或离子形式存在[16]。他们发现AgCs分子主要以中性物种的形式被释放。Sun等人使用C₆₀⁺和Ga⁺离子轰击银表面，研究了溅射出的中性颗粒和二次离子的形成[17]。实验和分子动力学模拟均表明，在15 keV的C₆₀⁺轰击下，中性Ag物种的产率是使用Ga⁺离子时的5.6倍。他们还观察到，在C₆₀⁺轰击下释放的中性Ag原子具有显著较低的速度，这表明存在非线性碰撞级联过程。迄今为止，已经通过各种实验技术和建模方法研究了银溅射过程中激发态Ag原子的形成[18]、使用单原子和多原子离子对Ag自溅射的分子动力学模拟[19]、keV离子轰击银时形成的较大簇[20]，以及使用keV离子轰击金属表面（包括Ag）时产生的二次离子[21]。据我们所知，尚未有人使用SIMS方法研究过涂有银层的石英谐振器在多次带电离子轰击下的行为。

在本研究中，我们研究了用多次带电的Cs^q+和Si^q+离子轰击时，涂有银层的石英谐振器表面的二次离子发射过程。研究目的是通过监测石英谐振器的频率变化来开发一种测量多次带电离子影响下电离概率的方法。

章节摘录

实验

实验是在基于MI 1201质谱仪的自制设备上进行的。实验装置包括多次带电的铯和硅离子源、一次离子磁分离器以及基于MI 1201质谱仪的二次离子磁分析器[22,23]。一次离子的质量范围为2000 Da，二次离子的质量范围为4000 Da。该二次离子质谱仪能够对二次离子进行质量分析。

结果与讨论

对涂有银层的石英谐振器板进行了多次带电的Cs^q+（q = 1-5）和Si^q+（q = 1-5）离子的轰击，以研究二次离子的形成。在用多次带电的硅离子进行测量之前，首先用Cs^q+离子对银表面进行蚀刻，并在此过程中记录了二次离子质谱。蚀刻过程中观察到质谱的变化：最初，质谱主要由Ag⁺离子组成；随着轰击的进行，

结论

在用多次带电的Cs^q+（q = 1–5）和Si^q+（q = 1–5）离子轰击Ag石英谐振器涂层的过程中，研究了二次离子发射谱。随着轰击离子电荷的增加，二次原子和分子离子的产率显著提高，尤其是在电离势较大的轻元素中更为明显。

CRediT作者贡献声明

Sh.Dj. Akhunov： 数据整理、研究、方法论、撰写——审稿与编辑。I.M. Saydumarov： 形式分析、研究、方法论、撰写——审稿与编辑。Sh.Z. Urolov： 数据整理、研究。S.S. Iskhakova： 数据整理、形式分析。Sh.M. Akhmedov： 形式分析、研究。A.Sh. Radjabov： 数据整理、验证。Zhan Yu： 形式分析、软件处理。D.T. Usmanov： 构思、可视化、初稿撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究部分是在FL-8824063381研究项目的框架内完成的，该项目由乌兹别克斯坦共和国高等教育、科学和创新部的Innovative Development Agency资助；同时也在乌兹别克斯坦共和国国家预算资助的研究课题范围内进行。