Введение
Процесс, ограничивающий путь заряженной частицы через кристалл В физике конденсированной материи канализация (или канализация) - это процесс, ограничивающий путь заряженной частицы в кристаллическом твердом веществе. Многие физические явления могут возникать, когда заряженная частица падает на твердую цель, например, эластическое рассеяние, процессы неэластичной потери энергии, вторичное излучение электронов, электромагнитное излучение, ядерные реакции и т. д. Все эти процессы имеют поперечные сечения, которые зависят от параметров удара, участвующих в столкновениях с отдельными атомами-мишенями. Когда целевой материал однородный и изотропный, распределение параметров удара не зависит от ориентации импульса частицы, а процессы взаимодействия также не зависят от ориентации. Когда целевой материал монокристаллический, результаты физических процессов очень сильно зависят от ориентации импульса частицы относительно кристаллических осей или плоскостей. Другими словами, остановительная сила частицы намного ниже в некоторых направлениях, чем в других. Этот эффект обычно называют эффектом "канализации". Это связано с другими эффектами, зависящими от ориентации, такими как дифракция частиц. Эти отношения будут подробно обсуждены позже.
In condensed matter physics, channelling (or channeling) is the process that constrains the path of a charged particle in a crystalline solid. Many physical phenomena can occur when a charged particle is incident upon a solid target, e. g., elastic scattering, inelastic energy loss processes, secondary electron emission, electromagnetic radiation, nuclear reactions, etc. All of these processes have cross sections which depend on the impact parameters involved in collisions with individual target atoms. When the target material is homogeneous and isotropic, the impact parameter distribution is independent of the orientation of the momentum of the particle and interaction processes are also orientation independent. When the target material is monocrystalline, the yields of physical processes are very strongly dependent on the orientation of the momentum of the particle relative to the crystalline axes or planes. Or in other words, the stopping power of the particle is much lower in certain directions than others. This effect is commonly called the "channelling" effect. It is related to other orientation dependent effects, such as particle diffraction. These relationships will be discussed in detail later.
История
Эффект канализации был впервые обнаружен в компьютерных симуляциях приближения бинарного столкновения в 1963 году. Первые эксперименты по передаче ионов, каналирующих через кристаллы, были выполнены группой Национальной лаборатории Оук-Ридж, показывая, что распределение ионов определяется эффектом канализации кристаллической радуги.
Механизм
С простой, классической точки зрения, можно качественно понять эффект канализации следующим образом: Если направление заряженной частицы, падающей на поверхность монокристалла, находится близко к направлению основного кристалла (рис. 1) частица с высокой вероятностью будет делать только небольшое угловое рассеяние, когда она проходит через несколько слоев атомов в кристалле и, следовательно, остается в том же кристаллическом "канале". Если она не находится в направлении или плоскости основного кристалла ("случайное направление", фиг. 2), он с большей вероятностью подвергается большому угловому рассеянию, и, следовательно, его окончательная средняя глубина проникновения, вероятно, будет меньше. Если направление импульса частицы близко к кристаллической плоскости, но не близко к основным кристаллическим осям, это явление называется "планарным каналированием". Канализация обычно приводит к более глубокому проникновению ионов в материал, эффект, который был наблюдан экспериментально и в компьютерных симуляциях, см. рисунки 3 5. Отрицательно заряженные частицы, такие как антипротоны и электроны, притягиваются к положительно заряженным ядрам плоскости, и после прохождения центра плоскости они будут снова притянуты, поэтому отрицательно заряженные частицы, как правило, следуют по направлению одной кристаллической плоскости. Поскольку кристаллическая плоскость имеет высокую плотность атомных электронов и ядер, канализованные частицы в конечном итоге испытывают высокий угол Рассеяния Резерфорда или потери энергии при столкновении с электронами и покидают канал. Это называется процессом "деканализации". Положительно заряженные частицы, такие как протоны и позитроны, вместо этого отталкиваются от ядер плоскости, и после входа в пространство между двумя соседними плоскостями они будут отталкиваться от второй плоскости. Таким образом, положительно заряженные частицы, как правило, следуют направлению между двумя соседними кристаллическими плоскостями, но на максимально возможном расстоянии от каждого из них. Поэтому положительно заряженные частицы имеют меньшую вероятность взаимодействия с ядрами и электронами плоскостей (меньший эффект "деканализации") и проходят более длинные расстояния. Те же явления происходят, когда направление импульса заряженных частиц находится близко к основной кристаллической оси высокой симметрии. Это явление называется "аксиальным каналированием". Как правило, эффект осевого каналирования выше, чем плоского каналирования из-за более глубокого потенциала, образованного в осевых условиях. При низких энергиях эффекты канализации в кристаллах отсутствуют, потому что рассеивание под малым углом при низких энергиях требует больших параметров удара, которые становятся больше, чем межплановые расстояния. Здесь доминирует дифракция частицы. При высоких энергиях квантовые эффекты и дифракция менее эффективны, и присутствует эффект канализации.
Приложения
Существует несколько особенно интересных применений эффектов канализации. Эффекты канализации могут использоваться в качестве инструментов для исследования свойств кристаллической решетки и ее возмущений (например, допирования) в области объема, недоступной для рентгеновских лучей. Метод канализации может использоваться для определения геометрического расположения интерстициальных элементов. Это важная вариация метода анализа ионного пучка Ратфордского обратного рассеяния, обычно называемого Ратфордским обратным рассеянием / каналированием (RBS C). Канализация может даже использоваться для суперфокусирования ионного луча, который будет использоваться для субатомной микроскопии. При более высоких энергиях (десятки GeV) применение включает каналирующее излучение для усиленной выработки высокоэнергетических гамма-лучей и использование изогнутых кристаллов для извлечения частиц из ореола циркулирующего луча в ускорителе частиц.
Общая литература
J. W. Mayer и E. Rimini, Руководство по анализу ионных пучков, (1977) Академическое издательство, Нью-Йорк Л. С. Фельдман, J. W. Mayer и S. T. Picraux, Анализ материалов ионным каналированием, (1982) Академическое издательство, Нью-Йорк Р. Ховден, Х. Л. Син, Д. А. Мюллер, Phys. Преподобный. B 86, 195415 (2012) Г. Р. Анстис, Д. К. Кай и Д. Дж. Х. Коккейн, Ультрамикроскопия 94, 309 (2003). Д. Ван Дайк и Дж. Х. Чен, Solid State Communications 109, 501 (1999). S. Hillyard и J. Silcox, Ультрамикроскопия 58, 6 (1995). С. Дж. Пенникук и Д. Э. Джессон, Physical Review Letters 64, 938 (1990). М. В. Берри и Озориоде. Am, Журнал физики математического и общего 6, 1451 (1973). М. В. Берри, Журнал физики, часть С Физика твердого состояния 4, 697 (1971). А. Хоуи, Философский журнал 14, 223 (1966). П. Б. Хирш, А. Хоуи, Р. Б. Николсон, Д. В. Пашли и М. Уилан, Электронная микроскопия тонких кристаллов (Баттерворц Лондон, 1965). Ю. Андерсен, Заметки о каналировании, http://phys. - Да, да. dk/ru/публикации/заметки на лекции/ (2014)
L. C. Feldman, J. W. Mayer and S. T. Picraux, Material Analysis by Ion Channelling, (1982) Academic Press, New York
R. Hovden, H. L. Xin, D. A. Muller, Phys. Rev. B 86, 195415 (2012)
G. R. Anstis, D. Q. Cai, and D. J. H. Cockayne, Ultramicroscopy 94, 309 (2003). D. Van Dyck and J. H. Chen, Solid State Communications 109, 501 (1999). S. Hillyard and J. Silcox, Ultramicroscopy 58, 6 (1995). S. J. Pennycook and D. E. Jesson, Physical Review Letters 64, 938 (1990). M. V. Berry and Ozoriode. Am, Journal of Physics a Mathematical and General 6, 1451 (1973). M. V. Berry, Journal of Physics Part C Solid State Physics 4, 697 (1971). A. Howie, Philosophical Magazine 14, 223 (1966). P. B. Hirsch, A. Howie, R. B. Nicholson, D. W. Pashley, and M. Whelan, Electron microscopy of thin crystals (Butterworths London, 1965). J. U. Andersen, Notes on Channeling, http://phys. au. dk/en/publications/lecture notes/ (2014)