surface layer analysis by medium energy ion scattering O ^:,:>' ï ' Xy.- '".. V C< ^;: f ".'""."7 /' . '\ _. »-' ••- .' '' •_ • V. ' /' 5 : •' "> •'''/ i' -} ( \ 1 ,' i •• j . Wim ïïirkenburg /•'""••-. ^. '" ( ' ') ( ) o i' } STELLINGEN I behorende big het proefschrift van W.C. Turkenburg Amsterdam, 15 september 1976 Het omkeerbaarheidsprincipe zoals geformuleerd door Lindhard voor doortochten in één-kristallen geldt ook voor strooiings- en blokkeerverschijnselen in twee-, atomige moleculen. J. Lindhard, Mat. Fys. Medd. Dan. Vid. Selsk. 34j no 14 (1965). Dit proefschrift, hoofdstuk III. 2. Het maximum in de totale botsingsdoorsnede voor ionen- paar vorming nabij de drempelenergie bij botsingen tussen een Li atoom en een twee-atomig halogeen molecuul X„, zoals experimenteel gevonden door Baede, is te verklaren in termen van competitie tussen het oprekken van de X~ band gedurende de botsing en het snelheids- afhankelijk gedrag van de Landau-Zener overgangs- waarschijnlijkheid. A.P.M. Baede, D.J. Auerbach en J, Los, Physica 6£ (1973) 134. M.H. Hvibers, proefschrift (Amsterdam,1976). 3. Met de door Eichler voorspelde diabatische correlatie tussen 3d (u.a.) en 2p (s.a.) in het Ar-Ar correlatie- diagram kan de door Hoogkamer tijdens Ar-Ar botsingen waargenomen continue röntgenstraling verklaard worden. J. Eichler, B. Fastrup en U. Wille, Abstracts of Contributed Papers of the Sec. Intern. Conf. on Inner Shell Ionization Phenomena (Freiburg,1976) 47. Th. Hoogkamer, P.H. Woerlee, C. Foster en F.W. Saris, Abstracts of Papers of the IXth ICPEAC (Seattle,1975) 300. Het optreden van inelastische verschijnselen bij laag energetische strooiingsprocessen aan oppervlakken beïnvloedt ook de strooihoek en niet alleen de'energie van de deeltjes zoals vaak ten onrechte wordt aangenomen. 5. Het zogenaamde "dynamic swapping" mechanisme, dat kan optreden door promotie van elektronen tijdens twee- deeltjes botsingen, beperkt de toepasbaarheid van M.0.-diagrammen. Experimenteel wordt gevonden dat de door ionen geinduceerde lichtemissie sterk afhangt van de chemische toestand van het beschoten oppervlak. Het gangbare model van scralingsloze deexcitatie waarmee deze afhankelijkheid wordt verklaard is ontoereikend. W.F. van der Weg en P.K. Rol3 Nuol. Instr. and Meth. 38 (1965) 274. 7. De thermische beweging van het target gas bemoeilijkt de bestudering van elastische strooiing over 180°. Men kan dit voorkomen door de massa van het projektiel en het target deeltje gelijk te nemen. 8. In het onderzoek van oppervlakken van vaste stoffen wordt de invloed die schoonmaak procedures gebaseerd op verstuiving hebben op de configuratie van het oppervlak veelal onvoldoende onderkend. 9. Verwacht mag worden dat opgedampt amorf silicium bij relatief lage temperatuur epitaxiaal aan éën-kristallijn silicium aangroeit indien het oppervlak van het één-kristal eerst middels ionenbombardement is schoon- gemaakt en geamorfiseerd. Onderzoek hieraan is gewenst in verband met het ontwikkelen van zonnecellen. 10. De opvatting rlat het in vaste vorm brengen van radio- aktief afval tot een glas uit een oogpunt van veiligheid een goede methode is wordt tegengesproken door de voorlopige bevindingen van Ewing. "Overwegingen ten behoeve van een Nederlands Nationaal Program/ia voor energie-onderzoek"3 Tweede Interim- rcqpport van de LSEO (1976). R.C. Ewing, Soienae 192 (1976) 1336. 11. Het verdient aanbeveling vergelijkend onderzoek te verrichten naar de invloed van huidige maatschappelijke faktoren op het optreden van het KZ-syndroom. H. Milikowski, "Sociologie als verzet" (Van Gennep, Amsterdam, 1973). "ErmUdung und vorzeitiges Altern ; Folge von Extrem- belastungen", Medizinisóhe Commission der FIR (1970). Mittsilungen der internationalen Federation der Wider- standskampfer 7_ (19?'S) 21. 12. Het gebrek aan flexibiliteit in het wetenschappelijk onderzoek in Nederland vertraagt de ontwikkeling van nieuwe energie systemen. surface layer analysis by medium energy ion scattering academisch proefschrift ter verkrijging van de graad van Doctor in | de Wiskunde en Natuurwetenschappen aan de il ' • .... t Universiteit van Amsterdam op gezag van de Rector Magnificus, Dr. G. den Boef, hoog- leraar in de Faculteit der Wiskunde en Na- tuurwetenschappen, in het openbaar te ver- dedigen in de Aula der Universiteit (tij- delijk Lutherse Kerk, ingang Singel 411, hoek Spui) op woensdag 15 september 1976 des namiddags te vier uur door Wilhelmus Cornolisikirkenburg geboren te Hillegom Promotor : Prof.Dr. J.Kistemaker Co-promotor: Dr. F.W.Saris Co-referent: Prof.Dr. G.de Vries aan mijn ouders aan hennie The work described in this thesis is part of the research program of the Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (Foundation for Fundamental Research on Matter) and was made possible by financial support from the Nederlandse Organisatie voor Zuiver Wetenschappelijk Onderzoek (Netherlands Organization for the Advancement of Pure Research) - 7 - voorwoord Het in dit proefschrift beschreven onderzoek is verricht in de groep Ion-Vaste Stof Interacties van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuul- fysica te Amsterdam. Het mag het resultaat genoemd worden van een goede en plezierige samenwerking binnen dit instituut. Alle medewerkers wil ik daarvoor dankzeggen. Prof.dr.J.Kistemaker, mijn promotor, dank ik voor de begeleiding die ik van hem heb gekregen. Hij heeft het mij mogelijk gemaakt onderzoek te verrichten met geavanceerde apparatuur. De goede verstandhouding, ook bij verschillen van inzicht, heb ik zeer gewaardeerd. Prof.dr.G.de Vries wil ik danken voor zijn bereidwilligheid als co- referent op te treden. Frans Saris, mijn co-promotor, heeft het onderzoek voor een groot deel geïnspireerd. Zijn leiding is bepalend geweest voor de keuze van de experimenten. Zijn enthousiasme heeft stimulerend gewerkt waarvoor ik hem dankbaar ben. Met plezier zal ik terugdenken aan de vele discussies over fysische en •m, Q mm maatschappelijke problemen, die ik had met Joop Los, Dick Bierman en Werner van de Weg. De wijsheid van Joop, de inventiviteit van Dick en het inzicht van Werner hebben mij veel steun geleverd. Waldemar Soszka is greatly acknowledged for cooperation and discussions during his stay in Amsterdam. Van bijzonder grote betekenis is geweest de samenwerking met Huub Kersten, de naamgever van het TUBA experiment. Zijn hulp bij de tot standkoming van de nieuwe meettechniek mag van onschatbare waarde ge- noemd worden. Gedurende de experimenten ben ik door Bernard Colenbrander, Rob Smeenk, Simon Doorn, Huib Roukens en Bert Steginga op voortreffelijke wijze terzijde gestaan. Bernard heeft mij speciaal geholpen bij de automati- sering van de meetprocedure. Onmisbaar zijn de werkzaamheden geweest van Jan Bannenberg en van de technische groepen van het instituut. Voor hun medewerking dank ik Evert de Haas en de konstrukteurs, Ton Neuteboom en de instrumentmakers, Paul van Deenen en de elektronici, Coen Visser en de automatiseringsgroep en Jan Verhoeven en de vacuumafdeling. In het bijzonder wil ik danken Paul de Jongh en Evert de Haas, Ton Neuteboom, Joop Ladru en Wim Barsinger- horn, Paul van Deenen, Hans Alberda, Anton Buijserd, Gees Bruyn en Stan Smits voor hun grote aandeel in de tot stand koming van de apparatuur. Voor de administratieve hulp ben ik Louise Roos en heel het sekretariaat zeer erkentelijk. Dank ook aan hen die mij in de loop der jaren dat dit proefschrift tot stand kwam op diverse terreinen terzijde hebben gestaan. Met name wil ik danken Frans Vitalis voor het programmeerwerk, Frans Monterie en Thom van Dijk voor het fotografische werk, Maryvonne Turks- ma en Hanna Vanenberg voor het vervaardigen van de tekeningen, Tine Köke en Gonny van der Voort voor het uitstekende typewerk, Hans Okhuizen voor het offset, werk en Hennie van der Zande voor de algehele verzorging. Zij hebben de verschijning van dit proefschrift technisch mogelijk Be- maakt. - 9 - contents page INTRODUCTION 13 CHAPTER I EXPERIMENTAL PARAMETERS FOR QUANTITATIVE SURFACE ANALYSIS BY MEDIUM ENERGY ION SCATTERING 19 1. Introduction , . 19 2. Experimental set-up 21 2.1. Electrostatic Analyser (ESA) 25 2.2. Scattering Angle 27 2.3. Cable Line 27 2.4. Vacuum Equipment , 29 2.5. Data Processing 29 3. Quantitative analysis and depth spectroscopy . 30 3.1. Depvh Spectroscopy 30 3.2. Quantitative Analysis 31 3.2.1. Examples: Analysis of surface peak and surface impurities 33 4. Crystal alignment 35 4.1. Channeling and blocking 39 4.2. Random orientation . 43 5. Analyzing beam effects 45 - 10 - 5.2. H+ •*• Cu (110) 45 5.2. H+ -+ Ni (110) 51 References 52 CHAPTER II A UNIVERSAL TARGET MANIPULATOR FOR USE IN ULTRA- HIGH VACUUM 55 1. Introduction 55 2. Design 57 3. A new UHV rotary f eed through 61 References 61 CHAPTER III SURFACE STRUCTURE ANALYSIS BY MEANS OF RUTHERFORD SCATTERING: METHODS TO STUDY SURFACE RELAXATION 63 1. Introduction 63 2. Surface relaxation, methods of analysis 67 2.1. Method I : BBS and channeling 67 2.2. Method II: RBS3 channeling and blocking . 73 2.3. Experimental requirements 73 3. Experimental set-up 77 4. Measurements 78 4.1. Relaxation of a carbon covered Cu (110) surface 78 4.1.1. Surface contamination effects. ... 78 4.1.2. Normal beam incidence 79 4.1.3. Beam incidence along 13141 81 4.1.4. Beam incidence along L1011 83 4.2. Relaxation of a sputter-cleaned Cu (110) surface 85 4.2.1. The sputter-cleaning of the Cu target 85 4.2.2. Beam incidence along 1314] 87 5. Discussion 87 5.1. The diatomic molecule 87 5.2. The width of the blocking dip 89 5.3. The shape of the blocking dip . 92 5.4. The energy of doubly scattered particles. 95 5.5. Comparison of RBS with low energy ion back- - 11 - scattering 95 6. Conclusions 96 References. 97 CHAPTER IV INVESTIGATIONS OF SURFACE RELAXATION AND SURFACE COMPOSITION OF Ni (110) BY MEDIUM ENERGY ION SCATTERING SPECTROSCOPY 101 1. Introduction 101 2. Surface structure analysis by MEIS 103 3. Experimental set-up 104 4. Surface composition analysis 104 4.1. Polishing 105 4.2. Proton bombardment at a -pressure of 1 * 10~9 torr 105 4.3. Beam induced build-up of hydro-carbon and nickel-oxide 105 4.4.