Ewolucja czasowa grubej warstwy benzenu, którą bombardowano pociskiem C60 o energii 5 keV przedstawiona została na Rys. 5.2. Łatwo zauwaŜyć, Ŝe ze względu na swe duŜe rozmiary uderzający pocisk silnie oddziałuje z warstwą organiczną, deponując swoją energię tuŜ pod powierzchnią kryształu. W wyniku tego oddziaływania pocisk ulega rozpadowi na pojedyncze atomy, które poruszając się we wnętrzu bombardowanego kryształu inicjują procesy fragmentacji oraz proces rozpylania molekuł benzenu.
Rys. 5.2 Czasowa ewolucja kryształu benzenu „coarse-grain” bombardowanego pociskiem C60 o energii 5 keV
Po uderzeniu pocisku w układzie generowana jest niewielka fala uderzeniowa, która propaguje we wszystkich kierunkach wewnątrz kryształu. Niwelowanie ewentualnych artefaktów związanych z odbiciem tej fali od granicy fazowej kryształu odbywa się metodą analogiczną do tej, która stosowana była w przypadku czystego kryształu srebra [POS03.1, POS04.1]. Większość atomów pocisku wraz z duŜą liczbą molekuł benzenu ulega rozpyleniu w ciągu pierwszych dwóch pikosekund. Po czasie ~2 ps rozpoczyna się proces tworzenia
prawie półkolistego krateru otoczonego pierścieniem zbudowanym z molekuł benzenu, które nie mają dostatecznie duŜej energii, aby opuścić kryształ.
Procesy występujące podczas bombardowania grubej warstwy benzenu pociskiem C60
o energii 5 keV są bardzo podobne do procesów, jakie zachodzą w przypadku czystego srebra, który bombardowano pociskiem C60 o identycznej energii kinetycznej (patrz rozdział 3.5). Aczkolwiek pewne róŜnice pomiędzy oboma przypadkami są widoczne. NajwaŜniejszą róŜnicą jest skala czasowa. Jak pokazano na Rys. 5.3 emisja cząstek z czystego kryształu srebra spada całkowicie do zera dla czasu ~6 ps, podczas gdy emisja cząstek z grubej warstwy benzenu trwa praktycznie do czasu zakończenia symulacji, czyli ~26 ps. Jest to wynikiem róŜnicy wartości energii wiązania cząstek w krysztale, która dla czystego srebra wynosi ~2.95 eV, podczas gdy dla kryształu benzenu wynosi zaledwie ~0.49eV. Efektywnie oznacza to, iŜ słabozwiązane molekuły C6H6 mają sporą szansę zostać wyemitowane w końcowej fazie rozpylania poprzez proces odparowywania molekuł z powierzchni, który jest głównym źródłem emisji bardzo niskoenergetycznych cząstek.
Rys. 5.3 Porównanie rozkładu czasowego cząstek rejestrowych podczas bombardowania kryształu benzenu (linia czarna) pociskiem C60 o energii 5 keV do rozkładu czasowego cząstek rejestrowanych podczas bombardowania czystego kryształu srebra (linia czerwona) pociskiem C60
o identycznej energii kinetycznej
5.2 Efektywność rozpylania
Widmo masowe cząstek emitowanych z grubej warstwy benzenu bombardowanej pociskiem C60 o energii 5 keV przedstawia Rys. 5.4. Charakterystyczną cechą tego widma, jest to, Ŝe występują w nim tylko i wyłącznie cząstki postaci (CH)n, gdzie n = 1, …, 6, co jest bezpośrednim wynikiem stosowanego przybliŜenia „coarse-grain”. O wiele jednak bardziej interesujące są dwa inne efekty, będące wynikiem procesów zachodzących w próbce podczas
bombardowania. Pierwszy z nich to zaskakująco wysoki całkowity współczynnik rozpylenia całych molekuł benzenu, który wynosi 292 i jest wyŜszy od całkowitego współczynnika rozpylenia tych samych molekuł emitowanych z cienkiej warstwy organicznej, którego wartość wynosiła 244 (patrz Tabela 4.1) pomimo, iŜ energia pocisku C60 w przypadku grubej warstwy benzenu była trzy razy mniejsza o energii tego pocisku w przypadku bombardowania cienkich warstw organicznych. Efekt ten wynika z faktu, iŜ liczba dostępnych molekuł w przypadku grubej warstwy organicznej jest znacznie większa niŜ w przypadku bombardowania cienkiej warstwy benzenu.
Rys. 5.4 Widmo masowe cząstek emitowanych z kryształu benzenu podczas bombardowania pociskiem C60 o energii 5 keV wzdłuŜ kierunku normalnego do powierzchni
Drugim obserwowanym zjawiskiem jest niska liczba emitowanych fragmentów. Ich całkowity współczynnik rozpylenia wynosi 28, co stanowi zaledwie ~9 % wartości całkowitego współczynnika rozpylenia wszystkich cząstek organicznych emitowanych z układu. Dla porównania procentowy udział liczby fragmentów w całkowitej emisji wszystkich cząstek organicznych z kryształu srebra pokrytego trzema warstwami benzenu wynosił ~20.5 % i aŜ ~54 % dla kryształu srebra pokrytego monowarstwą molekuł PS4 (patrz rozdział 4.5). Zatem oczywiste pytanie, jakie się nasuwa, to czy mamy tu do czynienia ze znacznie mniej efektywnym procesem fragmentacji molekuł benzenu związanym z mniejszą energią pocisku, czy teŜ moŜe powstające fragmenty nie są emitowane i pozostają we wnętrzu bombardowanej próbki?
Odpowiedź na to pytanie moŜna uzyskać przeprowadzając analizę widma masowego uzyskanego dla całego kryształu benzenu po zakończeniu symulacji. Widmo to przedstawione zostało na Rys. 5.5. JuŜ na pierwszy rzut oka widać, iŜ proces fragmentacji molekuł jest o wiele mniej efektywny niŜ miało to miejsce w przypadku bombardowania kryształu srebra pokrytego cienkimi warstwami organicznymi. Liczba molekuł benzenu, które ulegają
fragmentacji, ale nie są emitowane na zewnątrz wynosi 4, co stanowi zaledwie 12.5 % całkowitej liczby wszystkich fragmentowanych molekuł.
Rys. 5.5 Widmo masowe cząstek pozostałych w krysztale po bombardowaniu pociskiem C60 o energii 5 keV wzdłuŜ kierunku normalnego do powierzchni
Zatem końcowym wnioskiem powyŜszej analizy jest stwierdzenie, iŜ z punktu widzenia efektywności rozpylania 5 keV pocisk C60 jest doskonałym kandydatem do wykorzystania w eksperymentach profilowania głębokościowego, poniewaŜ nie tylko prowadzi on do emisji duŜej liczby całych molekuł organicznych, ale równieŜ generuje niewielką liczbę fragmentów, z których ~90 % ulega rozpyleniu, co efektywnie prowadzi do niewielkiej akumulacji uszkodzeń w bombardowanym materiale, redukując tym samym prawdopodobieństwo zmiany składu chemicznego badanej próbki. Wynik ten pokazuje, iŜ klaster C60 ma unikatową zdolność usuwania zniszczeń chemicznych w grubych warstwach organicznych prawie równie szybko, jak one powstają. Obie wyŜej wymienione własności, które obserwowane są w przypadku pocisku C60 stanowią jedno z głównych wymagań do sukcesywnego przeprowadzania eksperymentów profilowania głębokościowego grubych warstw organicznych [WUC06, WIN06, MCD07].