Rozkłady prędkości

Mechanizm emisji molekuł znaleziony w [ZHI98] i zakładający ich „unoszenie” przez strumień atomów pocisku wymaga, aby rozkłady prędkości sporządzone dla atomów poci-sku i materiału organicznego pokrywały się. Tylko wtedy sens ma twierdzenie, że to atomy pocisku są w pełni odpowiedzialne za istnienie wysokoenergetycznej części widma energii kinetycznej rozpylonych molekuł (rys. 51). Strumień atomów Ar o energii EAr=5 eV/atom jest w stanie rozpędzić molekuły do energii równej:

EPS4 = ^mPS4

mAr · EAr = ⁵⁵⁹

40 ·5 eV =∼ 70 eV, (38)

co dość dobrze zgadza się z maksymalną energią kinetyczną rozpylonych molekuł obser-wowaną na rys. 51. Aby wnioski wyciągnięte z porównania rozkładów prędkości atomów Ar i molekuł PS4 były wiarygodne konieczne jest określenie, pomiędzy którymi mole-kułami PS4 i atomami Ar dochodzi do oddziaływania w momencie, w którym atomy pocisku opuszczają powierzchnię układu. Zdecydowano się na następującą selekcję ato-mów pocisku i molekuł PS4: będą to te atomy Ar i te molekuły PS4, które opuściły powierzchnię w podobnym czasie, licząc od momentu uderzenia pocisku w próbkę. W szczególności najbezpieczniej jest ograniczyć się do cząstek rozpylonych najwcześniej, po-wiedzmy do 2.5 ps od momentu rozpoczęcia obliczeń. Wydaje się to rozsądne z co najmniej dwóch powodów. Po pierwsze, jak zostało wcześniej wspomniane, molekuły są usuwane z układu falami. Jeśli pierwsza fala molekuł nie będzie zawierała atomów Ar, to jakie jest prawdopodobieństwo, że atomy Ar znajdą się w drugiej lub kolejnej grupie molekuł opuszczających powierzchnie układu? Zapewne mniejsze. Po drugie, chcąc sprawdzić czy koncepcja z [ZHI98] może wyjaśnić, dlaczego tak duża liczba molekuł jest emitowana z wysokimi energiami kinetycznymi, trzeba rozważać właśnie molekuły wyemitowane z wysokimi energiami kinetycznymi. Molekuły usuwane z układu z największymi energiami kinetycznymi są początkowo zlokalizowane w najbliższym sąsiedztwie obwiedni padające-go pocisku, jak to pokazano na rys. 52. Te molekuły mają szansę najdłużej oddziaływać z atomami pocisku. Zatem wydaje się zasadne wyliczenie rozkładów prędkości właśnie dla tych, najszybszych molekuł. Na rys. 51a pokazane zostało, że najszybsze molekuły opu-ściły powierzchnię do czasu 2.5 ps. Stąd właśnie takie ograniczenie czasowe. Na rys. 59 pokazano rozkłady prędkości wyliczone dla atomów pocisku zarejestrowanych w czasie

0-2.5 ps od momentu uderzenia opuszczających układ pod kątem > 55◦ oraz dla molekuł wyemitowanych z systemu z energią >30 eV.

0 2 4 6 8 10 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 S yg n a zn o r m a l i zo w a n y pr dko [km/s] Ar, t DET <2.5 ps PS4, E KIN >30 eV

Rysunek 59: Rozkłady prędkości atomów Ar rozpylonych w czasie poniżej 2.5 ps pod kątem większym niż 55◦ oraz molekuł PS4 rozpylonych z energią kinetyczną Ek>30 eV w wyniku uderzenia pocisku 14.76 keV Ar₂₉₅₃

Rozkład prędkości atomów argonu jest bardzo szeroki, rozciąga się od 0 do 8 km/s, z maksimum w okolicy 3 km/s. W przeciwieństwie do niego, rozkład prędkości molekuł posiadających największe energie kinetyczne jest dużo węższy, sięga od 3 do 5 km/s, a jego maksimum występuje w okolicy 4 km/s. Niepokrywające się rozkłady prędkości również silnie świadczą przeciwko zasadności modelu unoszenia molekuł w strumieniu atomów Ar. Maksimum rozkładu prędkości molekuł PS4 wyemitowanych z największymi energiami kinetycznymi przypada dla wartości prędkości równej 4 km/s. Interesujące byłoby zoba-czenie, jak zmienia się prędkość w czasie dla wybranej molekuły rozpędzonej do 4 km/s. Okazuje się, że dobrym kandydatem do badań jest cząstka oznaczona numerem 1 na rys. 52. Strzałka pokazuje kierunek ruchu tej molekuły. Zmiana wartości prędkości tej molekuły została zaprezentowana na rys. 60 (linia czerwona). Ruch tej cząstki rozpoczy-na się w czasie 0.3 ps od momentu uderzenia pocisku w próbkę. W początkowym etapie procesu rozpylania cząstka porusza się ruchem jednostajnie przyspieszonym. Świadczy o tym prawie liniowa zmiana prędkości w okresie 0.4-0.8 ps. Dzieje się tak do czasu 0.8 ps,

0 1 2 3 0 1 2 3 4 5 P r d ko [ km / s] Czas [ps] E KIN >30 eV 2 eV<E KIN <30 eV

Rysunek 60: Zmiana prędkości w czasie wybranej molekuły (patrz rys. 52b) o wysokiej koń-cowej energii kinetycznej (>30 eV, linia czerwona) i o końkoń-cowej energii kinetycznej z zakresu 2-30 eV (linia zielona). Molekuły zostały usunięte z układu w wyniku bombardowania pociskiem 14.76 keV Ar2953. Linie przerywane oznaczają wspólne dla obydwu molekuł progi czasowe, w których następuje zmiana charakteru ich ruchu

po którym molekuła osiąga prędkość nieco powyżej 3 km/s. Później, do czasu 2.3 ps jej prędkość dalej rośnie, ale ten wzrost nie daje się opisać w systematyczny sposób. Po czasie większym niż 2.3 ps cząstka nie zmienia swojej prędkości. Można uznać, że ustaje wtedy jej oddziaływanie z innymi składnikami układu badawczego i molekuła opuściła powierzchnię układu. Prezentowany powyżej przypadek jest ciekawy z co najmniej dwóch powodów. Po pierwsze, jak już zostało wcześniej wspomniane, końcowa prędkość molekuły wynosi nieco ponad 4 km/s. Jest to z grubsza ta wartość, dla której rozkład prędkości rozpylonych molekuł PS4 ma maksimum. Wybraną molekułę można zatem rozważać jako typowego przedstawiciela cząstek rozpylonych z wysoką energią kinetyczną. Po drugie, do czasu 0.8 ps molekuła osiągnęła prędkość ∼3 km/s, czyli dokładnie tyle, ile wynosi najbardziej prawdopodobna prędkość rozważanych atomów pocisku (czas emisji mniejszy niż 2.5 ps). Można zatem przypuszczać, iż do czasu 0.8 ps śledzona molekuła znajdowała się w tymże strumieniu. Następnie stało się z nią coś, czego wynikiem było przejście molekuły do stanu gazowego po czasie 2.3 ps. Scenariusz zmiany położenia molekuły w czasie mógłby składać się z trzech faz: 1) 0.3-0.8 ps — faza oddziaływania ze strumieniem atomów Ar,

2) faza nieznana, 3) cząstka w stanie gazowym. Etap numer 2 zostanie przeanalizowany dokładniej w kolejnej części pracy (rozdział 4.1.7).

W tym miejscu dodać należy, iż molekuły o pośrednich energiach kinetycznych, to jest z przedziału 2-30 eV z całą pewnością nie podlegają emisji wg scenariusza zaproponowanego w [ZHI98]. Sporządzone dla nich rozkłady prędkości mają maksimum przy mniejszych prędkościach niż odbite od podłoża atomy Ar (niepokazane). Atomy pocisku nie mogą być zatem odpowiedzialne za unoszenie tychże molekuł. Potwierdzeniem tego wniosku jest zmiana wartości prędkości od czasu dla molekuł z tego przedziału końcowej energii kinetycznej. Jako przykład rozważona zostanie molekuła numer 2 z rys. 52. Z rys. 60 (linia zielona) odczytać można, że ruch tej molekuły rozpoczyna się w okolicy 0.7-0.8 ps od momentu uderzenia. Do czasu 1 ps prędkość cząstki wzrasta liniowo w czasie do wartości około 1.5 km/s. Następnie do czasu 2.3 ps jej prędkość zmienia się pomiędzy 1-1.5 km/s, a po tym czasie lekko spada i mniej więcej w 3 ps osiąga swoją finalną wartość na poziomie 0.8 km/s. Interesujące jest to, że progi czasowe, dla których następuje zmiana charakteru ruchu molekuły dokładnie zgadzają się z tymi obserwowanymi dla molekuły numer 1 z rys. 52. Może to sugerować, iż na powierzchni próbki dochodzi do oddziaływania pomiędzy sąsiednimi molekułami i to oddziaływanie może mieć duże znaczenie w procesie emisji cząstek organicznych. Obszerniejsze informacje na ten temat zostaną podane w następnym podrozdziale.