Ионная спектроскопия изучает распределение по энергиям ионов, упруго рассеянных поверхностью под определенным углом θ. Спектр получают при действии на исследуемую поверхность моноэнергетических пучков ионов. По положению пиков такого спектра идентифицируют элементы, а по высоте пиков определяют концентрацию последних. Кроме того, исследуя энергетические спектр в зависимости от углов падения и рассеяния, можно получить информацию о структуре поверхности. Энергию иона, упруго рассеянного под углом θ при однократном парном столкновении, можно рассчитать по формуле

где Е₀– энергия первичных ионов, М – масса атомов образца, m – масса первичных ионов, К – коэффициент рассеяния ионов, θ - угол на который отклоняется первоначальный поток ионов. Формула справедлива при М/m > 1. Зная величины m, Е₀, θ, а также заряд (степень нейтрализации) рассеянных частиц и измерив Е, можно рассчитать M и идентифицировать поверхностные атомы. В зависимости от энергии первичных ионов различают спектроскопию рассеяния медленных ионов (E_п = 10^-17 — 10^-13 Дж) и спектроскопию рассеяния быстрых ионов (Е_п = 10^-14— 10^-13 Дж), называют также спектроскопией резерфордовского или обратного ядерного рассеяния. В спектроскопии рассеяния медленных ионов в ионизованном состоянии покидает поверхность лишь 0,1-1% однократно рассеянных ионов. Так как зависимость К от сечений рассеяния и эффективность нейтрализации точно неизвестны, то количественные определения проводят в основном по эмпирическим градуировочным зависимостям.

Потери энергии связаны с электронным и ядерным торможением внутри твердого тела. Так как сечение рассеяния невелико, часть ионов, проникнувших в глубь мишени, двигается по прямой, испытывая в основном электронное торможение. После соударения с атомом, в результате которого направление движущегося иона меняется на угол > 90° (обратное рассеяние), он под действием электронного торможения опять по прямой направляется к поверхности материала. Таким образом, фиксируя спектры энергетических потерь обратнорассеянных ионов, можно без разрушения образца получить информацию о распределении определяемого элемента по глубине. Например, используя рассеяние частиц с энергией ~ 10^-13 Дж, можно исследовать слои толщиной в доли мкм с разрешением по глубине ~ 20 нм без послойного травления, которое необходимо в случае использования медленных ионов. Разрешение по глубине зависит от массы и энергии первичных ионов, массы атомов материала и энергетического разрешения регистрирующей аппаратуры. По величине потерь энергии можно определять также толщину пленок на подложках. Этот метод применяют в основном для определения тяжелых примесей в легких основах: с использованием медленных ионов - на реальной поверхности, с использованием быстрых ионов – в субмикронных поверхностных слоях твердых тел.

Возможности электронной и ионной спектроскопии далеко не исчерпаны. Весьма эффективным иногда оказывается статистическое моделирование процесса многократного рассеяния на компьютере. В сложившейся на сегодня ситуации заметно отставание экспериментального уровня исследования процессов ионного рассеяния по сравнению с электронной спектроскопией. Например, отсутствуют данные о спектрах отраженных ионов, измеренные с высоким разрешением в узком энергетическом интервале, подобные тем электронным спектрам. Наличие такой информации позволило бы решить вопросы о механизмах торможения ионов в твердом теле и получить надежные данные по коэффициентам средних потерь энергии на единице длины (которые в настоящее время для энергий от единиц до сотен килоэлектронвольт известны с точностью до сотен процентов).
 

Стандартная схема обсуждаемых в статье опытов похожа на эксперименты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц (рис. 2). Обязательной деталью всех экспериментов по исследованию взаимодействия ускоренных атомных частиц с поверхностью твердого тела является вакуумная камера, которая необходима для поддержания поверхности исследуемого образца в атомарно-чистом состоянии. Источником ионов является устройство, напоминающее электронный инжектор в электронно-лучевых трубках, но в качестве источника заряженных частиц используется не раскаленный катод, эмитирующий электроны, а источник положительных ионов гелия, в качестве которого можно использовать, например, разряд в гелии; следует, естественно, изменить и полярность анодного питания.

Важной деталью экспериментальной схемы (рис. 2) является энергоанализатор - устройство, позволяющее определять плотность тока ионов (или электронов) с энергиями в выбранном интервале от E до E + dE. Энергоанализатор позволяет установить то, как заряженные частицы в потоке распределены по энергиям. Энергия иона влетающего в анализатор радиусом R определяется по формуле: