Введение к работе
Актуальность работа. Бомбардировка поверхности твердых т«?л электронами и ионами симулирует эмиссию атомных .и молекулярные частиц, в результате процессов десорбции. Десорбция мокет происходить как в результате испарения при термическом нагреве поверхности потоком бомбардирующих частиц , так и в результате электронного возбуждения и прямого перехода потенциальной энергии а кинетическую энергию десорбиругаихея частиц. Это явление з случае зондирования поверхности электронами получило название электронно- стимулированной десорбции (ЗСД). В случае бомбардировки поверхности ионами tows мокет иметь место аналогичное явление конко-стшулированнсй десорбция (ИСД), но чаце в этом случае говорят о расшлении частиц с поверхности, в т.ч. адсорбированных. Данная работа посвящена з, основном, изучению ЭСД, исследованию которой в последние годы уделяется все возрастающее внимание [1-2].
Актуальность экспериментальных и теоретических исследовакй десорбции обусловлена необходимостью знания закономерностей и понимания механизмов этого сложного эмиссионного явления, которые, 3 свою очередь, важны для углубленного изучения многих фундаментальных вопросов физики и химии поверхности. С прикладной точки зрения интерес к изучении десорбции связан с той важной ролью, часто отрицательной, которую сна играет в современной технике и а приборостроении. Это явление имеет место во многих електровакуумних приборах, в которых используются электронные и ионные пучки. 5 частности, десорбция может повышать давление остаточных газов в приборе, приводить к ошибочным измерениям давления ионизационными манометрами, быть причиной появления ложных пиков в масс-спектрах, инициировать вакуумный пробой, увеличивать количество многоэлектронных сцинтилляций в электронно-оптических преобразователях, усиливать деградацию различных эмиттеров электронов, ускорять еррозию стенок термоядерных реакторов, космических систем и др. [ 2 ]. ЭСД мажет оказывать существенное влияние на состояние адсорбированного слоя, когда для его анализа используются электронные пучки, как это имеет место в широко используемых в настоящее время методах еже-электрснной спектроскопии, электронной микроскопии и дифракции электронов [3 3.
С другой стороны, ЭСД является прямым методом диагностик:!, анализа и изучения моноатомных слоев и пленочных покрытий. Зр?.нн*
- A -
об втсм явлении могут способствовать выяснению механизмов образования дефектов в объеме твердого тела при распаде електронних возбуждений и соответственно указать пути повышения радиационной стойкости материалов. Так как механизм ЭСД связан о электронными переходами на поверхности, его исследование необходимо для дальнейшего развития теории хемосорбции и гетерогенного катализа, в частности, процессов, обусловленных перераспределением электронной плотности меязду адсорбированными частицами и поверхностью адсорбента, взаимодействием молекул с поверхностью твердого тела [2].
Существующие представления о механизмах десорбции к настоящему времени не дают возможности для полного и непротиворечивого описания адсорбционно-десорбционных процессов, протекающих на поверхности твердых тел. В значительной мере это связано с недостатком надежных экспериментальных данных. Лишь в последнее время, благодаря развитию вакуумной техники и электроники, разработаны и созданы экспериментальные установки, позволяющие проводить прямую регистрацию десорбирующихся частиц под действием бомбардирующих электронов. Однако, экспериментально изучают, в основном, десорбцию ионов, поскольку прямое детектирование нейтралей сталкивается со значительными трудностями [ 1-2 ].В тех случаях, когда нейтрали покидают поверхность в возбужденном состоянии, возникает привлекательная возможность их прямого детектирования и изучения оптическими методами электрон- и ион-фотонной спектроскопии (ЗФС, ИФС) [ 4,5 ], так как при последующем довозбуадении они испускают характеристическое излучение. Данная работа - одна из первых в этом направлении.
При анализе результатов большинства имеющихся экспериментальных работ по десорбции, значительные трудности их интерпретации сопря-кены с неопределенностью первичного фактора,вызывающего десорбцию, в частности,характера первичного електронного возбуждения в системе адсорбент - адсорбат. В этом плане важную информацию дают значения порогов появления частиц в том или ином .возбужденном ( или зарядовом ) состоянии, влияние на эти величины энергетической электронной структуры изучаемой системы. Поэтому в настоящей работе было уделено большое внимание измерению зависимостей эффективности процессов десорбции возбужденных частиц от энергии бомбардирующих частиц, особенно в области припороговых энергий. -:
Б качестве объектов исследования были выбраны : адсорбентами -металлы W, kg, Mg и полупроводник SI, обладающие различными свойствами, в том числе адсорбционными; адсорбатами . - щелочные металлы
- 5 -(Щ.М.), как электроположительные, и активные газы остаточной атмосферы, в т.ч. электроотрицательные.
Нель работы;
1.Экспериментальное изучение ЭСД с поверхности ряда материалов, обладающих различными адсорбционными свойствами, покрытых монослоем щелочных металлов в условиях исключающих термодесорбцин.
2.Исследование и сопоставление некоторых характеристик воэбук-денных десорбирующихоя частиц при воздействии па поверхность электронов и ионов в одинаковых условиях эксперимента.
3.Идентификация видов излучения и природы излучателей при бомбардировке электронами и ионами простых и сложных по элементному составу поверхностей.
4.Уточнение на основе анализа полученых результатов модельных представлений о десорбции возбужденных частиц.
Научная новизна. В работе получены следующие новые результаты:
-
Впервые прямым методом изучена десорбция возбужденных частиц из ряда простых и сложных адсорбционных систем при их облучении електронами и: исками малых и средних энергий.
-
Предложена методика нахождения поперечных сечений электрон-но-стимулироЕанной десорбции, основанная на измерении зависішооти интенсивности испускаемого частицами излучения от времени электронной бомбардировки.
-
Оценены поперечные сечения ЭСД и скорости возбужденных атомов водорода и радикалов ОН и СЫ.
-
Показано различие механизмов образования возбужденных частиц при ионном и электронном облучении изученых систем. Уточнены детали моделей электронно-стимулированной десорбции возбужденных частиц, в частности показано, что :
десорбционный поток возбужденных атомов водорода формируется посредством валентных возбуждений обеих электронов связывающей молекулярной орбитали радикала ОН, принадлежащего к химадсорбцискнсму комплексу подлокка-Щ.М!-С~Н;
десорбционный поток радикалов ОК*(СМ*) формируется при диссоциативном возбуждении системы подложка-Щ.МТ-0~Н(СН") з чктнор>'-занное состояние системы подлс:кка-Щ.М?-ОН(СТ). Это происходит кчк за счет передачи заряда, вызванной ионизацией електрона ил "н-^-^зы-взкщей 2р-орбитали OH(CN), так и за счет механизма передачи за?лд->.
- б -
вызванного ионизацией електронов внутренней оболочки атома кислорода (азота) и атомов Щ.М..
5- Идентифицированы вида излучения и природа его излучателей, в частности, уточнена природа структуры полос в спектре електрон-фотснной эмиссии серебра, которая ранее ошибочно приписывалась радиационному распаду поверхностных и объемных плазмонов, а на самом деле обусловлена проявлением только поверхностных плазмоноз на частично окисленной и чистой поверхности Ag.
Практическая ценность результатов работы состоит в следующем:
1.Определены величины порогов процессов десорбции различных возбужденных частиц для разных систем адсорбент-адсорбат, выявлены характерные особенности на энергетических зависимостях сечений десорбции, позволившие уточнить детали моделей ЭСД.
2. Установлено влияние покрытий щелочного металла на эффективность десорбции возбужденных частиц.
3- Оценены скорости десорбирующихся частиц и сечения десорбции при электронном и ионном облучении поверхности.
4. Развита методика электрон-фотонной спектроскопии для изучения адеорбционно-десорбционных процессов на поверхности твердого тела.
На защиту выносятся следующие положения:
1.Впервые установленные виды излучения и природа излучателей при ЗСД и ИСД с поверхностей W, Ag, Mg и Si, покрытых электроположительными и электроотрицательными адсорбатами.
2.Измеренные пороги ЭСД возбужденных частиц и особенности на зависимостях их выхода от внергии бомбардирующих електроноз, связанные с ионизацией внутренних оболочек атомов адсорбционных систем. 3-Методика нахождения поперечных сечений электронно- стимулированной десорбции атомов и молекул, основанная на измерении зависимости интенсивности испускаемого этими частицами излучения от времени електронной бомбардировки.
4--Оценки поперечных сечений ЭСД атомов водорода и радикалов ОН к СК, а также скоростей десорбирующихся возбужденных частиц при бомбардировке поверхности электронами и ионами.
5.Уточненные на основе полученных экспериментальных данных модельные представления о ЭСД возбужденных частиц.
Личный вклад автора. Основная часть результатов рзботы получена лично автором, готовившим и выполнявшим экспериментальные исследования, участвовавшим в их обработке, анализе и обсуждении совместно
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3-х глав,заключения и списка литературы. Она содержит 124 страниц машинописного текста, включая 31 рисунков и список цитируемой литературы из 90 наименований на 10 страницах.