Введение к работе
Актуальность темы. Взаимодействие различного рода частиц с твердым телом является одним из важнейших направлений современной фундаментальной физики. Без понимания происходящих при этом процессов невозможно дальнейшее развитие многих других отраслей науки, в том числе материаловедения. В настоящее время одной из основных задач материаловедения является создание материалов, обладающих высокой стойкостью по отношению к различным видам радиационных воздействий. Таким воздействиям подвергаются устройства, входящие в состав космических аппаратов, термоядерных реакторов, электровакуумных и плазменных приборов. В результате изменяются свойства многих материалов, что в конечном итоге может приводить к нарушению нормального функционирования приборов или к полному выходу их из строя. Чаще всего приходится иметь дело с радиационными повреждениями, возникающими при облучении твердых тел частицами с так называемыми подпороговыми энергиями. К таким частицам в первую очередь относятся электроны низких энергий и фотоны. В этих случаях дефектообразование обусловлено неупругими взаимодействиями, связанными с возбуждением электронной подсистемы твердого тела. При подпороговых энергиях частиц электронные возбуждения, а, следовательно, и радиационные повреждения, возникают в основном в приповерхностных слоях, свойства которых достаточно часто определяют работоспособность всего устройства. В первую очередь это относится к элементам микроэлектроники, электроннолучевым приборам и различного рода эмиттерам.
Генерация дефектов электронами и фотонами подпороговых энергий может быть использована и в созидательных целях. Известно,
например, что создание F-центров с определенной концентрацией в приповерхностных слоях подложек позволяет управлять свойствами наносимых пленок и получать слои с более совершенной кристаллической структурой. Электронно-стимулированная десорбция (ЭСД), приводящая к локальному изменению свойств поверхности, может быть использована и для записи информации с высокой плотностью.
Для создания радиационно стойких материалов,. совершенствования, методов анализа поверхности, дозированного введения дефектов необходимо не только глубокое понимание процессов, происходящих при взаимодействии частиц с подпороговыми энергиями с поверхностью твердого тела, но и знание количественных характеристик этих процессов. Несмотря на большое внимание, уделяемое этой проблеме, многие из задач пока не решены. Поэтому проведенные в настоящей работе исследования дефектообразования под действием электронов и электронно-стимулированной десорбции для некоторых, весьма важных с практической точки зрения материалов, представляются весьма актуальными.
Цель работы:
экспериментальное исследование процессов электронно-
стимулированной десорбции компонентов, входящих в состав
бинарных соединений различной природы;
изучение характера радиационных повреждений поверхностей бинарных соединений, вносимых электронами с энергиями 0,3-6 кэВ;
развитие экспериментальных методик для изучения ЭСД и
радиационных повреждений.
В качестве основных объектов исследования были выбраны кристаллы LiF, CaF2 и BaFz , относящиеся к классу соединений с преимущественной ионной связью, а также нитрид бора, который традиционно относят к соединениям с ковалентной связью. Выбор объектов обусловлен с одной стороны возможностью получения хорошо воспроизводимых результатов, а с другой - уникальными свойствами некоторых соединений, позволяющими использовать их в различных устройствах современной техники, что определяет практическую ценность работы. При выборе образцов принимались во внимание также свойства материалов, позволяющие произвести экспериментальную, проверку существующих теоретических моделей
ЭСД. V- .. ; .
На защиту выносятся следующие основные положения, определяющие научную новизну полученных в диссертации результатов:
-
Экспериментально получены зависимости эффективности процесса электронно-стимулированной десорбции анионов и катионов с поверхностей монокристаллов CaF2 (111) и BaF2 (ПІ) от температуры объектов и от параметров электронного облучения.
-
Предварительное облучение электронами щелочно-галоидных монокристаллов (NaCl, КС1, LiF) и галогенидов щелочноземельных металлов (CaF2 и BaF2) приводит к появлению в спектрах термодесорбции пиков с массовыми числами, отвечающими атомам соответствующих металлов. Обнаруженные закономерности и особенности термодесорбции металлов с поверхностей различных образцов позволяют использовать этот метод для изучения металлизации поверхностей низкоэнергетическими электронами.
-
Модель радиационных повреждений CaF2 и BaF2, вносимых электронами низких энергий, согласно которой металлизация кристаллов может происходить как за счет образования поверхностных островковых пленок металла, так и в результате агломерации F-центров в объеме кристалла.
-
Новая методика определения сечения электронно-стимулированной десорбции анионов с поверхностей щелочно-галоидных кристаллов (ЩГК) и галогенидов щелочноземельных металлов, основанная на дозовых зависимостях термодесорбции катионов.
-
Облучение электронами низких энергий нитрида бора приводит к модифицированию его поверхности, характер изменений свидетельствует об электронно-стимулированной десорбции азота с сечением а- 1,5 . К)-22 см2.
Научная и практическая ценность." Полученные в работе
результаты вносят определенный вклад в накопленный
экспериментальный материал по взаимодействию частиц
подпороговых энергий с веществом. Поскольку объектами исследования служили широко используемые в технике материалы, часто работающие в условиях радиационных воздействий, то с практической точки зрения выполненная работа представляется крайне интересной. Новые данные по электронно-стимулированной десорбции с поверхностей CaF2 и BaF2 могут быть использованы для развития существующих теоретических моделей ЭСД, созданных ранее для других классов соединений. Количественные характеристики ЭСД, полученные в работе, позволяют достаточно легко учитывать инструментальные эффекты, производимые зондирующими электронными пучками при анализе поверхности. Предложенный и
хорошо апробированный для кристаллов LiF, CaF2 и BaF2 метод термодесорбции оказался весьма информативным и может быть применен при изучении ЭСД и радиационных повреждений поверхности других материалов. С помощью ряда современных методов исследования поверхности показано, что металлизация облучаемых электронами объектов может происходить как за счет образования островковой пленки на поверхности, так и в результате формирования коллоидов из F-центров в объеме.
Возможность дозированного накопления металла в результате преимущественной ЭСД летучего компонента и;'его испарения при последующем прогреве открывает перспективы для создания прецизионных источников атомов щелочных и щелочноземельных металлов многократного использования.
Весьма полезным как для развития теории ЭСД, так и для практики представляются результаты, полученные при исследовании радиационной стойкости уникального во многих отношениях материала - нитрида бора - но отношению к электронам низких энергий. Экспериментально показано, что вопреки теоретическим предсказаниям на поверхности нитрида бора происходят процессы, свидетельствующие о заметной электронно-стимулированной десорбции азота.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих симпозиумах и конференциях:
-
VI Международная конференция по ДСЭП, Краков, Польша, 26 - 29 сентября 1994 г.
-
XII Международная конференция "Взаимодействие ионов с поверхностью", Москва, 5 - 8 сентября 1995 г.
-
Всероссийский симпозиум по эмиссионной электронике, Рязань, 17 -19 сентября 1996 г.
-
XVI Российская конференция по электронной микроскопии, Черноголовка, 29 ноября - 2 декабря 1996 г.
Публикации. По теме исследования опубликовано 9 печатных работ, список которых приведен в конце реферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка цитируемой литературы. Объем работы составляет 135 страниц, включая 58 рисунков, 2 таблицы и библиографию из L2& наименований.
