Введение к работе
Актуальность темы исследования.
Современный интерес к процессам, происходящим на поверхности проводников под воздействием сильного электрического поля, обусловлен как фундаментальной значимостью проблемы, так и необходимостью решения практически важных задач, связанных с созданием точечных источников электронов и ионов. Изучение воздействия электрических полей, сравнимых по величине с внутриатомными, позволяет получить новую информацию о состоянии поверхности и приповерхностных областей проводников различных типов.
К числу важнейших процессов на поверхности твердого тела в сильных электрических полях относится полевое испарение. К настоящему времени выполнено значительное количество экспериментальных работ, посвященных, в основном, изучению процессов полевого испарения металлов при низких температурах, а также предложены модели, описывающие этот процесс. В то же время, накопление обширного экспериментального материала о термополевых изменениях микрокристаллов, т.е. процессах, происходящих при одновременном воздействии сверхейльных электрических полей и высоких температур, достаточных для активации процессов миграции и самодиффузии, поставило целый ряд новых проблем. К их числу относится, в частности, выяснение механизма высокотемпературного полевого испарения металлов. Под таким испарением понимается процесс, сопровождающийся интенсивной поверхностной диффузией, ростом микровыступов и других, более сложных форм: наростов, ступеней и т.п. Детальное рассмотрение развития такого рода неустойчивостей на поверхности острийных эмиттеров может составить основу теории функционирования и методов создания полевых источников электронов и ионов.
Предпринимавшиеся ранее попьггки объяснения динамики процесса высокотемпературного полевого испарения столкнулись с радом проблем, главная из которых - отсутствие ясных представлений о взаимном влиянии распределения поля на поверхности перестраивающегося острия и происходящих изменений формы поверхности.
Особый интерес представляют сплавы, поскольку их применение облегчает получение тонких ионных пучков ряда материалов, снижая рабочие температуры и поля. Если холодное полевое испарение сплавов изучалось многократно, главным образом в аналитических целях, то их высокотемпературное полевое испарение не исследовалось. В то же время, и холодное полевое испарение термополевых микровыступов, выращенных на остриях из сплава, ранее практически не рассматривалось.
Кроме того, возникший в последние годы интерес к новым многокомпонентным материалам, таким как высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) и, в частности, работы, выполненные с использованием атомных зондов, потребовали пересмотра корректности применения традиционных теорий полевого испарения к испарению неоднокомпонентных объектов.
Цель работы.
Целью работы являлось экспериментальное установление закономерностей полевого испарения проводников различных типов в широком диапазоне электрических полей и температур и теоретическое описание динамики формоизменений поверхности при высокотемпературном полевом испарении.
Методы и объекты исследования.
Поверхность монокристаллических острий изучалась методами полевой электронной, ионной и десорбционнои микроскопии с применением широкоугольного и узкоапертурного атомных зондов.
Исследовались острия из платины и сплавов IrRli, HfMo и HfW, а также ВТСП материалы Ей 1:2:3 и ВІ2223. Термополевая обработка образцов производилась в широком интервале температур (80-2000 К) и электрических полей.
Научная новизна и практическая значимость работы.
В настоящей диссертации впервые: систематически исследован процесс полевого испарения материалов ВТСП Ей 1:2:3 и Bi 2223;
получены детальные экспериментальные данные о процессах термополевых формоизменений острий из платины и ряда сплавов (IrRh, ШМо, НІЛУ);
для сплавов обнаружено явление возникновения и упорядоченного движения термополевых микровыступов к центру кристаллографической грани - эффект "схлопывания колец".
разработана универсальная модель явления "схлопывания колец".
обнаружена сегрегация Rh и Hf на поверхности сплавов IrRh, HfMo, HfW.
Все представленные в диссертации результаты исследования получены впервые и являются приоритетными.
Полученные результаты позволяют утверждать, что исследованные материалы характеризуются стабильностью эмиссионных параметров и широким диапазоном возможностей управления геометрией и составом пучка, а также и зарядом ионов. Это позволяет считать их перспективными для создания точечных источников ионов.
Основные положения, выносимые на защиту.
Платина, как точечный полевой источник ионов, по своим параметрам аналогичный иридиевому, выгодно отличается от последнего тем, что те же формы процесса и особенности испарения реализуются при температурах на 150-200 градусов ниже наблюдаемых для иридия.
Высокотемпературное полевое испарение сплавов IrRh, HfW и НІМо характеризуется существенной сегрегацией поверхностно-активных компонентов - родия и гафния - на поверхности соответствующих сплавов, которая выражается в том, что микровыступы состоят в основном из этих компонентов..
Процесс полевого испарения материала ВТСП Ей 1:2:3 является неравновесным. В спектрах присутствуют скоррелированные группы испаряемых ионов.
Скорость полевого испарения материала ВТСП Ві 2223 аномально зависит от температуры: при понижении температуры испарение резко усиливается при достижении точки перехода в сверхпроводящее состояние.
Наличие участка с отрицательной кривизной у подножия макронароста на поверхности острия определяет динамику процесса "схлопывания колец".
Макронаросты на поверхности острия характеризуются малой высотой (несколько атомных слоев) и обладают "пологими" склонами: угол при основании ~ 10.
Апробация работы.
Результаты исследований, изложенных в диссертации докладывались и обсуждались на Международных симпозиумах "Наноструктуры: физика и технология" (С.-Петербург, 1993, 1994 гг.); на Международных симпозиумах по эмиссии в сильных полях (Руан, Франция, 1994 г., Москва 1996 г.); на Международных конференциях по вакуумной микроэлектронике (Портланд, США, 1995г.; С.-Петербург, 1996 г.; Эшвилл, США, 1998).
Публикации
Основные результаты диссертации изложены в 12 публикациях (5 статей в отечественных и зарубежных журналах и 7 докладов), список которых приведен в конце автореферата
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы. Общий объем диссертации составляет 127 страниц, включая 28 рисунков, оглавление и список литературы, состоящий из 107 наименований.
