Введение к работе
Актуальность проблеми. Вопросы, связанные с исследованием природы формирования особенностей кристаллической и электронной структуры на границе раздела газ - твердое тело занимают, одно из ведущих мест в современной физики неорганических материалов и являются основополагающими при решении проблем гетерогенного катализа, коррозионных процессов, сефегации на поверхности, синтезе тонких пленок и наноматериалов и т.д. Бурное развитие сверхвысоковакуумной техники, физических методов анализа поверхности и новых теоретических подходов ее моделирования определяет значительный прогресс в изучении физико-химической природы поверхностных явлений, обусловленный, как развитием новых методологических подходов, так и значительным расширением круга рассматриваемых объектов и процессов, включающих, в частности, анализ сложных гетерогенных реакций на поверхности.
Одним из наиболее интересных, интенсивно изучаемых в последнее время .
процессов является взаимодействие газов 2р-элементов (Ог, N2.) с поверхностью 3d-
металлов IV-V1 фупп, где одновременно и самосогласованно протекают процессы
диссоциативной хемосорбции атомов адсорбата, диффузии их в объем металла,
формирование на поверхности новых фаз Разделение этих процессов, изучение
кинетики протекания, выяснение механизма и элементарных стадий поверхностных
реакций по праву можно отнести к фундаментальным задачам современной
физикохимин поверхности. '
Настоящая работа посвящена исследованию поверхности титана и процессов на его поверхности. Анализ литературных данных позволяет утверждать, что при офомном числе публикаций, характеризующих фундаментальные и прикладные свойства "объемного" титана, его поверхностные свойства изучены недостаточно. В тоже время развитие современной техники, широкое использование титана в вакуумных пленочных технологиях, в конструкционных материалах аэрокосмических аппаратов определяет необходимость детального исследования как поверхностных свойств, так и особенности взаимодействия различных газов с поверхностью данного металла в условиях низких давлений и средних температур (Т=200-"500 К).
1/ель настоящей работы.
Разработать и реализовать единый методологический подход в изучении адсорбции газов на поверхности твердых тел (монокристаллов), с использованием методов рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) и рентгеновской фотоэлектронной дифракции (РФД) для получения в рамках одного эксперимента информации о составе, кристаллической, электронной структуре поверхности.
химическом состоянии элементов на поверхности, центрах локализации неэквивалентных адатомов.
В соответствии с этим ставились следующие задачи:
Исследовать поверхность (OOOl)Ti и адсорбционные системы N2/(0pOl)Ti, ОДОООїуії, N2,O2/(0001)Ті с целью разделения отдельных поверхностных процессов (физической адсорбции и хемосорбции, растворения атомов адсорбата в металле, образования поверхностных фаз) и изучения кинетики их протекания, а также определения особенностей электронной структуры поверхности на различных стадиях адсорбции.
Установить механизм начальных элементарных стадий взаимодействия азота и кислорода с поверхностью (0001)Ті и построить феноменологическую модель данных адсорбционных процессов.
Исследовать природу неэквивалентных химических состояний адатомов азота и кислорода, локализованных в различных адсорбционных центрах грани (OOOJ)Ti. Методами рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и квантовохимического анализа изучить электронную структуру грани (0001)Ti и систем N2/(0001)Ti, O2/(0001)Ti.
Научная новизна. Разработан новый подход в исследовании адсорбционных систем, включающий в себя экспериментальный РФЭС и РФД анализ, математическую обработку экспериментальных данных, моделирование поверхности и поверхностных процессов с позиций феноменологических и квантовохимических представлений. Проведено детальное исследование адсорбции кислорода, азота и их смесей на грани (0001)Ті с разделением кинетики поверхностных процессов: физсорбции, хемосорбции, диффузии в объем и образования на поверхности иэоструктурных фаз. Впервые установлены центры хемосорбции азота и кислорода на поверхности (OOOI)Ti, исследованы химические состояния адатомов а неэквивалентных центрг , предложены модели процессов диссоциативной хемосорбции азота и реконструктивной хемосорбции кислорода. К абсолютно новым данным можно отнести результаты рентгеновской фотоэлектронной дифракции для поверхностей (OOOl)Ti, NVfOOOIJTi и Ог/(0001)Ті. Дифракционные 2я-проекции для отдельных химически неэквивалентных состояния адатомов (кислород, азот) и поверхностных атомов титана на различных этапах адсорбции получены и обсуждены в настоящей работе впервые.
Практическая ценность работа. Предложенный методологический подход комплексного использования методов РФЭС и РФД открывает новые возможности в экспериментальном исследовании сложных адсорбционных систем с получением количественной химической и структурной информации о поверхности и
поверхностных процессах. Результаты настоящей работы представляют несомненный интерес с точки зрения развития фундаментальных представлений о начальных элементарных стадиях взаимодействия поверхности титана с азотом н кислородом к могут быть непосредственно использованы при описании механизмов и математическом моделировании многостадийных процессов на поверхности титана.
На защиту выносятся:
Результаты РФЭС и РФД исследований поверхности монокристалла титана (0001), адсорбционных систем Nj/(0001)Ti, ОУ(000І)Ті и газовой смеси Nj, 02 на (0001)Ti; полные 2тс-дифракционные проекции для атомов азота и кислорода на поверхности l0001)Ti, локализованных в различных хемосорбционных центрах; результаты квантовохимических расчетов электронной структуры поверхности (0001)Ті; модели протжания начальных стадий взаимодействия азота, кислорода и их смеси с поверхности грани (0001 )Ti.
Апробация работы. Основная часть результатов настоящей р юты докладывалась на семинарах и конференциях: Школа молодых ученых. Химия твердого тела. (г.Свердловск, 1989); Physics of Low-Dimensional Structures-2 (г. Дубна, 1995); Химия твердого тела и физикохимия поверхности. II - IV региональные семинары РФФИ, (г Новосибирск, 1995 - 1996, г.Екатеринбург, 1997); Химия твердого тела и новые материалы, (г. Екатеринбург, 1996); 5th International Conference of the Structure of Surface. (France, 1996); XIII Уральская конференция no спектроскопии. (г.Заречкый, 1997).
Публикации, Основные результаты диссертационной работы изложены в 11-ти печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения.
