Введение к работе
Актуальность теїш. Решение большинства проблем фпзико-хнинз твердого тела тесно свяэано о необходимостью анализа электронного строения, атомной н кристаллической структуры, химического состава, исследований фнзнко-хішическнх и физических свойств, ч»о требует применения кснплекса современных фи8ичеоких ызтодов. Например, аналитические задачи материаловедения полупроводников, сегнетоэлектра-ков, высокогзипературных сверхпроводников, специальных сплавов и т.д., необходимых для научно-технического прогресса, могут быть ре-вены с помощью получивших нирокое распространение методов электронного зондирования. Однако, во многих случаях традиционные подходы в этих методах не являются удовлетворительными аз-аа недостаточной локальности и чувствительности анализа, а также вследствие специфических свойств ряда рассматриваемых материалов, таких как образование прнэлектродяых барьерных слоев, взаимодействие свободных носителей и поляризации, налоаение токов проводимости, смещения, переполяриаации и т.п.
Получение.более качественной и преамущесззваио новой ияфорнз-цаи может Сыть осуществлено на основа новых подходов в электрошш-8ондовых методах. При этом, наряду с изучением возможностей обнаружения дополнительных сигналов от взаимодействия электронного зонда с твердым телом (например, з оже-электроиной, фотоэлектронной и рентгеновской спектроскопии), следует обратить особое внимание на поиск новых качественных и количественных связей известных аналнгя-ческих сигналов со структурными, химическими и физическими характеристиками твердого ївлз. С точки зрения расширения аналитических во5ыо2Шостай электронно-зоидовых методов весьма перспективными выглядят вторично-эмиссионные процессы. Вторично-электронная эмиссия (Е39) имеет высокую интенсивность, легко возбуждается электрон-
- г -
иш, в такне фохоншш, ионным иди иным потоком частиц, ее регистрация не требует сложной аппаратуры и сверхвыоокого вакуума.
Хотя электронно-эмиссионные методы получили достаточное развитие, истинная ВЭЭ (интервал внергий .4 50 эВ) используется в подавляющем большинстве случаев только в качественной аспекте, например, в растровой электронной микроскопии (РЭП). В то же время ВЭЭ как явление несомненно связана с рядом важнейших характеристик вхомно-вдвктронного и химического строения твердого тела: энергией и степенью заполнения электронных уровней, плотностью дефектов, параметрами электрон-электронного п электрон-фононного взаимодействия и *.Д.
Тнвиы образом, поиск новых закономерностей ВЭЭ, связанных о еависимоегью выхода нстинно-ьторичных электронов от параметров строения в химического состава, о одной стороны, и вневвих факторов (температура, энергия зонда я т.д.) с другой стороны, построение на основе втих закономерностей адекватных моделей ВЭЭ, в наконец, использование этих моделей в новых методических подходах г химик и фианке твердого тела является актуальной задачей. Ревевно втой проблемы значительно расширит аналитические возможности в фп-вико-хинических исследованиях твердого тела.
Цель работы. Целью данной работы явилось установление нових, закономерностей истинной ВЭЭ и разработка не их основе нового меео-да в физико-химин и физике твердого тела - температурной зависимости вторично-электронной эмиссии.
В связи с этим в работе ставились следующие задачи:
I. Развить модельные представления о закономерностях выхода истинно-вторичных электронов б зависимости от внешних факторов И его связи о ег^ино-электроннын строением, химическим составом, физико-химическими и физическими свойствами твердого тела.
2. На продере класса оксидов переходных кетадлов, обааругиваю-sfix широкий спектр електронних состояний диэлектрического, полупроводникового, квазиивіаллического характера, провеии экспериментальное исследование этих закономерностей.
8. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработать новый негод контроля состава ц свойств твердого тела - температурную зависимость вторично-электронной амнс-сии (ТЗ ВЭЭ).
Научная новизна работы
1. Впервые развита полуэмпирическая модель температурной зависимо
сти вторично-электронной эмиссии, связывающая выход астинно-вторич-
ішх электронов с атомным и электронным строениеи твердого тела. По
лучено общее выражение для ТЗ ЕЭЭ, описывающее неоднозначную отно
сительно характера проводимости циыени функцию выхода истинно-вто
ричных электронов от температуры,
2, На основе модельных представлений создан новый электронио-зондо-
еый метод исследования физико-химических и физических своЗстз твер
дого тела - температурная зависимость вторично-электронной эмиссии
(ТЗ ВЭЭ), с помощью которого впервые показаны:
возможности бесконтактных, локальных (как по глубине, так и по поверхности) измерений глубини залегания примесных доноршх уровней в запрещенной зоне;
возможности бесконтактной, локальной регистрации фазовых сегнето-алектрических переходов;
возможности прямым измерением установить наличие восстановленных форм в минералах. Метод зарегистрирован в качестве изобретения: "Способ выявления восстановительной среды минералообразования в магме";
возможности определения дефицита кислорода с чувствительностью к общему содержанию кислорода 0,01^;
- возможности идентификации сверхпроводящих и примесных фаз по -электрофизическим свойствам в ВТСН-керамиках в растровом электронном микроскопе. Метод зарегистрирован в качестве изобретения: "Способ идентификации фаз в высокотемпературных сверхпроводниках".
Практическая значимость
В результате проведенных теоретических и экспериментальных всслодований разработан, новый бесконтактный метод Т8 ВЭЭ для локального контроля электронной структуры, химического состава, физико-химических К фНЗИЧеСКИХ СВОЙСТВ к'ПТерИаЛОВ, КОТОРЫЙ М05ЭТ быть
применен в физико-химии, а также в электронной технике, металловедении и ряде других областей.
Полученные теоретические результаты могут бнть использованы в фундаментальных исследованиях явления ВЭЭ.
На защиту выносятся:
1. Новые аналитические аакокоыерносги вторнчко-влзктрокной
эмиссии, связывание выход вторичных олектроиов со отроением веще
ства:
а) обцае выражение для выхода истинно-вторичных электронов и его
температурной зависимости;
С) результаты исследования зависимости ВЭЭ от температурного пктор-лала и от характера электронной структуры мявеви.
2. Новые методические возмосности TS ВБЭ в исследованиях іш:іе-
слодувїікх физико-хицгічесюїх и физических свойств п процессов в тзор-
дом геле:
о) глубины зажоганпя донорннх уровней в запрещенной зоне;
б) параметров взаимодействия вторичных электронов с веществом;
в) дефицита кислорода в оксидах;
г) температур?: фазовых сегнетоэлектрических переходов;
д) окисления металлов и сплавов;
е) фазового состояния в геторофазных веществах;
- 5 -а) восстановленных и окислениях фори в слоздмх оксидах.
-
Результаты экспериментальной проверка в растровом электронной микроскопе в интервале температур Ткоич < Т * 500 К на монокристаллах и керамиках систем T-Ba-Ca.-0 в Es)-(Pb)"Gl-Sr~Cu-0 новых аналитических закономерностей и методических возможностей, определенных в пунктах I и 2.
-
Новые результаты экспериментальных исследований, полученные методом ТЗ БЗЭ.
Апробация работы: Материалы диссертации были долояенн а. обсузденн на:
-
Третьей Всесоюзной конференции по физико-химическим основшл технологии сегнетоэлектриков. Звенигород. IS88 г.
-
Шестом Всесоюзном симпозиуме по РЭМ и аналитическим методам исследования твердых тел. Звенигород. 1989 г.
-
Двенадцатой Всесоюзной конференции по физике сегнетоалектраноз. Ростов-на-Дону. 1989 г.
-
Второй Всесоюзной конференции по ВТСП. Киев. IS89 г.
-
Сороковой Всесоюзной научной сессии, посвященной Дню радио (НТО юл. А.С.Попова). Москва. 1989 г.
Публикации: по материалам диссертации опубликовано II работ, получены I авторское свидетельство на изобретение и I положительное решение по заявке на изобретение.
Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы, включающего 182 наименования. Работа изложена на 169 страницах машинописного'текста, включая 39 рисунков и л" таблиц.