Введение к работе
Актуальность темы исследования Эволюция структуры поверхности при механическом, термическом, радиационном и адсорбционном воздействиях имеет свои специфические особенности, обусловленные тем, что она является межфазовой границей. Многочисленные эксперименты наглядно показали, что результаты того или иного воздействия на твердое тело во многом определяются состоянием его поверхности. Теоретические модели рассматривают поверхность как источник и сток дефектов. Механические свойства твердого тела, как правило, описываются на языке линейных дефектов – дислокаций. Однако современные модели линейных дефектов на поверхности разработаны для весьма ограниченного ряда случаев и для создания общей картины поведения дислокационных структур в верхних атомных слоях, требуются новые экспериментальные результаты.
Большинство исследований процессов образования точечных дефектов связаны с радиационным воздействием на щелочно–галоидные кристаллы (ЩГК). В частности, было показано, что при электронном облучении происходит разрушение верхних атомных слоев с удалением галогенной компоненты в вакуум. Но, в основном, эти исследования были направлены не на изучение самой деструктированной поверхности, а связаны с анализом продуктов разложения, вылетающих с образца.
Современное развитие нанотехнологии диктует жесткие требования к чистоте и структуре исходной кристаллической поверхности, а также к качеству эпитаксиальных слоев, выращиваемых на ней. Большинство же работ в этом направлении касаются полупроводниковых материалов и посвящены поиску оптимальных режимов получения совершенных структур без детального исследования физических процессов в верхних атомных слоях.
Для получения сведений об элементарных процессах, происходящих на поверхности твердого тела, связанных с эволюцией дефектной структуры, наиболее перспективным представляется подход с использованием комплекса методик, контролирующих атомную и электронную структуру, химический состав исследуемого объекта. При этом особую ценность представляют эксперименты, проводимые на атомно–чистых поверхностях, которые подвергаются различного рода дозированным воздействиям в условиях сверхвысокого вакуума. Однако таких исследований крайне мало.
Таким образом, закономерности эволюции дефектных структур в нанометровом поверхностном слое твердого тела являются актуальной проблемой физики конденсированного состояния.
Цель работы состояла в исследовании эволюции структуры нанометрового поверхностного слоя твердого тела in situ в условиях сверхвысокого вакуума при разнообразных по виду внешних воздействиях, что и обусловило широкий выбор объектов исследования существенно различающихся по своим механическим, адсорбционным свойствам и радиационной стойкости. В работе использовался набор различных методов внешнего воздействия и комплекс методик электронной дифракции и спектроскопии, которые позволили определить: атомную структуру поверхности кристаллов – метод дифракции медленных электронов (ДМЭ), электронную структуру – спектроскопия характеристических потерь энергии электронов (СХПЭЭ) и химический состав приповерхностной области кристаллов – оже–электронная и рентгеновская фотоэлектронная спектроскопии (ОЭС и РФЭС).
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1). Разработать методику исследования структурных изменений атомно–чистой поверхности непосредственно в процессе воздействия на образец в условиях сверхвысокого вакуума. Провести модельные расчеты дифракционных картин от дефектных структур.
2). Применить комплекс методов электронной дифракции и спектроскопии для исследования эволюции дефектных структур в нанометровом поверхностном слое бинарных и слоистых диэлектриков, тугоплавких металлов при различного рода воздействиях в целях получения качественно новой информации о поверхности твердых тел.
Научная новизна работы определяется тем, что в ней:
Разработан метод интегральных картин ДМЭ, позволяющий исследовать дефектность атомной структуры поверхности. Предложена методика определения эффективного числа атомных слоев, создающих дифракционную картину. Проведены расчеты картин ДМЭ от дефектных структур.
В области эксперимента разработана и реализована конструкция низковольтного дифрактометра и устройств, позволяющих осуществлять регулируемое механическое воздействие на исследуемые образцы непосредственно в процессе наблюдения картин ДМЭ.
Впервые получена детальная картина структурных переходов в нанометровом поверхностном слое кристаллов мусковита, обладающих ярко выраженной слоистой структурой, при двухосном растяжении и изгибе. Установлена связь этих изменений с эволюцией линейных дефектных структур.
Впервые прямым методом детально исследована динамика эволюции структуры на поверхности металлических поликристаллов Pt, Mo и W при термическом и адсорбционном воздействиях. Выявлен характер эволюции исходной зернограничной структуры, связанный с образованием монокристаллической, крупноблочной, фасеточной структур, возникновением периодического рельефа на рекристаллизованной поверхности тугоплавких металлов.
Изучен процесс структурных переходов на рекристаллизованной поверхности тугоплавких металлов при одноосном растяжении, связанный с образованием ступенчатых структур, переориентацией блочных структур, локальным разрушением крупноблочных структур.
Обнаружено образование на поверхности Pt монослойных графитовых островков в процессе термического и кислородного воздействий, а также ориентирующее действие одноосного растяжения на эти островки.
Получены данные о структуре и атомной динамике поверхности кристаллов бинарных диэлектриков, содержащих галогенную компоненту (БД), а также о характере взаимодействия электронов с этим классом веществ. Впервые методом ДМЭ определены эффективные дебаевские температуры на поверхности ЩГК. Обнаружено, что характер рассеяния низкоэнергетических электронов поверхностью БД существенно отличается от такового для металлов.
Установлены особенности трансформации структуры на поверхности БД под действием электронного пучка, которая носит неупорядоченный, нелокальный и частично обратимый характер. Показано, что степень деструкции атомной структуры 1–2 верхних слоев при электронном облучении существенно выше по сравнению с нижележащими слоями. Обнаружено существенное влияние кислорода на процесс взаимодействия электронного пучка с поверхностью БД.
Научная и практическая значимость работы. Научная ценность работы состоит в том, в результате проведения комплексного исследования поверхности твердого тела методами электронной дифракции и спектроскопии при различных внешних воздействиях были получены качественно новые данные об эволюции нанометрового поверхностного слоя бинарных и слоистых диэлектриков, тугоплавких металлов. Результаты работы наглядно продемонстрировали эффективность использования этих методов для исследования трансформации структуры атомно–чистой поверхности в нанометровом масштабе и условиях сверхвысокого вакуума. Детально исследован процесс изменения структуры поверхности кристаллов мусковита при различного рода механическом воздействии. Прослежен ход эволюции атомной структуры поверхности Pt, Mo, W: от процесса рекристаллизации до механического разрушения при одноосном растяжении. Показано, что характер взаимодействия электронов с поверхностью кристаллов бинарных диэлектриков существенным образом отличается от такового для металлов. Найдены значения эффективного сечения неупругого взаимодействия электронов с поверхностью ионных кристаллов и сечения электронно–стимулированной десорбции галогенной компоненты этих соединений. Выявлена роль диффузии и кислородного воздействия на процесс деструкции и восстановления структуры поверхности этого класса кристаллов под действием электронного пучка.
Практическая значимость работы состоит в разработке и реализации методики, позволяющей исследовать эволюцию атомной структуры на поверхности непосредственно в процессе разнообразного по виду механического воздействия в условиях сверхвысокого вакуума. Метод интегральных картин, предложенный в данной работе, может быть использован для исследования дефектности структуры. Возникновение электрических полей в процессе механической деформации слюды можно использовать при создании аппаратуры, предназначенной для прогнозирования землетрясений. Образование упорядоченной ступенчатой структуры на поверхности рекристаллизованной полоски платины существенным образом удешевляет технологию изготовления наносенсорных устройств по сравнению с использованием для этой цели монокристаллических образцов. Результаты экспериментов по взаимодействию кислорода с поверхностью BaF2 можно применять для разработки технологии, позволяющей увеличить радиационную стойкость этих кристаллов.
Положения, выносимые на защиту
1. Методические и экспериментальные разработки в области ДМЭ, позволяющие исследовать in situ структурные изменения в нанометровом слое атомно–чистой поверхности при разнообразных механических и других воздействиях на твердое тело, а также проводить идентификацию структурных нарушений на поверхности, исходя из анализа интенсивности, углового положения и формы дифракционных максимумов.
2. Закономерности структурных переходов на поверхности кристаллов со слоистой структурой при механическом воздействии. Образование самосогласованных доменных структур, упорядоченной и обратимой гофрировки на поверхности кристаллов мусковита при двухосном растяжении и изгибе. Формирование внутридоменных дефектных структур, обусловленное кристаллографией поверхности.
3. Результаты исследования прямым методом трансформации структуры на поверхности металлических поликристаллов в процессе термического и кислородного воздействия. Переход от исходной зернограничной структуры тугоплавких металлов к формированию монокристаллических и разномасштабных блочных структур, образованию фасеток и периодического рельефа на рекристаллизованной поверхности.
4. Последовательность структурных изменений на рекристаллизованных поверхностях тугоплавких металлов при одноосном растяжении. Образование ступенчатой структуры в направлении механической деформации на монокристаллической поверхности Pt. Переориентация упорядоченной блочной структуры в направлении легкого скольжения, сопровождающаяся потерей периодичности рельефа на поверхности вольфрама. Локальная деструкция крупноблочной структуры в области разрушения на поверхности молибдена.
5. Характер эволюции структуры, обусловленной углеродом и кислородом на поверхности металлов в процессе термического, адсорбционного и механического воздействий. Образование монослойных графитовых островков на рекристаллизованной поверхности Pt и ориентирующее действие одноосного растяжения на эти островки. Образование сверхструктур на поверхности Mo и W под влиянием кислорода и углерода, разрушение этих сверхструктур при одноосном растяжении.
6. Особенности взаимодействия электронов с поверхностью БД. Существенное отличие характера рассеяния низкоэнергетических электронов поверхностью БД по сравнению с металлами, обусловленное определяющей ролью электрон–фононного взаимодействия. Динамика перехода от картин ДМЭ к кикучи–картинам в диапазоне энергий электронов 30–2000 эВ, связанная с формированием внутренних источников обратно–рассеянных электронов.
7. Закономерности эволюции структуры в поверхностном слое БД нанометровой толщины под действием электронного пучка, носящих неупорядоченный, нелокальный и частично обратимый характер. Более высокая степень деструкции атомной структуры 1–2 верхних слоев по сравнению с нижележащими слоями. Существенное влияние кислорода на процесс взаимодействия электронного пучка с поверхностью БД. Определяющая роль галогенной компоненты на скорость разрушения поверхности БД при электронном облучении.
8. Особенности атомной динамики и ее роль в процессе трансформации поверхности БД. Превышение в 1,8 раза среднеквадратичной амплитуды тепловых колебаний на поверхности БД по сравнению с объемом. Блокировка процесса разрушения поверхности БД под действием электронного пучка, значительное улучшение качества поверхности, образованной при разрушении кристаллов БД по плоскости спайности при охлаждении БД до температуры жидкого азота, являющихся свидетельством определяющей роли колебаний кристаллической решетки в эволюции структуры поверхности БД при механическом и радиационном воздействиях.
Апробация работы. Основные результаты исследований, вошедших в диссертацию, были доложены и обсуждены на многих отечественных и международных конференциях и симпозиумах: 17 Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике (Ленинград, 1979), 5 симпозиуме по ФЭЭ, ВЭЭ, (Рязань, 1983), 19 Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике, (Ташкент, 1984), Всесоюзной конференции «Диагностика поверхности» (Каунас, 1986), Всесоюзной конференции по прочности и износостойкости твердых тел (Куйбышев, 1987), 21 Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике (Ленинград, 1990), 17 Петербургские чтения по проблемам прочности (Санкт-Петербург, 2007г.)
На международных конференциях: 14 th Conf on Surface Science (Germany 1994), 16 th Conf on Surface Science (Genova, Italy, 1996), ICSOS-5 (France, 1996), 18 th Conf on Surface Science (Vena, Austria, 1999), 19 th Conf on Surface Science (Madrid, Spain, 2000), IY международной конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений», (Тамбов, 2007).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 46 печатных работ. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, приложения и списка цитируемой литературы. Общий объем
диссертации 311 страниц, включая 202 рисунка и 7 таблиц, а также список литературы из 221 наименования.
