Введение к работе
і
Высокотемпературная сверхпроводимость (ВГСП) является одной из интереснейших проблем современной физики твердого тела. Однако использование новых ВТСП материалов в современных технологиях в настоящее время затруднено из-за недостаточного понимания природы явления.
Наряду с высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние ВТСП материалы обладают рядом других уникальных свойств. Наличие сложной кристаллической структуры и большого числа разных атомов в элементарной ячейке приводит к весьма протяженному фононному спектру и значительной анизотропии свойств. Вследствие малой длины когерентности многие экспериментально измеряемые характеристики этих соединений определяются узким поверхностным слоем образца. В то жз время, даже небольшие вариации состава в этих соединениях приводят к значительным изменениям и даже исчезновению сверхпроводящих свойств. Поэтому исследование поверхности ВТСП, состав и структура которой отличаются от объемных, является важным направлением изучения новых материалов. Значительную часть необходимой информации могут дать ионно-зондовые методы анализа поверхности.
Необычными являются как сами свойства ВТСП, так и их сочетания. В частности, сочетание ионного типа межатомной связи с металлическим характером проводимости и электронного спектра делают ВТСП материалы интересным объектом для исследования явлений вторичной ионной эмиссии и ионного рассеяния. Основная проблема на пути создания количественных методик анализа поверхности на основе этих явлений заключается в определении зарядового состояния распыленных и рассеявшихся частиц. В настоящее время перенос заряда между поверхностью и отлегающей частицей при описании каждого из этих явлений рассматривается либо как локальный, либо как нелокальный процесс в зависимости от типа химической связи на поверхности. Эксперименты по вторичной ионной эмиссии и ионному рассеянию на поверхности ВТСП, обладающих одновременно металлическими свойствами и решеткой с сильно поляризоваїгннми связями, могут служить критерием универсальности той или иной теории. Наличие сложной кристаллической структуры ВГСП может позволить
.- 4 г
выяснить особенности малоизученной в настоящее время структурной чувствительности метода масс-спектрометрии вторичных ионов. Таким образом изучение особенностей вторичной ионной эмиссии ВТСП является актуальным и интересным направлением исследования.
Учитывая вышесказанное, исследования ВТСП соединений методами масс-спектрометрии вторичных ионов (МСВИ) и спектроскопии рассеянных медленных ионов (СРМИ) являются актуальными и представляют несомненный интерес.
Цель работы состояла в комплексном исследовании особенностей вторичной ионной эмиссии (ВИЗ) и рассеяния ионов (РИ) на поверхности медао-оксидных высокотемпературных сверхпроводников в нормальном состоянии и изучении возможностей локальной диагностики физико-химических свойств поверхности ВТСП материалов методами ионного зондирования.
. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-разработать и создать установку для комплексного исследования поверхности твердых тел ионно-зондовыми методами;
-разработать методики сбора экспериментальных данных и обработки спектрометрической информации;
-изучить особенности ВИЗ и РИ основных соединений различных классов ВТСП;
-исследовать возможности МСВИ и СРМИ для локальной диагностики состава и свойств ВТСП.
-исследовать влияние полного или частичного замещения компонентов на эмиссионные свойства ВТСП и сравнить полученные результаты с данными других методов исследования. Научная новизна работы заключается в том. что впервые:
-в идентичных вакуумных условиях проведено систематическое исследование особенностей эмиссии вторичных ионов и ионного рассеяния при бомбардировке различных ВТСП соединений ионами Аг*;
-установлено, что эмиссия комплексных вторичных ионов, происходящая ло механизму прямого выбивания фрагментов решетки, отражает особенности сложной кристаллической структуры ВТСП;
-установлено, что вероятность ионизации сложных атомных комплексов, распыленных из ВТСП, зависит от вероятности ионизации атомов, входящих в состав комплекса;
-обнаружены аномально высокие значения параметров энергораспределений атомарных вторичных ионов редкоземельных элементов R и отношения токов ионов R0VR*, эмитируемых из ВТСП материалов, обусловленные повышенной энергией связи этих элементов в решетке ВТСП;
-установлена зависимость отношения вторичных ионных токов МО*/М* для металлических компонентов М ВТСП материалов от ионного радиуса М и длины химической связи М-0 в соединении;
-на иттриевых керамиках обнаружена чувствительность МСВИ к структурной неэквивалентности позиций атомов меда в решетке ВТСП и вариациям концентрации кислорода в слоях CuO(l);
-установлена корреляция вторично-эмиссионных параметров и сверхпроводящих свойств металло-оксидных соединений. Научная и практическая ценность работы.
Обнаруженные в работе корреляции эмиссии кластерных ионов из ВТСП с особенностями кристаллической структуры этих соединений, аномально высокие значения параметров энергоспектров атомарных вторичных ионов и отношений M0V1T для иттрия и редкоземельных элементов, входящих в состав ВТСП, особенности ионизации кластерных ионов, особенности многократного ионного рассеяния -все это важно для развития дальнейших фундаментальных представлений о явлениях ВИЗ и РИ.
Установленный в работе механизм формирования кластерных ионов при распылении ВТСП позволяет оценивать расположение примесей в оксидной решетке без привлечения других дорогостоящих методов, например, метода рассеяния нейтронов.
Измеренная и интерпретированная в работе кинетика эмиссии ионов ВаОН* из различных ВТСП позволяет использовать МСВИ для диагностики степени деградации свойств этих материалов под действием паров вода.
Отсутствие влияния матричных эффектов на -эмиссию легирующих редкоземельных элементов из висмутовых керамик позволяет проводить количественный анализ этих добавок методом МСВИ с высокой чувствительностью. На защиту выносятся следующие основные положения;
1.Высокие значения параметров энергораспределений атомарных вторичных ионов редкоземельных элементов Н* и аномально большие
- б -величины относительной эмиссии молекулярных ионов ROVR* свидетельствуют о повышенной энергии связи этих элементов в решетке ВТСП по сравнению с чистыми металлами и нормальными оксидами.
2.Положительные комплексные ионы эмитируются из решетки ВТСП в результате прямого выбивания с интенсивностью, определяемой суммой валентностей компонентов комплекса и атомной структурой мишени.
3.Вероятность ионизации сложного атомного комплекса, эмитируемого из ВТСП, увеличивается с ростом вероятности ионизации атомов металлов М, входящих в комплекс, а устойчивость его тем больше, чем больше энергия диссоциации молекулярных ионов МО*.
Апробация работы. Материалы работы докладывались на Всесоюзной научно-технической конференции "Методы локального анализа и их метрологическое обеспечение" (Свердловск, 1984 г.); на Всесоюзных научных студенческих конференциях "Студент и научно-технический прогресе" (Москва 1984г. и Новосибирск, 1985 г.); на IV Всесоюзной конференции по масс-спектрометрии (Сумы, 1986 г.); на V и VI Всесоюзных семинарах "Вторичная ионная и ионно-фотонная эмиссия" (Харьков, 1988 и 1991D; на Всесоюзной конференции "По-верхность-89" (Черноголовка, 1989 г.); на Всесоюзном семинаре "Послойный анализ и исследование поверхности твердых тел" Шрем-чо, 1990 г.); на X Всесоюзной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью" (Москва 1991 г.); на 11-й Международной конференции по масс-спектрометрии (Франция, Бордо 1988 г.); на VII и VIII Международных конференциях по масс-спектрометрии вторичных ионов (США, Калифорния, Монтерей, 1989 г. и Голландия, Амстердам, 1991г.).
По теме диссертации опубликовано 12 работ в научных журналах и сборниках и получено одно авторское свидетельство.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и общих выводов и приложения. Работа содержит 153 страница машинописного, текста, включая 38 рисунков, 4 таблицы и список литературы из 143 названий.
