Введение к работе
Актуальность темы. За последние 30 лет значительное внимание уделяется исследованиям в области физики, химии и механики поверхности твердых и жидких тел. Актуальность таких исследований обусловлена тем, что сведения о строении поверхности и о природе поверхностных явлений необходимы при разработке как теории конденсированного состояния вещества, так и научных основ новых технологических процессов, связанных с созданием тонкопленочных систем современной электроники, надежных соединений разнородных материалов, электрических контактов с необходимыми свойствами.
Особый интерес представляет изучение свойств тончайших поверхностных слоев, которые образуются в результате адсорбционных и сегрегационных эффектов. Развитие современной микроэлектроники характеризуется тенденцией миниатюризации элементов электронной техники (переход к нанотехнологиям), размеры которых составляют десятые и сотые доли микрометра при минимальном энергопотреблении. При этом роль поверхности и ее вклад в физические свойства элементов малых размеров становятся не только значительными, но и часто определяющими. Многие процессы в этой области размеров завершаются за очень короткое время. Для их исследований необходимо разработать новые и развивать существующие методы контроля свойств поверхности. С другой стороны, накоплен огромный научный материал по поверхностным свойствам веществ, требующий анализа, систематизации и обобщения. Например, анализ условий проведения измерений важнейших энергетических параметров поверхности как работа выхода электрона (РВЭ) и поверхностное натяжение (ПН) показывает, что не всегда исследователи строго соблюдают необходимые требования к проведению эксперимента. Сравнительный анализ результатов экспериментов по определению РВЭ, ПН и их температурных коэффициентов (ТК) показывает, что эти данные часто противоречат друг другу и до настоящего времени нет единого мнения при их интерпретации.
В теоретическом и прикладном отношениях весьма важно изучить влияние внешних воздействий на поверхностные свойства массивных и малоразмерных объектов, например, влияние потоков частиц, температурных, электрических и магнитных полей, адсорбции молекул из газовой фазы (ГФ) и паров щелочных металлов на их поверхности. Такие исследования могут дать ценную информацию о механизмах поверхностных явлений и их применений в современной технике.
В связи с изложенным становится очевидной актуальность исследований по теме данной диссертационной работы.
Цель работы – установление закономерностей процессов, происходящих на поверхностях металлов и сплавов при изменении температуры и адсорбции активных компонентов из газовой фазы и из объема сплава.
Ставились следующие задачи:
-
Проанализировать существующие методы определения РВЭ с целью разработки метода для определения РВЭ в условиях непрерывных и быстропротекающих процессов на поверхности металлов и сплавов. Создать экспериментальные установки, позволяющие изучить процессы на поверхности разработанным методом измерения РВЭ в сочетании с электронной оже-спектроскопией (ЭОС) и масс-спектроскопией (МС).
-
Исследовать изменения РВЭ простых металлов и их бинарных сплавов в твердом и жидком состояниях в зависимости от температуры и концентрации компонентов, а также при их плавлении.
-
Изучить влияние адсорбции молекул газовой фазы на величину РВЭ и ПН металлов, теоретически рассмотреть кинетику начального процесса адсорбции и установить общие закономерности их изменений.
-
Проанализировать имеющиеся в литературе экспериментальные данные по РВЭ, ПН и их ТК и установить основные причины разброса значений этих параметров, а также определить источники ошибок методом моделирования различных экспериментальных ситуаций.
Научная новизна полученных результатов
-
Разработаны новые фотоэмиссионные способы определения быстрых и непрерывных изменений РВЭ двухлучевым и однолучевым методами; созданы оригинальные сверхвысоковакуумные установки, в которых реализованы предложенные методы определения РВЭ в сочетании с методами электронной оже-спектроскопии и масс-спектроскопии.
-
Впервые изучены температурная и концентрационная зависимости фотоэмиссионной РВЭ чистых p-металлов и бинарных сплавов систем In-Sn, Sn-Pb и Pb-In в твердом и жидком состояниях и в процессе плавления. Установлены нелинейная зависимость РВЭ от температуры и концентрации и скачкообразное изменение РВЭ металла при плавлении. Так же меняется скачком ТК РВЭ при поверхностном и объемном плавлениях металла. Обнаружено, что, чем меньше температура плавления металла, тем больше по абсолютной величине ТК РВЭ.
-
Показано, что произведение ПН и РВЭ грани для данного чистого металла – величина постоянная: (hkl) (hkl)=const.
-
Получены формулы, описывающие кинетику адсорбции компонентов из объема сплава и из газовой фазы. На основе этих формул впервые предложены способы определения неравновесных значений ПН(0) и РВЭ(0) свежеобразованных поверхностей сплавов и чистых металлов.
-
Впервые установлены особенности адсорбции молекул H2, O2, H2O и I2 из газовой фазы на РВЭ и ПН металлов; выявлен вклад остаточного газа в ТК РВЭ и ПН чистых металлов.
-
Впервые, методом моделирования различных экспериментальных ситуаций, установлены конкретные причины значительного разброса результатов экспериментальных данных по РВЭ, ПН и их ТК, полученных разными авторами. Даны рекомендации для устранения влияния этих причин.
Степень достоверности и возможность практического использования. Достоверность полученных результатов определяется применением комплекса взаимодополняющих и надежно апробированных методов исследования поверхности, таких как метод Фаулера и электронного пучка Андерсона для определения РВЭ, метод ЭОС для контроля чистоты и состава поверхности, метод масс-спектрометрии остаточного газа и др., позволяющих проводить исследования в хорошо контролируемых условиях, а также хорошим совпадением результатов с известными в литературе наиболее достоверными данными и хорошей их воспроизводимостью. Ряд полученных в работе результатов был воспроизведен независимо другими авторами. Основные результаты не противоречат современным представлениям в физике.
Практическая значимость результатов исследований. Полученные в работе результаты и их анализ открывают реальные предпосылки для развития теории поверхности металла. Разработанные способы определения РВЭ, методики обработки данных эксперимента и созданные оригинальные комплексные установки могут быть применены для решения научно-практических задач. На базе новых методов определения РВЭ и разработанных сверхвысоковакуумных установок для комплексных исследований свойств поверхностей создана учебно-научная лаборатория по эмиссионной электронике, где реализованы около десяти лабораторных работ по современным методам исследования свойств поверхности. Материалы диссертации и описания лабораторных работ включены в спецкурсы, они также могут быть использованы для решения научно-технических задач в областях материаловедения, нано- и тонкопленочной технологии, вакуумной технологии, гетерогенного катализа и др.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Разработанные новые способы контроля быстрых и непрерывных изменений РВЭ двухлучевой и однолучевой фотоэлектрические методы. Созданные экспериментальные установки, в которых реализованы новые способы определения изменений РВЭ в сочетании с современными методами изучения свойств поверхности как ЭОС поверхности образца и масс-спектроскопия газофазной среды в измерительной камере.
-
Полученные значения РВЭ, ПН и их температурных коэффициентов, политермы РВЭ чистых металлов и сплавов, изотермы РВЭ бинарных сплавов и изменения РВЭ при адсорбции молекул как из газовой среды, так и из объема сплава, выводы и заключения, полученные при анализе и обобщении результатов своих экспериментов и литературных данных.
-
Установленные механизмы изменений РВЭ и ПН чистых p-металлов и их сплавов в зависимости от температуры и адсорбции компонентов, главными из которых являются перестройка атомной структуры поверхности и адсорбционно-дипольный механизм.
-
Соотношение, описывающее связь между (hkl) и (hkl), которое позволяет вычислить трудноизмеримую на опытах (hkl) грани кристалла с достаточной точностью. Вычисленные значения (hkl) металлов ОЦК, ГЦК и ГПУ структур.
-
Соотношения, описывающие кинетику адсорбции через изменения РВЭ и ПН для чистых металлов и бинарных сплавов. Методики определения неравновесных значений ПН и РВЭ (0 и 0) свежеобразованной поверхности металлов и сплавов. Значения 0 и р чистых p-металлов и сплавов, вычисленные с использованием предложенных методик.
-
Результаты вычислений вкладов компонентов газовой среды в ТК РВЭ и ПН.
-
Вывод о том, что одной из главных причин разброса данных экспериментов по РВЭ и ПН различных авторов является адсорбция молекул остаточной газовой фазы в измерительной камере. Выводы и рекомендации, полученные при анализе результатов модельных экспериментов.
Личный вклад автора. Диссертация представляет собой итог самостоятельной работы автора, обобщающий полученные им и в соавторстве с сотрудниками результаты. Научному консультанту, профессору Х.Б. Хоконову, принадлежит выбор направления исследований. Автору принадлежат идеи усовершенствования и разработки новых методов определения РВЭ, постановка задач и методов их решения, трактовка и обобщения основных полученных результатов. Соавторы участвовали в проведении экспериментов и расчетов, обсуждении полученных результатов и в постановке некоторых задач.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертации докладывались на ежегодных итоговых конференциях и региональном семинаре по физике межфазных явлений им. С.Н. Задумкина (г. Нальчик, 1980-2008 г.); на II Всесоюзной школе и конференции по физике, химии и механике поверхности (г. Нальчик, 1981 г.); на IX Всесоюзной конференции "Смачивание, адгезия и пайка" (г. Николаев, 1982 г.); на I Уральской конференции "Поверхность и новые материалы" (г. Свердловск, 1984 г.); на ежегодных физических чтениях СКНЦ ВШ (г. Ростов-на-Дону, 1981-1984 гг.); на VIII и Х Всесоюзных конференциях по поверхностным явлениям в расплавах и твердых фазах (г. Киржач, 1980 г., 1986 г.); на Всесоюзной школе молодых ученых «Поверхностные явления в расплавах и их использование в технологии и технике» (Киев, Кацивели, 1984 г.), на 1У Всесоюзной школе-семинаре по поверхностным явлениям в дисперсных системах (г. Грозный, 1988 г.); на Всероссийской конференции «Физика межфазных явлений и процессов взаимодействия потоков энергий с твердыми телами» (г. Нальчик, 1995 г.); на
VI научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника» с участием зарубежных специалистов (г. Гурзуф, 1999 г.); на II Международной конференции «Фундаментальные проблемы физики» (г. Саратов, 2000 г.); на X Российской конференции «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов» (Екатеринбург–Челябинск, 2001 г.); на Международном семинаре «Теплофизические свойства веществ» (г. Нальчик, 2001 г.); на V Международной конференции «Вакуумные технологии и оборудование» (г. Харьков, 2002 г.); на VIII Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (ПЭМ-2002 г. пос. Дивноморск, 2002 г.); на Международной научно-технической конференции «Пленки-2002». (Москва, 2002г.); на VI Международной конференции «Вакуумные технологии и оборудование» (Харьков, 2003г); на IX Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (г. Таганрог, пос. Дивноморск, 2004 г.); на XI Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ (г. Санкт-Петербург, 2005 г.); на II-м Международном семинаре по теплофизическим свойствам веществ (г. Нальчик, 2006г.); на XII Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ (г. Москва, 2008 г.) и на других российских и региональных научных конференциях.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в
56 работах, опубликованных в научных журналах и в материалах международных, всесоюзных и российских конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитированной литературы. Она содержит 303 страницы, в том числе 112 рисунков, 28 таблиц и список литературы, включающий 361 наименование.
