Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время физика и химия поверхности твердого тела и исследование влияния на свойства поверхности адсорбированных атомов и молекул представляет собой обширное многоплановое и интенсивно развивающееся поле научной деятельности /1,2/. Изучение свойств поверхности имеет большое практическое значение, поскольку многие современные производства и технологии требуют детального знания процессов на поверхности и возможности направленного изменения ее свойств /3/. Одним из традиционных направлений физики поверхности является изучение влияния внешних воздействий на процессы адсорбции и десорбции частиц /4,5/. Явления адсорбции и десорбции частиц сложны для исследования и еще более для понимания как в связи с очевидными экспериментальными трудностями, так и вследствие слабого развития теоретических методов их описания /2,6,7,8/. В ряду представляющих интерес процессов очень мало изученным является десорбция под действием оптического излучения. Исследованию этого процесса и посвящена данная работа.
При выборе системы для исследований мы стремились реализовать как можно более простые условия, позволяющие достаточно четкую и однозначную трактовку результатов измерений. Поэтому мы использовали простейшую адсорбционную систему - одноэлектронный атом на поверхности прозрачного в области его резонансного поглощения диэлектрика, которая по неизвестным причинам была полностью обойдена вниманием исследователей (конкретным объектом исследований в большинстве наших экспериментов являлась система атом натрия на поверхности монокристаллического сапфира). Эта система привлекательна во многих отношениях. Во-первых, предельная простота системы позволяет надеяться на успех при разработке достаточно последовательной теоретической модели явления как можно более полно обобщающей полученные экспериментальные результаты. В частности, фотодесорбция атомов качественно наиболее близка к фотодиссоциации молекул в газовой фазе - процессу хорошо исследованному и часто привлекаемому при анализе результатов исследования процесса фотоде-
- 4 -сорбции. Во-вторых, отсутствие у атомов (в отличие от молекул) внутренних степеней свободы существенно упрощает анализ экспериментальных результатов по десорбции, в частности появляется возможность однозначного определения конечного энергетического состояния отлетающих атомов по скорости их отлета от поверхности и следовательно более четкого ответа на вопрос о перераспределении поглощенной атомом энергии фотона. Кроме того благодаря наличию интенсивных линий поглощения свободных атомов возможно использование простых и доступных методов их регистрации при десорбции, а химическая инертность подложки к парам щелочных металлов и ее прозрачность в широком диапазоне спектра, включая частоту электронного перехода атома существенно упрощает постановку экспериментов.
ЦЕЛЬЮ данной работы является исследование свойств системы одноэлектронный атом на поверхности прозрачного в области атомного резонансного поглощения диэлектрика и развитие полуколичественной модели процесса десорбции этого атома с поверхности при его электронном возбуждении. Поставленная цель включала ряд экспериментальных задач: і. Разработка высокочувствительной оптической методики регистрации очень малых потоков десорбированных с поверхности под действием излучения атомов натрия.
2. Разработка высокочувствительной оптической методики
детектирования адсорбированных на поверхности прозрачных
диэлектриков атомов при субмонослойных покрытиях в
условиях термодинамического равновесия с атомным
паром и при отклонениях от него.
3. Исследование влияния поверхности диэлектриков на
энергетическую структуру одноэлектронных атомов.
-
Исследование свойств адсорбированных на поверхности атомов при их электронном возбуждении.
-
Исследование характеристик процесса фотодесорбции атомов с поверхности.
-
Исследование путей деградации энергии электронного возбуждения адсорбированных на поверхности диэлектрика атомов.
Научная новизна.
і. Разработана простая высокочувствительная методика регистрации десорбирующихся атомов по их резонансному поглощению или флуоресценции. Сконструирована кювета для исследования время-пролетных распределений отлетающих от поверхности атомов с оптической регистрацией.
-
Впервые измерены спектры поглощения атомов натрия, адсорбированных на поверхности сапфира, и исследовано влияние на эти спектры температуры поверхности. На основании полученных результатов определены величины энергии адсорбции и сечения поглощения атома натрия на поверхности сапфира.
-
Впервые исследовано явление фотодесорбции атомов натрия с поверхности сапфира. Измерены спектральные зависимости сечения фотодесорбции и скорости отлета атомов от поверхности, энергия адсорбции и коэффициент аккомодации атома натрия к поверхности сапфира, скорость их миграции
по поверхности.
4. Обнаружена химическая форма связи атомов натрия с
поверхностью сапфира. Определена энергия этой связи.
5. Предложена феноменологическая модель явления
фотодесорбции атомов с поверхности прозрачных
диэлектриков при их электронном возбуждении.
Практическая ценность работы.
1. Разработанная чувствительная методика измерения слабых
потоков десорбированных частиц может быть применена для
исследования десорбции широкого класса атомов и молекул с
поверхности твердых тел.
2. Обнаружено воздействие оптического излучения на
процессы адсорбции и десорбции атомов щелочных металлов на
поверхности прозрачных диэлектриков. Дальнейшее развитие
этих исследований может привести к созданию новых оптических
методов управления процессами осаждения веществ на
поверхность твердых тел из газовой фазы ("сухая"
фотолитография, методы создания сложных поверхностных
структур и др.)
3. Определены некоторые энергетические и спектральные характеристики адсорбированных на поверхности сапфира атомов натрия: спектр и сечение поглощения, энергия адсорбции в физической и химической форме, коэффициент аккомодации, энергия активации поверхностной диффузии и др.
Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались и обсуждались на IV Всесоюзном семинаре "Фотофизика поверхности" (Овсяное, І988 г), на ХІІ и ХШ Международных конференциях по когерентной и нелинейной оптике (Москва, І985 и Минск, 1988 г), на VII и VIII Всесоюзных конференциях по взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленинград, 1989 и 1990 г.г), на X Международной Вавиловской конференции (Новосибирск, 1990 г), на XXI Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике (Ленинград, 1990 г). По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, четыре главы и заключение. Материал изложен на НО страницах машинописного текста, включает 20 рисунков и список цитированной литературы из 93 наименований.
