Введение к работе
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. Работа посвящена теоретическому иссле-юваяюо механизмов и кинетики электронного возбуждения" полупровод-гиков, возникающего при взаимодействии'ниэкоэнергетичвских частиц із активной газовой фазы с твердой поверхностью. Поставщиком энер-чвд для электронного возбуждения твердого тела служат гетерогенные ;имические реакции. Возникающие при протекании реакций гетероген-юй рекомбинации атомов радикалорекомбинационная люминесценция РРЛ), распыление поверхности, химическая эмиссия (ХЙ) электронов ионов и динамический эффект реакции (ДЭР) являются тонким и чув-твительяым инструментом изучения поверхности твердого тела, несут нформацию о химическом составе, структуре и электронном спектре оверхности, о кинетике и механизме химических превращений и об ктивной газовой атмосфере (о' природе и концентрации атомов), настоящему времени накоплен значительный базис экспериментальных энных, полученных при исследовании электронного возбуждения по-зрхности полупроводников, а также при одновременных исследованиях ?Л, ХЭ заряженных частиц и ДЭР с адсорбционными и десорбциошшми зрактеристиками. Такие эксперименты позволяют изучить различные зантовые состояния частиц на поверхности твердого тела. Изучение зкояомериостей переходов между этими состояниями представляет ин-;рес для многих областей науки (физика полупроводников и диэлек-)Иков, квантовая электроника, катализ, оптика, химия твердого те-I).
С целью развития теории и интерпретации экспериментальных ре-льтатов необходимо рассмотреть кинетические модели гетерогенной комбинации атомов и электроттого возбуждения поверхности полу-оводников.
Все это определяет актуальность темы данной диссертационной боты.
Цель работы. Построить и исследовать численными методами тематические модели электронного возбуждения поверхности полуп водников атомарным водородом. Провести сравнение с эксперимента ними результатами по изучению радикалорекомбинационной люминесц иди, химической эмиссии заряженных частиц, динамического эффо: реакции, адсорбции и десорбции атомов, полученными при взаимод ствии диссоциированного на атомы водорода с поверхностью твр, тел (ZnS, CaO, GdS, Ge, Ni, Си).
Научная новизна. Показано, что экспериментальные данные регистрации интенсивности РРЛ (I) и ХЭ (I") заряженных частиц, ] гистрации ДЭР (Р), адсорбции и десорбции (N) при взаимодейст] диссоциированного на атомы водорода с поверхностью твердых ' нельзя объяснить на основании традиционных механизмов ударной j комбинации Или-Ридала, или рекомбинационной десорбции Ленгмю] Хиншельвуда, или их совокупности.
Впервые исследована модель гетерогенной рекомбинации атомої электронного возбуждения полупроводников, которая учитывает захі атомов на твердой поверхности в короткоживущее квантовое состоя* ігредадсорбции (precursor state). Эта модель объясняет опытные щ. ние (отсутствие зависимости интенсивности электронного возбуздеї-поверхности от концентрации хемосорбированных атомов; наличие t сыщения на кривых зависимости стационарной скорости реакции от г тока налетающих на твердую поверхность частиц при отсутствии бл кировки поверхности молекулами; прямоугольная форма кривых I(t) P(t), не совпадающая с формой кривых N(t); начальный пик на кршз I(t) при медленном заполнении поверхности хемосорбированшми ат мами).
Впервые учтено участие двух форм предядсорОции, одна из кот рых есть првдадсорбция атома на центре адсорбции, а вторая - пре адсорбция атома в области минимума потенциального рельефа, созда
наго груштой из трех-четырех хемосорбированных атомов (двухслойная адсорбция). Это позволило построить механизм, соответствутадай таким экспериментальнам данным, как наличие двух максимумов на кривых зависимости от времени.интенсивности электронного возбуждения полупроводников; медленное заполнение поверхности хемосорбирован-ными атомами с временем релаксации ~ 100 с.
Впервда установлена возможность .применения кинетического механизма с участием предадсорбированных частиц к описанию автоколебаний гетерогенных реакций и сопутствующих явлений люминесценции, эмиссии ионов и распыления поверхности.
В результате численних экспериментов установлено, что в случае малых потоков атомов исследованная модель электронного возбуждения полупроводников в ходе реакции по наблюдаемым в опытах, признакам не отличима от ударного механизма возбуждения РРЛ. - -.
Достоверность полученных результатов. Результаты исследований разработанных математических модолай и сделанные в диссертации выводы соответствуют экспериментальным данным, полученным разными авторами и разными методами (регистрация кинетики интенсивности РРЛ I(t) и ХЭ электроноЕ I~(t) и ионов I+(t), ДЭР P(t), адсорбции и десорбции атомов N(t)), а также результатам комплексных исследований, при которых в независимых измерениях определялись параллельно несколько характеристик: P(t) и N(t); I Практическая значимость. Построена универсальная математическая модель электронного возбуждения полупроводников при гетерогенной рекомбинации атомов на твердой поверхности' , которая дает адекватное опыту описание всех экспериментальных результатов, наблюдавшихся в стационарных и нестационарных условиях. Объяснено известное из опыта парадоксальное сочетание для одних и "тех же образцов признаков возбуждения радикалорекомбинационной люминесцвн- ции по ударному механизму, наблюдаемых в случае малых потоков это мов J, с нарушением критериев этого механизма в случае больших по токов J. Достигнут новый уровень понимания механизмов гетерогенной ре комбинации атомов и сопутствующих явлений люминесценции и химичес кой эмиссии заряженных частиц. На защиту выносятся следующие результаты работы Кривые зависимости от времени интенсивности РРЛ I(t), У. r~(t), динамического эффекта реакции F(t) и количества реагирующи на поверхности твердых тел частиц N(t), полученные при взаимодей ствии диссоциированного на атомы водорода с поверхностью ZnS, GaO Ge, CdS, Cu, Ni це могут быть интерпретированы в рамках ударног механизма ИР, механизма рекомбинационной десорбции ЛХ или их сово купности. Электронное возбуждение полупроводников при гетерогенно рекомбинации атомов диссоциированного газа на твердой поверхност протекает с участием хемосорбировагошх атомов и атомов, захвачен них в предадсорбцконное состояние. Такой механизм позволяет адек ватно опыту описать следующие явления: отсутствие зависимости ско рости реакции рекомбинации и интенсивности электронного возбужде ния полупроводников от концентрации хемосорбированных атомов; на личие насыщения на кривых зависимости стационарной скорости реак ции от потока налетающих на твердую поверхность частиц при отсут ствии блокировки поверхности молекулами; немонотонный вид кривы I(t) и 1(1) <ноеле начального быстрого роста наблюдается медленны, спад и стабилизация); прямоугольную форму кривых I(t) и F(t); на чальный ішк на кривых 1(1) и F(t); форму кривых N(t). Наблюдаемое в опытах по регистрации радикалорекомбинацион ной люминесценции, омиссии заряженных частиц и динамического эф фекта реакции такое нестационарное явление, как наличие двух мак думав на кинетических кривых, можно описать при помощи механиз-, учитывающего предадсорбцию атомов диссоциированного газа в )еый и второй адслои на поверхности твердого тела. Автоколебания интенсивности электронного возбуждения полу-)Водников можно объяснить в рамках кинетического механизма/ учи-зающего захват частиц на поверхности твердого тела в короткожи-;ее квантовое состояние предадсарбции. В случае малых потоков атомов исследованная модель элек->нного возбуждения поверхности по наблюдаемым в опытах признакам отличима от ударного механизма возбуждения PFJL Апробация работы. Изложенные в диссертации результаты докла-іались на IV Всероссийском симпозиуме "Актуальные проблемы ад-кЗциоцных процессов" (Москва, 1998 г.), V Международном совеща-і-семинаре "Инженерно-физические проблемы новой техники" (Мос-, 1990 г.), научных семинарах Института химической физики РАН и овского государственного технического университета. Публикации. Основные результаты, представленные в диссерта-, опубликованы в 6 работах. Структура диссертации. Работа содержит 139 страниц текста и тоит из введения, 4 глав основного текста, включающего 36 ри-ков, двух приложений, заключения и списка датируемой литерату-пключающего 129 наименований.