WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 5 Изменение формы термополевых наростов на вольфрамовом острие во время роста © В.Г. Павлов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия E-mail: vpavlov@ms.ioffe.rssi.ru (Поступила в Редакцию 1 июля 2005 г.) Методом полевой десорбционной микроскопии непрерывного режима изучена форма термополевых наростов на грани (001) вольфрамового острия. Форма и огранка боковой поверхности нароста меняются при изменении его высоты. Это объясняется происходящей перестройкой боковой поверхности нароста из-за постепенного снижения напряженности поля в нижней части нароста при его росте. Перестройка происходит вследствие того, что при высокой напряженности поля форма и огранка определяются кинетикой роста, а при низкой — минимумом свободной поверхности энергии.

PACS: 68.37.Vj, 68.43.Vk 1. Введение Возможность изучения формы всей поверхности вершины острия основана на свойстве метода, отличающем Термополевые наросты (макронаросты) образуются его от других методов полевой эмиссионной микропри высокой температуре в электрическом поле порядка скопии. Эта особенность заключается в зависимости 107-108 V/cm на плотноупакованных гранях металлиполевой десорбционной картины от скорости поступлеческого острия [1–3]. Считается, что наросты имеют ния изображающего дсорбата к изображаемому участку форму усеченных пирамид или ступенчатых усеченных поверхности. Из-за неоднородности поля поверхность пирамид, все грани которых представляют собой плотострия можно разделить на три зоны: зону слабого ноупакованные кристаллографические плоскости.

поля, где напряженность поля недостаточна для полевой Выводы о форме наростов делались на основе данных десорбции; зону среднего поля, где происходит полевая полевой электронной и полевой ионной микроскопии.

десорбция, и зону сильного поля, где нет изображаюНа поверхности наростов всегда имелись термополевые щего адсорбата, поскольку для того, чтобы попасть в микровыступы — пирамидальные образования размеэту зону, адсорбат должен был бы продиффундировать ром 1-10 nm. Из-за усиления локального электрическочерез зону среднего поля, где он десорбируется. Изго поля за счет микровыступов не удается наблюдать меняя приложенный к острию потенциал, можно переостальную поверхность острия методами полевой эмисдвигать зоны и пройти второй (изображающей) зоной сионной микроскопии. Для выявления формы наростов всю вершину острия, получив изображение не только под микровыступами применялись методы их удаления:

областей наибольшего усиления поля, как в других высокотемпературный нагрев [2] и низкотемпературное методах полевой эмиссионной микроскопии, но и всей полевое испарение [3]. Вместе с удалением микровыповерхности.

ступов нагревание острия приводило и к изменению Метод полевой десорбционной микроскопии непреформы наростов. Удаление микровыступов низкотемперывного режима применен совместно с методиками ратурным полевым испарением и использование полеполевой электронной микроскопии и микроскопии высовой ионной микроскопии позволяли изучать форму и котемпературного полевого испарения [5]. Подробности атомарную структуру наиболее острых и выступающих методики эксперимента описаны в [4].

частей наростов — углов и ребер вершины наростов и ступеней. В обоих случаях не было возможности наблюдать форму боковой поверхности наростов (особенно 2. Экспериментальные результаты возле основания нароста) во время их роста или непосредственно после него. Сопоставление полевых десорбционных изображений с полевыми электронными и изображениями высокоВ настоящей работе для изучения формы наростов используется метод полевой десорбционной микроско- температурного полевого испарения позволило опредепии непрерывного режима, впервые примененный для лить форму термополевых наростов, включая боковую изучения термополевых формоизменений в [4]. В этом поверхность вплоть до основания нароста. Кроме праметоде изображение вершины острия создается иона- вильных усеченных пирамид или ступенчатых пирамид ми, образующимися при полевой десорбции адсорба- часто встречаются наросты, боковая поверхность котота, нанесенного на поверхность, а изображающий ад- рых отличается от пирамидальной. На рис. 1 приведены сорбат непрерывно поступает на вершину с боковой примеры полевых эмиссионных изображений наростов, поверхности острия за счет поверхностной диффузии. выросших на грани (001) острия из вольфрама. Рис. 1, a Изменение формы термополевых наростов на вольфрамовом острие во время роста соответствует изображению, полученному с помощью видеозаписи процесса высокотемпературного полевого испарения непосредственно во время термополевой обработки (ТПО). Приведенный кадр предшествует моменту прекращения нагрева острия — окончанию ТПО. На рис. 1, b и c показаны полевые электронные изображения. Изображение на рис. 1, b получено сразу после окончания ТПО (после 1, a), а на рис. 1, c — после сглаживания нароста высокотемпературным прогревом. Рис. 1, d–f представляют кадры видеозаписи непрерывной полевой десорбции цезия. Нанесение цезия на поверхность острия и его полевая десорбция производились между получением снимков 1, b и c. На рис. 1, g–i приведены кадры видеозаписи полевой десорбции цезия после другой термополевой обработки.

На рис. 1 приведены только отдельные кадры видеосъемки процесса непрерывной полевой десорбции.

При изменении приложенного к острию напряжения и его температуры изображение изменялось, что давало возможность выявить различные участки поверхности.

Сопоставление этих изменений позволило определить форму наростов. Схематическое изображение нароста представлено на рис. 2. Форма наростов, примеры полевых эмиссионных изображений которых приведены на Рис. 2. Схематическое изображение нароста. a — форма рис. 1, a–f и 1, g–i, различается. Различия касаются в нароста после ТПО, b — расположение анализируемого пояса боковой поверхности.

основном размеров граней и ребер, но общие черты формы обоих наростов совпадают. Верхняя часть нароста является усеченой четырехгранной пирамидой, верхняя грань которой представляет собой плоскость {001} в форме прямоугольника, а боковые грани — плоскости типа {011} в форме трапеции. В нижней части нароста боковые ребра пирамиды срезаны плоскостями типа {011}. Боковая поверхность этой части нароста состоит из плоскостей типа {011} в форме неправильных шестиугольников (под углом 45 к основанию нароста) и перпендикулярных основанию плоскостей типа {011} в форме треугольников.

3. Обсуждение результатов В работах [6–10] процессы изменения формы кристалла при нагревании в электрическом поле рассматривались как результат воздействия двух протиповоложно направленных давлений: давления поверхностного натяжения на выпуклую поверхность, пропорционального кривизне поверхности, и отрицательного давления элекРис. 1. Полевые эмиссионные изображения термополевых трического поля на поверхность проводника, пропорцинаростов на грани (001) вольфрамового острия (центр нароонального квадрату напряженности поля. Этот подход стов на нижнем крае изображения). a — высокотемпературное позволяет определять направление и количественные полевое испарение во время ТПО, b, c — полевые электронные характеристики поверхностной самодиффузии, объясняизображения (c — после прогрева без поля, острие поднято), ет основные процессы формоизменения металлического d–i — полевые десорбционные изображения непрерывного режима. острия в электрическом поле. Он применим, если ра10 Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 914 В.Г. Павлов диус кривизны поверхности много больше межатомного стремится приобрести равновесную форму (минимизирасстояния. Для анализа формы поверхности нароста, ровать E) и в соответствии с (1) уменьшить площадь которая состоит из плоских граней и моноатомных поверхности, для которой (2) не выполняется. Нижняя ребер, этот подход представляется малополезным. часть нароста перестраивается, и для уменьшения периВ общем случае равновесная форма кристалла опре- метра его сечения появляются новые грани. Уменьшение деляется минимумом свободной поверхностной энергии. площади поверхности при появлении новых граней моДля свободной поверхностной энергии нароста, приняв жет компенсировать увеличение числа ребер и углов, ее изменение в электрическом поле пропорциональным а также увеличение hkl, если уменьшение площади давлению поля [6,7], можно записать обеспечивается появлением менее плотно упакованных плоскостей.

Рассмотрим пояс боковой поверхности высотой H E = hklshkl - apF(x, y)2dxdy + Ee, у основания нароста (рис. 2, b). Поверхностную энергию пояса можно представить в виде E = (hkl - aFhkl/8)shkl + Ee, (1) Eb = (hkl - aFhklb/8)LhklH/ cos hkl + Eeb, (3) где hkl — удельная свободная поверхностная энергия hkl кристаллографической плоскости с индексами Миллера {hkl}, shkl — площадь грани (hkl), a — параметр где Fhklb — среднее поле на полосе грани (hkl), Lhkl — с размерностью длины, характеризующий привносимую длина полосы (hkl), hkl — угол наклона грани (hkl) давлением поля pF(x, y) на грань (hkl) энергию упругой к основанию нароста, Eeb — энергия ребер в пределах деформации, Fhkl — среднее эффективное поле на этой пояса. При грани, x и y — координаты в плоскости грани, Ee — aFhklb/8

ней, уменьшает Eb. Если величина такого уменьшения Возможна ситуация, когда при увеличении площади превышает рост Eb за счет большего значения hkl граней кристалла его поверхностная энергия не растет, новых граней, то появление этих граней становится например в том случае, если для плоскостей с наименьэнергетически выгодным. Для появления новых граней шей удельной поверхностной энергией (наиболее плоту основания образующегося нароста необходимо такое но упакованных) выражение в скобках в (1) равно нулю снижение напряженности поля в нижней части нароста, или имеет отрицательное значение и при увеличении чтобы выполнялось условие (4) для уже существующих площади грани не возрастает граней (как правило, имеющих наименьшую удельную поверхностную энергию). Кроме того, в кристалличеaFhkl/8 hkl. (2) ской решетке должны существовать плоскости, появление которых в огранке нижней части нароста приводило В этом случае поверхностная энергия не ограничивает расширение плотноупакованных граней, и даже наобо- бы к уменьшению совокупной свободной поверхностной рот: увеличение площади поверхности может приво- энергии за счет уменьшения длины периметра и увеличения угла наклона граней.

дить к уменьшению свободной поверхностной энергии.

У кристалла нет минимума свободной поверхностной На схеме, приведенной на рис. 2, показан симмеричэнергии и равновесной формы. Форма кристалла опре- ный нарост. Однако напряженность поля не обязательно деляется соотношением скоростей роста на различных будет одинаковой на одной и той же высоте с разных гранях. Поскольку скорость роста меньше на плотноупа- сторон нароста. Это может быть связано с располокованных гранях, при наличии поверхностной диффузии жением нароста относительно оси острия, влиянием кристалл ограняется наиболее плотно упакованными соседних наростов, конфигурацией поля, создаваемой плоскостями. Этот случай реализуется при полевом другими электродами. Все отмеченное выше относится крсталлическом росте, и боковая поверхность растущих и к наростам, создаваемым на плоской поверхности под термополевых наростов вольфрама состоит из наибо- острием сканирующего туннельного микроскопа [11,12].

лее плотно упакованных плоскостей типа {011}. Это Нарушение условия (2) и изменение формы боковой относится и к верхней части нароста, показанного на поверхности может происходить на различной высоте с рис. 2. Можно предположить, что нарост первоначально разных сторон нароста.

рос ограненный плоскостями {011}, а затем его нижняя Таким образом, обнаружено изменение формы терчасть перестроилась. мополевых наростов с высотой, которое объясняется По мере увеличения высоты нароста поле у его осно- уменьшением во время роста напряженности электривания ослабляется и условие (2) перестает действовать. ческого поля на нижней части нароста. Вследствие этоВступает в силу уменьшение свободной поверхностной го изменяются условия, определяющие форму боковой энергии с уменьшением площади поверхности. Нарост поверхности нароста, и он перестраивается.

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. Изменение формы термополевых наростов на вольфрамовом острие во время роста Список литературы [1] M. Benjamen, R.O. Jenkins. Proc. Roy. Soc. Lond. A 176, 262 (1940).

[2] В.Г. Павлов, А.А. Рабинович, В.Н. Шредник. Письма в ЖЭТФ 17, 247 (1973).

[3] В.Н. Шредник, В.Г. Павлов, А.А. Рабинович, Б.М. Шайхин.

Изв. АН СССР. Сер. физ. 38, 296 (1974).

[4] В.Г. Павлов. ФТТ 47, 167 (2005).

[5] Ю.А. Власов, В.Г. Павлов, В.Н. Шредник. Письма в ЖЭТФ 12, 548 (1986).

[6] C. Herring. In: Structure and Properties of Solid Surfaces / Eds R. Gomer, C.S. Smith. Univ. Press, Chicago (1953). P. 5.

[7] J.P. Barbour, F.M. Charbonnier, W.W. Dolan, W.P. Dyke, E.E. Martin, J.K. Trolan. Phys. Rev. 117, 1452 (1960).

[8] F.A. Nicols, W.W. Mallins. J. Appl. Phys. 36, 1826 (1965).

[9] Ю.А. Власов, О.Л. Голубев, В.Н. Шредник. Изв. АН СССР.

Сер. физ. 52, 1538 (1988).

[10] В.Н. Шредник, Д.В. Глазанов, Е.Л. Конторович. ЖТФ 73, 120 (2003).

[11] K.-H. Park, J. Kim, J.S. Ha, K.B. Song. J. Vac. Sci. Techn.

B 21, 1357 (2003).

[12] A. Houel, D. Tonneau, N. Bonnail, H. Dallaporta, V.I. Safarov.

J. Vac. Sci. Techn. B 20, 2337 (2002).




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.