WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 12 Начальные стадии взаимодействия натрия и цезия с золотом © В.Н. Агеев, Е.Ю. Афанасьева Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия E-mail: afanaseva@ms.ioffe.rssi.ru (Поступила в Редакцию 6 апреля 2006 г.) Методом термодесорбционной спектрометрии с регистрацией продуктов термодесорбции импульсным времяпролетным масс-спектрометром изучена десорбция атомов Cs и Na из соответствующих слоев, нанесенных на пленку золота, осажденную на текстурированную вольфрамовую ленту с преимущественным выходом на поверхность грани (100). Атомы Cs, осажденные при T = 300 K, десорбируются двумя фазами, одна из которых связана с заполнением монослоя, а вторая — с образованием соединения CsAu. Атомы Na, осажденные при T = 300 K, десорбируются тремя фазами, связанными с образованием монослойного покрытия, соединения Na c Au и многослойной пленки Na.

Работа выполнена при частичной поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 05-08-18047-a) и Федерального агенства по науке и инновациям (госконтракт № 02.434.11.2027).

PACS: 68.43.Vx, 68.43.Mn 1. Введение 2. Экспериментальная техника Щелочные металлы образуют с золотом сплавы, обла- Измерения проводились методом термодесорбциондающие весьма интересными электронными свойствами. ной спектрометрии (ТДС) с регистрацией продуктов Проводимость сплавов изменяется от металлической термодесорбции импульсным времяпролетным массдо полупроводниковой в зависимости от природы ще- спектрометром. Экспериментальная установка детально лочного металла и его концентрации [1]. Наибольшей описана ранее [9]. Отметим лишь изменения, вызванные запрещенной зоной ( 2.6eV) обладает сплав цезий– особенностями изучаемых адсорбционных систем. Адзолото, на поверхности которого всегда присутствует хе- сорбентами служили текстурированные вольфрамовые мосорбированный слой Cs [2]. Сплав RbAu имеет более ленты с преимущественным выходом на поверхность узкую запрещенную зону [3], а сплавы Au c K, Na и Li грани (100), имеющие размер 0.01 0.1 30 mm. Лендолжны иметь металлические свойства, если они образу- ты располагались в области прямой видимости источниют кристаллическую структуру, аналогичную CsCl [4,5]. ка ионов масс-спектрометра. Очистка лент от углерода Однако между адсорбированным слоем Na и приповерх- осуществлялась путем отжига в кислороде при давлении ностной областью Au была обнаружена фотостимулиро- 10-6 Torr и температуре лент T = 1600 K в течение ванная диффузия атомов Na, указывающая на полупро- часа, а кислород удалялся с поверхности лент при водниковую природу образующегося соединения [6]. T = 2500 K в течение нескольких секунд после его С увеличением покрытия щелочного металла наблю- откачки из установки. Давление остаточных газов в дается сначала резкое понижение работы выхода, а приборе в ходе экспериментов не превышало 10-10 Torr.

затем ее постепенное насыщение при покрытии больше Золото напылялось из танталовой трубки диаметром монослоя, что обычно интерпретируется как переход от 2 mm и длиной 30 mm с толщиной стенок 0.02 mm, ионного или поляризационного типа связи к металли- размещенной параллельно ленте. В трубку помещались ческому. Этот переход сопровождается рядом структур- кусочки золотой фольги, вдоль трубки имелось шесть ных фазовых переходов и приводит к реконструкции отверстий для обеспечения равномерного напыления поверхности [7], которая проявляется в образовании атомов золота на поверхность вольфрамовой ленты.

смешанных слоев золота и щелочного металла и явля- Трубка нагревалась путем пропускания электрического ется предвестником образования интерметаллического тока. Источниками атомов натрия и цезия служили иссоединения [8]. Кинетика образования сплавов золото– парители, в которых щелочные металлы выделялись при щелочной металл еще недостаточно изучена; в част- термическом разложении соответствующих хроматов.

ности, нет сведений о концентрации щелочного метал- Калибровка потоков атомов Na и Cs осуществлялась по ла, при которой начинается образование полупровод- времени заполнения фаз, соответствующих образованию никовых соединений, и роли структуры золота в этом монослойного покрытия, в спектрах термодесорбции процессе. Целью настоящей работы является изучение этих металлов с чистой W-ленты. Было принято, что кинетики образования соединений натрия и цезия с золо- покрытию Cs = 1 соответствует концентрация атомов том в зависимости от концентрации атомов щелочного Cs 5 · 1014 cm-2 [10], а покрытию Na = 1 — конценметалла, осажденного на пленку золота, напыленную трация атомов Na 8.3 · 1014 cm-2 [11].

на поверхность вольфрамовой ленты, и термической Процедура измерений сводилась к следующему:

обработки этой пленки. W-лента очищалась от адсорбированных газов при 2218 В.Н. Агеев, Е.Ю. Афанасьева T = 2500 K в течение нескольких секунд, охлаждалась до T = 300 K и на нее напылялось золото, количество которого определялось по времени напыления при постоянном потоке. Калибровка потока атомов Au производилась по скорости образования монослойного покрытия на W-ленте, которое измерялось методом ТДС в предположении, что коэффициент прилипания атомов Au при T = 300 K равен единице. На W-ленту, покрытую золотом, напыляли Na или Cs при T = 300 K и нагревали ленту пропусканием постоянного электрического тока для получения термодесорбционных спектров. Скорость нагрева ленты могла изменяться от 20 до 2000 K/s, причем зависимость температуры от времени нагрева была близка к линейной. Температура ленты в области высоких температур измерялась с помощью оптического микропирометра, а в области низких температур — путем линейной экстраполяции зависимости температуры ленты от тока накала к комнатной температуре. Рис. 2. Cпектры термодесорбции атомов Cs c пленок Au на вольфраме для различных значений начальных степеней покрытий Au и Cs: 1 —3 и 0.1, 2 —3 и 0.37, 3 —3 и 0.67, 3. Результаты измерений 4 —3 и 1.0, 5 —3 и 3, 6 —1 и 1 (количество попавших на поверхность атомов Cs соответствует Cs = 3). Температура На рис. 1 приведены термодесорбционные спектры адсорбции T = 300 K, скорость нагрева 200 K · s-1.

атомов Au после напыления золота на вольфрамовую ленту при T = 300 K до различных степеней покрытия Au. Видно, что при малых степенях покрытия (Au < 1) на W(100) растет эпитаксиально, а при Au > 1 обратермодесорбционные спектры состоят из одного пика, зуются разориентированные островки или кристаллиты интенсивность которого увеличивается с ростом Au, а с объемными свойствами [13,14], что согласуется со при Au > 1 термодесорбционные спектры становятся смещением низкотемпературного пика с ростом Au в двугорбыми. Высокотемпературный пик с ростом Au область высоких температур. При дальнейших измедостигает насыщения, а низкотемпературный пик насырениях время насыщения высокотемпературного пика щения не обнаруживает. Концентрация атомов Au, сопри напылении золота использовалось для калибровки ответствующая насыщению высокотемпературного пика, потоков атомов Au.

составляет 1015 cm-2 и ее можно связать с образоТермодесорбционные спектры атомов Cs после адванием монослойного покрытия [12]. Для Au < 1 Au сорбции цезия при T = 300 K на вольфрамовой ленте, на которую предварительно напылялись пленки Au различной толщины, изображены на рис. 2. При покрытиях цезия Cs < 1 термодесорбционные спектры атомов Cs состоят из одного контура, затянутого до T 1300 K.

Эта температура несколько выше, чем температура десорбции Cs c W [10]. При покрытиях цезия Cs > 1 в термодесорбционных спектрах появляется дополнительный низкотемпературный пик, концентрация Cs в котором может значительно превышать монослойную. Поскольку обычно покрытие адсорбированного Cs при T = 300 K не превышает монослоя, а Cs и Au не растворяются в W и не образуют с ним соединений, низкотемпературный пик в термодесорбционных спектрах атомов Cs можно связать с образованием соединения CsAu [15], которое разрушается при термодесорбции. Появление подобного пика наблюдалось при напылении Cs на многослойную пленку Au, нанесенную на грань Ru(001) [2,16]. Если покрытие атомов золота, напыленного на вольфрамовую ленту, не превышает монослоя (кривая 6 на рис. 2), Рис. 1. Cпектры термодесорбции атомов Au c W для разнизкотемпературный пик в термодесорбционных спекличных значений начальной степени покрытия Au: 1 — 0.25, трах атомов Cs не наблюдается, что согласуется с 2 —0.9, 3 —1.6, 4 —2.1, 5 — 3.6. Температура адсорбции T = 300 K, скорость нагрева 200 K · s-1. данными работ [2,16], в которых также не наблюдалось Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. Начальные стадии взаимодействия натрия и цезия с золотом изменяет существенно количество атомов Na, десорбирующихся в пике 2. Поэтому насыщение пика 2 в термодесорбционных спектрах можно связать с дефицитом атомов Au, необходимых для образования соединения Na c Au определенного стехиометрического состава.

Оценки показывают, что состав этого соединения близок к NaAu. Однако это противоречит данным работы [8], в которой сделан вывод о том, что при адсорбции нескольких слоев Na на реконструированной поверхности Au(111) после прогрева до T = 600 K образуется тонкая пленка соединения NaAu2.

Рис. 3. Cпектры термодесорбции атомов Na c пленки Au на вольфраме (Au = 3.3) для различных значений начальной степени покрытия Na: 1 —0.1, 2 —1.7, 3 —2.8, 4 —4.3, 5 — 6.8. Температура адсорбции T = 300 K, скорость нагрева 200 K · s-1.

образования соединения Cs с Au в том случае, когда концентрация напыленного на Ru золота не превышала монослойную.

На рис. 3 представлены термодесорбционные спектры атомов Na для различных начальных покрытий натрием (Na) текстурированной W-ленты с предварительно наРис. 4. Cпектры термодесорбции атомов Na c пленки Au на пыленной пленкой Au (Au = 3.3). Нагрев ленты осущевольфраме (Au = 3.3) для различных температур адсорбции.

ствлялся до T = 2000 K, поэтому пленка Au удалялась в T, K: 1 — 300, 2 — 400, 3 — 500. Время адсорбции 100 s.

процессе вспышки и напылялась заново перед последуюПоток атомов Na Na = 5.8 · 1013 s-1.

щим измерением. С увеличением покрытия Na в термодесорбционных спектрах появляются последовательно три пика. Высокотемпературный пик 3 соответствует десорбции из монослойного покрытия Na и Au, причем температурный интервал его десорбции смещен в область высоких температур по сравнению с десорбцией монослоя Na c W. Интенсивность низкотемпературного пика 1 с ростом покрытия Na увеличивается неограниченно, он расположен примерно в том же температурном интервале, что и пик атомов Na, соответствующий десорбции атомов Na из многослойной пленки Na на W.

Поэтому его можно связать с десорбцией атомов Na из толстой пленки. Пик 2, расположенный между пиками 1 и 3, достигает в данных условиях насыщения при покрытии натрия Na 4.3 и может быть связан с десорбцией атомов Na из соединения Na c Au, которое образуется в процессе вспышки. Можно предположить, что насыщение интенсивности пика 2 вызвано тем обстоятельством, что не весь Na успевает прореагировать с Au за время вспышки. Рис. 4 демонстрирует термодесорбционные спектры атомов Na после равных Рис. 5. Cпектры термодесорбции атомов Na c пленoк Au на экспозиций в потоке атомов натрия, причем напыление вольфраме для Na = 6.8 и различной степени покрытия Au:

производилось при различных температурах W-ленты.

1 —1.5, 2 —3.3, 3 — 7.3. Температура адсорбции T = 300 K, Видно, что увеличение температуры адсорбции Na не скорость нагрева 200 K · s-1.

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 2220 В.Н. Агеев, Е.Ю. Афанасьева В предыдущих опытах, результаты которых представлены на рис. 2, 4, 5, натрий наносился каждый раз на свеженапыленную пленку Au, а в случае, показанном на рис. 6, пленка Au каждый раз в процессе десорбции Na прогревалась до T = 900 K, что, вероятно, приводило к изменению структуры пленки Au и соответственно к затруднению взаимодействия Na c Au.

Это заключение подтверждается термодесорбционными спектрами атомов Na, приведенными на рис. 8.

Спектр 2 получен после нанесения Na (Na 6) на вольфрамовую ленту с предварительно напыленной при T = 300 K пленкой Au (Au 7), которая затем отжигалась при T = 900 K в течение 45 s. Видно, что количество атомов Na в фазах 1 и 2 примерно одинаково. Спектр 1 получен после нанесения того же Рис. 6. Спектры термодесорбции атомов Na c пленки Au на вольфраме (Au = 22) для различных значений начальной степени покрытия Na: 1 —1.3, 2 —3.2, 3 —5.4, 4 —7.6, 5 — 9.8. Температура адсорбции T = 300 K, скорость нагрева 40 K · s-1.

На рис. 5 представлены термодесорбционные спектры атомов Na после нанесения одинаковых количеств Na на вольфрамовую ленту, покрытую пленками Au различной толщины, при T = 300 K. С ростом толщины пленки Au увеличивается интенсивность пика 2, причем при покрытии Au меньше монослойного пик 2 не наблюдается.

На рис. 6 приведены термодесорбционные спектры атомов Na после нанесения различных количеств Na на W-ленту, предварительно покрытую толстой (Au = 22) пленкой золота при T = 300 K. Нагрев в процессе тер- Рис. 7. Зависимости количества атомов Na, десорбирующихся в различных фазах термодесорбции, от времени адсорбции.

модесорбции атомов Na осуществлялся до T = 900 K, при этом пленка Au не десорбировалась, и на поверхности оставалось небольшое субмонослойное покрытие Na. Интенсивность пика 2 с увеличением количества напыленного натрия стремится к насыщению, а интенсивность пика 1 линейно растет. Это иллюстрирует рис. 7, на котором показаны графики зависимостей количества Na, десорбирующегося в фазах 1 и 2, и суммарного количества Na в этих фазах от времени напыления Na. Видно, что общее количество десорбированного Na растет линейно в зависимости от времени напыления, а отклонение от линейности на начальном этапе, по-видимому, вызвано разогревом источника Na до стационарной температуры. Количество Na в фазе 1 растет неограниченно, а количество Na в фазе 2 достигает насыщения при покрытии Na 2.75.

Эта величина ниже, чем максимальная концентрация атомов Na в фазе 2 на рис. 3 (Na 4.3) и рис. (Na 6). В случае толстой пленки Au (Au = 22) дефицита атомов Au нет. Поэтому насыщение фазы 2, связанное с образованием тонкой пленки соединения Na Рис. 8. Спектры термодесорбции атомов Na (Na = 6) с пленc Au, по-видимому, вызвано затрудненной диффузией Na ки Au на вольфраме (Au = 7) без предварительного отжига к атомам Au. пленки (1) и с отжигом при T = 900 K в течение 40 s (2).

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. Начальные стадии взаимодействия натрия и цезия с золотом Рис. 9. Пленки Au и Na, приготовленные различными способами, и соответствующие им спектры термодесорбции.

Pages:     || 2 |



© 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.