WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 12 11,12 Температурная зависимость работы выхода островков гафния на вольфраме © О.Л. Голубев, Т.И. Судакова, В.Н. Шредник Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Поступило в Редакцию 14 января 2000 г.) С применением методов полевой электронной микроскопии изучены островки двумерной фазы гафния в области граней (100) вольфрама и их террас. Для островков измерена энергия двумерной сублимации, оказавшаяся равной 6.1 ± 0.5 eV. Островки обнаруживали существенный эффект усиления полевой электронной эмиссии с температурой, значительно превышавший теоретически ожидаемый. Отрицательный температурный коэффициент изменения T для островков составил по величине 4-6 · 10-4 eV · grad-1 или более, тогда как для вольфрама было получено T = 2 · 10-5 eV · grad-1.

Введение Главной целью данной работы было изучение температурных изменений эмиссионных свойств островков Hf на W. Как и в случае Zr на W [1], обнаружение аномалий Атомы гафния, осажденные в количестве 0.05–0.2 мотемпературного эффекта работы выхода должно было ноатомного слоя на монокристаллическую поверхность пролить свет на природу ”нетеоретических” предэксповольфрама, собираются при достаточном нагреве в двунент в уравнениях Аррениуса для двумерных фазовых мерные ассоциации — островки. Эти островки выделяпереходов.

ются как яркие пятна на фоне подложки при наблюдении их в полевом электронном микроскопе. Наиболее контрастные островки Hf на W формируются на грани Техника эксперимента куба {100} и в ее окрестностях (рис. 1). Для подобных островков Zr (аналога Hf) на W была обнаружена значиОпыты проведены в отпаянном полевом электронном тельная температурная зависимость работы выхода [1].

микроскопе при давлении остаточных газов на уровне Двумерные фазовые переходы в системе Zr–W (см., на10-10 Torr. Вольфрамовое острие очищалось при T до пример, в [2]) дали большой материал не только по энер2500 K. При этом на его конце формировался скругленгиям активации для образования и разрушения островный монокристалл, ориентированный, как обычно, по ков, но и по соответствующим этим процессам кинетинаправлению [110]. Гафний напылялся из размещенного ческим параметрам, образующим предэкспоненциальные сбоку от острия источника, который представлял собой множители в уравнениях Аррениуса [3]. Отклонение тонкий штабик из металлического Hf, приваренный к значений этих параметров от теоретически ожидаемых молибденовым вводам. Штабик прогревался проходящим потребовало привлечь соображения о ”растянутости” током. Обычно рабочая температура источника Hf при решетки адсорбата и о перераспределении межатомных напылении составляла T = 2000-2100 K. Количество связей при тепловом расширении кристалла [3]. Последосажденного гафния определялось температурой источний эффект должен был реализовываться в том числе и в ника и временем напыления.

аномалии температурного коэффициента работы выхода, Напряжение на промежутке острие–анод V подавалось что и наблюдалось в [1].

от стабилизированного источника ВС-20-10 и измеряАдсорбционная система Hf–W и соответственно свойлось цифровым вольтметром В7-40. Эмиссионный ток I ства двумерных фаз Hf изучены далеко не так полно, измерялся микроамперметром М-95.

как система Zr–W. В [4] было показано, что аналоТемпература острия контролировалась по проходягично цирконию гафний образует контрастные эмитщему через дужку с острием току после градуировки тирующие пятна в областях {100} вольфрама. В [5] по пирометру PYRO с интерполяцией температуры по описаны примеры определения энергий активации, свя- сопротивлению дужки.

занных с двумерными фазовыми переходами при налиНапряженность электрического поля F определялась чии примеси азота в адсорбированном слое. Наконец, по наклону вольт-амперной эмиссионной характеристив [6] подобные величины были определены для сис- ки Фаулера–Нордгейма lg(I/V2) = f (1/V ) для читемы Hf–Mo, близкой по свойствам к системе Hf–W.

стого вольфрама в предположении его работы выхоВо всех этих работах, выполненных с применением да = 4.4 eV. Работа выхода поверхности с адсорполевого электронного микроскопа, изменения автоэлек- бированным гафнием при известном F определялась тронного тока с температурой не являлись предметом также из наклона соответствующих прямых Фаулера– исследования. Нордгейма.

5 68 О.Л. Голубев, Т.И. Судакова, В.Н. Шредник Рис. 1. Полевые электронные изображения чистого кристалла вольфрама (a) и островков гафния на его поверхности (b–d). Ток эмиссии при фотографировании во всех случаях в пределах 50–70 nA. Радиус закругления кристалла около 5000. Температура острия комнатная. a — напряжение при фотографировании V0 = 6.5kV; b — островки Hf в областях {100} W, сформировавшиеся после осаждения малого количества Hf (около 2% моноатомного слоя) и прогрева острия до 1100 K в течение 2 min V0 = 6.3kV;

c — островки Hf вокруг полюсов {100} W после осаждения Hf в количестве около 10% моноатомного слоя и прогрева острия (F = 0) при 1550 K в течение 15 s, V0 = 5.4 kV, работа выхода = 3.68 eV; d — островки Hf в области полюсов {100} W, сформировавшиеся после осаждения Hf (10% моноатомного слоя) и прогрева острия (F = 0) при 1550 K в течение 1 min, V0 = 4.8kV, = 3.3eV.

Образование островков HF в области (именно островков, а не микропирамид) подтверждается их термической устойчивостью и сильным температур{100} W и их термическая прочность ным эффектом полевой эмиссии [8].

Чтобы разрушить двумерные островки (типа островГафний, напыленный на чистый вольфрам (рис. 1, a), ков на рис. 1, d), нужно затратить немалую энергию.

уже при весьма малых количествах (рис. 1, b 2% Двумерная сублимация таких островков происходит за моноатомного слоя) проявлял себя после соответствуизмеримые времена при температурах 1570–1700 K.

ющего термического перераспределения в виде мелких Повторение процедуры растворения островков при островков в областях {100}. При наращивании коли5 значениях T позволило определить из наклона грачества осадка до 10% моноатомного слоя эмиссионный фика Аррениуса (рис. 2) энергию двумерной сублимаконтраст и величина островков возрастают по мере ции Qsub = 6.1 ± 0.5 eV. Эта величина согласуется с приближения двумерной фазы гафния к полюсам {100} измерениями работы [5],1 где для Qsub в случае Hf с (рис. 1, c, d). Диаметр атома Hf (3.14 [7]) близок к примесью азота в областях {100} W были определены постоянной решетки W (3.1585 [7]). Это способствует значения 6.4 и 6.8 eV. Получить соответствующий график образованию на грани {100} W и ее террасах (т. е. в ее Аррениуса для выращивания островков в этой области не окружении) плотноупакованных адсорбированных слоудалось. Первые островки двумерно конденсированной ев Hf, в которых глубоко сидящие в потенциальных ямах адатомы сильно взаимодействуют и друг с другом. При Определенная из lg t0 при 1/T = 0 предэкспонента составила миграционном равновесии атомы Hf должны накаплиt0 = 7 · 10-16 s, что также согласуется с данными [5]. Для t0 они ваться в этих областях. Плоский характер островков Hf обсуждены в [3].

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. Температурная зависимость работы выхода островков гафния на вольфраме Рис. 2. График Аррениуса для зависимости времени t двумерной сублимации (растворения) островков HF на W типа тех, что на рис. 1, d, от температуры T. Энергия активации Qsub = 6.1 ± 0.5 eV с отсечкой на оси ординат lg t0 = -15.15, что отвечает t0 = 7 · 10-16 s.

фазы образовывались за время 1–2 s уже при остывании дужки. (Обычно удобным для измерения реперным состоянием при выращивании фазы выбирают именно такие первые островки). В этом случае не удается ”закалить” систему с состоянием двумерного газа. Тем не менее по аналогии с измерениями, выполненными для Zr на W [2], энергию образования островков, связанную с миграцией, Qm можно оценить как 1–2 eV. Тогда энергия связи в двумерном кристалле Hf на {100} Wсоставит Qb = Qsub - Qm4-5 eV, что, по-видимому, представляет собой слишком большую величину. Поэтому и в нашем случае (как и в [5]) следует допустить присутствие на поверхности азота, усиливающего межатомную связь адсорбат–адсорбат. Тем интереснее было выяснить и в таком случае, как поведет себя эта связь при нагревании кристалла.

Температурная зависимость полевой эмиссии и работы выхода островков гафния на вольфраме Зависимость полевой эмиссии от температуры определялась в пределах таких интервалов T, когда никаких изменений эмиттирующей поверхности не наступало. Это проверялось по эмиссионным изображениям и по возврату эмиссионного тока к первоначальному значению при возвращении к комнатной температуре.

Для островков Hf на W это означало, что наибольшая температура T при измерении I(T ) была много меньше T Рис. 3. Кривые относительного приращения тока IT /IR с роформирования островков (1550 K), а для чистого W стом температуры T за счет температурного эффекта полевой максимальная T была меньше первых признаков переэмиссии. a — случай островков Hf на W, подобных рис. 1, d стройки поверхности в поле.

( = 3.3eV), для двух F, V/cm: 1 — 2.95 · 107, 2 — Результаты измерений тока полевой эмиссии от темпе3.22 · 107; b — случай островков Hf на W, подобных рис. 1, с ратуры представлены на рис. 3. Показаны относительные ( = 3.68 eV), для трех F, V/cm: 1 — 3.31 · 107, 2 — величины тока: ток полевой эмиссии при температуре T 3.45 · 107, 3 —3.65 · 107; c — случай чистого W ( = 4.4eV), F = 4.48 · 107 V/cm.

IT отнесен к току эмиссии этого же объекта при комнатЖурнал технической физики, 2000, том 70, вып. 70 О.Л. Голубев, Т.И. Судакова, В.Н. Шредник ной температуре IR. Сплошные кривые соответствуют В расчетах предполагается, что вдоль пунктирной криизмеренным экспериментальным значениям. Последние вой не изменяется и соответствует R. Для сплошной складываются из двух эффектов: из температурного эф- кривой T будет искомой. Величина = IT exp/IT theor фекта полевой эмиссии (при постоянной, отвечающей определяется снижением при данной T.

комнатной температуре R) и из добавки, связанной с IT (exp) изменением от R к T — значению работы выхода = IT(theor) при повышенной температуре. Для первого эффекта существует строгая теория. По теории [9] Морфи и Гуда R 2.82·107 3/2 3/(T -R ) F = 104.39( T - R) · 10. (2) рассчитаны пунктирные кривые (обозначены цифрами T со штрихами). Подробности таких расчетов изложены в [1]. Отметим лишь, что эти расчеты корректны при Уравнение (2) трансцендентно относительно T и не слишком больших IT /IR. Практически это означает, решается методом последовательных приближений. Начто IT должны быть таковы, чтобы IT /IR были меньше 10.

помним, что величины F и R заданы и фиксированы.

В наших случаях это условие выполнено не только для Учитывая, что ожидаемое T не будет слишком сильно пунктирных кривых (для которых оно и должно строго отличаться от R, при первом шаге допустим, что выполняться), но даже и для сплошных, экспериментальR ных, кривых. C = · 104.39( T - R) (3) T Измерения проведены для разных типов островков (рис. 3, a, b) и при различных полях, фиксированных в равно 1. Тогда при известном легко вычислим T.

каждом случае, а также для чистого вольфрама (рис. 3, c).

Затем при втором шаге подставим это T в (3), а вычиИз кривых на рис. 3, a, b следует сильный измеренный сленное, уже не равное единице C —в (2) и вычислим температурный эффект полевой эмиссии островков Hf уточненное T. Затем подставим это T в (3), новое C — на W. Сравнение с пунктирными кривыми обнаруживает в (2) и т. д. Обычно трех-четырех шагов (а пять шагов значительное его превышение над эффектом, связанным с избытком) хватает, чтобы уточнения T стали менее с тепловым возбуждением электронов в металле. Весь экспериментальной погрешности определения (она избыток IT /IR над пунктиром мы относим к измене- у нас не мала и составляет 0.1–0.2 eV). Вычисленная нию (T ).

T позволяет определить температурный коэффициент И для пунктирных, и для сплошных кривых на изменения T как рис. 3, a, b характерна одинаковая качественная зависи T - R мость от F: чем ниже F, тем температурный эффект T = =, (4) T T - TR эмиссии сильнее. В случае эффекта по теории [9] (пунктир) влияние поля следует из формул, а физически это где TR — комнатная температура (TR 300 K).

означает, что для менее прозрачного потенциального Нестрогость таких вычислений состоит в том, что барьера (меньших F) доля термически возбужденных при расчете пунктирных кривых по [9] при всех T электронов относительно невозбужденных оказывается более весомой (хотя абсолютно токи с падением F, разумеется, убывают). В случае снижения больший относительный эффект при меньшем F связан с усилением эмиссионного контраста по работе выхода, наблюдаемого чаще в пространстве. Однако в нашем случае он связан с температурой. Эффект снижения высоты барьера (снижение ) проявляется (относительно) сильнее при более непрозрачном барьере. Физическая причина этих особенностей обоих эффектов в принципе одна и та же.

Интересно вычислить температурный коэффициент изменения работы выхода T. Для этого при избранной T (или нескольких T ) следует вычислить ту пониженную (в случае рис. 3, a, b), которая обеспечит при данном F наблюдаемое превышение сплошной кривой над пунктирной. Эта пониженная находится на основе теории Фаулера–Нордгейма [10]. Будем использовать формулу Фаулера–Нордгейма для плотности тока полевой эмиссии j в удобном для расчета упрощенном виде из [11, формула (6.11)] Рис. 4. ”Веер” прямых Фаулера–Нордгейма для островков Hf F2 7 3/2 на W, подобных рис. 1, c, полученных по мере повышения T j = 1.4 · 10-6 104.39 · 10-2.82·10 F. (1) (1–9 — значения T и, указанные в табл. 2).

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. Температурная зависимость работы выхода островков гафния на вольфраме Таблица 1.

№ Объект R, eV F · 10-7, V/cm T, eV/grad T, eV(при 1100 K) 1 Островки Hf на гранях {1000} W 3.3 2.95 -4.0 · 10-4 2.2 (рис. 1, d; 3, a) 3.32 -4.0 · 10-4 2.3 Островки Hf вокруг граней {1000} W 3.68 3.31 -6.0 · 10-4 3.4 (рис. 1, c; 3, b) 3.45 -5.25 · 10-4 3.5 3.65 -4.0 · 10-4 3.6 Чистый вольфрам 4.4 4.48 +2.0 · 10- полагалась равной R, хотя по мере роста T она В итоге же данной работы, а также работы [1] можно снижалась в соответствии с T. Для оценки связанной с уверенно утверждать, что моноатомные островки Hf этим ошибки мы приняли в случае наибольшего T ипри на W и Zr на W характеризуются аномально высокинаибольшей T полученную T в качестве исходной для ми (сравнительно с чистыми металлами) отрицательнырасчета пунктирной кривой (очевидно, что такой подход ми температурными коэффциентами работы выхода T.

дает завышенную ошибку). Оказалось, что ”уточненная” Такие коэффициенты могут быть объяснены перерасT стала ниже на 17%, а T стал больше в 1.8 раза.

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.