WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |
Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 6 10;11;12 Состав примесей и очистка цилиндрической поверхности газофазного монокристаллического вольфрама © Б.М. Зыков, В.Н. Зыкова, В.Н. Лебедев, Ю.К. Удовиченко Сухумский физико-технический институт АН Абхазии, 384914 Сухуми, Абхазия (Поступило в Редакцию 3 октября 2001 г.) Методами вторично-ионной масс-спектрометрии, электронной оже-спектроскопии и дифракции медленных электронов определены химический состав приповерхностных и поверхностных примесей и структуры их пленок на цилиндрической поверхности газофазного монокристаллического вольфрама, применяемого в качестве материала эмиттера термоэмиссионных преобразователей тепловой энергии в электрическую в космических ядерных энергетических установках. Проведено сравнение с составом примесей плоскопараллельного достаточно совершенного монокристалла W (110) как эталона.

Введение химического соединения W с O или W с O и Cs будет „всплывать“ и „замуровать“ ее вольфрамом при В работах [1,2] показана перспективность применения сохранении других условий ее существования оказывамонокристаллического вольфрама с плотноупакованной ется невозможным. Это снимает известную проблему гранью (110) на поверхности в качестве коллектора ухудшения характеристик ТЭП из-за массопереноса матермоэмиссионного преобразователя (ТЭП) тепловой териала эмиттера (W) на коллектор из металлов IV-б энергии в электрическую, сборки из которых применя- или V-б групп Периодической системы элементов или ются в космических ядерных энергетических установ- их сплавов.

ках. Именно на W (110) в отличие от Mo (110) [3–5], Указанные особенности относятся к плоским моноNb (110) [6,7] или их сплава Mo97.5Nb2.5 (110) [8,9] гранным поверхностям. Но в современных ядерных оптимальной для цезия оказывается не пленка субок- космических источниках электроэнергии электроды их сида, который трудно предохранить от переокисления модулей имеют цилиндрическую форму, т. е. в общем в рабочих вакуумных условиях ТЭП, а пленка низшего случае полигранны. В настоящее время уже имеетповерхностного оксида W2O [1,2,10]. Под оптимальной ся возможность применения монокристаллического W для коллектора ТЭП понимается двойная пленочная эмиттера, изготовляемого по газофазной технологии.

система металл–кислород–цезий Me–O–Cs, обладающая Например, при осаждении на монокристаллическом Mo одновременно минимальной работой выхода электронов цилиндре с осевой ориентацией 111 изменяя условия min и максимальной термоустойчивостью. Температура кристаллизации W в хлоридном процессе (давление T = 600 K, для которой в системе W2OCs в ста- паров гексахлорида WCl6, температуру подложки и тическом режиме (т. е. в отсутствие после получения содержание кислорода в газовой фазе) удается полупленки внешних потоков O и Cs) еще сохраняется чать довольно совершенные шестигранные протяженные min, является в настоящее время наиболее высокой монокристаллы W, ограненные плоскостями {110} или из известных для систем Me–O–Cs. В динамическом {112} [11]. Но при последующем изготовлении из таких же режиме работы ТЭП оптимизация коллектора, как шестигранников цилиндров даже после специальных известно, производится подбором соответствующих TK приемов (селективного травления, высокотемператури давления паров Cs. Пленка W2O на W (110) суще- ного отжига в вакууме и др.) не удается добиться ствует в интервале 1425-1625 K даже при парциальном моногранности цилиндрической поверхности, на ней давлении кислорода PO 10-4 Pa, что соответствует всегда присутствуют как минимум два типа граней — давлению остаточных газов Pост = 10-2-5 · 10-3 Pa, (110) и (112). Так как угол между этими гранями в а при меньших PO — даже с 925 K [2,10]. Эти ОЦК решетке составляет /8, то на микроскопическом температуры соответствуют рабочим TK. Но наиболее уровне цилиндрическая поверхность должна состоять из важным достоинством системы W (110)–O является ее террас с наклонными стенками, при этом двухгранный невосприимчивость к дополнительному осаждению W угол между ними должен составлять 7/8. Уже исходя или ее самовосстановление в этом процессе. Это свя- только из общих соображений (наличие протяженных зано с принципиальной невозможностью растворения O одномерных желобов террас и наклонных граней) слеглубже, чем под первым слоем атомов поверхности (т. е. дует предполагать отличие интегральных эмиссионных в объемной кристаллической решетке) переходных ме- и адсорбционных свойств такой ступенчатой поверхталлов VI-б группы Периодической системы элементов ности от этих свойств как для грани (110), так и в отличие от металлов IV-б и V-б групп [2,10]. Поэтому для грани (112). Кроме того, исходя из газофазного при дополнительном осаждении W на W монокристал- способа получения W следует ожидать еще и налилической подложке однажды полученная пленка любого чия на такой поверхности большого числа дефектов, Состав примесей и очистка цилиндрической поверхности... например фасеток и винтовых дислокаций [11–14]. Но идентичен применявшемуся в работе [10]. Содержание тем не менее исходя все же из значительно меньшей в нем примесей на глубине 15-20 µm, определенное дефектности цилиндрического монокристаллического W ранее методом ВИМС в приборе IMS-3F CAMECA, по сравнению с поликристаллическим покрытием W на составляло, ppm: H — 20, C — 50, O — 20, Na — 300, сплаве Nb + 1% Zn, получаемым по той же газофазной Al — 0.7, Si — 3.7, K — 100, Ca — 0.6, Ti — 0.2, Ni — технологии и применяемым в настоящее время в ка- 1.5, Cu — 0.8, Mo — 0.01 и Ta — 3.

честве материала коллектора ТЭП, на первом все же Давление остаточных газов при записи масс-спектров следует ожидать присутствия меньшего числа примесей.

составляло не более 5 · 10-6 Pa, а рабочего газа — Это особенно важно в отношении углерода — самой 1-2 · 10-2 Pa. Средства откачки не содержали углевредной примеси в эмиссионной электронике, который водородов (рабочаяжидкость пароструйного насоса — диффундирует при нагреве из объемных дефектов к 5Ф4Э). В качестве рабочих газов применялись He и Ar поверхности может накапливаться в ней в концентрации, особой чистоты. Ток ионного пучка составлял 7-18 µA часто значительно превышающей объемную. Такое явле- и при записи спектра поддерживался постоянным, угол ние принято называть сегрегацией. В этом случае даже падения пучка на образец 50, энергия ионов 4 keV и специальная очистка поверхности от углерода может площадь пятна на образце 0.1cm2. Время выдержки оказаться неэффективной.

образца под пучком с учетом записи спектра составляло Поэтому для ТЭП представляется актуальным прове 20 min. Вначале записывались He спектры, а затем — дение исследований как адсорбции O, так и двойных плеAr. Отношение коэффициентов распыления Ar+/He+ нок O–Cs на цилиндрической поверхности газофазного составляет 60 [15].

монокристаллического вольфрама как материале коллекСпектры записывались в виде серий из нескольких тора. Представляется, что на характеристики такой пооператоров, следующих друг за другом без дополниверхности не может оказать влияния знак ее кривизны.

тельной выдержки под ионным пучком. Так как для Поэтому для исследований применительно к коллектору эталонного W (110) ставилась только задача очистки, то ТЭП в этой работе выбран фрагмент цилиндрического он сразу же устанавливался под Ar+-пучок. Для него монокристаллического W эмиттера. Но вполне естебыли записаны вначале три спектра в Ar, а затем четыре ственно, что вначале необходимо провести исследования спектра в He, для нетравленого W — то же самое, а по определению химического состава приповерхностных для травленого — вначале три спектра в He, затем три и поверхностных загрязнений такого материала и разраспектра в Ar, затем еще пять спектров в Ar в другой ботать методы получения атомночистой поверхности.

серии и, наконец, четыре спектра в He. Последний He спектр W (110) принимался за спектр сравнения. Серии спектров записывались таким образом, чтобы в одном Методы исследования каком-либо рабочем газе можно было исследовать все образцы при одном запуске прибора в рабочий режим.

Цилиндрический фрагмент монокристаллического W Исключение составляет образец травленого W, для эмиттера ТЭП диаметром 20 mm, прошедший элеккоторого кроме указанных серий было записано еще по тролитическое травление (электрополировку) в 3%-ном одной дополнительной серии He и Ar спектров в другие растворе NaOH в дистиллированной воде и высокотемдни. В перерывах между запусками прибора в рабочий пературный отжиг в вакууме, растачивался изнутри без режим он, начиная с высокого вакуума, заполнялся применения охлаждающей жидкости для уменьшения аргоном до давления в несколько сот Pa. Перед началом толщины стенки до 1.2 mm. Затем сухим алмазным дисзаписей прибор откачивался вакуумной системой, а ком из него вырезались образцы размером 1010 (mm2).

затем производился напуск нужного рабочего газа до Перед установкой в исследовательские приборы один необходимого давления.

из образцов дополнительно подвергался электрополиПри обработке спектров учитывались только наиболее ровке в том же растворе и последующей промывке в интенсивные пики, принадлежащие следующим основдистиллированной воде для удаления следов травителя, ным негазовым примесям: C, Na, Al, K, Ca, Cr, Fe, а затем все — промывке в хлористом метилене для Re, WO и ReO. Вначале производилось нормирование удаления жировых и в кипящей дистиллированной воде интенсивностей I пиков этих примесей на I пика главдля удаления солевых загрязнений.

ного изотопа W184. Затем для каждой серии спектров Два образца — травленый и нетравленый были определялось изменение I пиков указанных примесей установлены во вторично-ионном масс-спектрометре относительно I этих же пиков в первом спектре каждой (ВИМС) типа МС 7201 М для определения химического состава приповерхностных загрязнений. Прогрев образ- серии, т. е. Ii/I0. Таким образом можно было установить, цов в этом приборе не предусмотрен. Кроме того, там же во сколько раз изменяется I пика какой-либо примеси были установлены образец из Mo для предварительной при переходе к последующим спектрам данной серии настройки ионной пушки и эталон — плоскопараллель- или же от серии к серии под пучком ионов определенный монокристалл W (110) для проведения сравнения ного рабочего газа.

содержания примесей. Последний приготовлялся соглас- Третий травленый образец устанавливался в унино требованиям, предъявляемым к исследованиям мето- версальном электронном спектрометре (УЭС) оригидом дифракции медленных электронов (ДМЭ), и был нальной конструкции, где во время обезгаживания при Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 92 Б.М. Зыков, В.Н. Зыкова, В.Н. Лебедев, Ю.К. Удовиченко T = 625 K до получения рабочих вакуумных условий WO она изменяется не более чем на 10%. В следующем (Pост не хуже 10-8 Pa) прибор дополнительно не прогре- спектре I пиков Cr, Re, ReO и WO не изменяется, а для вался, чтобы затем иметь возможность определения эле- остальных возрастает, однако не превышая начальных.

ментного состава исходных загрязнений при различных Например, пики Na и Al увеличиваются в 4, K — в 6.8, температурах прогрева. Этот состав определялся мето- Ca — в 3.6 и Fe — в 2.6 раз. Такое поведение последних примесей говорит о том, что значительная их часть дом электронной оже-спектроскопии (ЭОС) с наклонной была занесена в материал в результате технологических электронной пушкой, установленной под углом в 20 к операций, причем Na и K, возможно, при травлении в поверхности образца. Энергия первичного пучка Ep в ЭОС составляла 1200-1400 eV, а напряжение модуля- указанном выше растворе.

Следующая затем серия из трех Ar+ спектров подции — 2.5-3.5 V. Спектры записывались в виде первой тверждает выводы, сделанные на основании анализа производной кривой распределения обратно рассеянных последующего He+ спектра первой серии. I пиков почти электронов по энергиям с помощью 4-сеточного аналивсех примесей, за исключением Re, ReO и WO, для затора энергии тормозящего поля (АТП) оригинальной которых она падает, начинает возрастать: для C — конструкции [16]. С помощью же электронной пушки в 2, Na — в 9.6, Al — в 4, K — в 3.6, Ca — нормального падения методом ДМЭ мог визуально пров 4.8, Cr — в 2.8 и Fe — в 4.8 раз относительно изводиться контроль структуры как пленок примесей, I в первом Ar+ спектре (рис. 1, c). Это говорит о так и чистой поверхности.

том, что максимальная концентрация многих примесей Прогрев образца до T 1000 K мог осуществляться располагается на гораздо большей глубине, чем это излучением от нагревателя, а до более высоких — элекможно обнаружить за приемлемое время с помощью тронной бомбардировкой нерабочей поверхности образHe+ пучка.

ца. В режиме очистки поверхности от загрязнений углеВ следующей же за первой второй серии Ar+ спектров родом его окислением парциальное давление кислорода уже начинает наблюдаться уменьшение концентрации PO составляло 5·10-5 Pa. Источник спектрально чистого примесей, за исключением Cr, I пика которого в поатомарного O описан в [17]. При циклической очистке следнем пятом спектре этой серии относительно перповерхности образца от углерода время окисления при вого возрастает в 2.6 раза. Следовательно, среди всех T = 1100 K составляло 2 min, а последующей вспышки рассматриваемых примесей максимальная концентрация при T = 1900 K для удаления окисдов металла — 1 min Cr находится на самой большой глубине. I же пиков без снижения PO [18].

остальных примесей в последнем Ar+ спектре второй серии относительно первого в этой же серии уменьшаСостав приповерхностных загрязнений ется для C — в 2.3, Na — в 4.9, Al — в 3.3, K — в 9, Ca —в 1.2, Fe —в 2, WO и ReO —в 1.6 раз.

Рассмотрим вначале очистку эталона. От первого Ar I же пика Re не изменяется. Следовательно, если с спектра к третьему уменьшается I только пиков C, WO и глубиной содержания примесей падает, то они не входят ReO соответственно в 1.4, 2.4 и 1.6 раз, а для Re она не в объемный состав материала, а скорее всего, занесены изменяется. I же остальных пиков для указанных выше в приповерхностные слои при его изготовлении или примесей возрастают, причем для Na, K и Cr довольно технологической обработке.

значительно (соответственно в 7, 5 и 4.4 раза), а для При сравнении последнего Ar+ спектра образца во остальных — в пределах 1.2-1.5 раз. Следовательно, второй серии спектров с последним Ar+ спектром этаNa, K и Cr накапливаются в более глубоких слоях лона оказывается, что после обработки под Ar+ пучком образца, чем поверхностные. Однако затем при переходе они почти выравниваются по чистоте (рис. 1, d), Раск He+ пучку, который стравливает поверхность на хождение по I пиков почти при всех рассматриваемых значительно меньшую глубину (в 60 раз), чем Ar+ [15], примесей в основном не превышает 5-10%, только для в четвертом спектре относительно первого для Na, Al, K, Ca и Cr достигает 25%.

Pages:     || 2 | 3 | 4 |



© 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.