WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 5 02;05;11;12 Низкотемпературная ионная эмиссия © В.И. Баткин,1 О.Я. Савченко2 1 Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН, 630128 Новосибирск, Россия 2 Институт химической кинетики и горения СО РАН, 630090 Новосибирск, Россия e-mail: Batkin@solid.nsc.ru (Поступило в Редакцию 21 июня 2001 г.) Исследуется кинетика эмиссии ионов щелочных металлов с поверхности металлов, прогретых до температуры 800–2500 K. Релаксация ионного тока описывается функцией I = Ae-B t + C/ t + I0. После релаксации эмиссия ионов восстанавливается воздействием на поверхность H2O при комнатной температуре.

Обсуждается природа явления.

Всплеск эмиссии ионов щелочных металлов при на- Наши наблюдения показали, что падение тока происгревании в вакууме вольфрамовой проволоки впервые ходит закономерно с характерной временной зависимонаблюдали в начале XX века [1]. Позднее это явление стью неоднократно описывалось [2,3] в 60-е годы, но детально I = Ae-B t + C/ t + I0. (1) не исследовалось: мешала низкая воспроизводимость Для иллюстрации на рис. 1 показаны осциллограммы результатов. В последнее время единственными пубтока K+ с проволок из W (1 и 2) при температуре ликациями, которые касались динамики ионной термосоответственно 1530 и 1760 K и из Pt (3) при 1430 K.

эмиссии, были работы [4,5], но они были посвящены Кривые показывают аппроксимацию данных по формушумам ионного тока. Кинетика ионной эмиссии осталась ле (1). Часто имелось два участка разной экспоненмалоисследованной темой. Являясь чувствительным мециальной зависимости (2 и 3): релаксация с большим тодом наблюдения поверхности, она заслуживает более показателем B сменялась более медленной релаксавнимательного изучения. Этому посвящена настоящая цией. Параметр C при этом сохранялся неизменным.

работа. Нами выявлены количественные закономерности Недостатком подобных экспериментов было то, что отклика ионного тока на прогрев эмиттера, позволяюследующий опыт приходилось делать с новым образцом, щие обсуждать механизм ионной эмиссии. Изучалась имеющим индивидуальные свойства. В начале опыта эмиссия примесных щелочных ионов из Pt, W, Mo в поверхность образца была грязной, к концу очищалась.

вакууме и из сплава нихром в атмосфере при температуИногда закономерная релаксация тока нарушалась его ре эмиттера 800–2500 K. Найдены условия, приводящие нерегулярными бросками. Необходим был способ создак воспроизводимому выбросу ионов: предварительное ния воспроизводимого всплеска ионной эмиссии.

увлажнение поверхности металлов при комнатной темБыло замечено, что после длительного пребывания пературе, а также быстрое охлаждение образца.

при комнатной температуре на воздухе эмиттирующая Экспериментальная установка содержала откачиваеспособность металлов увеличивается. Мы проверили мый магниторазрядными насосами вакуумный объем со влияние на отожженную в вакууме при 2500 K вольфшлюзовой камерой и радиочастотный масс-спектрометр рамовую проволоку атмосферного воздуха, сухого N2, с разрешением 1 u. Служащая эмиттером ионов меH2, паров воды и пришли к выводу, что влияние воздуха таллическая проволока нагревалась прямым накалом.

вызвано содержащейся в нем влагой. Самый большой Температура центра проволоки оценивалась на основаэффект дает однократный контакт поверхности с H2Oв нии измеренных тока накала и падения напряжения на жидкой фазе. Результат смачивания поверхности сохрапроволоке путем численного решения теплофизической няется после пребывания эмиттера в вакууме 10-3 Pa в задачи. Использовались справочные данные [6]. Коэффитечение 1000 s. Адсорбция эмиттером газов N2, H2 прициент излучения из [6] умножался на величину k > 1, водит к выбросу ионного тока малой амплитуды ( 1/отражающую загрязнение поверхности. При первичном от эффекта паров H2O) и короткой длительности.

отжиге проволоки из W параметр k уменьшался с 4 до На рис. 2 приведены данные релаксации тока ионов 1.1 и в последующем находился в пределах 1–1.2.

K+ с активированной поверхности сплава нихром (1), При нагреве неотожженной металлической проволоки Pt (2), Mo (3), и W (4, 5). Эмиттеры предварительдо температуры 1000 K наблюдается эмиссия при- но отжигались до полной релаксации ионного тока.

месных ионов щелочных металлов с плотностью тока После контакта с водой при комнатной температуре 10-7-10-6 A/cm2. Со временем ток ионов I быстро они нагревались до температуры отжига, составлявшей падает, затем падение тока замедляется и он приходит соответственно 1000, 1400, 1400, 1650 и 850 K. Опык уровню I0 = 10-3-10-4 от первоначальной величины. ты со сплавом нихром производились на воздухе, с 92 В.И. Баткин, О.Я. Савченко Рис. 1. Релаксация тока K+ с нагретой проволоки: 1 — W при 1530 K, 2 — W при 1760 K, 3 — Pt при 1490 K.

Рис. 2. Релаксация тока K+ с нагретой проволоки после отжига в вакууме и контакта с H2O: 1 — нихром при 1000 K, 2 —Pt при 1400 K, 3 — Mo при 1400 K, 4 и 5 — W при 1650 и 850 K.

другими материалами (кроме активации) — в вакуу- волфрамовой проволоки от температуры T = 2300 до 1830 K (1) и от 2140 до 1830 K (2). Значения ионного ме 10-3-10-4 Pa. Кривые — результат аппроксимации данных функцией (1). Параметры аппроксимации при- тока увеличиваются, пока не достигнут кривой и далее следуют вдоль нее. Кривая описывается функцией (1) с ведены в таблице. Кривая для сплава нихром имела параметрами A = 13, B = 0.41, C = 0.297, I0 = 0.0055.

2 участка с разными параметрами A, B. Эмиссия ионов Время отсчитывается от момента охлаждения. Выброс K+ наблюдалась при температуре выше 800 K. При ионов наблюдается только при наличии ионной эмиссии предельно низких температурах удлиняется от t < 1s в исходном состоянии.

до t > 1 h фаза роста ионного тока (5). За этой фазой При быстрых вариациях температуры ток ионов меняследует релаксация тока, описываемая формулой (1).

ется по закону Аррениуса. Энергия активации Ea велика Начало отсчета времени в (1) совпадает не с моментом и принимает несколько значений для разных образцов появления тока ионов, а с началом прогрева образца.

одного материала. Для вольфрама наблюдались значения Это указывает на то, что эмиссия ионов происходит в Ea = 2.27, 3.33 и 4.58 eV. Эти величины существеннесколько этапов. Вначале образуется реагент, концентрация которого всегда определяется формулой (1), а затем возникает лимитируемая этим реагентом эмиссия № Металл T, K A B C Iионов. Косвенным подтверждением многостадийности 1 Нихром 1000 1120(7050) 0.212(0.644) 465 2.ионной эмиссии служит наблюдавшийся нами эффект 2 Pt 1400 133 0.123 350 закалки образца. При быстром охлаждении проволоки 3 Mo 1400 249 0.284 17 наблюдается выброс ионов, причем их ток релаксирует 4 W 1650 1.62 0.0347 16 0.5 W 850 944 0.0617 13.3 таким же образом, что и при нагревании. На рис. показана реакция тока K+ на быстрое охлаждение Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. Низкотемпературная ионная эмиссия ляют однозначно толковать явление, ответственное за наблюдаемые закономерности релаксации ионного тока.

Ограничимся обсуждением возможного происхождения этих закономерностей. Процесс ионной эмиссии содержит предварительную стадию, которая происходит независимо от наличия ионов на выходе процесса и диктует основные его количественные характеристики. Именно с этой стадией мы связываем обсуждаемые ниже модели.

Член C/ t в формуле (1) привычно ассоциируется с диффузией. На рис. 4 его вклад отображен жирной кривой на фоне полной зависимости I(t) для платины, взятой из рис. 2. Отсутствие значительного количества адсорбированных поверхностью ионов и способность эмиттера к регенерации говорят о том, что ионы поступают из локальных источников на поверхность металла.

Рис. 3. Релаксация тока K+ с W проволоки на ее охлаждение:

Их транспортировка, вероятно, происходит по границам • — от 2300 до 1830 K, — от 2140 до 1830 K. Кривая — аппроксимация. зерен. При свойственном металлам вакансионном механизме зернограничной диффузии [9] временную зависи мость ионного тока 1/ t можно связать с поведением вакансий. После импульсного воздействия на материал вакансии концентрируются в межзеренных границах, а затем диффундируют в глубь зерен. Происхождение члена exp(-B t) объяснить сложнее.

Такую зависимость можно связать с дифференциальным уравнением dn a = - n, (2) dt t которое описывает реакцию частиц с вакансиями или другим диффундирующим реагентом. Чтобы разделить процесс, описываемый уравнением (2), и процесс, даю щий диффузионный член C/ t в (1), нужно принять, Рис. 4. Кинетика что вблизи поверхности имеются два сорта частиц, эмиссии K+ с платины: жирная кривая — компонента 1/ t, тонкая — полный ток.

лимитирующих поступление ионов на поверхность. Эти частицы образуются при быстром изменении условий.

Первый, преобладающий, тип диффундирует в глубь материала, а второй дезактивируется, вступая в реакно больше энергии десорбции ионов 1eV [5,7,8].

цию с первым. В этой схеме показатель B в форОни не менялись после сублимации окисной пленки муле (1) связан с амплитудой C пропорциональной при отжиге в вакууме и после восстановления ионной зависимостью. Данное предположение противоречит реэмиссии водой. Вероятно, источник ионов находился не зультатам экспериментов. Большие значения C отвечают на поверхности образца, а по границам зерен. В таменьшим значениям B. Схема с тремя видами частиц ком случае величина Ea характеризует энергию выхода неоправданно сложна. Более адекватной представляется ионов на поверхность, а наблюдаемая нами кинетика модель, предполагающая одномерность пространства, в ионной эмиссии отражает релаксацию границ зерен котором происходит процесс. Группа частиц совешает после прогрева образца.

броуновское движение в таком пространстве. Возможно, Многочисленные эксперименты показывают, что это происходит вдоль дислокации или ступеньки на функция (1) свойственна кинетике разнообразных явлеграни кристалла. Если взаимодействие между частицами ний эмиссии ионов щелочных металлов. Кинетика (1) приводит к их выбыванию, то число частиц уменьшается наблюдалась при различных изменениях условий, в 1/ t + t0. Если частицы выбывают вследствие их том числе после незначительного, на 30 K, повышения реакции с ненасыщающимися центрами поглощения, то температуры и после резкого охлаждения образца. На- их число релаксирует как exp(-B t). Для цепочки чалом отсчета времени в (1) являлся момент изменения узлов, доля n которых занята центрами, показатель B условий. Ряд фактов (высокая энергия активации, нечув- получается 1.64n, где — частота перескока частиц ствительность к состоянию поверхности) позволяют между узлами. Есть пример, демонстрирующий оба отнести кинетику (1) к явлениям на границах зерен. закона релаксации. Это система вакансий, в которой Сложность таких явлений в нестационарных условиях одиночные вакансии объединяются в протяженные стуи ограниченность фактического материала не позво- пени. Число одиночных вакансий уменьшается сначаЖурнал технической физики, 2002, том 72, вып. 94 В.И. Баткин, О.Я. Савченко ла 1/ t + t0, когда преобладают парные слияния, затем — exp(B t). Для того чтобы могла иметь место точная суперпозиция двух кинетик, приходится предположить, что две кинетики — это два сорта частиц, объединенных тем, что они способствуют продвижению ионов щелочных металлов на поверхность.

В заключение отметим, что функция (1) пригодна не только для описания кинетики эмиссии ионов щелочных металлов, но и для более сложных явлений. В [10] изучалась релаксация интенсивности рассеяния медленных ионов водорода и азота танталовой мишенью после ее импульсного прогрева. Повторный анализ показал, что функция (1) лучше аппроксимирует данные, чем принятая в работе зависимость exp(-kt).

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 0102-17535).

Список литературы [1] Richardson W. // Proc. Roy. Soc. 1913. Vol. 89. P. 507–513.

[2] Kaminsky M. в кн. Успехи масс-спектрометрии / Под ред.

Дж.Д. Уолдрона. М.: ИЛ, 1963. С. 130–139.

[3] Панценков Г.М., Колцин А.М. // ДАН СССР. 1960. Т. 131.

С. 357–359.

[4] Gladiszevwski L. // Int. J. Mass. Spectrom. and Process. 1994.

Vol. 144. P. 123–126.

[5] Gladiszevwski L., Wiertel M. // Electron Technol. 1997.

Vol. 30. N 2. P. 228–230.

[6] Физические величины / Под ред. И.С. Григорьева, У.З. Мейлихова. М.: Энергоиздат, 1991. 1232 с.

[7] Kawaro H., Funato K., Matsuc S. et al. // Thermochimica Acta. 1997. Vol. 299(0). P. 67–80.

[8] Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М.: Мир, 1979. 568 с.

[9] Каур И., Густ В. Диффузия по границам зерен и фаз. М.:

Машиностроение, 1991. 446 с.

[10] Баткин В.И. // ЖТФ. 2000. Т. 70. Вып. 2. С. 106–109.

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып.




© 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.