WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 7 02;11;12 Термостимулированная десорбция ионизированных частиц с поверхности сплава Na/Au, активированного кислородом © М.В. Кнатько, М.Н. Лапушкин, В.И. Палеев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия e-mail: Lapushkin@ms.ioffe.rssi.ru (Поступило в Редакцию 8 декабря 2003 г.) Обнаружена способность нагретой пленки поверхностного сплава Na/Au, выращенной на золотой подложке, эффективно термодесорбировать многоатомные положительные ионы, образующиеся при поступлении на поверхность органических молекул и кислорода. Масс-спектрометрически исследована ионизация молекул диэтиламина на этом термоэмиттере. Выявлены особенности гетерогенных процессов формирования многоатомных комплексов и термодесорбции кластерных ионов. Предложена модель, объясняющая эффективную термодесорбцию ионов с поверности сплава, являющегося широкозонным полупроводником.

Поверхностные сплавы, образующиеся в процессе активированной кислородом, при поступлении на нее адсорбции атомов щелочных металлов (Cs, Rb, K, Na) на молекул аминов происходит термическая ионизация обзолоте, являются предметом многочисленных и разно- разующихся многоатомных частиц и десорбция положисторонних исследований в течение длительного време- тельных ионов. Эффективность ионообразования в этом ни. Показано, что свойства этих сплавов существен- случае приближается к получаемой для алкиламинов но отличаются от свойств других интерметаллических в поверхностно-ионизационной масс-спектрометрии при соединений. Так, сплав CsAu является электронным применении термоэмиттеров из окисленных тугоплав полупроводником с запрещенной зоной 2.6 eV и имеет = ких металлов.

кристаллическую структуру, аналогичную CsCl [1].

Опыты проводились в установке, описание которой Мы исследуем взаимодействие в вакуумных условидано ранее [4]. Методика очистки подложки, золоях атомов щелочных металлов с металлическим золотой ленты (99.99%) от первичных примесей и реконтом, направляя на нагретую Au подложку в диапазоне струкции ее поверхности, приводящей к получению температур T = 700-1250 K потоки щелочных атомов однородной по термоэмиссионным свойствам струк = 1011-1013 cm-2 · s-1. Известно, что при T 300 K туры с работой выхода Au = 4.7 ± 0.1eV, изложена для инициирования реконструкции поверхности металв [5]. Методика формирования поверхностного сплалического золота и формирования поверхностного сплава Nax Auy на золоте приведена в [4,5]. В качестве ва Alk/Au (Alk — атом щелочного металла) требупробного органического соединения был взят диэтилется первичное накопление адсорбата с поверхностамин [(C2H5)2NH]. Чистота исходного вещества быной концентрацией в пределах нескольких десятых ла подтверждена масс-спектрометрически, сравнением монослоя [2]. При повышенных T подложки время полученных масс-спектров ионизации электронами со жизни адатомов Alk на поверхности Au мало и обрат справочными данными масс-спектров молекул диэтилный поток термодесорбции частиц с поверхности в амина (ДЭА) [9]. Поверхностная ионизация ДЭА, равно вакуум существенно уменьшает равновесную величикак и других алкиламинов на эмиттерах из чистых и ну. Однако в наших опытах наблюдались формиокисленных тугоплавких металлов, досконально изучерование сплавов Alkx Auy на поверхности Au и ряд на [10,11]. Масс-спектр поверхностной ионизации ДЭА специфических эффектов, определяемых электронными состоит в основном из ионизированных продуктов реаксвойствами и структурой этих сплавов. Так, наличие ций гетерогенного термораспада молекул (M) с отрывом на поверхности золота сплава Alkx Auy существенно водорода (M-H)+ или метильного радикала (M-CH3)+.

снижает скорость сублимации атомов Au, увеличивает При понижении T наблюдаются протонированные ионы коэффициент диффузии в сплаве атомов Al в сравне(M + H)+.

нии с этими величинами для чистого металла [3,4].

В нашем случае на поверхности чистого золота, Наблюдается фотостимуляция диффузии атомов Alk в нагретого до T = 1000-1250 K, ионизировались атомы сплаве [5–7]. В системах NaxAuy [4] и Kx Auy [8] метощелочных металлов, при этом температурные зависимодами поверхностно-ионизационной масс-спектрометрии сти токов положительных ионов совпадали с предсказыизучено формирования и разрушение поверхностных ваемыми зависимостями теорией поверхностной ионисплавов. Показано, что NaxAuy и Kx Auy обладают зации [12] в соответствии с отношением (eU - )/kT, свойствами широкозонных полупроводников с шириной где eU — энергия ионизации частицы. Напуск кисзапрещенной зоны 2.6-2.8 eV [7], близкой определенной лорода до давления PO 5 · 10-6 Torr не сказывался для сплава CsAu.

Здесь мы приводим результаты экспериментов, пока- заметно на величине и на температурных зависимостях зывающих, что на нагретой поверхности сплава Na/Au, токов, т. е. термоэмиссионные свойства Au эмиттера 7 100 М.В. Кнатько, М.Н. Лапушкин, В.И. Палеев сохранялись в атмосфере O2. Поступление молекул был меньше получаемого первоначально при эмиссии ДЭА (P 1-2 · 10-7 Torr) на эмиттер в исследованном ионов с чистого золота. В случае сформированного диапазоне T не приводило к появлению новых линий в многослойного покрытия NaAu присутствие кислорода масс-спектре поверхностной ионизации при достигнутой на поверхности вызывало уменьшение термоэмиссионэкспериментальной чувствительности, т. е. термическая ного тока ионов Na+. По-видимому, в атмосфере Oионизация ДЭА не наблюдалась. Продукты гетерогенной происходит существенное изменение состава и структудиссоциации молекул ДЭА на металлах имеют высокие ры эмиттера, затрагивающее как его поверхность, так энергии ионизации (eU > 7eV) [10] в сравнении с и приповерхностные слои (о разрушении поверхности металлов, и для получения измеримых ионных токов сплавов AlkAu под действием кислорода известно [13]).

требуется повышение T эмиттера до величин, суще- Следствием изменения свойств поверхности сплава ственно превышающих температуру плавления Au. под влиянием кислорода стало превращение нагретой О динамике формирования многослойной пленки по- ленты в эффективный термоионизатор органических верхностного сплава судили по изменению сопротивле- соединений, поступающих на поверхность из внешнего ния ленты R при T = const и нанесении на поверхность источника. Так, на поверхности эмиттера молекулы ДЭА атомов Na. Оценка толщины пленки NaAu позволяет претерпевали термокаталитические превращения, при заключить, что напылением можно формировать поверх- этом часть продуктов гетерогенного катализа десорностное покрытие 2-3mc. бировалась в виде ионов. Так же как и в случае При нагревании Au ленты с планкой сплава NaAu на поверхностной ионизации молекул ДЭА на окисленном поверности в интервале температур 1000 T 1250 K вольфраме [14], в масс-спектре термической ионизации регистрируется термостимулированная десорбция ионов на сплаве имелись линии ионизированных радикалов, Na+, связанная с термодеструкцией сплава. При образующихся в результате потери первичной молекуT 1100 K ток собственной термоэмиссии Na+ мал. лой (M = 73 u) атома H (m = 72 u) и радикала CHПоток атомов Na, направленный из внешнего источника (m = 58 u). Однако в отличие от эмиттеров из окисна покрытую сплавом поверхность эмиттера, приводит к ленных тугоплавких металлов [15] исследуемый эмитсущественно меньшему приросту тока Na+ в сравнении тер эффективно ионизировал многочисленные продукты с током, получаемым при тех же условиях (T эмиттера, реакций ассоциации, протекающих на его поверхности.

атомов) c поверхности чистого золота. Этот факт В реакциях ассоциации участвуют продукты распада мог бы служить указанием на то, что NaAu Au первичных молекул ДЭА, присутствующие в поверхпри условии, что поверхностная ионизация является ностном слое эмиттера атомы O, а также Na в иониединственным процессом ионообразования в рассмат- зированном или нейтральном состояниях. Во-первых, риваемом случае. Однако это утверждение противоре- регистрируется ток ионов с массой m = 86 u, обрачит произведенным нами в [3] измерениям изменений зующихся в процессе замещения H CH3 в радиработы выхода Au в процессе формирования сплава кале (M-H). Кроме того, регистрируются продукты NaAu. Выполненные в ходе вышеупомянутых экспе- ассоциации [(C2H5)2N(CH2)nNa]+, а также серии ионов риментов измерения методом контактной разности [C2H5(CH2)nNHONa]+ и [C2H5(CH2)nNHNa]+ · H2O, где потенциалов [12] показали, что формирование сплава множитель n изменяется в пределах 1 n 8. Токи связано с постепенным ростом минимального значения ассоциативных ионов уменьшаются с увеличением мноработы выхода min на min 0.4 eV при достижении жителя n. Термодесорбция ионизированных комплексов стабильного покрытия металла сплавом. с поверхности сплава происходит и при высоких темпеНапуск в камеру молекул ДЭА не приводил к появле- ратурах T > 1100 K. В случае поверхностной ионизации нию новых масс-линий в спектре термоионной эмиссии на окисленных тугоплавких металлах ассоциативные с поверхности NaAu. ионы, продукты гетерогенных реакций протонирования Существенное изменение термоэмиссионных и ка- молекул, наблюдают лишь при низких температурах талитических свойств сплава вызывало поступление эмиттера 550 < T < 900 K.

на его поверхность кислорода PO 2-3 · 10-6 Torr. Относительные интенсивности ионных токов и их На начальных стадиях формирования сплава совместное температурные ходы существенно зависят от условий поступление на подложку атомов Na и молекул O2 эксперимента (поступления на поверхность потоков Oприводило первоначально к полному прекращению тер- и Na или их отсутствия). В таблице приведены основные моэмиссии Na+ и затем к постепенному росту ион- линии в масс-спектре термической десорбции ионов.

ного тока до величин, намного больших (до 300 раз связанных с адсорбцией молекул ДЭА на активирован при T = 1100 K), чем были получены до экспозиции ной кислородом и нагретой до T = 1100 K поверхноэмиттера в кислороде. В предположении того, что тер- сти сплава NaAu при различных экспериментальных мическая десорбция ионов Na+ определяется процес- условиях. Демонстрируется влияние на величины масссом поверхностной ионизации, наблюдаемое увеличение линий последовательного изменения условий экспериэмиссии ионов указывает на рост max на величину мента: 1 — на поверхность активированного кислородом max 0.5-0.6 eV. Такое возрастание должно было сплава поступают молекулы ДЭА (P 1 · 10-7 Torr), бы привести к практически 100%-ной вероятности тер- приведенный масс-спектр получен после двухчасового модесорбции натрия в виде ионов Na+. Этот ток, однако, напуска органических молекул; 2 —то же в потоке OЖурнал технической физики, 2004, том 74, вып. Термостимулированная десорбция ионизированных частиц с поверхности сплава Na/Au... системе близка к полученной для этих же продуктов Масса Предполагаемый Потоки на поверхность распада молекул ДЭА на эффективных поверхностноu состав иона ДЭА ДЭА+O2 ЖЭА+O2Na ионизационных эмиттерах из окисленного вольфрама [10,11]. Однако максимальная эффективность ионо58 CH2=N+H-C2H5 0.02 0.25 0.72 CH3-CH=N+H-C2H5 1.0 11.0 10.5 образования у этих эмиттеров реализуется в разных 86 CH3-CH=N+CH3-C2H5 0.1 1.1 1.10 диапазонах температур: эмиттер на основе Alk/Au спла97 [C2H5NHCH2ONa]+ 0.07 0.9 0.ва имеет наибольшую эффективность при T > 1000 K, 99 [C2H5NHCH2Na]+ · H2O 0.06 0.8 0.а эмиттеры из окисленных тугоплавких металлов — в 109 [(C2H5)2NCH2Na]+ 0.01 0.15 0.диапазоне 650 < T < 750 K.

113 [C2H5NH(CH2)2Na]+ · H2O 0.03 0.50 0.Таким образом, на основе широкозонного полупровод123 [(C2H5)2N(CH2)2Na]+ 0.01 0.07 0.ника, сплава Alk/Au, создан эффективный термоэмиттер 127 [C2H5NH(CH2)3Na]+ · H2O 0.01 0.50 0.органических ионов. К его особенностям относится спо141 [(C2H5)2N(CH2)3Na]+ 0.005 0.25 0.собность к образованию кластеров из продуктов разложения исходных молекул с участием атомов щелочных металлов; при этом процесс кластеризации происходит (PO 2 · 10-6 Torr); 3 — на поверхность направлен при высоких температурах.

поток атомов Na ( 1011 cm-2 · s-1).

Гетерогенные процессы, приводящие к генерации клаВидно, что поступление кислорода на поверхность стеров и термоэмиссии ионов, требуют дальнейшего увеличивает интенсивности всех масс-линий. По-виизучения, так как от них зависит селективность ионидимому, присутствие O2 приводит к очистке поверхнозации индивидуальных органических соединений.

сти от углеродного покрытия, понижающего эмитРабота поддержана Российской программой „Поверхтера и уменьшающего его каталитическую активность.

ностные атомные структуры“ (проект ГК № 1152).

В том случае, если бы поверхностная ионизация была единственным процессом, приводящим к эмиссии ионов, рост тока, согласно теории [12], соответствовал бы Список литературы увеличению поверхности сплава на 0.2eV. Однако термодесорбция ионизированных кластеров при [1] Spicer W.E., Sommer A.H., White J.G. // Phys. Rev. 1959.

высоких T указывает на радикальное различие межVol. 115. N 1. P. 57–62.

ду упомянутыми ранее поверхностно-ионизационными [2] Skottke-Klein M.S., Boettcher A., Imbeek R. // Thin Solid Films. 1991. Vol. 203. P. 131–145.

эмиттерами и исследуемым в настоящей работе. Участие [3] Knat’ko M.V., Paleev V.I., Zandberg E.Ya. // Phys. Low-Dim.

в формировании ассоциативных продуктов атомов Na, Struct. 1996. N 7/8. P. 27–32.

а также молекул H2O дает основание заключить, что [4] Knat’ko M.V., Paleev V.I., Lapushkin M.N. // Phys. Low-Dim.

процессы кластерообразования и ионизации связана с Struct. 1998. N 5/6. P. 85–92.

наличием на поверхности эмиттера активных центров, [5] Зандберг Э.Я., Пелехатый И.Д., Сущих М.М. // Письма в ответственных и за образование, и за эмиссию многоЖТФ. 1995. Т. 21. Вып. 19. С. 15–20.

атомных ионов. Заметим, что при T < 1050 K эмиссия [6] Кнатько М.В., Палеев В.И., Лапушкин М.Н. // ЖТФ. 1998.

ионов Na+ практически не регистрируется, в то время Т. 68. Вып. 10. С. 104–107.

как атомы натрия входят в состав поверхностного слоя [7] Кнатько М.В., Лапушкин М.Н., Палеев В.И. // ЖТФ. 1998.

и присутствуют в кластерных ионах, ток которых региТ. 68. Вып. 10. С. 108–111.

стрируется при T < 800 K. Поступление на поверхность [8] Knat’ko M.V., Lapushkin M.N., Paleev V.I. // Phys. Low-Dim.

атомного потока Na оказывает малое в сравнении с Struct. 1999. N 9/10. P. 85–94.

кислородом влияние на интенсивность выхода ионизи- [9] Каталог сокращенных масс-спектров. Новосибирск: Наурованных кластеров. По-видимому, плотность потока Na ка, 1981. С. 17.

не меняет существенно концентрацию щелочного метал- [10] Зандберг Э.Я., Расулев У.Х. // Успехи химии. 1982. Т. 51.

№ 9. С. 1425–1445.

ла в поверхностном слое сплава. Кроме того, следует [11] Rasulev U.Kh., Zandberg E.Ya. // Progr. Surf. Sci. 1988.

учесть, что пленке сплава, проявляющей свойства широVol. 28. N 3/4. P. 181–412.

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.