WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 9 02;11;12 Влияние температуры эмиттера и потенциалов ионизации атомов эмиттера на процесс полевого испарения © О.Л. Голубев, М.В. Логинов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия e-mail: O.Golubev@mail.ioffe.ru (Поступило в Редакцию 8 февраля 2006 г.) С помощью времяпролетного атомного зонда и полевого эмиссионного микроскопа изучалось полевое испарение Ni, нихрома и карбида W при различных температурах T эмиттера. Рост T эмиттера не влияет на заряд испаряемых ионов, понижение заряда происходит вследствие соответствующего снижения величины напряженности испаряющего поля Fev. Если при изменении T величина Fev не меняется, остается неизменным и заряд ионов. При полевом испарении неоднокомпонентных эмиттеров, содержащих элементы с различными потенциалами ионизации, все элементы испаряются при одной и той же величине Fev как в виде атомарных, так и в виде кластерных ионов. Механизм такого испарения состоит в том, что первичное испарение более легко ионизуемого элемента приводит к понижению энергии связи более трудно ионизуемого до такой величины, когда и его испарение становится возможным при той же величине поля.

PACS: 79.70.+q, 83.60.Np Введение испарении сложных по составу эмиттеров все атомы испаряются при одних и тех же действующих полях, и В области изучения полевого испарения при темпенакопления трудно испаряемых атомов на поверхности ратуре T выше комнатной выполнено немного работ, не наблюдается. Рассмотрению данных проблем и посвяхотя данная область в настоящее время выглядит весьма щена эта работа.

перспективной в связи с проблемой создания точечных источников заряженных частиц, столь необходимых Техника эксперимента прежде всего для целей нанотехнологии. При рассмотрении физических проблем процесса полевого испареДля экспериментов по изучению влияния T на заряд ния, и прежде всего высокотемпературного, обращают испаряемого иона был выбран Ni — материал, достана себя внимание две проблемы. Еще в пионерских точно изученный полевыми методами. При изучении работах по изучению полевого испарения с изменением влияния величины потенциала ионизации на процесс T эмиттера [1–3] авторы обратили внимание на два испарения использовались сплав нихром марки Х20Нобстоятельства. Во-первых, рост T вызывал заметное и карбидизированный вольфрам. Сплав нихром содеруменьшение величины испаряющего поля Fev при фиксижит компоненты не сильно, но достаточно заметно рованной скорости испарения, что не вызывало удивлеразличающиеся величиной In (I1 = 7.63 для Ni и 6.76 eV ния. Во-вторых, рост T приводил к быстрому изменению для Cr), а в случае карбида W величина In для атомов угзаряда испаряемых ионов. Классики изучения полевого лерода и вольфрама различается значительно (I1 = 8.испарения Мюллер и Цонг в [4] писали: „быстрое для W и 11.36 eV для атома углерода) [5]. Изучение изменение ионного заряда с повышением температуры полевого испарения никеля и нихрома интересно еще должно, пожалуй, вызывать удивление“. Дело в том, что и с точки зрения проблем нанотехнологии, поскольку согласно всем теоретическим рассмотрениям, хорошо Ni и Cr являются элементами, не окисляющимися на проверенным на эксперименте, температура вообще не воздухе, и пригодны для получения схемного рисунка в должна влиять на заряд иона. Почему же температура режиме сканирующего туннельного микроскопа. Острия так сильно влияет на заряд испаряемых полем ионов — с радиусом в доли микрон получались с помощью обычдействительно интересно. Другая проблема состоит в ного электролитического травления в соответствующих том, что при полевом испарении эмиттеров сложного растворах электролитов [6], Ni и нихром — в смеси состава на поверхности эмиттера могут встречаться атомы с весьма разными величинами потенциалов иони- кислот 30% HNO3, 50% ледяной CH3COOH, 10% H2SOи 10% H3PO4 травление переменным током, а W тразации In, а так как величина потенциалов ионизации, вился в классическом растворе 3% NaOH. Полученных согласно существующим представлениям, очень сильно из W острия прогревались в парах вакуумного масла до влияет на Fev, то и испарение этих атомов должно происходить при совершенно различных полях, и трудно получения либо карбида WC гексагональной плотноупаиспаряемые атомы с большой In должны накапливаться кованной структуры, либо так называемого „ребристого на поверхности. Однако многочисленные эксперименты кристалла“, имеющего состав W2C [7], но структуру объс различными по составу эмиттерами показали, что при емноцентрированного куба, как и чистый W. Такая струк108 О.Л. Голубев, М.В. Логинов тура всегда предшествует образованию карбида при науглероживании W и предшествует получению чистого W при высоковакуумном прогреве карбида и удалении углерода. Эксперименты проводились как на установке комбинированного полевого эмиссионного микроскопа, позволявшей сочетать электронный и ионный режимы, так и на масс-спектрометрической установке времяпролетного атомного зонда, которая представляет собой комбинацию полевого эмиссионного микроскопа и времяпролетного масс-спектрометра, средним разрешением по массе m/ m 30. Температура острия определялась методами оптической пирометрии с точностью 20.

Напряженность электрического поля F определялась обычным способом из наклонов эмиссионных характеристик Фаулера-Нордгейма в предположении, что работа выхода = 4.4 для карбида W, 4.5 для Ni и 4.55 eV для нихрома [8].

Результаты эксперимента 1. Н и к е л ь В экспериментах использовалась никелевая проволока марки НПОЭ чистоты 99.99% с основными примесями Co, Fe и Mn. При полевом испарении на эмиттер подавалось постоянное базовое испаряющее напряжение положительной полярности Ub и импульсное напряжение Up длительностью 10 ns. В случае испарения при криогенной T = 80 K в вакууме 10-9 Torr массРис. 1. Масс-спектр полевого испарения Ni при различных спектр, показанный на рис. 1, a демонстрирует пики T эмиттера: a — T = 80 K: 1 —H2O+, H2OH+, 2 —Ni+2;

ионов адсорбированной воды H2O+ и протонированный b — 300 K: 1 —Ni+2, 2 —Ni+ ; c — 1200 K: 1 —Ni+.

58 58 пик воды H2OH+ с величиной отношений массы к заряду m/q = 18 и 19 соответственно. В интервале m/q = 27.5-31.0 наблюдался большой пик m/q = 29.0, соответствующий двухзарядному иону Ni+2, а также представленные на рис. 2. Данные кривые отражают меньшие по амплитудам пики m/q = 27.5, 28.0, 29.5, зависимость числа зарегистрированных ионов k от числа 30.0 и 31.0, соответствующие, скорее всего, двухзаряд- испаряющих импульсов N. Видно, что если для случаев ным ионам Mn+2, Fe+2, Co+2, Ni+2 и Ni+2. Таким обра- испарения при азотной T (рис. 2, a) зависимость k 55 56 59 60 зом, при испарении в случае T = 80 K и испаряющих на- от N линейная (при комнатной температуре зависимость пряжениях Uev = Ub + Up = 6.5 + 4.0 = 10.5kV наблюдаются только двухзарядные ионы металлов. В случае испарения при комнатной температуре спектр, представленный на рис. 1, b, демонстрирует помимо наблюдаемых на рис. 1, a пиков двухзарядных ионов еще и меньшие по амплитуде пики однозарядных ионов практически тех же металлов с m/q = 58-63. Сигналы от ионов воды пропадают, поскольку при комнатной температуре вода десорбируется уже на базовом напряжении. При этом величина испаряющего напряжения снижена до UeV = 5.0 + 4.5 = 9.5 kV. Наконец, рис. 1, c показывает спектр полевого испарения при гораздо более высокой T 1200 K и при еще более низком испаряющем напряжении. На спектре наблюдается только большой пик однозарядного Ni+ и гораздо меньший пик Co+, испаряющее напряжение при этом снижено до UeV = 4.75 + 1.8 = 6.55 kV.

Рис. 2. Зависимости числа зарегистрированных сигналов k от Характер процесса испарения при различных T прочисла десорбирующих импульсов N при полевом испарении Ni:

ясняют дифференциальные кривые накопления ионов, 1 — T = 80, 2 — 1200 K.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Влияние температуры эмиттера и потенциалов ионизации атомов эмиттера... такая же), то при высокой T 1000 K (рис. 2, b) на- меньшей интенсивности, соответствующий двухзарядблюдаются на кривой большие плато, когда рост N не ным ионам Cr+2, и пики других ионов различных изотоприводит к увеличению k, и происходят резкие всплески пов Ni, Cr, Co и Zn. Очень слабые пики наблюдались в увеличения k при малых изменениях N. Происходит это области m/q 13-15, соответствующие, по-видимому, по той причине, что при высокой T вследствие процес- пикам двухзарядных ионов Si и Al. Однозарядные ионы сов термополевого изменения формы эмиттера [9] на в данном случае не наблюдались. На рис. 3, b деего поверхности вырастают и испаряются термополевые монстрируется масс-спектр испарения при комнатной T и практически том же Uev = 10.0 kV. Видно, что микровыступы. Именно с их поверхности и происходит испарение ионов, и кривые с плато и всплесками отра- вид спектра практически не изменился, основные пики двухзарядных ионов Ni и Cr, однозарядные ионы жают процесс периодического роста и испарения этих практически не наблюдаются. Рис. 3, c демонстрирует микровыступов. Таким образом, рост T при снижении спектр, полученный также при комнатной T, но после Uev и соответственно Fev приводит к понижению заряда длительного прогрева эмиттера при высоких T, поскольиспаряемого иона.

ку снять спектр непосредственно при высоких T для 2. Н и х р о м данного сплава не удалось вследствие большого количеВ экспериментах использовалась проволока марки ства паразитных сигналов при испарении на постоянном Х20Н80, т. е. состав сплава 20% Cr и 80% Ni, а базовом напряжении различных примесей. Вследствие основные примеси — Co, Zn, Si, Al. В случае иссильного затупления эмиттера после длительных пропарения при T = 80 K и испаряющем напряжении гревов реальное испаряющее поле несколько понизиUev = 6.5 + 4.0 = 10.5 kV масс-спектр, показанный на лось несмотря на значительный рост напряжения до рис. 3, a, демонстрирует пик наибольшей интенсивноUev = 12.5 + 6.2 = 18.7 kV. Спектр демонстрирует наисти, соответствующий двухзарядным ионам Ni+2, пик 58 больший пик, соответствующий ионам Cr+2, при прогреве эмиттера произошла сегрегация, т. е. обогащение поверхности атомами хрома, пик двухзарядных ионов Ni заметно ниже. Наблюдаются также заметные пики в области легких масс, соответствующие ионам C+, а также Si+2 и Al+2, в области m/q 40 заметны однозарядные 28 ионы K и Ca. Обращает на себя внимание появившиеся незначительные по амплитуде пики в области m/q 52-58, соответствующие однозарядным ионам Ni и Cr. Следовательно, рост T при неизменном Fev не меняет заряд иона, меняется заряд лишь при изменении поля.

3. Карбидизированный W Сначала на установке комбинированного полевого эмиссионного микроскопа в вакууме порядка 10-9-10-10 Torr формировалось чистое W-острие. После получения электронного изображения поверхности чистого W (рис. 4, a) производился прогрев острия в парах вакуумного масла до получения картины, соответствующей кубическому карбиду, так называемому ребристому кристаллу (рис. 4, b). Ребристый кристалл соответствует первой стадии карбидизации вольфрама, очевидно, что это структура ОЦК (обьемноцентрированная кубическая), как и сам W, однако с совершенно иным развитием граней — резко разросшимися прикубовыми областями {001}, которые окаймлены ребрами, увеличившимися в размерах гранями {112} и ребрами в области центральной грани {110}. При дальнейшем науглероживании наблюдаются картины карбида гексагональной плотноупакованной структуры (ГПУ) ори ентации либо гранью {0001}, либо {1120}. Подобная Рис. 3. Масс-спектр полевого испарения нихрома при различэлектронная картина, соответствующая карбиду, ориных T эмиттера: a — T = 80 K: 1 —Ni+2, 2 —Cr+2, 3 — 58 ентированному базовой гранью {0001}, показана на Si+2, Al+2; b — T = 300 K: 1 —Ni+2, 2 —Cr+2; c — масс28 27 58 рис. 4, c. Видна характерная для ГПУ-структур гексагоспектр при 300 K после прогрева эмиттера при высоких T и Fev: 1 —Cr+2, 2 —Ni+2, 3 —C+, Al+2, Si+2, 4 —K+, Ca+, нальная симметрия — шесть ярко эмиттирующих ребер 52 58 12 27 28 39 5 —Cr+, Ni+.

в направлении 0110, разделяющих зоны 1120 низкой 52 Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 110 О.Л. Голубев, М.В. Логинов резкостью, мы фиксировали соответствующее напряжение U1, при повышении напряжения до некоторого U2 наблюдалось полевое испарение этого участка и Fev = Fbiv(U2/U1). Величины Fev для различных участков поверхности представлены в таблице, видно, что вопервых, величина Fev заметно ниже по сравнению с чистым W, для которого Fev = 5.5-5.7V/ и, во-вторых, наблюдается заметное различие между этими величи нами для граней типа {0001} и {0111} и остальными гранями острия.

Масс-спектры полевого испарения эмиттеров из карбидизированного W на стадии ребристого кристалла демонстрируют при комнатной и азотной T, как уже указывалось в [7], только атомарные ионы углерода типа C+, C+2, разнообразные кластерные ионы типа (WmCk)+s, например WC+2, W2C+3, W3C+2 и многие 3 другие, а также и кластерные ионы атомов углерода и вольфрама типа W+3 или C+2. Атомарные ионы W 2 наблюдаются только после испарения карбидного слоя и достижения поверхности чистого W.

Обсуждение результатов Рис. 4. Полевые эмиссионные изображения поверхности карбида W: a–c — полевые электронные изображения исходного 1. Зависимость заряда испаряемых ионов чистого W (a), ребристого кристалла W2C (b) и гексагональноот T го карбида WC (c), d — полевое гелиевое ионное изображение Испаряющие поля для различных элементов, привеповерхности WC после испарения 1000 моноатомных слоев.

денные во многих обзорах, например [4], рассчитаны по известному выражению Fev =(0 + In - n - 3.6n2/r)/nr, (1) эмиссии с гранями {1015}, наиболее близко распо- n ложенных к базе (0001). После получения подобной где 0 — теплота испарения элемента, In — суммарn картины производился напуск He и наблюдались ионные ный потенциал ионизации n-кратно заряженного иона, изображения поверхности. На рис. 4, d показано полевое n — заряд иона, — работа выхода эмиттера, r — ионное изображение острия с атомарным разрешением, радиус атома в. Соглансо этому выражению, величи видны хорошо сформированные грани типа {1015}, ны Fev для одно- и двухзарядных ионов Ni составляют {1013}, а также несколько хуже и грани {1124}. Кроме 3.37 и 3.30 V/, а для одно- и двухзарядных ионов того, в области центральной грани (0001) хорошо заметCr — 2.68 и 2.63 V/ соответственно. Таким образом, ны моноатомные ступени в количестве 6-7 ступеней, во всех случаях двухзарядные ионы должны значительно окружающие центральную плоскую сетку этой грани.

Pages:     || 2 | 3 |



© 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.