WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

преобладать, поскольку изменение величины Fev на Детальное изучение процесса полевого испарения проценты приводит к изменению скорости испарения на карбида W, полученного в чистых вакуумных условиях, порядки. Температура же вообще практически не влияет позволяет корректно определить величину испаряющих на величины, составляющие Fev, если пренебречь темполей Fev для карбидных эмиттеров. Базовой величиной пературной зависимостью работы выхода, которая, водля этого служила хорошо известная величина поля первых, мала, а во-вторых, одинакова для ионов разных наилучшего изображения для He — Fbiv = 4.4V/. Назарядов, поскольку характеризует не ион, а поверхность, блюдая какой-либо участок поверхности с наилучшей с которой ион испаряется и, следовательно, на заряд иона не влияет.

Однако подобное рассмотрение всегда проводится для Величины Fev для различных участков острия из карбида W случая полевого испарения при криогенных T, когда тепОбласть на поверхности {h, k, l} Fev (V/) ловое возбуждение мало и поле снимает потенциальный барьер испарения практически до нуля, именно в пред Ребра вокруг {0001} в направлении 1120 4.75-5.положении нулевой энергии активации Qn и выводится Края граней {0113} 4.75-4. выражение (1). Такое рассмотрение справедливо, поГрани {1120} 4.80-5. скольку при испарении при криогенных T величины Qn, Края граней {0110} 4.84-4. Края граней {0111} 5.15-5.32 оцененные экспериментально, действительно весьма ма Грани {0001} и {0111} 5.19-5.32 лы и составляют Qn 0.1eV [10], но справедливо это Ребристый кристалл 5.60-5.только для данного случая.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Влияние температуры эмиттера и потенциалов ионизации атомов эмиттера... Зависимость скорости полевого испарения от T характеризуется обычным законом Аррениуса. Согласно [11], величина тока ионов полевого испарения определяется выражением i = nhr0 exp(-Qn/kT), (2) где nhr — число атомов на поверхности, находящихся в положении „высокого риска“ испарения (high risk, как указывал Форбс [11]), иначе говоря, число активных эмиссионных центров на поверхности; Qn — энергия активации испарения n-кратно заряженного иона; 0 — предэкспоненциальный множитель. Выражение для Qn можно представить в следующем виде:

Qn = 0 + In - n - 3.8n nF + 0.0345F2, (3) Рис. 5. Расчетные зависимости энергии активации полевого n испарения Qn от приложенного поля Fev для ионов Ni:

где — поляризуемость атома. При такой записи 1 — однозарядные ионы Ni+, 2 —двухзарядные ионы Ni+2.

выражения величина Qn получается непосредственно в eV, если F определяется в V/и —в 3.

Таким образом, температура сама по себе не влияет на величины, составляющие Fev и Qn, однако рост T вызывает значительное увеличение скорости испарения, т. е. ионного тока i, особенно при работе в стационарном режиме испарения, характерном для магнитных атомных зондов. Для того чтобы мгновенно не испарить эмиттер и работать с разумными скоростями испарения, необходимо при росте T соответственно понижать поле Fev, а величина Fev и влияет на Qn, которая становится неравной нулю, и соотношение величин Qn будет определять заряд испаряемых ионов. Если внешнее поле отсутствует вообще (случай чистой поверхностной ионизации), испаряются практически только однозарядные ионы, поскольку при этом величина энергий активации составляет Q1 = 0 + I1 - и Q2 = 0 + I1 + I2 - 2 для Рис. 6. Расчетные зависимости энергии активации полевого одно- и двухзарядных ионов соответственно. Величина испарения Qn от приложенного поля Fev для ионов Cr:

Q1 всегда меньше Q2 поскольку Q2-Q1 = I2-, второй 1 — однозарядные ионы Cr+, 2 — двухзарядные ионы Cr+2.

потенциал ионизации I2 > 10 eV для всех элементов (самый малый I2 = 10.05 eV у бария, для большинства металлов I2 13-20 eV), а всегда меньше 10 eV (сапоказывает, что при росте T от 50 до 100 K скорость мая большая для металлов = 5.7eV у грани {111} Ir).

испарения возрастает на 6 порядков. Таким образом, При наличии внешнего поля изменение F приводит к извлияние T на заряд иона сводится к тому, что рост T менению заряда ионов, причем чем выше F, тембольше вызывает необходимость уменьшения Fev, что приводит заряд испаряющегося иона, поскольку для иона более соответственно к изменению Qn и заряда испаряемого высокого заряда будет ниже величина Qn. На рис. иона.

показаны рассчитанные по выражению (3) зависимости Посторение графиков зависимости Qn = f (Fev) может величин Q1 и Q2 от Fev для одно- и двухзарядных быть полезно как метод оценки величины испаряюионов Ni, а на рис. 6 — такие же зависимости для щих полей для ряда случаев, когда определить велиионов Cr. Видно, что кривые пересекаются в точках чину Fev экспериментально бывает практически невозFev = 3.75 V/ для Ni и Fev = 2.9V/ для Cr. В точке можно. Ведь если при какой-то величине Fev на спектре пересечения величины Qn равны, следовательно, равны и скорости их испарения. Поэтому снижение Fev ниже ве- наблюдаются одновременно сигналы ионов разных зарядов, это означает, что мы находимся непосредственно личины, соответствующей точке пересечения, приведет к превалированию однозарядных ионов, а соответству- вблизи точки пересечения графиков Qn = f (Fev) для ющее увеличение Fev — двухзарядных.

При использо- этих ионов. При экспоненциальной зависимости ионного вании полевого испарения при постоянном испаряющем тока от Qn даже небольшое отклонение от точки перенапряжении (случай использования магнитных атомных сечения приводит к исчезновению сигнала от одного из зондов) снижать поле при росте T совершенно необ- ионов. Определить же величину Qn, соответствующую ходимо, поскольку, например для W, простой расчет точке пересечения, нетрудно для ионов практически Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 112 О.Л. Голубев, М.В. Логинов любого элемента. Определенная таким образом величи- до Uev = 5.5 + 4.0 = 9.5 kV помимо ионов Ni+2 появляна Fev для Ni оказалась равной 3.75, а для Cr — 2.95 V/, ется втрое меньший по амплитуде пик однозарядных экспериментально же определенные в работе [12] вели- ионов Ni+, а при заметном понижении испаряющего чины для этих элементов составляют Fev = 3.6 и 3.1 eV Uev = 4.7 + 1.8 = 6.5 kV наблюдается только значительсоответственно. Таким образом, точность подобного ный по амплитуде пик однозарядных ионов Ni+. С друвесьма простого метода оценки величин испаряющих гой стороны, в случае испарения нихрома при азотной полей оказывается неплохой. и комнатной T и практически неизменном испаряющем поле наблюдаются только двухзарядные пики ионов Анализ ранее проведенных экспериментов показывает, Ni+2 и Cr+2 (рис. 3, a, b), и только после значительного что при полевом испарении при криогенных T, когда используются очень сильные внешние поля, величина Qn затупления эмиттера при более слабом Fev появляются малые по амплитуде сигнала от однозарядных ионов Ni+ близка к нулю и испаряются в основном высокозарядные и Cr+ (рис. 3, c). Таким образом, изменение T эмиттера ионы. В случае испарения Pt в поле F = 4.8V/ при при неизменном испаряющем поле не приводит к измеT = 78 K наблюдались ионы Pt+3, Pt+2 и Pt+ [4] в нению заряда испаряемого иона, заряд меняется только порядке падения интенсивности, а испарение той же Pt при изменении поля.

при T 1000 K и F = 1.2V/ дает практически только Однако все вышеизложенное ни в коем случае не однозарядные ионы [3]. Снижение испаряющего поля означает, что при любом снижении Fev всегда будет при росте T от комнатной до 500 K приводило [13], где наблюдаться снижение заряда иона и, понижая Fev, использовался магнитный атомный зонд, к снижению можно получить ионы любого низкого заряда вплоть до заряда испаряемых ионов W от W+3 до W+2. Весьма единичного. В ряде случаев точка пересечения кривых интересной в этом смысле представляется работа КеллоQn = f (Fev) для ионов определенных зарядов может га [14]. В данной работе с помощью лазерного атомного соответствовать таким большим Qn и таким малым Fev, зонда изучалось полевое испарение W, Mo, Si. Острие, что образование ионов станет вообще невозможным.

охлажденное до T = 40-60 K нагревалось лазерным Например, для случая испарения W точка пересечения импульсом до более высоких, но неопределенных T, при кривых Q2 и Q3 соответствует Fev = 4.8V/ и выше этом полагалось, что при одной и той же мощности этой величины поля образуются предпочтительно иоизлучения достигается одна и та же температура. В проны W+3, а ниже — W+2, однако точка пересечения цессе экспериментов скорость испарения изменялась на кривых Q2 и Q1 соответствует Fev = 3.6V/, при этом два порядка, причем это повышение достигалось двумя способами — ростом T при неизменном Fev и ростом Fev Qn = 7.2 eV. При таких низких полях и больших Qn образование ионов W невозможно, во всяком случае, при неизменной T. Рост Fev от 3.36 до 4.21 V/ при при низких T 300 K. По-видимому, образование однопостоянной T вызывал увеличение отношения испарязарядных ионов W может быть возможно только при емых ионов W+3/(W+3 + W+2) от нуля до единицы, очень высоких T эмиттера.

т. е. при низком поле наблюдались только ионы W+2, а при высоком — W+3. При этом рост T вообще не 2. Зависимость процесса полевого испаревызывал изменения заряда ионов несмотря на такой ния от потенциала ионизации испаряемого же рост скорости испарения, подобные зависимости иона получались также для ионов Mo и Si. Для образования Как показывают эксперименты, описанные в данной ионов с более высоким зарядом существует механизм работе, а также данные предыдущих работ, при полевом постионизации, когда ион, испаряющийся с поверхности испарении эмиттеров сложного состава атомы с разныс низким зарядом, дополнительно ионизуется вблизи ми величинами In испаряются при одних и тех же полях, поверхности. Однако расчеты Кинема [15], проведенные хотя согласно выражениям (1) и (3) атомы с большими для 44 элементов именно с использованием модели значениями In должны обладать и большими значенипостионизации, показывают, что для тех же ионов Pt ями Fev и накапливаться на поверхности эмиттера при снижение Fev от 3 до 1.6 V/ приводит к уменьшению испарении атомов с малыми In при малых Fev.

В случае доли ионов Pt+2 на 5 порядков, а ионы Pt+3 пропадают испарения нихрома величины Fev для Ni и Cr близки, совсем.

и одновременное появление ионов Ni и Cr возможно, Однако при использовании в экспериментах с вре- однако в случае карбида W ситуация принципиально мяпролетным атомным зондом полевого испарения под иная. Испаряющие поля для гексагонального карбида, действием коротких импульсов наносекундной длитель- состав которого соответствует, по-видимому, монокарности возможно проведение опытов, когда можно не биду WC, лежат в интервале Fev = 4.8-5.3V/ для менять, или слегка изменять Fev при повышении T эмит- различных кристаллографических областей, наиболее тера. Эмиттер при этом тупится гораздо медленнее, чем устойчивыми являются области {0001} и {0111} — в случае испарения в непрерывном режиме постоянного Fev = 5.15-5.35 V/, а наименее устойчивыми — более поля. На рис. 1 показано, что если при испарении Ni рыхлые грани {0110} и {1120} — Fev = 4.8-5.05 V/.

при T = 80 K и испаряющем Uev = 6.5 + 4.0 = 10.5kV Для ребристого кристалла, состав которого W2C, венаблюдается испарение только ионов Ni+2, то при личина Fev = 5.6-5.7V/, т. е. такая же, как и для комнатной T и слабом понижении испаряющего поля чистого W.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Влияние температуры эмиттера и потенциалов ионизации атомов эмиттера... Таким образом, если при испарении карбида W вели- Fe — 7.89% атомных единиц углерода, где использочина Fev такая же, как и для чистого W, либо несколько вался атомный зонд предельно высокого разрешения m/ m 1200. Ведь в этом случае испаряющие поля меньше, возникает вопрос, почему же в таком случае для железа Fev = 3.5-4.0V/, а для азота и углерода испаряются ионы углерода. Ведь если провести расчет 10-13 V/. В нашем случае такой механизм испарения Fev по выражению (1), то для иона C+ и C+2 получаются и обеспечивает стехиометрический характер испарения величины Fev = 11.94 и 9.17 V/ соответственно. Такие нихрома.

гигантские поля совершенно недостижимы, поскольку Подобное рассмотрение проведено для испарения атопондеромоторная сила электрического поля при этом марных ионов C. Однако, как уже указывалось, возможен много больше энергии связи атомов в решетках даже и механизм испарения кластерных ионов. Значительной самых прочных металлов. Для ответа на этот вопрос части ионов углерода выгодно уходить в виде кластерполезно определить по измеренным Fev величину тепных ионов как вида (WmCk)+s, так и вида C+s, например, m лоты испарения для атомов С и W из решетки карбида, наблюдались ионы типа W3C+2, WC+2, C+2 и другие.

2 4 т. е. энергия связи атомов в решетке — 0. Исходя из В случае кластерного испарения выражение (4) следует выражения (1) можно получить переписать в виде [18]:

0 = Fevnr + n + 3.6n2/r - In. (4) n m0 = Fevnr + n + 3.6n2/r - I n + Eb(m), (5) n где m — число атомов в кластере, I n — потенциал Согласно (4), для наибольших значений Fev = 5.3V/ в случае WC получим для трехзарядного иона W+3 ионизации кластера и Eb(m) — полная энергия когезии кластера. Для большинства кластерных ионов произвеличину 0 = 8.45 eV, если принять = 4.4eV [8].

вести расчет величины 0 невозможно, поскольку для Понижение величины 0 для атома W 8.7 для чистого W кластеров неизвестны величины Eb(m) и I n, однако до 8.45 eV в решетке карбида неудивительно, с понижедля кластеров C+ и C+2 подобный расчет возможен.

нием теплоты испарения, по-видимому, и связано пони- 2 Если принять величину энергии когезии равной энержение температуры плавления и твердости карбидов W гии разрыва C-C-связи, т. е. Eb(m) =6.14 eV, величину по сравнению с W [16]. Однако какова же должна быть I 1 = 11.9, а I 2 = 24.3 eV, такую же, как и для одиночвеличина 0 для атомов C, чтобы они испарялись с такой ного атома C [5] (величина I 2 для кластеров углерода же скоростью и при том же поле, что и атомы W Расчет неизвестна), тогда получим 0 = 3.7eV для иона C+ по выражению (4) дает 0 = 1.96 в случае испарения и 0 = 1.3eV для C+2. Следовательно, и в случае ионов C+ и 0 = 1.16 eV при испарении ионов C+2.

кластерного испарения ионов механизм испарения, поТаким образом, для того чтобы атомы C испарялись видимому, такой же и определяется понижением энерв виде одно- и двухзарядных ионов их энергии связи гии связи кластера с поверхностью эмиттера.

в процессе испарения должны понижаться от исходной величины 0 = 6.7-7.0 до 1-2 eV, иначе атомы С не Выводы будут испаряться при таких низких полях Fev 5V/.

Можно предположить следующую причину понижеЗаряд испаряемых ионов в процессе полевого испарения величины 0 для атомов C в решетке карбида W:

Pages:     | 1 || 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.