WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 7 05;11;12 Эрозия поверхности автоэмиттеров под действием низкоэнергетичной ионной бомбардировки © Т.И. Мазилова, И.М. Михайловский Национальный научный центр „Харьковский физико-технический институт“, 310108 Харьков, Украина (Поcтупило в Редакцию 19 марта 2001 г. В окончательной редакции 5 октября 2001 г.) Методами полевой ионной и электронной микроскопии исследовалась радиационно-стимулированная эрозия поверхности вольфрамовых автоэмиттеров в условиях низкоэнергетичной ионной бомбардировки.

Показано, что изменение эмиссионных характеристик эмиттеров в процессе бомбардировки связано со смещением поверхностных атомов в положения с пониженными значениями координационных чисел и скачкообразным возникновением нановыступов, характеризующихся повышенной локальной напряженностью электрического поля. При полевом испарении нановыступов вскрывались полости, что свидетельствовало о возможности описания такого типа эрозии в терминах блистерообразования. Проанализированы квазистатические механизмы эрозии поверхности и показано, что наноблистеринг может быть связан с абсорбцией гелия в приповерхностных слоях металла.

Введение Методика эксперимента Исследования проводились с помощью двухкамерноРадиационно-стимулированная поверхностная эрозия го полевого эмиссионного микроскопа с охлаждением играет существенную роль в процессах, контролируюобразцов и криогенных сорбционных сверхвысоковакущих инициирование вакуумного электрического разряумных насосов жидким водородом. В ионном режиме да и радиационную повреждаемость автоэлектронных рабочее напряжение изменялось в пределах 2-15 kV, эмиттеров [1–4]. В последние годы интерес к этому в автоэлектронном — 0.2-1 kV. Давление остаточных явлению возрос в связи с развитием нанотехнологазов во внутренней рабочей камере поддерживалось гии, основанной на использовании туннельной элекв пределах 10-7-10-6 Pa, давление изображающего гатронной эмиссии, и разработкой высоколокализованных за — гелия — составляло 2-4 · 10-3 Pa. Игольчатые когерентных полевых ионных и электронных эмиттеобразцы изготавливались из вольфрама марки ВА-ров [5–7]. Эволюция атомной топографии микрозончистотой 99.98% методом электрохимического травледов с субмикронными радиусами кривизны эмитируюния с радиусами кривизны у вершины 5-40 nm. Темщей поверхности в условиях ионной бомбардировки, пература образцов в процессе ионной бомбардировки неизбежно сопутствующей их работе, определяется в поддерживалась в пределах 21-300 K пропусканием основном радиационно-стимулированными диффузионтока через дужку-держатель и измерялась по измеными процессами [1,4].

нению пороговой напряженности полевого испарения Возникновение атомной шероховатости в процесобразцов [10]. Эмитирующая поверхность автокатодов се ионной бомбардировки эмиттеров, приводящее к очищалась и окончательно формировалась испарением повышению миграционной подвижности поверхностпри 21 K со скоростью 10-3-10-2 nm/s в электриных атомов, обычно связывается с генерированическом поле положительной полярности напряженноем приповерхностных атомных столкновений [1–4,8] стью 5.8 · 1010 V/m.

и диффузионным выходом на поверхность междоПараметры облучения автоэмиттеров ионами гелия узельных атомов радиационного происхождения [9].

при напряженностях поля E = 2-4 · 109 V/m опреОднако возможность использования этого явления делялись по методике, описанной в [1,11]. Энергия для формировки поверхности наноэмиттеров, харакбомбардирующих ионов лежала в широком интервале теризующихся низкими рабочими напряжениями и от энергии ионизации атомов гелия (24.5 eV) до энерсоответственно малыми средними значениями энергии, соответствующей рабочему напряжению. Средняя гии бомбардирующих ионов [7,8], ставит под сомнеэнергия ионов гелия приблизительно равна eEr0, где ние возможность реализации какой-либо разновидноe — заряд электрона, r0 — радиус кривизны полусти столкновительного механизма эрозии поверхно- сферической части поверхности эмиттера. В проводивсти. В настоящей работе методами полевой ионной и шихся экспериментах средняя энергия варьировалась в электронной микроскопии исследовалась радиационно- пределах 25-200 eV. Для предотвращения вакуумного стимулированная эрозия поверхности вольфрамовых ав- пробоя последовательно с эмиттерами включались сотоэмиттеров в условиях низкоэнергетичной ионной бом- противления, ограничивающие ток короткого замыкания бардировки. на уровне 10-15 µA. После облучения автоэмиттеров 118 Т.И. Мазилова, И.М. Михайловский полярность напряжения изменялась и производился анализ эрозии поверхности в полевом ионном режиме.

Результаты эксперимента Ионная бомбардировка игольчатых наноэмиттеров при температурах 21-300 K приводила к росту электронного тока, как правило, завершавшемуся разрушением эмиттеров при сравнительно небольших средних значениях плотностей тока 109-1010 A/m2. На фоне монотонного роста тока (рис. 1) при флюенсах, больших 5 · 1018 ions/m2, наблюдались скачки ам плитудой до 50%. Такие скачки тока сопровождались практически полной локализацией эмиссии на одном из участков поверхности. На рис. 2 приведены полевые ионно-микроскопические изображения игольчатого эмиттера радиусом 30 nm до (a) и после облучения в автоэлектронном режиме ионами гелия со средней энергией 150 eV, флюенсом 3.5 · 1018 ions/m2 (b) и 8.8 · 1018 ions/m2 (c) при 21 K. В результате облучения регулярность расположения атомов в поверхностном слое существенно снижается и нарушается характерная для атомно-гладких поверхностей кольцевая конфигурация атомных ступенек. При флюенсах, меньших 5 · 1018 ions/m2, на поверхности наблюдались хаотически расположенные эмиссионные центры (рис. 2, b), большинство из которых представляло собой изображения отдельных атомов. Некоторое повышение локального контраста изображения связано с тем, что в результате бомбардировки эти атомы оказались смещенными в положения с пониженными значениями поверхностных координационных чисел, характеризующиеся повышенной локальной напряженностью. При увеличении флюенса до 5 · 1018-1019 ions/m2 помимо одиночных адатомов на поверхности образуются микровыступы поперечником 1-5nm (рис. 2, c). В отличие от Рис. 2. Ионно-микроскопические изображения автоэмиттера до (a) и после облучения флюенсом ионов гелия 3.5 · 1018 (b) и 8.8 · 1018 ions/m2 (c).

описанного в [1,4] плавного диффузионного прорастания микровыступов за счет протекания диффузионных процессов, активированных ионной бомбардировкой, часть таких микровыступов образовывались скачкообразно. Их возникновение приводило к соответствующим скачкам автоэлектронного тока (рис. 1). Детальное исследование атомной структуры поверхности в окрестности микровыступов методами полевой ионной микроскопии затруднено, так как обычно при попытке получить в Рис. 1. Изменения автоэлектронного тока со временем с острийного вольфрамового эмиттера с исходным радиу- ионном режиме изображение поверхности таких мисом 30 nm при давлении гелия 4.8 · 10-4 Pa. кровыступов под действием механических напряжений, Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. Эрозия поверхности автоэмиттеров под действием низкоэнергетичной ионной бомбардировки на поверхности, наблюдавшееся в настоящей работе (рис. 2, b), приводит к повышению миграционной подвижности и может рассматриваться как один из механизмов радиационно-стимулированной поверхностной самодиффузии. При модифицировании поверхности низковольтных наноэмиттеров энергия, передаваемая приповерхностным атомам вольфрама при облучении, не превышает 10% энергии атомов гелия. В большинстве проведенных в настоящей работе экспериментов переданная энергия была много меньше таких энергетических параметров, как радиационный порог образования устойчивых френкелевских пар — порог смещения, теплота сублимации и энергия поверхностной самодиффузии, контролирующих скорость радиационной перестройки поверхности. Таким образом, радиационная стойкость наноэмиттеров, характеризующихся малыми, допороговыми средними значениями энергии бомбардирующих ионов, не может быть описана в рамках какого-либо столкновительного механизма радиационно-стимулированной эрозии поверхности.

При низкоэнергетичной бомбардировке наноэмиттеров в условиях, когда практически исключены динамические каналы, существенную роль могут играть релаксационные процессы в поверхностных слоях, насыщенных внедренными атомами гелия. В частности, известно, что при сравнительно больших флюенсах ионов гелия в металлах в результате релаксации внутренних напряРис. 3. Полевые эмиссионные изображения микровыступа (a) жений всестороннего растяжения возможно протекание в электронном режиме и микрополости (b) в ионном режиме, процессов бистеринга — образования газонаполненных выявленной после вскрытия купола микровыступа.

куполов на поверхности облученных металлов. Блистеринг металлов достаточно полно исследован лишь в области сравнительно высоких энергий ионов инертных создаваемых электрическим полем, происходило их разгазов от 104 до 106 eV [12–14], однако данные, проверушение. Однако в тех случаях, когда удавалось осущеденные в настоящей работе, показывают, что скачкоствить контролируемое полевое испарение куполов, под образное возникновение на поверхности микровыступов ними обнаруживались микрополости (рис. 3). Глубина (рис. 2, c) относится к этому классу явлений. В то время микрополостей, вскрываемых при полевом испарении как основные закономерности повреждения металлов или механическом разрушении, была приблизительно под действием внутреннего давления внедренного гепропорциональна диаметру микровыступов и обычно лия достаточно хорошо известны в связи с решением варьировалась в пределах 3-6nm.

материаловедческих проблем реакторостроения [12–14], поведение атомов гелия в приповерхностых слоях металлов остается неизученным. Известно, что взаимодейОбсуждение результатов ствие атомов гелия с атомами металлов носит характер отталкивания и их внедрение в кристаллическую Анализ изменения атомной топографии поверхности решетку приводит к локальному смещению окружаюнаноэмиттеров, бомбардируемой низкоэнергетичными щих его атомов матрицы. Расчетные значения энергии ионами, не обнаружил каких-либо следов кумулятивного образования междоузельного атома гелия зависит от его катодного распыления, что удовлетворительно согласурасположения в решетке и изменяются в вольфраме в ется с выводами, сделанными на основании исследовапределах 5.5-7.4eV [12].

ния радиационной повреждаемости автокатодов с миДля описания особенностей квазистатического повекронными и субмикронными размерами эмитирующей поверхности [1–4]. Однако описание эрозии поверхно- дения атомов гелия в приповерхностных слоях металлов сти автоэмиттеров в рамках модели радиационно-сти- можно воспользоваться зависимостью энергии внедремулированной поверхностной самодиффузии нуждает- ния атомов гелия в электронный газ. В работе [15] было ся в существенном уточнении. Возникновение атомной показано, что энергия внедрения в электронный газ с шероховатости в процессе ионной бомбардировки — локальной плотностью n в точке r в основном опредесмещения атомов в низкокоординационные положения ляется возрастанием кинетической энергии электронов Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 120 Т.И. Мазилова, И.М. Михайловский проводимости и равна Фурье-образ электронной плотности для произвольного двумерного волнового вектора равен Ehe = 2Ln(r), (1) (G, z ) =2 yJ0(Gy)n (y2 + z )1/2 dy, (4) где L — длина рассеяния электрона на атоме гелия;

в этом соотношении используется атомная система единиц ( = e = m = 1).

где J0 — функция Бесселя нулевого порядка.

На поверхности металлов электронная плотность Введем ортогональную систему координат x-y, свяизменяется практически скачкообразно от объемного занную с кристаллографическими направлениями 100.

значения до нуля. Ширина переходной области порядка Для плоскости {100} периоды решетки в направледебаевского радиуса экранирования. Для определения ниях x и y обозначим соответственно ax = ay = a локальной электронной плотности в некоторой точи |G| = g2 + g2, где gxl = 2l/ax, gym = 2m/ay xl ym ке k локализации анализируемого атома может быть и l, m — индексы суммирования в обратном проприменено суммирование электронных плотностей na, странстве, a — параметр трехмерной решетки. Модуль создаваемых в данной точке отдельными атомами [16], вектора смещения точки k равен |Tjk| = Tx2jk + Ty2jk.

Для описания зависимости na от расстояния r в nk = na(r ). (2) jk jk вольфраме используем эмпирическое выражение для j функции na(r ), приведенное в [17]. При расстояниях, jk много больших расстояния между ближайшими соседни При количественном анализе распределение электми атомами, можно воспользоваться экспоненциальной ронной плотности вблизи поверхности следует учесть аппроксимацией осцилляционный характер релаксационных смещений атомных плоскостей в поверхностном слое. Большая na(r ) =n0 exp(-cr ), (5) jk jk часть количественных данных о структуре поверхности и взаимодействии с ней различного типа дефектов где n0 = 417.04, c = 2.2046.

решетки к настоящему времени получена в приблиПодстановка соотношений (5) и (4) в (3) с последуюжении парных потенциалов. Разработка в последнее щим интегрированием дает время многочастичных потенциалов позволила существенно уточнить характер атомных смещений в при1 + tlm|z | jk nk = 2cn0 exp(-tlm|z | jk поверхностных областях. Для описания особенностей tlm j l,m релаксационного поведения приповерхностных слоев и связанного с ними распределения электронной плот cos(gxlTx jk) cos(gymTy jk), (6) ности может быть использован метод погруженного атома [16,17].

где tlm = c2 + g2 + g2.

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.