WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 9 11 К теории динамических изменений поверхности во время высокотемпературного полевого испарения © В.Н. Шредник, Д.В. Глазанов,1 Е.Л. Конторович Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия 1 Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, 191186 Санкт-Петербург, Россия e-mail: glazanov@itcwin.com (Поступило в Редакцию 13 февраля 2003 г.) Рассматривается нагретая поверхность металлического острия, к которой приложено сильное электрическое поле. При температурах, достаточных для активации поверхностной самодиффузии, на поверхности вырастают кристаллические наросты и мелкие микровыступы. Последние в случае приложения к эмиттеру положительного потенциала, оказываются источниками ионных потоков высокотемпературного полевого испарения. Рассматриваются условия существования на поверхности эмиттера большего или меньшего количества микровыступов, относительная устойчивость которых обеспечивается балансом между тремя потоками: диффузионным от вершины, диффузионным к вершине и потоком полевого испарения с вершины.

Обсуждаются различные возможности реализации такого баланса.

В десорбционном полевом ионном микроскопе микровыступы, испаряющие ионы, визуализируются как более или менее яркие пятна. На фоне хаотичного движения таких пятен выделяются упорядоченные циклические их перемещения: микровыступы выстраиваются в виде пунктирных колец вдоль контура развитых граней кристаллического эмиттера, а затем эти кольца стремительно „схлопываются“ к центру грани.

Впервые построена количественная теория этих циклических процессов, объясняющая „замирание“ кольца перед схлопыванием и лавинно ускоряющийся после этого процесс самого схлопывания. Рассчитывалось распределение напряженности электрического поля вдоль поверхности в случае существования на ней нароста, и анализировались диффузионные потоки на разных стадиях его роста и растворения. Анализ результатов расчетов показал, что высота наростов относительно невелика, а их склоны сравнительно пологие.

Введение мыми эмиссионными свойствами, для технологических применений при создании устройств микро- и наноэлекОдновременное воздействие поля и температуры на троники [3,4].

поверхность металлического острия приводит к сложной В зависимости от напряженности поля и температуры совокупности явлений, приводящих к изменению формы на поверхности реализуется большое разнообразие сиего вершины [1]. При любом использовании острийных туаций: от единичного микровыступа на правильно ограэмиттеров необходимо учитывать такие термополевые ненном кристалле до многочисленных микровыступов, формоизменения, нередко носящие характер лавино- хаотически расположенных на нерегулярной, „изъязвобразно развивающихся неустойчивостей, так как они ленной“ поверхности [1,5]. В исключительных случаях отрицательно влияют, прежде всего, на постоянство па- форма вершины острия может быть стабилизирована.

раметров эмиттера. Соответственно результаты деталь- Однако, как правило, поверхность подвержена динаминого рассмотрения различного рода нестабильностей на ческим изменениям, связанным с процессами кристалповерхности электронных и ионных эмиттеров могут лического роста и растворения, сопровождающимися составить основу теории функционирования надежных появлением и исчезновением пятен на эмиссионных полевых источников электронов и ионов, а также могут изображениях.

быть использованы при разработке технологий их соз- Термополевые процессы и возникновение различных дания. поверхностных форм экспериментально исследовались К числу подобных поверхностных явлений относит- для нескольких тугоплавких металлов и сплавов в шися, в частности, высокотемпературное полевое испаре- роком диапазоне полей и температур. В качестве основние [2], которое можно определить как процесс ионно- ного средства наблюдения высокотемпературного полего испарения, сопровождающийся интенсивной поверх- вого испарения использовался полевой десорбционный ностной диффузией, ростом микровыступов и других микроскоп [2,5–7].

более сложных форм: наростов, ступеней и т. п. Отметим Тем не менее несколько фундаментальных вопросов здесь, что процесс высокотемпературного полевого ис- до сих пор остаются без ответа. Среди них такие:

парения может быть, в частности, сам использован, как чем определяется количество микровыступов, образуюпринцип работы точечных полевых ионных источников щихся на вершине острия; являются ли эти выступы с требуемой геометрией и соответственно с необходи- динамически стационарными, или же принципиально К теории динамических изменений поверхности во время высокотемпературного полевого испарения равновесным (или близкими к таковым); каковы законо- Кривая PF2(K), отвечающая меньшему, чем U1, напрямерности движения этих микровыступов на поверхности жению U2, только дважды пересекает линию P(K), оби соответственно эмиссионных пятен на изображениях, разуя при этом устойчиво равновесную точку A2 только рассмотрению перечисленных проблем посвящена на- в случае перестроенных форм. Кривая PF3(K) (U3 > U1) вообще не пересекает граничную линию. Единственное стоящая работа.

стабильное состояние в этом случае соответствует точке E3 на линии Pev, где потоки диффузии и полевого Характер и количество наблюдаемых испарения компенсируют друг друга. Волнообразный ход термополевых микровыступов кривых PF(K) складывается из участков двух парабол, что детально разъяснено в [5]. Все кривые на рис. Микровыступы на большей части поверхности острия соответствуют некоторой постоянной температуре T.

относительно стабильны. Они „мерцают“ (флуктуируС изменением температуры могут измениться значения ют), но наблюдаются в течение сравнительно длителькоэффициента поверхностного натяжения и соответного времени. Это, вообще говоря, удивительно, так ственно величины P, а также значения Pev.

как так называемые „стационарные“ микровыступы (т. е.

В соответствии с рис. 1 при больших напряженностях микровыступы, существующие благодаря балансу между поля F (и соответственно больших PF) начинается процессами полевого испарения и полевого притока), процесс полевого испарения, которое на линии Pev по-видимому, должны быть не слишком стабильными.

компенсирует приток атомов к вершине в точках типа На рис. 1 показан фрагмент диаграммы в координатах E-стационарных точках. Флуктуации поля F (которые (P, K) — давление–кривизна вершины острия, более могут быть вызваны естественной нестабильностью наподробно проанализированной в [5]. Диагонально иду- пряжения U) „смещают“ (в терминах рис. 1) микрощая прямая давления сил поверхностного натяжения выступ на близкую соседнюю кривую PF. При этом P(K) =K ( — коэффициент поверхностного натяже- случайные повышения F приводят к некоторому затупния) делит область (P, K) на две части. В левой верхней лению острия, тем не менее стационарный характер давление электрического поля PF = F2/8 превосходит микровыступа при этом сохраняется. Однако, случайное P и естественный ход полевого роста (показан на флуктуационное понижение F приводит к заострению рисунке стрелками) направлен на заострение. В правой микровыступа, смещая точку E вправо. Через несколько шагов такой ряд снижений F может сместить точку нижней части PF < P и естественным является процесс на диаграмме (P, K) в область ниже линии P. Тогда затупления.

форма острия быстро и необратимо изменится — острие На рис. 1 приведены кривые PF(K) для трех значений затупится, переходя от случая наличия острого микровынапряжения U. При этом линия PF1(K), отвечающая ступа к „базовой“ перестроенной форме. Такой „срыв“ напряжению U1, четырежды пересекает диагональную соответствует движению по кривой, подобной P2(K), граничную линию P(K), образуя точки равновесия, из примерно от точки B 2 к равновесно устойчивой точке A2.

которых лишь две (точки типа A см. ниже) соответСтационарные микровыступы, которым соответствуют ствуют устойчивому равновесию: A1, соответствующая точки типа E, по этой причине не должны быть долформе ограненного перестроенного острия, и A1, соотговечными. В то же время они должны обеспечивать ветствующая микровыступу на вершине многогранника.

наиболее высокие плотности ионного тока при высокотемпературном полевом испарении.

Множество относительно долгоживущих микровыступов, наблюдаемых на эмиссионной картине десорбционного полевого микроскопа, являются, по-видимому, не стационарными, а приравновесными микровыступами.

Равновесный микровыступ (отвечающий точкам A ) не должен испарять материал. Тем не менее в зависимости от температуры и метериала острия может реализовываться ситуация, когда поле F достаточно велико для того, чтобы полевое испарение включилось в процесс на уровне точки A (или даже на уровне точки A).

Разумеется, состояние взаимной компенсации притока атомов к вершине и оттока от нее (за счет поверхностной диффузии в поле) при этом будет нарушено.

Поток полевого испарения добавится к оттоку, обусловленному P. Острие при этом будет соответственно Рис. 1. Диаграмма зависимости полевого давления PF (отризатупляться. Однако по мере этого затупления разность цательного) на вершине эмиттера от кривизны поверхности K.

(PF-P), которая определяет приток атомов к вершине, Кривые — три значения напряжения U; прямая — давление будет возрастать, а поток полевого испарения — снисил поверхностного натяжения P(K) =K; линия Pev — полевое испарение, уравновешивающее полевой рост. жаться вместе со снижением F. Это будет происходить Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 122 В.Н. Шредник, Д.В. Глазанов, Е.Л. Конторович до тех пор, пока приток атомов к вершине за счет форме эти макронаросты представляют собой усеченные поля не станет равным сумме оттоков, затупляющих конусы или пирамиды. Их высота до сих пор точно выступ: оттока, обусловленного P, и оттока за счет неизвестна. Оценка данной величины составляет одну полевого испарения. Новая точка стабильности будет из задач настоящей работы. Как было отмечено в [6,9], тогда располагаться на кривой PF несколько левее процесс роста макронаростов соответствует медленной точки A (или точки A) и будет отвечать весьма ста- стадии образования яркого кольца из пятен-микровысбильному, хотя и слабому потоку полевого испарения тупов, окаймляющего вершину по ее верхнему краю.

при сохраняющейся (самоподдерживающейся) форме В работах [6,7] наблюдалось так называемое быстрое эмиттера. Именно такую ситуацию мы и характеризуем „схлопывание колец“ при высокотемпературном полекак соответствующую приравновесному микровыступу вом испарении, соответствующее лавинному процессу (точка типа A ) или приравновесной вершине (точка „сужения“ макронароста. Кольца наблюдались в полетипа A). В этом случае флуктуации напряжения и соотвом десорбционном режиме в лучах ионов испаряющеветственно поля F не приводят к лавинообразной гибели гося материала для таких веществ, как Ir, Pt и др. [6,7,10].

микровыступа. Кривизна вершины микровыступа (как Кольца (на самом деле „пунктирные“) состоят из отдельи для точки типа A) следует изменениям F: при росте F ных пятен, соответствующих термополевым микровырастет и K, а при снижении поля снижается и криступам (рис. 2). Кольца обрамляют плотноупакованные визна. При флуктуативном изменении формы эмиттера грани базисного острия. Для Ir и Pt это грани {111} (т. е. изменении K) геометрия поверхности возвращается и {100}.

к точке A или A, как это характерно для точек A и A Флуктуирующие, возникающие и исчезающие микропри отсутствии испарения.

выступы в том случае, когда они локализуются на Для образования термополевых микровыступов в закраю плотноупакованной грани, создают условия для висимости от материала и температуры эмиттера, попослойного роста этой грани, являясь „генераторами“ видимому, существует некоторое пороговое поле F [8].

зарождения нового слоя [11]. По-видимому, нескольких В зависимости от приложенного напряжения и формы отдельных микровыступов на контуре плотноупакованповерхности острия это значение F может быть доной грани еще недостаточно для ее быстрого роста.

стигнуто в одной точке или в малом числе точек на Когда количество микровыступов становится достаточно поверхности. В этом случае мы получим небольшое большим (на изображении они окаймляют всю грань количество микровыступов. В противоположной ситув виде пунктирного кольца), реализуются условия для ации, при достижении F во множестве мест, будет направленного, стабильного послойного роста. Пока наблюдаться множество микровыступов, что отвечает высота макронароста составляет 1–2 моноатомных слоя, изъязвленной эродированной форме поверхности с выполе в области внешнего угла у основания конуса (где ступами или наростами. Очевидно, что первые термокривизна поверхности отрицательна), хотя и начинает полевые микровыступы будут возникать на поверхности понижаться, тем не менее остается достаточно больперестроенного острия в области ребер и вершин, обрашим, чтобы процесс полевого „затягивания“ атомов зованных пересечением кристаллографических граней.

в области роста продолжался. По мере роста поле во Если при этом участки поверхности с наивысшими знавнешнем углу продолжает понижаться и в конечном чениями K испаряют ионы, то множесто микровыступов счете достигает уровня, который существенно ограниможет состоять или из приравновесных выступов (точки чивает приток атомов к вершине за счет понижения типа A ) или же из стационарных (точки типа E) градиента химического потенциала [12]. Видимо, это образований. Это будет зависеть от положения кривой и соответствует ситуации, когда кольцо как бы замирает PF(K) по отношению к линии P и от того, в каком на время от десятков секунд до нескольких минут [6].

именно месте кривой PF(K) будет находиться точка P F, В этой стадии поле на верхнем контуре конуса усилено соответствующая значению F. При движении изображаи способствует активному полевому испарению. В этих ющей точки по кривой PF(K) направо из точки (P F, K ) условиях притока материала для дальнейшего роста уже эта точка, соответствующая растущей форме эмиттера, недостаточно. Приток материала теперь обеспечивается попадает либо в точку типа A (например, на кривой главным образом за счет атомов боковой поверхности PF1), либо (если точки типа A нет) сразу в точку типа E конуса, что приводит к его уменьшению в поперечном (как на кривой PF3).

размере, уменьшению диаметра его основания. Поле на контуре вершины возрастает, что приводит к усиМакронаросты и динамика их роста лению испарения и дальнейшему уменьшению конуса в поперечнике и соответственно увеличению поля на и растворения верхней кромке. В результате развивается лавинообразный процесс испарения макронароста, выражающийся При достаточных температурах и полях на крупных в схлопывании колец на изображении.

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.