WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 6 02;10;11;12 Морфология поверхности пиролитического графита, облученного атомами водорода 2 © З. Вакар,1 Е.А. Денисов,2 Т.Н. Компаниец,2 И.В. Макаренко,1 В.А. Марущак,1 А.Н. Титков 1 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия 2 Санкт-Петербургский государственный университет, 198904 Санкт-Петербург, Россия e-mail: kompan@paloma.spbu.ru (Поcтупило в Редакцию 16 августа 2000 г.) Взаимодействие атомарного водорода с пиролитическим графитом исследовано методами термодесорбционной спектроскопии, атомно-силовой и сканирующей туннельной микроскопии. Первоначально гладкая поверхность графита после экспозиции в атомарном водороде превращается в бугристую с перепадом высот до нескольких нанометров. После прогрева образцов, приводящего к удалению из них водорода, поверхность сглаживается и на ней выявляются ямки травления глубиной в монослой. При многократном повторении цикла сорбция–десорбция происходят рост линейных размеров и увеличение глубины ямок травления.

Введение вероятным местом локализации водорода являются приповерхностные слои графита.

Задачей настоящей работы было дальнейшее исслеУдачное сочетание ряда физических характеристик дование процесса сорбции атомарного водорода и его графита, таких как малый атомный номер, высокие теппоследующего выделения при нагреве образцов. Очелопроводность, теплоемкость и температура сублимации видно, что процессы сорбции водорода и образования делает перспективным его использование в качестве углеводородов должны приводить к изменению морфозащитного покрытия первой стенки и дивертора термологии поверхности графита. Можно ожидать, что испольядерных реакторов типа токамак. В процессе эксплуатазование методов атомно-силовой (АСМ) и сканирующей ции реактора графитовым поверхностям приходится протуннельной (СТМ) микроскопии в сочетании с методом тивостоять интенсивным воздействиям потоков атомов, термодесорбционной спектрометрии (ТДС) позволит поионов и молекул водорода, приводящим к деградации лучить полезную информацию о местах локализации защитных графитовых тайлов.

водорода и морфологии графитовых поверхностей.

Характер взаимодействия водорода с графитом зависит от того, в каком состоянии (ионном, атомарном или молекулярном) водород попадает на поверхность Подготовка образцов графита. Так, молекулярный водород взаимодействует с и экспериментальные методы поверхностью графита только при высоких температурах и под воздействием катализатора [1–3]. Облучение гра- В качестве объекта исследования в данной работе фита ионами водорода приводит к образованию углеводо- был выбран квазимонокристаллический пиролитический родов и накоплению водорода на поверхности и в объеме графит, обладающий обширными планарными участками образца [2,4,5]. При бомбардировке ионами H+ вблизи поверхности, необходимыми для уверенного наблюдения поверхности образуется слой, насыщенный водородом до морфологических изменений методами АСМ и СТМ.

концентрации порядка 0.4 atH/atC [5]. Взаимодействие Полоску пиролитического графита размерами 1 40 mm графита с нейтральными атомами водорода исследовано и толщиной порядка 0.15 mm выкалывали из объемного существенно слабее. Часть водорода (обычно малая) образца, т. е. удаляли ее верхние нарушенные слои с принимает участие в образовании летучих углеводород- помощью липкой ленты и помещали в высоковакуумую ных соединений, а остальной водород сорбируется на камеру. Поверхность образцов была параллельна базоили под поверхностью. При нагреве образца сорбиро- вой плоскости графита. Подготовка образцов к экспеванный водород покидает образец преимущественно в рименту, подробно описанная в работе [8], включала виде молекул H2 [2]. Часть авторов без достаточных в себя обезгаживание путем длительного прогрева в оснований считает, что этот водород адсорбирован на высоком вакууме. Регистрация изображений различных поверхности [2], в то время как в некоторых работах участков поверхности до и после прогрева методами рассматривается и возможность того, что он находится АСМ и СТМ позволяет сделать вывод о том, что высоков объеме образца [6,7]. Проведенные в работе [8] температурный прогрев образцов в вакууме не изменяет исследования кинетики выделения водорода из техничес- морфологию их поверхности.

кого и пиролитического графита после облучения его Камера с образцом могла подсоединяться к масспотоком атомов H0 позволили предположить, что более спектрометру и к системе напуска очищенного водорода.

134 З. Вакар, Е.А. Денисов, Т.Н. Компаниец, И.В. Макаренко, В.А. Марущак, А.Н. Титков После обезгаживания образец охлаждался до комнат- больших полях сканирования в АСМ и регистрировалась ной температуры и в камеру напускали молекулярный атомная структура в СТМ. Длительная экспозиция водород до давлений порядка 10-2 Torr. Диссоциация образцов в камере с молекулярным водородом (атомизатор холодный) не приводит к абсорбции водорода молекул водорода на нейтральные атомы происходила на атомизаторе — тонкой вольфрамовой проволоке, нагре- графитом [3,8], соответственно не наблюдалось никаких изменений и морфологии поверхности графита.

той до 2500C. Атомизатор был расположен параллельно В отличие от молекулярного водорода атомарный изучаемой поверхности образца на расстоянии 5-8 mm.

водород интенсивно сорбируется пиролитическим граПоток атомов водорода на поверхность образца в наших фитом [3,8]. Повышение температуры образца после опытах составлял величину 5 · 1013 H0/cm2s [8].

экспозиции его в потоке атомов водорода приводило Для определения количества водорода, поглощенного к выделению больших количеств H2 с незначительной образцом, и исследования кинетики абсорбционно-де(меньше процента) примесью легких углеводородных сорбционных процессов применялся метод ТДС. К насмолекул. На рис. 1 приведено количество десорбиротоящему времени метод ТДС хорошо разработан в разванного водорода (в пересчете на 1 cm2 поверхности) личных своих модификациях и является одним из наив зависимости от дозы облучения атомами H0. Под более широко применяемых при исследовании кинетики дозой облучения здесь и далее мы будем понимать прои энергетики процессов взаимодействия газов с твердым изведение величины потока атомов, падающих на 1 cmтелом [9]. При повышении температуры образца после поверхности, на время экспозиции образца в этом потоке.

экспозиции его в потоке атомов водорода сорбированный Обращает на себя внимание тот факт, что эффективность газ (или часть его) покидает образец. В результате захвата атомов водорода поверхностью графита (отнопроисходит повышение давления в вакуумной системе, шение числа атомов, упавших на поверхность, к числу которое регистрируется секторным магнитным массатомов оставшихся в образце) не превышает 3-4% даже спектрометром. Измеряя изменения парциального давледля начальной стадии процесса сорбции. С ростом дозы ния в процессе нагрева образца, легко найти при изэффективность захвата уменьшалась и количество сорбивестной скорости откачки количество десорбированного рованного водорода имело явно выраженную тенденцию водорода [10]. В ряде случаев были проведены также к насыщениюпри дозах порядка 2-4 · 1017 H0/cm2.

исследования кинетики процесса выделения водорода из Подробный анализ кривых кинетики термодесорбции образца с тем, чтобы убедиться, что на исследуемых проведен в работе [8]. Ниже мы лишь кратко остаобразцах наблюдаются все характерные черты этого проновимся на основных результатах, существенных для цесса, описанные в работе [8]. В наших экспериментах данной работы. Зависимости скорости десорбции водобыл использован метод линейного по времени нагрева рода (H2) от времени при линейном нагреве образца образца, при котором температура образца, повышаетсо скоростью 25C/s после экспозиции его в атомарном ся от некоторой начальной температуры T0 по закону водороде имеют два ярко выраженных максимума при T = T0 + t, где — скорость нагрева, изменение температурах порядка 850 и 1250C [8]. Температуры, которой позволяет достаточно просто оценить энергию соответствующие максимальным скоростям десорбции, активации десорбции (см., например, [11]).

при постоянной скорости нагрева не зависели от колиМорфология поверхности регистрировалась атомночества сорбированного водорода, что характерно для десиловым микроскопом P4-SPM-MDT (г. Зеленоград), расорбционной кинетики первого порядка. Первый порядок ботающим в контактной моде, и сканирующим туннельным микроскопом оригинальной конструкции, обеспечивающим атомное разрешение при изучении поверхности графитовых слоев [12]. Туннельные острия для СТМ исследований получали перетравливанием вольфрамовой проволоки в 2M растворе NaOH с последующей их очисткой электронной бомбардировкой в вакууме. Величина туннельного тока при сканировании выбиралась в интервале 0.1-5 nA по минимуму шумов. Образцы для исследования морфологии поверхности подготавливались так же, как для исследования кинетики выделения водорода, затем вынимались из вакуумной установки и исследования зондовыми методами проводились при атмосферных условиях.

Экспериментальные результаты Исходная поверхность образцов была образована больРис. 1. Зависимость количества атомов H0, десорбирующихся шими участками атомно-гладких плоскостей. На пос 1 cm2 поверхности пиролитического графита, от дозы облуверхности хорошо различались атомные ступени при чения.

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. Морфология поверхности пиролитического графита, облученного атомами водорода что атомы водорода уже в процессе сорбции попадают в объем образца и оказываются как бы ”запертыми” между графитовыми слоями, т. е. происходит процесс интеркаляции.

Для исследований морфологии поверхности были подготовлены образцы с экспозицией в потоке атомов водорода в течение 2.5, 30, 60 и 125 min при температуре образца 50-70C (с последующей термодесорбцией или без нее), а также образцы, для которых цикл экспозиция–термодесорбция был повторен несколько раз. Количество атомов водорода, достигших Рис. 2. Кривые кинетики термодесорбции водорода с графита, поверхности образцов (доза облучения атомами H0), полученные после сорбции атомов H0 при остановке нагрева изменялась в пределах от 7.5 · 1015 H0/cm2 (2.5 min) образца при температурах 1200 (1), 88 (2), 820 (3), 750C (4).

до 3.75 · 1017 H0/cm2 (125 min), что, согласно рис. 1, Скорость нагрева 25C/s.

соответствовало концентрации водорода в образце от 2.2 · 1014 до 4.3 · 1014 H/cm2. После экспозиции в атомарном водороде (но до термодесорбции) исходно гладкие поверхности образцов, обращенные к атомизатору, превращались в бугристые, с перепадами высот от вершин до основания бугров в несколько нанометров (рис. 4, 5). Для экспонированных в водороде поверхностей характерно увеличение шумов сканирования по сравнению с исходной поверхностью. Из приведенных рисунков можно также заключить, что увеличение времени экспозиции уменьшает средние латеральные размеры бугров и увеличивает их количество. В то же время обратная сторона этих образцов, на которую не попадали атомы водорода, не претерпевала никаких изменений.

После термодесорбции водорода шумы сканирования резко уменьшались, поверхность образцов сглаживалась и вновь появлялась возможность регистрировать на ней Рис. 3. Кинетика термодесорбции водорода. Остановка лимелкий, вплоть до атомной структуры, рельеф. Зондовые нейного нагрева при температурах 880 (1) и 1030C (2) с методики без труда выявляют на такой поверхности больпоследующим продолжением нагрева до 1200C (3). Скорость шое число ямок глубиной около 3 (рис. 6) (расстояние нагрева 25C/s.

между графитовыми слоями порядка 3.35 ). Плотность распределения ямок по поверхности была весьма неоднородна, от нескольких десятков на 1 µm2 до полного их отсутствия и произвольным образом изменялась при десорбции кинетики означает, что процесс образования молекул H2 из атомов не является лимитирующей ста- движении зонда вдоль и поперек образца. С увеличедией процесса выделения водорода. Характерной особен- нием экспозиции образцов в потоке атомов водорода ностью процесса выделения водорода из графита было быстрое (за 20-30 s) уменьшение скорости десорбции почти до нуля при остановке нагрева образца (рис. 2).

Следует отметить, что выделение водорода из образца прекращалось, несмотря на то что в образце оставалось еще значительное количество водорода, который выделялся из образца при дальнейшем подъеме температуры (рис. 3). Анализ всей совокупности экспериментальных данных, выполненный в работе [8], показал, что для описания кинетики адсорбционно-десорбционных процессов в системе атомарных водород–графит необходимо ввести два типа ловушек в объеме графита, захват на которые сопровождается диффузией. Однако сделать какие-либо определенные заключения о физической природе центров захвата, равно как и о локализации захваченного водорода на основе только кинетических измерений, Рис. 4. АСМ изображение поверхности графита (11 µm) попрактически невозможно. Можно сделать лишь некото- сле окончания процесса обезгаживания, но до взаимодействия рые предположения, одним из которых может быть то, с атомарным водородом. Перепад высот 0.8 nm.

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 136 З. Вакар, Е.А. Денисов, Т.Н. Компаниец, И.В. Макаренко, В.А. Марущак, А.Н. Титков Рис. 6. АСМ изображение поверхности графита (1 1 µm) после 30 min экспозиции в потоке атомов водорода и последующей термодесорбции. Перепад высот 0.5 nm.

Рис. 7. АСМ изображение поверхности графита (0.33 0.33 µm) после 6 циклов 30 min экспозиции в атомарном водороде — термодесорбция. Перепад высот 1.6 nm.

или при многократном повторении циклов сорбция– термодесорбция происходит рост латеральных размеров ямок, приводящий к их частичному слиянию. Одновременно на дне больших ямок наблюдается появление и развитие последующих ямок также моноатомной глубины (рис. 7). На обратной стороне образцов даже при многократном повторении циклов сорбция–десорбция ямки не образуются.

Интересно отметить, что при длительном, измеряемом неделями, хранении экспонированных образцов в атмосферных условиях наблюдалось уменьшение шумов сканирования и сглаживание рельефа, аналогичное наблюдаемому после термодесорбции.

Обсуждение результатов Изучение морфологии поверхности показывает, что Рис. 5. АСМ изображения поверхности графита (1 1 µm) после сорбции атомарного водорода. Доза облучения атома- экспозиция графита в водороде приводит к двум эффекми, H0/cm2 (перепад высот, nm): a —7.5 · 1015, (2.76); b — там: возникновению бугров на его поверхности, исчеза8.9 · 1016, (4.1); c —1.78 · 1017, (3.4); d —3.75 · 1017, (5.5) nm.

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.