Энергообмен между потоками ионов и поверхностями конструкционных материалов Шкарбан И.И. (1015580), страница 2
Текст из файла (страница 2)
По мере у~)еличения энергии Ео часть падающих ионов (атомов) может проник*ь в глубь поверхности и затем покинуть ее после нескольких взаимодействий с атомами твердого тела. Другая часть этих ионов будет задержана в поверхностных слоях твердого тела, передав ему всю свою энергию. В дальнейшем они могут быть распылены и в этом случае не будут отличаться от атомов, адсорбированных поверхностью (см, п.П).
Доля частиц, отраженных от поверхности, характеризуется коэффициентом отражения частиц ЯГз определяемым соотношением венно, то М,=~ фбЕ; ,л.„ы~„ Ф =7' — ИЕ; л-3 (1.4) (1.5) В процессе энергообмена при взаимодействии опон-поверхность» часто используют коэффициент отражения энергии, определяющий долю отраженной энергии. С учетом (1.4) и (1.5) / Š— 6Е о (И Ял= Š— к 0Е о нЕ Средняя энергия соответствующих частиц будет определяться кзк о ЕŠŠ— иЕ Ел= Л А (1.7) )' Š— ~ ЕЕ Ео= )у Р Ясли поверхность облучается потоком монознергетических частиц с энергией Ео, т.е. Ео— - Ео, то коэффициент отражения энергии 1 ~л птул Е = — )' Š— ~Ж.
Ео о йЕ Я Здесь „~ Š— ФŠ— суммарная энергия всех отраженных частиц. "о ~1Е Ел В личина Я = — характеризует долю энергии, сохраняемои в е Е о среднем одной частицей после взаимодействия с поверхностью. где )тл — количество отраженных частиц при бомбардировке поверхности потоком, содержащим ЛЛ частиц.
Бсли потоки ионов и отражен- Ш йЧ~~ ных частиц иМеют распределение по энергиям и — соответст- Коэффициент отражения энергии и коэффициент отражения частиц могут быть определены экспериментально или расчетным путем. Оба коэффициента связаны с коэффициентом аккомодацни энергии: Ел сслм 1 — Ел, се= 1 — Лу— Е~ (если не учитывать другие механизмы потерь энергии поверхностью). П. Поверхности, подвергающиеся бомбардировке потоками ионов или атомов, всегда взаимодействуют, кроме того, с атомами (молекулами), составляющими атмосферу окружающего пространства.
Такие атомы, обладая малыми (тепловыми) энергиями при взаимодействии с поверхностью, могут задерживаться, образуя на ней слой адсорбированных атомов (адатомов), Часть таких атомов может процессом диффузии проникать в глубь тела и задерживаться там (адатомы)». Процесс проникновения атомов внешней среды в объем твердого тела с задержкой таких атомов в объеме называется процессом адсорбции.) При этом, если атомы окружающего газа и атомы материала не образуют химических соединений (при адсорбцин не протекают химические реакции), то накопление таких адатомов на поверхности называется физической адсорбцией и определяется слабыми ван-дер-ваальсовскими силами. Если же протекают химические реакции и образуются химические соединения, то процесс называется химической адсорбцией, Как правило, такие связи оказываются более прочными, однако возможно и обратное: полученные соединения слабо связаны с остальным материалом и легко испаряются с поверхности, особенно при повышении ее температуры.
Адсорбироввнные атомы, получив при взаимодействии с ионами основного потока энергию, могут оказаться как направленными в глубь тела и застрять в нем, превратившись в адатомы, так и отразиться от нижележащих атомных слоев твердого тели, унося при этом значительную энергию, т.е. окажутся распыленными. Уносимая ими энергия будет !ь!в Е,. Здесь Хв — количество распыленных адатомов; Š— их средняя энергия, определяемая так же, как н для отраженных частиц (см. формулу (1.7)), При низких давлениях в окружающей среде (р — 10 Па), что со- -4 ответствует, например, давлению на высоте 150 км, на поверхности устанавливается моноатомный слой адатомов, состоящий из Х, О, НзО н нехоторого количества атомов Н.
Ф Процесс проиикиовеиив атомов внешней среды в объем твердого тела е звдермкой таких атомов в объеме ввзнвветсл процессом вдсорбции. При нормальных давлениях на поверхности может устанавливаться равновесный слой адсорбата, состоящий из нескольких моноатомных слоев (по некоторым сведениям до десятка) (31 Связь адатомов с поверхностью характеризуется энергией, называемой теплотой адсорбцни: ЬН Дж/моль (эВ/мол) — количество тепла, выделяющегося с поверхности при адсорбции на ней 1 моля адсорбата (соответственно такая энергия должна быть затрачена на десорбцию 1 моля).
В табл. 1 приведены некоторые значения теплоты адсорбции, отнесенные к 1 молекуле (атому, если газ одноатомный), при физической связи, слабой и сильной химической ивязи. Таблица ! Теплота вдсорбции атомов ив различных материалах, двс/моль (зв/мол) Таким образом, энергия связи адатомов с поверхностью относительно невелика по сравнению с энергией связи поверхностных атомов материала. Для металлов, например, эта энергия Еа 25 эВ/атом, Следует отметить, что при осаждении некоторых атомов, например кислорода, образуются молекулы (в данном случае окислы), в которых атомы металла настолько сильно связаны с атомами газа, что они покидают поверхность в виде молекулы (химическое распыление).
Большой энергией связи (сравнимой с Еб металлов) обладают атомы углерода, адсорбированные поверхностью в виде загрязнений. Теплота адсорбции молекул воды (НзО) в большинстве случаев имеет значение на уровне сильной хемадсорбции. Поэтому очистка поверхностей от загрязнений требует длительного нагрева до высохих температур.
При облучении потоками ионов таких загрязненных поверхностей пленка адатомов распыляется и далее в процессе облучения устанавливается равновесное покрытие адсорбатом. Степень покрытия поверхности м = Пвд где и П адмонослоа адмоносдоа число атомов адсорбата, покрывающее единичную поверхность и образующее 1 монослой, 1/смг. Величина н может быть определена из соотношения между потоком адатомов, поступающих из окружающей среды, и потоком атомов (ионов), облучвющих поверхность: с! Пад пад — Клад — ~риал ! (1.10) где л „вЂ” плотность атомов адсорбата, находящихся на поверхности в данный момент времени, 1/м; л,д — плотность потока адатомов, г.- поступающих на единичную поверхность из окружающей среды, 1/м; К вЂ” коэффициент десорбции, характеризует время жизни адатомов на поверхности (при К 0 атомы самостоятельно не десорбируются) и зависит от температуры поверхности и теплоты десорбции, 1/с; /! 5а У, = — коэффициент, характеризующий способность адатомов еламон распыляться при облучении потоком ионов пленки адсорбата толщиПв ной в один монослой.
Здесь Л = —" — коэффициент распыления; /; ! — плотность потока бомбардирующюс ионов, А/и; ееа 1,6. 1О Кл 2, — -19 — заряд электрона. Решение уравнения (1.10) имеет вид -с(к+с ! ад ~ — с<к+ь 1~ вд вв К+ / д или (1.11) Пад ад К~с (1.12) где и — начальная плотность пскрытия поверхности адатомвми. Равновесное значение и, может быть получено при условии т ~ Плотность потока атомов загряжнений, поступающих к поверхности и = пИ Здесь и — плотность атомов газа в окружающем прова странстве л = —,, 1/мг; ФА= 6,023 102 1/кмоль; ес =8,314 ~ "опТ кДж/(кмоль К); р — давление газа, Па; !/= э — средняя скорость атомов газа при температуре Т, м/с; и — молярная масса газа, кг/кмоль.
Так как к поверхности направлена 1/3 молекул (возможно движение по любой из трех осей), то Р/'/А 7!!25 ЕЕ! Коэффициент десорбции К, как уже было сказано, зависит от температуры и может быть принят К = 0,1 при Тп, =300 К. На рис. 2 приведены за- /!-б./6 "Па висимости степени покрытия !/в') м от времени облучения пото- ) зло /сгм -э Аэ ками ионов различной плот- =Ьг 16- 4 а ности при начальном покры- !6 ад / !Оэ "фиг тии у = — = 2,5 и внешнем -э Ламан !О давлении р= 5 10 Па; 5„=2 Т,с (ДЛЯ СРаВНЕНИЯ КОЭффИЦИЕН- 0 З га Эа ЗВ ЗО Ю ты распыления меди и никеля ионами Аг+ с энергией 500 эВ гнс. г соответственно равны 2 и 1). Расчет произведен по формуле (1.11) с учетом (1.13) для различных плотностей тока падающих ионов.
Плотность атомов монослоя принята равной поверхностной плотности атомов самого твердого тела: ла„,н= 2,37 10 1/смг для Си. Из рис. 2 видно, что уже при плотности тока, равной / = 10 А/смгее 1 мА/смг, через 2 с после начала облучения равновесная степень покрытия поверхности адатомами составляет у = 0,02 Доля энергии, уносимой распыляемыми адатомами Е,Е! Е. /Е Е 10 Даже если принять среднюю энергию распыленных адатомов, равной Е = 0,5Ео, что безусловно завышено (вероятное соотношение Ео/Ео- 0,1 при Ео > 102 эВ), то коэффициент Яи при равновесной а степени покрытия у = 0,02 будет равен Ея —— 2 10 . Это означает, что а при такой степени покрытия адатомами вляянием их на энергообмен можно пренебречь. часто принимается, что влиянием поверхностных загрязнений можно пренебречь при условии [5] у,.Я.» 42 -4-.
(1.14) Здесь | — плотность тока ионов, А/сиз; à — коэффициент прилипания (сорбции) молекул (г' <1). Это соотношение получено из соображений, что поток распыленных частиц пленки адатомов существенно превьппает поток адатомов загрязнений, поступающих из объема.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
