Борман В.Д. - Физические основы методов исследования наноструктур и поверхности твердого тела (1040989), страница 4
Текст из файла (страница 4)
В силу ограничсщ1ого объема 1гастоящсй книги в нес вошли ТОЛЬКО ШЕСТЬ ИЗ ПЕРЕв1ИСЛСННЫХ МСТОДОВ, ИС!ГОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ИССЛЕ- дования наноструктур и поверхности: РФЭС, ОЭС, СРМИ, СТМ1СТС, АСМ и ДМЭ. Каждому из данных методов посвящена отдельная глава. Описание ряда других методик можно найти в работах 15-12~. 1.2. Сверхвысокий вакуум Исследование свойсгв и структуры новсрхности требует вьпголнения двух условий. Во-псрвыхт пол чсння атома но-чистой поиг сщ и, о- тора». «попив тости попс «иости в счсние всего экщ1е имсн1а (несколько часов).
Вымол«ение ~б~~~ условий подразумевает содержание на поверхности исследуемого образца в процессе эксперимента мснсс одного монослоя «щсорбированных атомов (адатомов). Моиослой (М1. — п1опо1ауег) — это концентрация адатомов в одном молекулярном (атомном) адсорбированном слое на поверхности. Величина 1 М1. зависит от типа адатомов и структуры поверхности. Каждая поверхность характеризуется собствс1шым значением поверхностной концентрации активных центров адсорбции п„ для атомов (молекул) определенного типа, которос не всегда совпадает со значением поверхнос.пкой кош1С1працпи атомов самой поверхности. Для адатомов Аи на поверхности йаС1(100) величина па СОСтааляет 1111=5к!О' ат~СМ, а дЛя атОМОВ ЗОЛОта На ПОВСрХНОСтн высокоориентированного пиролнтического графита ВОПР(0001) н11=6.7х10 ат./см .
14 19 Для оценки величины поверхностной концентрации атомов рассмотрим кристалл с простой кубической 1эешсткой и межатомным расстоянием а=З А=Зх10' см. Тогда объемная концентрация атомов в таком кристалле составляет 1 1 и„, =, =,,„, =3х10 ат./см', а поверхностная кона 3' х10 "см' 1 1 1% цснтрация и, =, =, „, =1х10 ат./см'. а' 3' х10 "см' Количество адсорбированных атомов на поверхности. выраженное в единицах монослоев, называется си~еланью заиолпення 1иди степенью покрытия) атомами данной поверхности: ~!.1) ио где и„,в — поверхностная концентрация адсорбированных атомов. В случае, когда 0<0<1, концентрация адатомов меньше 1 М1., т.е. адатомы занимают нс все вакантные позиции адсорбции па поверхности (субмонослойное покрытие).
В случае 0>1 количество адсорбированных атомов больше одного монослоя. Однако следует иметь в виду, что в последнем случае адатомы нс обязательно занимают вес вакантные позиции адсорбции на поверхности, а могут объединяться в трехмсрныс островки (кластеры), оставляя часть поверхности свободной '. Доля атомов, адсорбирующихся на поверхности„от общего количества налетающих на поверхность атомов, называется коэффиннетноп нрнтниання: яь и где и = ~г — количество атомов, налетающих на поверхность единичной плогцади за время т прн потоке налетгнощих атомов ~ 1ат.lсм с). Величина С может принимать значения от 0 до 1 и определяется типом адсорбции и способом доставки атомов к поверхности. В зависимости от характера связи адсорбировашюго атома с ~ Данное замечание относится больше пе к адеорбцпи атомов на поверхности, а к начальным стадиям роста тонких пленок при осаждении на поверхноеп* азтзмов.
В тгом случае также принято пользоваться понятием степени заполнения поверхности осажденными атомами. 20 повсрхностыо принято различать физическую и химичсскую адсорбцию. В случас г/шэцческпй пдлэ1юццл (физсорбции) адсорбированный атом (молекула) связывается с повсрхносгным атомом посрсдством сил Ван-дср-Ваальса. Этн связи нс сопровождгнотся элсктронов мсжду подложкой и адатомом и возникгнот вслсдствис взаимодсйствия между мгновенными дипольными моментами адатома и ближайц~их к нсму атомов повсрхности. Налстающий на поверхносзь атом с опрсделенной кинстичсской энсргисй либо расссивастся на повсрхностных атомах„тсряя часть свосй энергии и отражаясь от поверхности, либо тсряст всю свою энсргщо за счст возбуждения поверхностных фононов.
В последнем случае атом нерсходит в состояние равновесия, осциллируя в потснциальной ямс, глубина которой равна энсргии связи. т.е. энсргии адсорбции Ед. Для того чтобы уйти с повсрхности, атом должен прсодолсть потснциальный барьср высотой Гх,. Таким образом, энсргия дссорбции равна энергии адсорбции. Тини шые значения энергии связи газов на поверхности мсталлов составляют порядка О.З эВ и мепсс. В случае .птцчс.сит' ас)сорбцш~, или хемосорбции, мсжду адсорбированным и повсрхпостным атомами происходит частичный или полный обмен элсктронами с образованисм, соответствснно, ковалснтной или ионной химичсской связи.
Диапазон энергий связи при хсмосорбции достаточно велик, от 0.43 эВ для аюта на никеле до 8.4 эВ для кислорода на вольфраме. Доставка атомов или молекул к поверхности, нсобходимая для адсорбпии, можст осущсствляться как в результате соударспия с поверхностью частиц окружающей среды ~газа в тсрмодинамическом равновссии), опрсдсляющегося ес темпсратурой и давлснисм, так и в результате нринудитсльного осаждения атомов на поверхность (поток атомов из внешнего источника). Поскольку в данный момснт нас интересует сстсствепная адсорбпия атомов окружающей срсды на исследуемую поверхность, рассмотрим подробнее первый процссс и найдем связь мсжду потоком атомов у и давлснием и температурой окружающсй атмосферы.
рассмотрим находящийся в термодинамическом равновесии газ, заключенный в объсмс ~Г (напримср, остато шый газ в вакуумной камсре спектромстра) с концентрацией л=ЛЧ~' атУсмз ~Ф вЂ” общсс число атомо~ газа в данном объсмс). Тогда для атомов д~~~ого газа справедливо распрсдслснис Максвелла по скоростям /ф). Всроятность обнаружить атом со скоростью в диапазоне от Р до р +кЫ есть кггг,, Ии'е = ' = ~'(р)кБ.
(1.З1 П гдс йг,. — концснтрация атомов, обладающих скоростью от рдо 1 +И1 . Слсдоватсльпо, ко, = ггк'(Р)Й = ггпу(и)Й'Ж2® . (1.4) Здссь Г(и) = р /(р) — функция распрсдслсния атомов газа но модулю скорости. Из вссх атомов газа, имсющих скорости, лсжащис в данном диапазоне значсний, выдслим тс атомы, которыс движутся в пределах тслссного угла кгй = яп Йгй!д (см. рис 1.1). Концсн- трация таких атомов составляет Ий„, 1 Йг,, „= Ьг, ' = — ггр ф)кЬ япййЫ(гг. (1.5) 4гг 4гг Рвс. !.1. Иллюстрация к расчету висла соударений част$3ц Газа се сгсвкОЙ сесула Выдслиы в сосуде элемснтарный элсмснт повсрхности стенки Л5. Число ударов об эту повсрхность атомов газа.
обладающих скоростями в диапазо«с значсний от т до ~+А' и движуньнхся в нанравлснии телесного угла Л2 „за интервал времени Лг равно количсству таких атомов, заключснных в ооъсме Л1' косого цилиндра с площадью основания Л5' и высотой рЛг сов д: с/к,,„р = йтм!„,ЛГ = с1л„„АКъМсовО = 1 1 1 к = ЛЬЕ. 22г †. и = — Л5Лл21! . 11.8) 4л' 2 4 Тогда поток атомов у [ат./см с1з т.с. число атомов, ударяющихся о поверхность сдиничной площади в единицу врсмсии, ссть к 1 у = = — л1!. (1.9) Л5Лг 4 Значснис средней скорости атомов газа, имеющих максвслловскос распрсделспие по скоростям, составляет: (1.10) Гдс л! — масса атома. 11сиальзуя уравнснис состояния идсальпага газа р=лАТ, 11.11) 23 1 11.б) ЫЬгли!' ~Язв! ъ1 и О сов й1 Иср.
4л' Для того чтобы найти общсс числа ударов вссх атомов об участок поверхности площадью Л5 за время Л(, нсабходимо иросуммиро- ВатЬ ВЕЛИЧИНУ Г(Кк„о ПО ТЕЛЕСНОМУ УГЛУ 22Г 1атВСЧаЮЩСМУ ПЗМСНЕ- нпям д ат О до я~2 и измснсниям 1!! от 0 до 2я) и иа скоростям в прсдслах от О до максимальной скорости, которой могут обладать атомы в данных условиях 1„„,; 1 2ю л!'2 з о к =1 г!кбн = — ьблгзг1г!р 1 азндсоашгг 1 с рта~!!с. (!.7! а а 6 Интегрирование по углу р дает 2я, интеграл по О равсп к!2 1 яп О сов ЫО = яп Ы яп О = —, а интсграл по скорости предл О 2 ставляст собой ио опрсделеигио значснис средней скорости атомов и газа б = 1 ззЕГз !г!с.
Таа ззз образом, аомнзсстао соунарсззззй а оззоа газа со стопкой сосуда площадью Ь5 за интсрвал врсмсни Лг составляет: гдс г! — постоянная Ьольцмагга, выразим коггпснтрацию атомов и че- рсз сго давлснис р и температуру Т и подставим в выражение (1.9) для потокау: 1 р / = — ггг3 = — — у. (1.12) 4 4АТ Подо гавляя выражение для средней скорости (1.10) в (1.12) получа- (1.13) 02 Г Для упрощения количсственных расчстов привсдсм выражение (1.13) в виде у =3.51х10 ,~МТ ' (1.
14) гдс поток выражсн в сдиницах атомов на квадратный са3п.имстр в секунду Ц.=см с, давлснис — в миллиметрах ртутного столба (р)=-мм рт.ст.=-Торр (1 мм рт. ст. = 1 Торр = 133.33 Па), тсмпсратура — в градусах Ксльвнна Я=К, а масса М вЂ” в атомных единицах масс (М1=а.с,ы. (1 а.с.м. = 1.ббх10 "г). Оцспим поток г молскул кислорода (М=32) при комнатной тсмпературе (Т=300 К) и атмосферном давлении (р=760 мм рт. сг.): 1'=3.51~10"' ам с' =2.7х102'ам с'. 32 300 При таком потокс оценим время т сгглощного заполнения повсрхности атомами кислорода (гав!). считая, что козффициснт прнлипан33я С=1, дссорбция с повсрхггосггг отсутствует„а поверхностная концентрация активных центров адсорбции п11=5х10" см . Концснтрация адсорбировашпях атомов п0, =йг0 =С~г, (1.15) йг0 1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
