Эволюция дефектных структур в нанометровом поверхностном слое твердого тела при различных внешних воздействиях

Рассмотрена модель адсорбции кислорода на поверхности BaF₂ в предположении, что он адсорбируется на местах вакансий фтора, образованных электронным пучком. Уменьшение концентрации ионов фтора N_F со временем в приповерхностной области кристалла вследствие электронной бомбардировки определяется соотношением:

N_F (t) = N exp -2б D,

где N - исходная концентрация ионов фтора, б - коэффициент электронно-стимулированной десорбции фтора, D - доза электронного воздействия равная нЧt (н - число электронов, падающих за 1с на 1см² поверхности, t - время экспозиции под электронным пучком). Выражение для скорости изменения концентрации кислорода на поверхности в зоне разрушения dNo/dt имеет вид

где щ - число атомов кислорода, ежесекундно падающих на единичную поверхность; г - вероятность заполнения кислородом вакансий фтора.

Концентрация кислорода определяется соотношением:

Вариация величины парциального давления кислорода и интенсивности электронного облучения поверхности показало, что в двух предельных случаях рост интенсивности оже-пика кислорода определяется либо скоростью электронно-стимулированной десорбции фтора (б), либо скоростью поступления кислорода в зону разрушения (щ).

Основные изменения на спектрах ХПЭЭ наблюдались в области ?Е меньших 20 эВ, что обусловлено различием в формировании электронных структур BaF₂ и BaO.

Обнаружено, что кислород не только активирует процесс деструкции поверхности фтористого бария под действием электронного пучка, но и способствует восстановлению кристаллической структуры поверхности BaF₂, разрушенной электронным пучком.

Обработка кислородом деструктированной поверхности (111) BaF₂, уже не дававшей дифракционных картин, с дозой 100L при температуре 450^оС в течение 10 мин привела к восстановлению картины ДМЭ, чего не удавалось достичь ни перерывом в электронном воздействии с последующим прогревом образца, ни аргонно-ионной бомбардировкой с последующим отжигом.

Определение параметров структуры поверхности полученного соединения методом ДМЭ показало, что в пределах точности метода ДМЭ параметры кристаллической решетки совпадают с таковыми для кристаллов BaF₂.

Соответствующий спектр оже-электронов показал, что на поверхности образуется химическое соединение типа BаO_xF_2-x. Поверхность нового соединения, содержащего фтор и кислород, оказалась более устойчивой по отношению к воздействию электронного пучка по сравнению с исходной поверхностью (111) BaF₂.

Существенное влияние на процесс механического разрушения (скол по плоскости спайности) и электронного воздействия оказывала температура БД. Охлаждение кристаллов ЩГК до температуры жидкого азота существенно улучшало качество поверхности, получаемой раскалыванием образца в вакууме, а также в значительной степени блокировало процесс деструкции поверхности БД под действием электронного пучка. Полученные данные свидетельствуют о том, что механизм механического и радиационного разрушения поверхности БД тесно связан с колебаниями кристаллической решетки. Существенное различие в параметрах взаимодействия электронов с поверхностью БД, содержащих фтор независимо от металлической компоненты, по сравнению с другими представителями БД, указывает на то, что основную роль в деструкции нанометрового поверхностного слоя при электронном воздействии играют нелинейные колебания анионной подрешетки БД.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Нелинейные колебания кристаллической решетки играют главенствующую роль в процессе эволюции структуры нанометрового поверхностного слоя при механическом, термическом, радиационном и адсорбционном воздействиях на твердое тело, что следует из всей совокупности представленных результатов и их сравнения с другими литературными данными.

2. Осуществлены методические разработки в области дифракции медленных электронов:

Предложен новый метод исследования дефектности структуры поверхности кристаллов - метод интегральных картин ДМЭ, заключающийся в периодическом изменении энергии первичного пучка электронов. Разработан оригинальный вариант метода послойного суммирования, предназначенный для определения параметров неупругого взаимодействия электронов с поверхностью кристаллов.

Проведены детальные расчеты влияния геометрического рельефа (гофрировка, ступеньки, трещины, фасетки, антифазные домены), а также электрических полей, возникающих на поверхности диэлектриков, на интенсивность и профили рефлексов картин ДМЭ.

Разработана и реализована оригинальная конструкция низковольтного дифрактометра со сферической симметрией электронно-оптической системы, охватывающей всю полусферу отражения, а также оригинальные конструкции устройств, позволяющие осуществлять различного рода регулируемое механическое воздействие на кристаллы непосредственно в процессе наблюдения картин ДМЭ.

3. Впервые получена детальная картина структурных изменений в нанометровом поверхностном слое кристаллов со слоистой структурой (мусковит) при механическом воздействии в условиях сверхвысокого вакуума:

Обнаружен структурный переход при двухосном растяжении, приводящий к образованию самосогласованных доменных структур с сохранением параметров элементарной ячейки и формированием внутри доменов системы линейных дефектов.

Обнаружен структурный переход при деформации изгиба, связанный с упруго упорядоченной гофрировкой поверхности слюды, сопровождающийся образованием частично обратимых доменных структур в циклах «нагрузка - разгрузка». Выявлена анизотропия этих структурных изменений в зависимости от направления изгиба.

Выявлены различные варианты необратимого изменения структуры на поверхности кристаллов мусковита, подвергнутых различного рода механическому воздействию: удару острием, давлению шариком и др., которые связаны с образованием нерегулярной системы ступенек, микротрещин и появлением упорядоченности в расположении ионов калия на поверхности слюды.

4. Впервые прямым методом детально исследована трансформация структуры поверхности металлических поликристаллов Pt, Mo и W при термическом и адсорбционном воздействиях:

Выявлен характер эволюции исходной зернограничной структуры, связанный с образованием монокристаллической, крупноблочной, фасеточной структур, возникновением периодического рельефа на рекристаллизованной поверхности тугоплавких металлов.

Обнаружено образование монослойных графитовых островков на рекристаллизованной поверхности Pt, а также сверхструктур на поверхности Mo и W, обусловленных кислородом и углеродом в процессе термического воздействия.

5. Установлен характер трансформации структуры рекристаллизованной поверхности металлов при механическом воздействии:

Показано, что при одноосном растяжении на рекристаллизованной поверхности платины происходит образование ступенчатых структур в направлении механической деформации.

Установлен эффект переориентации блочной структуры в направлении легкого скольжения, не совпадающим с направлением механической нагрузки, сопровождающийся потерей периодичности рельефа на поверхности вольфрама.

Показано, что трансформация структуры на поверхности молибдена носит локальный характер и связана с деструкцией крупноблочной структуры в области разрушения.

Обнаружено ориентирующее действие ступенчатой структуры на разупорядоченные монослойные островки графита на поверхности платины. Найдено, что механическое воздействие приводит к разрушению сверхструктур, образуемых кислородом, на поверхности молибдена.

6. Выявлен характер взаимодействия электронов малой и средней энергии с поверхностью бинарных диэлектриков:

В диапазоне энергий 30-2000 эВ прослежена динамика рассеяния электронов поверхностью БД, связанная c переходом от картин ДМЭ к кикучи-картинам.

Определены параметры неупругого взаимодействия электронов в диапазоне энергий 20-100 эВ с поверхностью БД, исходя из энергетической, угловой и температурной зависимости амплитудного коэффициента пропускания ф, на основании чего сделан вывод об определяющей роли электрон-фононного взаимодействия в неупругом рассеянии электронов поверхностью этих кристаллов.

7. Получена картина эволюции атомной и электронной структуры, химического состава поверхностного слоя БД нанометровой толщины под действием электронного пучка в условиях сверхвысокого вакуума:

Найдено, что процесс разрушения поверхности БД при электронном облучении протекает в неупорядоченной форме, носит нелокальный и частично обратимый характер, что обусловлено высокой подвижностью точечных дефектов, образованных электронным пучком.

Показано, что деструкция в 1-2-х верхних атомных слоях под воздействием электронного пучка существенно выше по сравнению с нижележащими слоями.

Выяснено, что в ряду БД скорость нарушения стехиометрического состава поверхностного слоя при электронном облучении определяется галогенной компонентой и максимальна для соединений, содержащим фтор, что обусловлено процессами электронно-стимулированной десорбции.

Обнаружено, что присутствие кислорода существенно увеличивает скорость деструкции поверхности БД при электронном облучении. С другой стороны, кислородное воздействие при повышенной температуре приводит к восстановлению упорядоченной структуры на поверхности БД, разрушенной электронным пучком.

8. Исследованы особенности атомной динамики и ее роль в процессе трансформации поверхности БД:

Установлено, что среднеквадратичная амплитуда тепловых колебаний на поверхности БД в 1,8 раза больше, чем в объеме.

Показано, что температурная зависимость интенсивности картин ДМЭ более чувствительна к структурным нарушениям на поверхности по сравнению с угловым распределением дифракционных максимумов.

Показано, что охлаждение кристаллов БД от комнатной температуры до температуры жидкого азота приводит к блокировке процесса разрушения поверхности БД под действием электронного пучка.

Обнаружено значительное улучшение качества поверхности БД, получаемой при разрушении в вакууме кристаллов БД по плоскости спайности при охлаждении образцов от комнатной температуры до температуры жидкого азота.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Корсуков В.Е., Лукьяненко А.С. и др. Изучение деформации поверхности Ge (111) под действием внешней нагрузки методами ХПЭЭ и ДМЭ // Поверхность.- 1988.- №2.- C. 69-76.

2. Вовси А.И., Страхов Л.П. Влияние кислорода на внутренние напряжения в напыленных пленках CdTe // ФТТ.- 1970.-Т.12.- №.11.- С.3319-3321.

3. K. Mьller, C.C. Chang LEED observations of electric dipoles on mica surfaces // Surf. Sci.- 1968.-V.8.-Р.455-458.

4. Kr.G. Bhattacharyaa Unusal LEED patterns from mica surfaces // Ind. J. of Chem. - 1993.-V. 32A.- P.92-95.

5. R. Gerlach, G. Polanski, H.-G. Rubahn Modification of electric dipole domains on mica by excimer laser irradiation // Surf.Sci.- 1966.-V.352/354.-P.485-489.

6. H.K. Khan and S. Feuerstein LEED studies of the interaction of O₂ with a Mo (100) surface // J. Chem. Phys.- 1969.-V.50. -P.3618-3624.

7. K. Saiki, Y. Sato, K. Ando and A. Koma In-situ observation of defect formation in CaF₂ (111) surfaces induced by low energy electron bombardment // Surf. Sci. - 1987.-V.192.-P.1-10.

8. C.L. Stecker Electron-beam-induced decomposition of CaF₂ surface // J. Appl. Phys. - 1981.-V.52.-P.6921-6927.

9. M.L. Knotek Mechanisms of stimulated desorption from surfaces: in Semicond. And Insul. -1983.-V.5.- P.361-382.

10 Лущик Ч.Б., Лущик А.Ч. Распад электронных возбуждений с образованием дефектов в твердых телах // М. Наука -1989. -263 C.

11. JFR Archilla, J. Cuevas, M.D. Alba et. аll. // Discrete breathers for understanding reconstructive mineral processes at low temperatures // J. Phys. Chem. B.- 2006.-V.107.- P.1-17.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Князев С.А., Зырянов Г.К., Пчелкин А. Спиновая поляризация низкоэнергетических электронов при их взаимодействии с поверхностью твердых тел // Успехи Физических Наук. - 1985. -Т.146.- В.1.-C. 73-101.

2. Князев С.А. Влияние потенциала поверхности на картины ДМЭ от грани (100) KCl // Вестник ЛГУ. - сер. ф-х. - 1972. -№22.-С. 26-30.

3. Зырянов Г.К., Князев С.А., Махнюк В.П. Температурная зависимость интенсивности ДМЭ на грани (100) KBr // ФТТ.-1974.- Т.10.- С. 2866-2867.

4. Зырянов Г.К., Князев С.А. Дифракция медленных электронов от поверхности диэлектриков // Вопросы электроники твердого тела.-1974.- Вып. 5.-C. 28-37.

5. Зырянов Г.К., Князев С.А., Махнюк В.П. Интегральные картины ДМЭ от поверхности кристаллов // ЖТФ.- 1975.-Т.45.- С. 666-668.

6. Князев С.А., Зырянов Г.К. Интегральная интенсивность интегральных картин ДМЭ // Вестник ЛГУ.- сер. ф-х..- 1975.-№22.- С.67-70.

7. Князев С.А., Зырянов Г.К. Определение амплитудного коэффициента ослабления первичной электронной волны по зависимости интенсивности дифракционного пучка от энергии падающих электронов // Вестник ЛГУ. - сер. ф-х.- 1975.-№4.- С.50-52.

8. Зырянов Г.К., Князев С.А. Приборы и методика эксперимента дифракции медленных электронов // Вопросы электроники твердого тела.-1976-Вып.6. -С. 36-60.

9. Князев С.А., Зырянов Г.К. Неупругое взаимодействие медленных электронов с поверхностью щелочно-галоидных кристаллов // ФТТ. -1980. -Т. 22. -С. 1292-1293.

10. Князев С.А., Зырянов Г.К. Температурная зависимость интенсивности картин дифракции медленных электронов от KCl и KBr // ФТТ. - 1980.-Т.22. - С.1554-1555.

11. Князев С.А., Выморков Ю.Б. Металло-стеклянный низковольтный электронный дифрактометр // ПТЭ.-1985.-№3.- С.175-178.

12. Корсуков В.Е., Князев С.А., Лукьяненко А.С., Назаров Р.Р. // Трансформация поверхности Ge (111) во внешнем механическом поле // ФТТ. - 1988.-Т.30. - С. 2380-2386.

13. Князев С.А., Азов К.К., Корсуков В.Е., Назаров Р.Р. Взаимодействие электpонов с повеpхностью (111) BaF₂ // ФТТ.-1989.-Т.31.-В.6- С. 269-271.

14. Азов К.К., Князев С.А. Исследование каpтин ДМЭ от повеpхности (111) BaF₂ // Вестник ЛГУ- сер.ф-х.- 1990. -№2. - С. 78-81.

15. Чмель А.Е., Еронько С.Б., Князев С.А., Лексовская Н.М., Мусатов М.И. Модификация повеpхностного слоя под действием излучения лазеpа с длиной волны 1,06 мкм // Повеpхность.-1992. -В.4. -С. 56-61.

16. Чмель А.Е., Князев С.А., Кондыpев А.М., Таpасова Ю.В. Разpушение и изменение свойств монокpисталлов пpи многокpатном воздействии импульсного лазеpного излучения с длиной волны 1,06 мкм // Физика и химия обpаботки материалов. - 1992.-В. 4. -С. 46-51.

17. Князев С.А., Корсуков В.Е., Обидов Б.А. Влияние двухосного растяжения на каpтины ДМЭ от повеpхности слюды // ФТТ.-1994.-Т.36.-С. 1315-1320.

18. Князев С.А. Взаимодействие кислоpода с повеpхностью (111) BaF₂ // Физика и химия обpаботки материалов. -1994. -В. 4-5.-С. 64-71.

19. S.A. Knyazev. Oxygen interaction with (111) surface of barium fluoride.// 1994 - Proc. 14-th Conf on Surface Science Germany -P.68.

20. Корсуков В.Е., Князев С.А., Лукьяненко А.С., Назаров Р.Р. Зарождение разрушения в поверхностных слоях Ge и Si // ФТТ.-1996.-Т.38.- С.113-122.

21. S.A. Knyazev Role of the surface diffusion in the inelastic interaction of the electron beam with (111) barium fluoride surface // 1996.-Proc. 16-th Conf. on Surface Science, Genova (Italy).-Th MP79.

22. S.A. Knyazev Transformation in the LEED pattern from mica crystal under mechanical tension// 1996.-Proc. 16-th Conf .on Surface Science, Genova (Italy)

23. S.A. Knyazev Energy transformation of Kikuchi electron patterns // 1996.-Proc. 16- th Conf .on Surface Science, Genova (Italy).-Tu AP76.

24. S.A. Knyazev LEED patterns from stressed surfaces // 1996.-ICSOS-5 France.

25. Князев С.А., Корсуков В.Е. Дифракция медленных электронов на гофрированной поверхности // Письма в ЖТФ.-1998. - №13. - С. 64- 69.

26. S.A. Knyazev I.I. Pronin Formation of point defects at the surface studied by medium-energy electron diffraction // 1999. - Proc. 18-th Conf. on Surface Science, Vienna (Austria)-Tu-P-101.

27. S.A. Knyazev Mechanical induced reconstruction of muscovite crystal surface investigated using LEED // 1999. - Proc. 18-th Conf. on Surface Science, Vienna (Austria)-Th-P-093.

28. S.A. Knyazev Transformation of platinum crystal surface due to mechanical stretch // 2000.- Proc. 19-th Conf. on Surface Science, Madrid (Spain)- P.176.

29. Горобей Н.Н., Князев С.А., Корсуков В.Е., Лукьяненко А.С., Обидов Б.А. Самоподобие в структуре рельефа деформируемой поверхности Ge (111) // Письма в ЖТФ. -2002.-Т.28.- В.1.-С. 54-59.

30. Князев С.А., Корсуков В.Е. Трансформация структуры поверхности кристаллов мусковита при деформации изгиба // Письма в ЖТФ- 2004-Т.30. - В.11.- С. 42-47.

31. Князев С.А., Корсуков В.Е. Структурные изменения на поверхности платины под воздействием механического растяжения. // ФТТ.- 2005. -Т.47. - С.133-136.

32. Князев С.А., Корсуков В.Е., Корсукова М.М., Пронин И.И., Ширбаум К.

Трансформация графитовых островков на поверхности рекристаллизованной платиновой фольги под действием механического напряжения // ЖТФ.- 2007.- Т.77. - В.8.- С.140-142.

33. Князев С.А. Трансформация структуры поверхности поликристалллических лент вольфрама при термическом, адсорбционном и механическом воздействиях // Труды учебных заведений связи 2007.-№176. - С.232-235.

Размещено на Allbest.ru