Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Изучение поверхностных явлений при помощи автоэлектронного микроскопа (АЭМ)



Автоэлектронный микроскоп обладает целым рядом характеристик, которые делают его привлекательным инструментом для физико-химических исследований поверхности и происходящих на ней процессов. Это - большое увеличение (105...106), высокое разрешение (20...30 Å), возможность визуального контроля за состоянием поверхности, высокая чувствительность автоэмиссионного тока к величине работы выхода и геометрическим неоднородностям на поверхности.

Даже при простейшей конструкции АЭМ (рис.3.3.1) могут быть получены сведения о физико-химических свойствах поверхности, причем нередко уникальные, не доступные изучению другими методами. В качестве примера можно привести измерения поверхностной энергии металлов при температурах существенно ниже температуры плавления. Такие данные могут быть получены при исследовании явления перестройки острий. При температурах, при которых становится возможным перемещение поверхностных атомов, но которых еще недостаточно для плавления, и при наличии у поверхности сильного электрического поля наблюдается изменение формы острия [23]. На рис.3.7.1 приведены изображения острия из тантала, полученные на различных стадиях перестройки [24]. Видно, что площади, которые занимают плотноупакованные грани (011), обладающие наибольшей работой выхода и, в то же время, наименьшей поверхностной энергией, увеличиваются. Одновременно усиливается эмиссия из области грани (111) вследствие формирования пирамидообразных выступов. Последующий прогрев в отсутствии поля приводит к сглаживанию острия: восстанавливается первоначальная его форма. Наблюдение за скоростями этих процессов в зависимости от температуры и напряженности электрического поля позволяет определить величину поверхностной энергии. Других методов измерения этой величины у материалов в твердом состоянии пока не разработано. К сожалению, круг материалов, для которых могут быть проведены подобные исследования, ограничивается тугоплавкими металлами, в случае которых удается сформировать острия нужной формы.

Наибольшие возможности предоставляет АЭМ для исследования адсорбционных явлений. Наблюдение за автоэмиссионной картиной позволяет достаточно просто и наглядно исследовать механизмы роста адсорбированных пленок. В случае образования трехмерных кристаллитов резко усиливается локальная напряженность электрического поля, что выражается в появлении на экране микроскопа ярких светящихся точек (рис.3.7.2). Наблюдение за областью их локализации, изучение поведения при различных температурах позволяют исследовать энергетические характеристики таких образований.

Привлекательным является использование АЭМ для изучения изменения работы выхода при адсорбции. Небольшое усовершенствование прибора позволяет исследовать это явление на отдельных гранях монокристаллического острия в зависимости от концентрации адсорбированных частиц. Огромным преимуществом метода является возможность проведения исследований на разных гранях в одних и тех же экспериментальных условиях, что позволяет получать сопоставимые друг с другом результаты. Это обычно затруднительно сделать другими методами, в которых возможно изучение образцов только больших размеров. Для этого используется прибор, схематически изображенный на рис.3.7.3. В экране АЭМ делается зондирующее отверстие малого диаметра (~2...3 мм). Размеры отверстия выбираются значительно меньше размеров изображения отдельных граней острия. Острие размещается на подвижном устройстве (могут использоваться сильфонный узел или кардановый подвес), что позволяет выводить в зондирующее отверстие ток с нужного участка острия. За отверстием располагается цилиндр Фарадея. Большой вклад в величину измеряемого тока могут дать вторичные электроны, выбиваемые из экрана прибора. Поскольку в большей части прибора потенциал близок к потенциалу анода-экрана, траектория этих электронов может быть весьма сложной. Особенно это относится к неупругоотраженным и истинно-вторичным электронам, т.е. к тем, которые имеют более низкую энергию, чем первичные автоэлектроны. Возникающие на аноде вторичные электроны способны приблизиться к острию, но войти в него не могут. Их энергия для этого недостаточна. При возвращении на анод часть этих электронов попадает в зондирующее отверстие. Причем величина тока вторичных электронов может превышать ток с грани на порядки. Чтобы избавиться от их влияния, перед коллектором располагают антидинатронную сетку (супрессор). При этом используют то, что вторичные электроны имеют более низкую энергию, чем первичные автоэлектроны. Измеряя зависимость тока от приложенного напряжения и используя уравнение Фаулера-Нордгейма можно определить работу выхода j отдельных участков острия, следить за ее изменением. В качестве примера на рис.3.7.4 приведена серия ВАХ, полученных при адсорбции Ba на грани (011) вольфрама. Такая методика позволяет исследовать зависимости изменения j от концентрации адсорбата на различных гранях острия в совершенно одинаковых, неизменных условиях эксперимента, что позволяет получать сопоставимые результаты.

АЭМ широко используется для изучения поверхностной диффузии. Подавляющее большинство результатов получено именно этим методом. В этом случае адсорбат наносится на острие так, что покрывается только часть поверхности острия. На рис.3.7.5 приведены автоэмиссионные изображения, полученные при диффузии титана по вольфраму [25]. Участок, на котором происходит адсорбция при напылении хорошо виден из-за различия в работах выхода чистой и покрытой адсорбатом поверхностей (рис.3.7.5б). При нагревании подложки адсорбат перемещается вследствие градиента концентрации (в простейшем случае). Измеряя время, необходимое для смещения адслоя на некоторое, заранее выбранное расстояние Dx (например, между расположениями границ адслоя на рис.3.7.5 г и д), можно определить коэффициент диффузии:

(3.7.1)

где Dt - время, необходимое для такого перемещения. Измерения при разных температурах позволяют определить энергию активации поверхностной диффузии Q и постоянную диффузии D0 из соотношения:

Автоэлектронный микроскоп является инструментом, позволяющим исследовать влияние сильных электрических полей на поведение поверхностных атомов: формирование кристаллитов, поверхностная диффузия, энергия связи адатомов с поверхностью и др. На рис.3.7.6 приведены зависимости энергии поверхностной диффузии титана по вольфраму, полученные при наличии сильного электрического поля [26]. При малых концентрациях наблюдается прямолинейная зависимость от напряженности электрического поля, что объясняется наличием у адатомов жесткого, наведенного подложкой, дипольного момента. При больших концентрациях зависимость принимает вид параболы, несколько смещенной относительно нулевого поля. Наряду с уменьшением величины дипольного момента начинает проявляться влияние поляризации атомов внешним электрическим полем.

Наличие сильного электрического поля у поверхности, учесть влияние которого не всегда просто, требует особого внимания при анализе получаемых результатов. В частности, был период, когда к исследованиям j(n) методами АЭМ относились с большим скептицизмом. Считалось, что внешнее поле способно изменить зарядовое состояние адатомов. Поэтому были проведены специальные исследования. Их результаты показали полную идентичность концентрационных зависимостей j, полученных методами КРП и АЭМ [27]. Расхождение данных не превышало погрешности экспериментов. Это позволило заключить, что используемых при автоэмиссии напряженностей поля еще не достаточно для кардинального изменения свойств адсорбционных систем.

Другим препятствием широкому использованию автоэмиссионной методики является сравнительно узкий круг материалов, из которых без специальных усилий могут быть изготовлены острия удовлетворительного качества. Простая технология разработана лишь для тугоплавких металлов (W, Mo, Ta, Re). В остальных случаях изготовление острий по существу требует проведения специальной исследовательской работы, результаты плохо воспроизводимы.

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.