Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 8
Глава 1. ЭМИССИОННЫЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙ
СТВА ДВОЙНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ 14
Эмиссионные свойст ва сплавов 14
Фазовый состав двойных сплавов. Взаимосвязь эмиссионных свойств с количественным и фазовым составом сплавов 18
О природе эмитирующей поверхности сплавов. 21
Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА И МЕТОДЫ ИС
СЛЕДОВАНИЙ. 29
2.1. Ионная бомбардировка сплавных эмиттеров 29
Экспериментальный прибор и установка. 29
Методика измерений. 31
2.2. Электронная оже-спектроскопия. 32
Основы метода. 32
Экспериментальная установка для регистрации оже-спектров в анализаторе с задерживающим полем и для определения работы выхода методом Андерсона. 34
Экспериментальные приборы и контрольные измерения 36
Экспериментальные приборы. 36
Контрольные измерения 39
Электронный оже-спектрометр 09-ИОС-10-004. 42 2.2.4.1. Определение коэффициентов элементной чувствительности. 45
Оже-спектрометр с угловым разрешением. 47
2.3. Методический комплекс для количественного анализа поверх
ности. 50
2.3.1. Физический принцип растрового метода измерения
распределения работы выхода по поверхности образца. 50
2.3.2.Экспериментальная установка для анализа от носи-
тельного распределения работы выхода и элементного со
става поверхностей проводящих материалов. 52
2.3.3. Контрольные измерения. 55
2.3.4. Снятие кривых dS/d
в отсутствие растра по поверх
ности мишени.
Разрешающая способность метода и влияние на нее различных факторов. 59
Выбор скорости записи кривых dS/d(p . 62
Методика определения величины изменения рабоїьі выхода мишени. Факторы, влияющие на положение кривой
dS/dtp. 63
2.3.8. О создании шкалы абсолютных значений работы выхода в методе регистрации зависимостей dS/d
Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИОННОГО ОБЛУЧЕНИЯ
НА ЭМИССИОННЫЕ СВОЙСТВА СПЛАВОВ. 68
3.1. Общие положения. 68
Влияние ионной бомбардировки на эмиссионные свойства сплава рения с торием. 69
Влияние ионного облучения на эмиссионные свойства
сплава платины с барием. 77
3.4. Влияние ионной бомбардировки на эмиссионные свойст-
ва сплава палладия с барием. 85
3,5. Обсуждение результатов по ионному облучению сплавов. 92
Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ АДСОРБЦИОННЫХ СИСТЕМ
МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОННОЙ ОЖЕ-СПЕКТРОСКОПИИ. 1(и
4.1. Оже-спектроскопия пленочных аналогов двойных спла
вов. 101
4.1.1. Общие положения. ЮІ
4.1.2. Исследование пленочных систем барий-металл \ Q2
Система барий-вольфрам. IQ2
Пленочная система барий-платина. \qj
Особенности оже-спектра при адсорбции Ва и ВаОнаМо(ПО). ц5
4.1.2.4. Июги исследования пленочных систем ба
рий-металл МеТОДОМ ОЖЄ-СПЄКТрОСКОПИИ. ] [g
4.1.3. Система церий-иридий. 12]
4.2. Анализ адсорбционной системы Ni (110)-c(2*2)-S мето
дом электронной оже-спекгроскопии с угловым разрешени
ем. 125
4.2.1. Общие положения. 125
4.2.2. Экспериментальные угловые зависимости оже-
эмиссии. 126
4.2.3. Основные элементы теоретической модели и срав
нение экспериментальных и теоретических данных. ]2g
4.2.4. Анизотропия эмиссии оже-электронов никеля. [зо
4.2.5. Анизотропия эмиссии оже-электронов серы в
структуре Ni (110)-c(2x2)-S. I32
Глава 5. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОМ ЭОС ФИЗИКО-
ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ПРОИСХОДЯЩИХ НА ПО
ВЕРХНОСТИ ДВОЙНЫХ И ТРОЙНЫХ СПЛАВОВ И МНО
ГОКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМ 141
5.1. Общие положения, относящиеся к исследованиям
двойных и тройных сплавов. 141
5.2. Сплав платина-барий. 142
Исследование изменений состояния поверхности сплавов при термическом активировании. 142
Изменения в оже-спектрах сплавов при осаждении избыточного бария на поверхность. 150
5.2.3. Обсуждение результатов исследования сплавов
платины с барием. 157
Зависимость эмиссионных свойств и характера поверхности сплавов or их состава. 157
Химическое состояние поверхности сплавов. 162
5.2.4. Исследование поверхности сплава платина - ба
рий с использованием комплекса методов ЭОС и рас
тровой методики записи относительного распределения
работы выхода. 167
5.3. Сплав иридий-церий 173
Общие замечания к проведению исследований и обработке результатов. 173
Исследование изменений состояния поверхности сплавов при термическом активировании. 176
Структура и химическое состояние поверхности исследованных сплавов иридий - церий и их связь с
6
фазовым составом, 189
5.3.4. Химическое состояние поверхности сплавов и ею
отражение в оже-спектрах. 196
5.4. Оже-спектроскопия тройных сплавов 1г - Се - Мо и 1г —
Се-Re 197
5.5. Количественная оже-спектроскопия многокомпонент
ных систем. 203
5.5.1. Анализ методики расчета относительных кон
центраций элементов на поверхности многокомпоненшых
систем по данным ЭОС. 203
5.5.2. Количественная оже-спектроскопия участков поверхности сложных металлооксидных систем.
5.5.2.1. Металл оок и дная композиция BaO-SrO-
CaO+Ni+Zr.
Металлооксидная композиция Pd — ВаО — MgO. 214
Поверхностные структуры на металл о пор истых термоэмиттерах, моделирующие сплав платины с барием 219
Глава 6. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
ПОВЕРХНОСТИ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ. 226
6.1. Идентификация алмазоподобных пленок углерода с ис
пользованием комплекса методов ЭОС и растрового эле-
тронно-лучевого метода регистрации относительного рас
пределения работы выхода. 226
6.1.1. Краткий анализ литературных данных. 226
6.1.2. Исследование углеродных пленок на кремнии, по
лученных методом плазмохимического осаждения из га
зовой фазы. 229
6.2. Эмиссионные характеристики покрытий на основе
нанопористого углерода. 233
Краткое описание технологии получения нанопористого углерода и его основные характеристики. 233
Условия эксперимента и активирование эмиттера 235
Исследование характеристик полевой эмиссии нанопористого углерода 238
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 242
ЛИТЕРАТУРА
Введение к работе
Развитие электронной техники, особенно в области мощных и малогабаритных электронных приборов, работающих в диапазоне сверхвысоких частот, а также в области новых устройств отображения информации, вызвало к жизни потребность в поиске, разработке и исследовании новых эффективных эмиссионно-активных материалов, которые удовлетворяли бы целому ряду требований, в том числе весьма противоречивых. В приборах новейшею поколения высокие требования к уровню и стабильности электронной эмиссии в условиях интенсивной ионной и электронной бомбардировки должны сочетаться с жесткими технологическими требованиями, такими как высокая электро- и теплопроводность, формоустойчивост ь, простота механической обработки материалов.
Эмиссионно-активные системы - это широкий класс веществ, поверхность которых после соответствующих внешних воздействий преобразуется таким образом, что создаются стабильные условия для выхода в вакуум как можно большего числа электронов в единицу времени. Такими условиями, как известно, являются: понижение высоты потенциального барьера на границе твердое тело-вакуум (малая работа выхода, нулевое или отрицательное электронное сродство) или обеспечение условий для туннельного перехода электронов твердого тела в вакуум сквозь узкий потенциальный барьер.
В результате интенсивных научно-технологических исследований были соїданьї и апробированы новые эмиссионно-активные системы. В приборах вакуумной СВЧ-элекгроники в качестве термо- и вторичноэлектронных эми п еров нашли широкое применение сплавы благородных металлов со щелочноземельными и редкоземельными металлами. В современных вакуумных устройствах отображения информации перспективными источниками однородной эмиссии электронов с большой площади оказались пленки материалов на основе углерода на основе нанотрубок, нанокласгеров, алмазопо-добных и пористых покрытий. Внедрение новых классов эмиссионно-
активных материалов происходило и происходит столь стремительно, что возникла необходимость широких комплексных исследований их поведения в условиях ионного облучения, термического и полевого активирования; изучения взаимосвязи эмиссионных свойств с составом и с состоянием их поверхности и в конечном счете - выяснения сути физических процессов, лежащих в основе их работы.
Основные физические процессы, происходящие при активировании, т.е. при переходе поверхности в эмиссионно-активное состояние - это диффузия, миграция, испарение и структурные преобразования. Выявление степени влияния каждого из этих процессов на конечное состояние поверхности и основанная на этом выработка рекомендации, направленных на совершенствование технологии изготовления эмиттеров, является одной из главных задач физических исследований в области эмиссионной электроники.
В связи с этим появилась настоятельная необходимость внедрения в практику исследований эмиссионно-активных систем новых методов анализа поверхности. Возникла задача создания методическою комплекса для исследования их поверхности и, как следствие, расширения круга исследуемых термо- и вторично-электронных эмиттеров, как перспективных так и имеющих широкое применение, но по-прежнему не выясненный до конца физический механизм эмиссии электронов.
Таким образом, проведение широкого круга исследований физических процессов на поверхности металлосплавных и других эмиссионно-активных систем с привлечением современных методов анализа поверхности и поиск путей их совершенствования является актуальной научной проблемой.
Целью работы являлся комплексный анализ процессов, происходящих на поверхностях эмиссионно-активных систем при различных внешних воздействиях, установление на этой основе закономерностей их формирования и создание соответствующих физических моделей поверхностей исследованных объектов.
Научная новизна работы определяется следующими впервые полученными результатами:
Выявлены закономерности влияния ионного облучения и термической обработки на работу выхода двойных металлических сплавов рений-торий, платина-барий и палладий-барий. Обнаружен эффект активирования ионным пучком для сплава на основе палладия.
Адаптированы методики электронно-зондовых исследований к анализу поверхности эмиссионно-активных систем. Предложен способ исследования сложных систем путем сопоставления с предварительно изученными пленочными аналогами, апробированный в настоящей работе и примененный к изучению систем платина-барий и иридий-церий.
Модифицирован метод коэффициентов элементной чувствительности для расчета относительных поверхностных концентраций компонентов сложных многоатомных систем. В результате, введение уже на первом шаге итерации поправки на различие числовых агомных плотностей данного элемента и эталона значительно повышает точность результатов.
С использованием разработанных и апробированных методик выявлены закономерности физических процессов на поверхносіи меіаллосплав-ных систем различного состава и их пленочных аналогов. Установлены зависимости работы выхода и характера поверхности этих объектов от их состава и химическое состояние этих поверхностей.
Получены данные об особенностях адсорбции серы - наиболее агрессивного поверхностного загрязнения сплавов. На основе анализа угловых зависимостей выхода оже - электронов показано, что адсорбированные в структуре с(2х2) на поверхности Ni(IlO) атомы серы как источники оже-эмиссии обладают свойством анизотропии: оже-электроны испускаются преимущественно в направлении нормали к поверхности. Адсорбция атомов серы происходит во впадинах плоскости Ni(110).
Усыновлены факторы, влияющие на степень однородности поверхности по элементному составу и эмиссионной способности; выявлен характер эмиссионных центров на поверхности многокомпонентных эмиссионно-активных веществ, таких как металооксидные композиции, металлопорисіьіе системы с поверхностью, модифицированной мощным импульсным потоком электронов.
Выявлены условия формирования алмазной фазы в пленках углерода на кремнии, полученных методом плазмохимического осаждения. С помощью анализа относительного распределения работы выхода по поверхности установлено, что доля алмазной фазы на поверхности возрастает с толщиной углеродной пленки.
Для перспективного материала эмиссионной электроники - нанопо-рисшго углерода установлены закономерности формирования устойчивых характеристик холодной эмиссии и выявлены основные параметры этой эмиссии для углеродных матриц, сформированных из различных карбидов.
Практическая значимость работы определяется тем, что в ней заложены основы современного подхода к решению широкого круга научных и практических задач эмиссионной электроники. Эти задачи связаны, прежде всего, с выявлением взаимосвязи эмиссионных свойств с морфологией поверхности: се элементным составом, химическим состоянием поверхностных атомов, характером распределения эмиссионно-акгивных веществ и поверхностных примесей, снижающих эмиссионную способность.
Весь этот комплекс сведений получен в настоящей работе для эмисси-онно-активных материалов, имеющих большое практическое значение: металлических сплавов, многокомпонентных металлооксидных композиций, углеродных пленок и нового класса холодных эмиттеров па основе нанопо-ристого углерода. Па основе результатов работы выявлены важнейшие параметры, такие, как оптимальное содержание эмиссионно-активных вещесів, степень однородности поверхностей по элементному составу и работе выхо-
да, тип «углеродной матрицы» для получения приемлемого уровня стабильной холодной эмиссии нанопористого углерода.
На защиту выносятся следующие основные положения:
Закономерности преобразования эмитирующей поверхности двойных металлических сплавов рений-торий, платина-барий и палладий-барий при облучении ионами инертных газов и последующей термической обработке в условиях, близких к реально существующим в современных вакуумных приборах и устройствах.
Методический комплекс для количественного анализа поверхности сложных, в том числе многокомпонентных, эмиссионно-активных систем. Методики, включенные в состав комплекса, основанные на известных физических принципах, модифицированы, и при комплексном применении позволяют получить в одинаковых условиях эксперимента широкий спекгр сведений об исследуемой поверхности: количественный элементный состав, характер распределения элементов и эмиссионных параметров (в том числе абсолютных значений работы выхода) на выбранном участке.
Метод анализа физико-химического состояния поверхности сплавных эмиттеров со сложным фазовым составом, основанный на сопоставлении с полученными в одинаковых условиях данными электронной оже-спектроскопии их пленочных аналогов (Ba-W; Ba-Pt; Ва, ВаО-Мо; Се-1г).
Физические механизмы формирования пленок эмиссионно-акгивных компонентов (Ва, Се) на благородных металлах (Pt, Ir) при различных температурах и скоростях осаждения.
Физическая картина формирования эмитирующих поверхностей, адекватно отражающая закономерности процессов, происходящих на поверхностях сплавов Pt-Ba, lr-Ce, Ir-Ce-Mo, Ir-Ce-Re различного со-
сіава при термическом активировании электронной эмиссии и осаждении дополнительного количества активного вещества на поверхность.
Физические модели поверхностей многокомпонентных металл о оксидных систем, сформированные на основе комплексного анализа взаимосвязи эмиссионной способности с количественным элементным сосіа-вом поверхности и ее химическим состоянием.
Способ идентификации ал мазо подобных пленок углерода посредством оже-спектроскопии и анализа относительного распределения работы выхода по поверхности.
Закономерности формирования устойчивых харакіеристик и параметров холодной эмиссии для нового класса эмиссионно-активных маїе-риалов - нанопористого углерода.
