Введение к работе
- Актуальность работы. Изучение процессов на поверхности
твердых тел при их-взаимодействии с атомами и молекулами, а также свойств таких поверхностей, важно-и интересно_во многих
областях науки и техники. Это - физика и химик поверхностк~твер- —
дых тел, физическая электроника, гетерогенный катализ, материаловедение, физика металлов и сплавов. В работе плакируется изучить такие важнеіиие поверхностные процессы как адсорбция, десорбция, диффузия атомов между поверхностью и объемом металлов, диссоциация молекул, а также образование поверхностных и объем-'ных химических соединений. В качестве подложек будут использованы тонкие текстурированные ленты из молибдена с гранью (100) на поверхности, а также ленты из (III)-иридия, допусказиие высокотемпературный нагрев при прямом пропускании тока. В качестве адсорбатов будут использованы атомы углерода, кремния и серы, а также молекулы фуллеренов C^q, недавно открытого семейства чисто углеродных молекул, которые вызывают всеобщий интерес. Опыты проводятся в сверхвысоковакуумных условиях в оже-спектро-метре высокого разрешения (лЕ/Е-0,1$) с призменным энергоанализатором, который позволяет регистрировать оже-спектры у сильно нагретых (~2500К) образцов. В результате проведенных опытов будут найдены закономерности, которым подчиняются эти поверхностные процессы, а также установлена их природа, что в"жно при решении многих научных и практических задач.
Цель работы состояла в экспериментальном установленні! закономерностей и в создании физической картины процессов, протекающих при адсорбции атомов углерода, кремния и серы, а также молекул Ggg на поверхности тугоплавких металлов (МоДг ) в широкой области температур и покрытий, начиная от самых ранних стадий адсорбции. Для ее достижения необходимо было решить следующие задачи:
-
Изучить адсорбция, десорбцию, растворение углерода, образование поверхностных и объемных карбидов на поверхности (100) Мо в широкой области температур 300< Т<2200К.
-
Изучить адсорбцию, дрсорбцию. образование п"р-->('сносных и объемных силицидов молибдена при uoihimiiv,!-—w,\:< і,-;<'мчи»
_ 4 -
о поверхность» (10) Mo в широкой области температур 300 <Т <2200К.
-
Изучить взаимодействие серы с поверхностью 100 Ыо: адсорбция, десорбция, образование поверхностных и объемных сульфидов (300< Т< 2000К).
-
Одной из оригинальных задач нашего исследования было сравнение адсорбционно-десорбционных процессов для трех разных по природе адсорбатов: атомов углерода, кремния и серы на одной и той же подложке - грани (100) Мо. Эти опыты должны выявить роль природы адсорбента и адсорбата в исследуемых процессах.
-
Изучить эффекты при совместной адсорбции углерода, кремния и серы на молибден в широкой области температур: 300<Т<2200К.
-
Изучить каталитическую активность (100) Мо с поверхностным углеродом, кремнием и серой с помощью диссоциации молекул CsCi .
-
Изучить адсорбцию, десорбцию и распад молекул С на поверхности граки (III) иридия. Для этого на иридии при 300 К напылить субмоносяойнуш пленку из молекул GgQ и следить за ее трансформацией при нагреве.
-
Изучить адсорбцию молекул C^q на пассивной подложке -двумерной графитовой пленке на грани (III) иридия и исследовать возможность самопроизвольного проникновения отих молекул под пленки (интеркалирование).
Объекты исследования. В качестве подложки мы выбрали тонкие, текотурированные и длинные металлические ленты из молибдена с грань» (100) на поверхности и из иридия с гранью (III), допускающие высокотемпературный нагрев до Т~2200К прямым пропускание:; тока. Эти ленты очищались от примесей по определенной процедуре так, что после нее в СЕерхвыссковакуумкых условиях оже-спектроскопия не обнаруживала никаких примесей на поверхности лент.
В качесие адсорбатов мы выбрали три сорта атомов: углерод, кремний и серу и разработали процедуру их нанесения в срерхвысоковакуумных условиях. Будет изучено взаимодействие этих атомов с гранью (100) Мо. В важной части работы мы изуча-
_ к _
ли взаимодействие молекул C-q с грань;о_ (III/'иридия, недавно
открытого "семейства-чисто углеродных молекул, перспективных для многих научных и практических гшименений.
Научная новизна работы состоит в тем, чїо вперзые з единых экспериментальных условиях, в сверхвысоком вакууме с чри-менекие:.! набора современных методов диагностики поверхности (ЗОС, ТДС, масс-спектромэтрия, диссоциация молекул С,Сі ,ПЦ) изучен комплекс процессов, сопровождавших адсорбцию трех разных адсорбатов ( С , ^ , S ) на одной и той ке поверхности грани (100) Wo и выявлена '"оль з это:.: взаимодействии адсоппол,"> . подложки.
Экспериментально показано наличке иерархии транспортных процессов и твердофазных реакций, протекающих в таких адсорбционных системах и созданы физические картины для ее описания. Впервые указана -ваянеЯшая роль в этой иерархии специфических поверхностных фаз - карбидов, силицидов и сульфидов.
Обнаружены эффекты вытеснения и совместная десорбция при ссзмзстпс* адсорбции атомов С и bi, С к о , Sin S
Впервые с помояью ЭОС наыи изучена адсорбция молек; л \,,,,, на грани (III) иридия при комнатной температуре и трансформация адпленки в широкой области температур Т ^2200 К. Впервыг изучена адсорбция молекул Cgn на пассивной подлош-се - двумерной графитовой пленке на (III) иридия и показано, что молекулы OgQ иктеркалисуют эту пленку.
Практическая значимость работы
-
.Предложен и осуществлен ряд оригинальных конструкционных и методических решений, позволяющих изучать физико-химические процессы на поверхности металлов а физической электронике и при диагностике поверхности.
-
Разработана техника получения и использования прямона-кальных, тонких, узких и длинных металлических ленг, которые удается нагреть до рекордно высоких температур (Ко - iuOQK,v-'~ - 2700К, її- 230СІІ, & - 2600К). При этом поверхности тяких лент однородны по работе выхода: для грани (100) Mo*1!/7- -1,-153:), (I001W «;-, 5.15 эВ, (Ш)1г ^-- Ь,?0 oii, (1010) ЩЧ),юъй.
-
Осуществлена абсолютная калибровка потоков различных
- a -
адсорбатов: C/S('/S, СяС>СбНь, Мг$, Qo, cs*
Л. Развитые в работе представления и методы исследования можно применять при изучении совместной адсорбции, а также при взаимодействии между адсорбированными частицами на поверхности металлов, сплавов.
На зашиту выносятся следующие основные результаты:
I. Если пленку из молекул CgQ (Зт4 ML ), напыленную на иридии при 300К нагреть, то при 800К ока утончается вплоть до монослоя, а адсорбированные молекулы C^q не разрушаются. Развал молекул CgQ на поверхности иридия идет в области более высоких температур 1000 < Т < I200K, а полученный при этом углерод графитизируется при I600K, что следует из графитовой формы оже-спект-ра углерода с энергией 272" эВ, образуя на лицевой стороне ленты пленку графита толщиной около двух мокослоев. При подъеме температур до I800K углерод мигрирует на обратную сторону ленты и делится приблизительно пополам между ее сторонами. При 22Q0K весь углерод десорбируется с иридия.
2.Результаты по взаимодействию молекул Ccq с пассивной подложкой - двумерной графитовой пленкой на (III) иридии ( 1г-С). Если на 1%~ С при 300К напылить толстую пленку (~3 монослся) из молекул CgQ, а затем ее нагреть до 800 К, то наблюдается чрезвычайно интересная ситуация: часть молекул CgQ десорбируется, а другая часть в молекулярном виде в количестве около монослоя самопроизвольно проникает под графитовую пленку (интерка-лирование). Проникший под графитовую пленку углерод очень сильно в ~4 раза экранирует оже-сигнал иридия (подобно трек монослоям графита) и сохраняется под пленкой до рекордно высоких температур: вплоть до Т (2000К. Под пленкой молекулы CgQ, контактируя с иридием, разваливаются в области 1000 <Т ч'І200К, а часть углерода при Т ~1600К мигрирует на противоположную сторону ленты. При I900K весь углерод графитизируется, а при Т=2200К углерод десор^чруется с иридия.
3. Установлено, что при адсорбции на молибдене трех разных по природе адсорбатов углерода, кремния и серы на его поверхности формируются химические соединения с подобными формулами: Mv' , Л1о5Ги MdS , в которых атомы С , St,Sf видимо, зани-
мают одинаковые адсорбционные центры - глубокие ямки иеаду четырьмя поверхностны?ли_атома^и"м6лйбдена"
4. Изучены все стадии процесса науглероживания при адсорб
ции атомов углерода и молекул бензола на нагретой молибденозой
ленте. Науглероживание начинается с образования поверхностного
карбида Мо С . а углерод растворяется и находится в объеме
металла в виде твердого раствора Мо - С . Когда его концентра
ция сравнивается о предельно допустимой,в приповерхностных сло-
' ях ленты формируется объемный карбид МОг С , который распространяется до ее центра. Науглероживание заканчивается форыкрова-
, наем под поверхностным и объемным карбидами двумерной графитовой пленки.
5. Изучены различные химические формы кремния на поверх
ности (100) Мо. При прогреве толстой пленки кремния, напыленной
на (100) Мо при 300 I., до Т=700 К толщина и состав пленки не
изменяются. В области температур 700 <Т<1200 К толщина пленки
уменьшается, и в ней, видимо, образуются объемные силициды. При
1200<СТ <1500 К на поверхности имеется поверхностный силицид
MoSi - При Т>1500 К кремний десорбируется из поверхностного
силицида. Была изучена кинетика термодесорбции кремния и найдены энергии активации десорбции в широкой области позерхностных покрытий 0 <Сд <С I.
6. Изучена в широкой области температур 300<Т<1600К ад
сорбция молекул Нг5 на (100) Мо. При Т>800К молекулы HXS
разрушаются на поверхности металла, водород десорбируется, а
сера образует поверхностный сульфид №oS , стабильный до
Т S(I450K, Изучена кинетика термодесорбции серы из Мо S и пад_ даны в широком интервале поверхностных покрытий 0 <- *5 < і энергии активации десорбции.
При экспозиции нагретой юлибденовой ленты в парах Нг
было обнаружено, что после образования поверхностного сульфида
сера перестает диффундировать внутрь ленты. Если на MoS
напылять серу из вспомогательной молибденовой ленты (нагретой до 2000К в H^S ), то на поверхности образуется один слой дисульфида молибдена MoSz - слоистого соединения с валентно насыщенной поверхностью. При этом эффективность диссоциации мо-
.-8-
лекул ^-5^ уменьчается "' ЗО раз.
7. Установлены аффекты при совместной адсорбции атомов и Si , С иЬ , S/'и S на молибдене: а) так, если на нагретую молибденовую ленту, содержащую поверхностный карбид МоС, напылять атомы Si' , формируется поверхностный силицид f^oSl , а углерод принудительно вытесняется в ыеталл; при нагреве до I800K кремний десорбируется, а углерод выделяется на поверхности, образуя карбид МоС; аналогично/ ведут себя атомы С и S при совместной адсорбции, атомы серы также вытесняют поверхностный углерод в объем метэлла; б) иначе ведут себя атомы
~'* и S ; так, при адсорбции атомов Si' на нагретом Alo , содержащем поверхностный сульфид /MoS , сера не вытесняется в объем металла, а, соединяясь с атомами кремния, уходит с поверхности в виде молекул SiS , а на поверхности формируется силицид MoS/.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитируемой литературы.-Она содернит 152 страниц, в том числе 97 страниц текста, Si рисунок и список литературы на ІЗ листах.
