Способ контроля термоэмиссионного состояния поверхности твердого тела Советский патент 1983 года по МПК G01N13/00 H01J9/42 

( 5) СПОСОБ КОНТРОЛЯ ТЕРМОЭМИССИОННОГО СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для определения эмиссионной неоднородности поверхности твердых тел.

Известен способ контроля эмиссионной однородности твердого тела при высоких температурах, заключающийся в определении работы выхода по отношению к термоэлектронной эмиссии и к поверхностной ионизации трудноионизируемых элементов, для которых е (V-Ч ) kT , где е - элементарный заряд; V - потенциал ионизации элемента; Ч - работа выхода твердого тела; k постоянная Больцйана Т - температура твердого тела. Если твердое тело эмиссионно однородно , то обе работы выхода одинаковы. Если поверхность тела неоднородна, то главный вклад в эффективную термоэлектронную работу выхода р вносят участки с малой работой выхода, а в эмиссию ионов трудноионизируемых

элементов - участки с наибольшей работой выхода, которые определяют величину Ц. Этот способ применяется для определения эмиссионной однородности твердых тел , например граней монокристаллов Ij.

Недостатки способа - невысокая чувствительность, большая длительность измерений и сложность необ,0 ходимой аппаратуры.

Известен способ контроля термоэмиссионного состояния поверхности твердого тела во время происходящих на ней адсорбционных процессов по

)5 изменению со временем величин тока термоэлектронной эмиссии и ионного тока поверхностной ионизации от направляемого к поверхности потока трудноионизируемых частиц 2J.

20 Недостатками способа ягляются малая чувствительность, большая дли. тельность измерений и сложность необходимой для измерений аппаратуры. Вследствие малой эффективности по3верхностной ионизации трудноионизируемых частиц для получения измеримых ионных токов нужно направлять большие потоки частиц к поверхности. Кроме того, метод требует применения сложной и дорогостоящей мас спектрометрической техники измерения ионных токов, так КоК ионный ток от примеси более легкоионизируемых частиц, всегда присутствующих в щелочных металлах, может значительно превосходить измеряемый ток. Настройка масс-спектрометра на линию после изменения знака приложенного напряжения при переходе от измерения термрэл.ектронного тока к току положительных ионов требует зн читального времени, что лишает метод экспрессности, необходимой при изучении быстропротекающих процессов. Це/1ыо изобретения является повышение чувствительности и упрощение контроля. Поставленная цель достигается тем что согласно способу включающему об лумение нагретой поверхности потоко частиц, приложение напряжения между исследуемой поверхностью и колле тором, измерение и сравнение электро ных и ионных токовSизмерение ионного тока осуществляют при приложении импул са напряжения прямоугольной формы, по ледовательно отпирающего и запирающего ионный ток, с амплитудой, обеспечивающей компенсацию контактных полей пятен у поверхности и длительностью, достаточной для образования стационарного покрытия адсорбированными частицами, а в качестве направляемого потока используют легкоионизируемые частицы, и по изменению всплеска ионного тока в момент его отпирания судят об изменениях термоэмиссионного состояния поверхности. В основе способа лежит изменение концентрации легкоионизируемых частиц на исследуемой поверхности при приложении модулированного напряжения с импульсами прямоугольной формы происходящее при постоянном потоке частиц к поверхности, находящейся при постоянной температуре. Увеличение на поверхности концентрации частиц во время действия, запирающего ток положительных ионов импульса напряжения , приводит к всплеску ионного тока при изменении знака напряжения, так как ионный ток пропор13ционален поверхностной концентрации частиц. По соотношениям поверхностной ионизации максимальный всплеск тока n,)(), () где S - площадь поверхности; М - стационарная концентрация частиц на поверхности, достигаемая во время действия запирающего напряжения; , expi olitT; Уде л) - поток частиц к поверхности, а VkT) вероятность испарения этих частиц с поверхности в нейтральном состояе нии; С {- kT - вероятность испарения этих же частиц с поверхности в виде ионов. Подстановка этих величин в (1 дает . Va,-e e;gpW«;..e5., W где cL- степень поверхностной ионизации, которая выражается известной формулой Саха-Ленгмюра, указывающей на сильную зависимость Ы- от работы выхода твердого тела , 1-А Ге( e pL-TrJ/ а величины ее имеют пределы (.5со При появлении на поверхности участ ков с большей, чем исходная, работой выхода oLувеличивается и это в соответствии с (2) приводит к увеличению всплеска ионного тока при его отпирании. Стационарный ионный ток 1 легкоионизируемых элементов нечувствителен к появлению на поверхности пятен с большей работой выхода, так как ID eSl) p.,(4) где Ь - коэффициент поверхностной ионизации, который для легкоионизируемых элементов достигает предельной величины jbTil и не изменяется при увеличении f. Параметры прикладываемого для регистрации всплесков ионного тока импульсного напряжения с импульсами прямоугольной формы должны быть следующими . Продолжительность импульсов Должна быть такой, чтобы за время их действия устанавливались бы стационарные покрытия поверхности ионизируемым веществом. Для нахождения требуемой длительности запирающего ион ный ток импульса нужно постепенно увеличивать длительность импульса , следя за величиной всплеска тока по ле его отпирания. Когда длительность запирающего импульса достаточна для получения , устанавливается всплеск который не изменяется при дальнейшем увеличении длительности импульса. Выбирают длительность импульса, достаточную для получения . Указанная процедура выбора длительности импульса одинакова при всех условиях работы. Она не зависит от материала твердог тела, от его температуры, от вида легкоионизирующихся атомов и от величины их потока к -поверхности. Пр амплитуде прикладываемое напряжение должно быть таким, чтобы при отборе тока на поверхности осуществлялись условия, близкие к компенсации контактных полей пятен ( эт поля/vlO - Ю В/см). Для этого Б обычных диодных системах достаточно чтобы амплитуда импульса была бы нескольких сотен вольт. Пример. Измеряют ток термоэлектронной эмиссии, нагретой до 1000 К, монокристаллической поверхности площадью S ,6 эВ , например (j. Затем направляют на поверх ность поток атомов легкоионизируемы элементов, например Cs , и измеряют ток Q ионов С. Прикладывают импульсное напряжение прямоугольной формы с амплитудой 300 В от генератора импульсов. Увеличивают дли тельность импульсов до тех пор , пок установится постоянный по величине всплеск ионного тока , величина которого будет опорной. Подвергают поверхность обработке например прогреву в течение какоголибо времени. Пусть за это время на поверхности образовалось пятно с большей работой выхода (например грань (,1-1Р) с Ч 5 ,3 Эв площадью 0,001 S). Регистрируют ток термоэлектронной эмиссии со всей поверхности. Он практически остался тем ж Подают импульс напряжения прямоугол ной формы и регистрируют всплеск ио ного тока в момент его отпирания. При том же потоке частиц к поверхности всплеск ионного тока , равный сумме всплесков с обоих участков пятна и остальной поверхности J, увеличился в ,S раза по сравнению с опорным. При контроле Термоэмиссионного со стояния той же поверхности по извест ному способу, используя в качестве направляемого потока частиц той же интенсивности литий , ионный ток также увеличился почти в Ц раза по сравнению с опорным. Однако абсолютные величины измеренных токов для одной и той же поверхности в предлагаемом способе по сравнению с известным в 1G раз больше. Таким образом, предлагаемый способ имеет следующие преимугества: большое повышение чувствительности определений, что дает возможность тестировать поверхности значительно меньшими потоками частиц и тем предотвращать изменение свойств контролируемой поверхности в процессе ее исследования:, возможность анализа поверхностей при гораздо более низких температурах, чем в существу-ои(и.ч способах ( для ионизации трудноЙЬнизируемых элементов требуются 2000 К в то время как легкоионизируемые зпементы ионизируются при Т 800-900 К) что расширяет круг объектов, которые можно обследовать, так как многие твердые тела разрушаются при высоких температурах; повышение экспрессности определений термоэмиссионного состояния поверхности твердого тела. Формула изобретения Способ контроля термоэмиссионного состояния поверхности твердого тела включающий облучение нагретой поверхности потоком частиц, приложение напряжения между исследуемой поверхностью и коллектором, измерение элек- тронного и ионного токов , о т л и чающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и упрощения контроля, измерение ионного тока осуществляют при приложении импульса напряжения прямоугольной формы, последовательно отпирающего и запирающего ионный ток, с амплитудой, обеспечивающей компенсацию контактных полей пятен у поверхности, и длительностью достаточной для образования стационарного покрытия адсорбированными частицами , а в качестве направляемого потока используют легкоионизируемые частицы, и по измене

7 10052138

нию всплеска ионного тока в момент1. Занд5ерг Э. Я., Ионов Н. И.

его отпирания судят об измененияхПоверхностная ионизация М,, Наука,

термоэмиссионного состояния поверх-19б9, с. .

ности.2. Зандберг Э. Я. Тонтегоде А.Я.

Источники информации,5 Юсифов Ф. К. )ГГФ, т.41, S7.c2k2Q

принятые во внимание при экспертизе(прототип),