Способ определения температурного коэффициента свободной поверхностной энергии Советский патент 1987 года по МПК G01N23/20 

1323930 Изобретение относится к физико- химическому анализу материалов, а именно к способам контроля физико- химических свойств поверхности.

Цель изобретения - определение г температурного коэффициента поверхностной энергии различных кристаллографических плоскостей металлических монокристаллов.

Сущность предлагаемого способа 10 СОСТОИТ в том, что исследуемую по- верхность (hkl) монокристалла последовательно подвергают бомбардировке двумя моноэнергетическими пучками электронов с энергиями Е и Е соответ-5 ственно из интервалов 50, 100 эВ и 400, 500 эВ} и измеряют интенсивности рефлекса зеркального отражения от поверхности и внутреннего слоя. Проведение измерений при двух темпе- 20 ратурах монокристалла позволяет находить величину температурного коэффициента свободной поверхностной энергии d6/dT из выражения

, l6Mfn Е 1 ril(Tj.)/l4T2.)ll

dT f IE EniKT, )7i(T)} T

30

где п - число частиц на единице

поверхности; f - координационное число в

объёме;

д f число недостающих ближайших соседей у частицы на поверхности;

k - постоянная Больцмана; 35 l (T,) и l (Т.) - интенсивности зеркально

I(T)

отраженных пучков от поверхности.

l(T-) - интенсивности зеркально

отраженных пучков от внутреннего слоя монокристалла при температурах Т и Т

Так как для металлических монокристаллов число частиц на единице поверхности грани (hkl) равно числу частиц на единице площади грани (hkl) в объеме, то n 1/(Е а) % где а - параметр решетки; - постоянная. Число недостающих соседей у частицы на поверхности находится из соотноишния й()/2, где f с, координационное число частицы на плоской сетке. Значения f, f .и f зависят от типа кристаллической решетки и ориентации грани монокристалла.

Соотношение (1) получается из определения свободной поверхностной энергии

() (),(2)

где и F - свободная энергия

частицы на поверхности и в объеме.

Для эйнштейновской модели твердого тела при ),

kT .F -3kT e.i-+E,(3)

где w - частота колебаний частицы в объеме;

Е - свободная энергия при на одну частицу.

Из-за отсутствия ближайших соседей сверху частица на поверхности будет иметь иную частоту колебаний по нормали . Величину Р можно рассчитать следующим образом. Колебание частицы внутри монокристалла можно представить как f/2 парциальных линейных колебаний с частотой w, полная свободная энергия которых равна F. Тогда частица на поверхности металла будет иметь 5/2 тангенциальных колебаний с частотой oj и Л парциальных колебаний с частотой U), где fg - координационное число частицы на плоской сетке.

Таким образом.

(fs/f)F+2(4f/f)F. ,

.g/j./j. oj /j-yr. , с4j где F - свободная энергия колебаний, которую имела бы частица внутри металла, если бы ее частота колебаний была равна ш , т.е.

FU-3kT2.. . (4 )

После подстановки (3), (4) и (4 ) в (2), получаем

( -r3kTPn(T)-2(E;-Eo) ,

Из последнего выражения, пренебре-, гая зависимостью , /5f/f от температуры, имеем:

Ei -3k--n - Phf-)2 Г5-) j, jRj n t I, ,)

Отношение ui/w определяется экспериментально через интенсивность дифракционного рефлекса зеркального отражения 1(Е,Т). Так как

-Г/-П г, Г 1би2Е . , .3kT 1 1(Е,Т)ехр (- ----sin),

где V - угол между поверхностью монокристалла и направлением первичного электронного пучка с энергией Е,

то записав выражение интенсивности при двух температурах монокристалла Т и Т. для двух фиксированных зна 2I

чений энергий электронного.пучка Е

и Е, из (5) получаем расчетную формулу (1).

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Прошедший предварительную обработку (полировка, промывка) монокристаллический образец в виде пластинки с размерами 0,5x0,5x0,1 см устанавливают в вакуумной камере (разрежение до ) дифрактомера, где очищенную поверхность монокристалла бомбардируют моноэнергетическим пучком электронов и на флуоресцирующем экране получают дифракционную картину от поверхности. С помощью фоторе- тистрирующего устройства измеряют интенсивность дифракционного рефлекса зеркального отражения при двух фиксированных значениях энергии электронного пучка Е и Е при температурах монокристалла Т. и Т2 и по формуле (1) определяют температурный коэффициент поверхностной энергии. Значение Е выбирают из интервала 50, 100 эВ энергии падающего электронного пучка, так как интенсивность дифракционного рефлекса дает первый .атомный слой из-за малой глубины проникновения электронов. Значение Е выбирают из интервала 1400, 500 эВ, когда основной вклад в интенсивность рефлек- са дают глубинные слои монокристаллического образца.

По формуле (1) находят температурный коэффициент свободной поверхностной энергии, при этом значение пара- метра решётки а берут из справочника.

В таблице приведены экспериментально полученные данные и найденные значения температурного коэффи- циента свободной поверхностной энергии для ряда монокристаллов.

Полученные результаты согласуются литературными данными для поликристаллических металлов РЬ И Ni (см. последний столбец таблицы).

Из таблицы следует, что те пера- турйый коэффициент свободной поверхностной энергии для одного и того же металла изменяется в зависимости от кристаллографической ориентации поверхности. Погрешность, с которой определяется d - /d T предлагаемым способом, менее 10%. Формула изобретения

Способ определения температурного коэффициента свободной поверхностной энергии de/d T, включающий бомбардировку исследуемой поверхности многоэнергетическим пучком электронов в вакууме, отличающий- с я тем, что, с целью определения температурного коэффициента свободной поверхностной энергии различных кристаллографических плоскостей металлических монокристаллов, исследуемую поверхность монокристалла последовательно подвергают бомбардировке двумя моноэнергетическими пучками электронов с энергиями Е и Е соответственно из интервалов 50, 100 эВ и 100, 500 эВ, измеряют интенсивности дифракционного рефлек - са зеркального отражения при двух температурах монокристалла и искомую величину находят из выражения

Е l IlliTil/l (T2)n Е (Т,)/1 (Т)/

где - число на единице поверхности;f - координационное число

в объеме;

/sf - число недостающих ближайших соседей у частиц на поверхности;

1(Т,)

I CT,) - интенсивности зеркально отраженных пучков от поверхности, а 1(Т, ) и iCX) - от внутреннего слоя монокристалла при температурах Т и Т.; k - постоянная Больцмана.

Г

Составитель Е.Сидохин Редактор А.Лежнина. Техред А.Кравчук Корректор И, Муска

Заказ 2957/47 Тираж 776Подписное

ВНИИПИ Государстве;нного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, 4

Изобретение относится к области физико-химического анализа материалов, а точнее к способам контроля свойств поверхностей. Цель изобретения - определение температурного коэффициента поверхностной энергии различных кристаллографических плоскостей монокристаллов. Сущность предложенного способа состоит в том, что на предварительно подготовленную полировкой и травлением ориентированную поверхность монокристалла направляют вначале моноэнергетический пучок электронов с энергией Е 50-100 эВ, благодаря чему дифрагированньй пучок несет информацию о coctoянии поверхности, а затем с энергией Е 400- 500 эВ для получения информации о глубинных слоях. Измерение интенсивности дифрагированных пучков электронов с энергией Е и Е при двух температурах исследуемых монокристаллов (Т и Т ) позволяет рассчитать искомый температурный коэффициент поверхностной энергии . 1 табл. (Л САЭ to СО со со