Способ исследования поверхности твердого тела Советский патент 1990 года по МПК G01N23/227 

Изобретение относится к физическим методам исследования поверхностей твердых тел, покрытых адсорбированными пленками.

Цель изобретения - обеспечение возможности определения частоты колебаний адсорбироьанных атомов в диа- пазоне фононного спектра поверхности.

На фиг. 1 приведены связанные ди- аграммы, иллюстрирующие связь характерных точек ЕО, Е, Е энергетического распределения р(Е) ионов десор- бированных атомов с зависимостью энергии отталкивания от расстояния х адсорбированного атома от поверхности и видом колебательной функции

|Ц (х)р, на фиг. 2 - экспериментально измеренное энергетическое распределение р(Е)/То для температуры Т 77. К; на фиг. 3 - рассчитанная зависимость смещения положения максимума Ед энергетического распределения &EQ/T (СО) от частоты сО колебаний адсорбированного атома при Т 600 К- ,на фиг. 4 - экспериментально измеренное энергетическое распределение р(Е)/Т для Т 600 К.

Сущность способа заключается в следующем.

При облучении поверхности с нанесенным на нее адсорбатом электронами с энергией, не меньшей энергии оже05

со

4

Ионизации атомов поверхности, наб- .Гппдается десорбция атомов адсорбата поверхности. Десорбция происходит следствие обменного расталкивания электронных оболочек атомов поверх- юсти и адсорбированного атома; нейт- зализованного оже-злектроном в результате распада вакансии, образо- Данной первичным электроном на внут- 1| еннем уровне атома поверхности твер- feofo тела

Энергетическое распределение р(Е) цесорбированных- атомов адсорбата определяется двумя факторами: энергией Е отталкивания атома от поверхности на расстоянии х

Е(х) А -ехр - (x--Xg)b, (1)

где X о

равновесное расстояние адсорбированного атома от поверхности;

А. и b - параметры, определяющие изменение энергии отталкивания атома от поверхности с увеличением расстояния от нее;

hiio i HocTbio вероятности I (4(х, Т)| - (колебательной волновой функцией нахождения адсорбированного атома на расстоянии X от поверхности в момент начала десорбции при температуре Т„ I В результате этого энергетическое IJHопределение десорбированных атомов вид

«

5

0

5

0

атома (1 0), т.е. f- 1 , можно определить параметры отталкивающего потенциала А и h по примеренным экспериментально характерным точкам энергетического распреде.1ения десорбированных атомов адсорбата: К, Е, Е - соответственно энергии максимума и на полувысоте распределения рСК) (см. фиг. 1),

А Е.ехр(х„.Ь + b2/2ciMj(5)

b 0((1пЕ2/Е„ 1пЕ /Ео)/1пЕ;Е (6)

CL - j raOJ/h ,(7)

где m - масса десорбированного атома. Повыпение температуры вьшю Т приводит к заполнению следующих колебательных состояний i О, причем степень их заполнения f; однозначна связана с частотой колебаний OJ; согласно (4), Изменение заполнения колебательных состояний неизбежно приводит к смегцению максимума колебательной волной функции от X для на величину/ Xg(Q) для i О, причем это смещение тем больше, чем ближе дауг к другу колебательные уровни, т.е. чем меньше частота колебаний, В свою очередьJ это проявляется в сме- цении положения максимума Е распределения р(Е) десорбированных атомов на величину

35

UE./T(tt) .Е /T(G3)

(W) , (8)

Изобретение относится к физическим методам исследования поверхностей твердых тел, покрытых адсорбированными пленками. Цель изобретения - обеспечение возможности определения частоты колебаний адсорбированных атомов в диапазоне фононного спектра поверхности. Для этого измеряют энергетические распределения ионизированных десорбирующихся под действием электронного облучения с энергией, не меньшей энергии оже - ионизации атомов поверхности, атомов адсорбата при температуре Т₀≤77°К и температуре Т, удовлетворяющей условию Т_т2*98Т*98Т₀, где Т_тд - температура начала термодесорбции. По параметрам распределения для температуры Т₀ и аналитическим выражениям строят зависимость смещения максимума распределения от частоты для температуры Т. По распределению для температуры Т определяют величину такого смещения и по построенной зависимости находят частоту колебаний адсорбированных атомов. 4 ил.

р(Е)/Т const-(ф(х,Т)|2. . (2)при нагреве поверхности до любой фикI Плотность вероятности I С|) (х, Т)| Представляет собой сумму по-различ- fibiij колебательньм состояниям i, степень заполнения f|(Т) которых при любой фиксированной температуре однозначно определяется частотой G) ко- tiie65:Hmi5 Tee.

ф(хд)И Sf;(T) ;(x)h (3)

f; (т) ехр(-Ъы;/КТ)/Я ,(4)

где 1 n - постоянная Плднка;

К. - постоянная Больцмана;

S2 статистическая сумма по всем

состояниям.

Вид колебательной функции казкдого 1-го состояния известен

Охлаждая поверхность до Т., цри кг.горой занято только нижнее колеба- .-льное состояние адсорбированного

5

0

5

сированной температуры не превышающей температуру 1. начала термодесорбции адсорбатя с поверхности. С использованием выражений (5)-(7) определяют положение максимума Eg/Т распределения р(Е) и строят зависимость смещения Д1 .р/Т(СО) для температуры Т.

rioBTojiHo измеряя энергетическое распределение р(Е)/Т ионов десорбированных атомов адсорбата при температуре Т, определяют положение максимума этого распределения, находят величину смещения Д. от измеренного ранее положения максиму- температуре Т и по построенной зависимости ЛЕ /ТСсз) находят частоту Q колебаний адсорбированных атомов.

Условие нагрева поверхности до температуры Т :::Ттд связано с тем.

что при температуре Т. меняется механизм десорбции, которая происходит не вследствие обменного отталкивания, а в результате ослабления : хемосорбционной связи,

Ионизация десорбированных атомов необходима для их регистрации и измерения энергетического рапределе- ния,

Пример. Измерения производят в условиях сверхвысокого вакуума () для по/шержания контролируемых условий на поверхности твердого тела, тфедставляющей собой тек- стурированную окисленную вольфрамовую ленту размерами 20х1хо,П1 мм с преимущественным выходом на поверхность грани (100). От посторонних примесей поверхность очищают путем прогрева в вакууме. Адсорбат - литий наносят на поверхность из пря- монакальных испарителей путем ческого разложения хромата лития. Контактным методом поверхность охлаждают до температуры жидкого азота 77 К, при которой доля заполнения ненулевых колебательных состояний линия не превышает 10 . Поверхность с нанесенной субмонослой- ной пленкой лития облучают электро- .нами с энергией 100 эВ, достаточной для оже-ионизации. 25-уровня атома кислорода на поверхности. Плотность тока не превьпчает 10 А/см , что исключает- возможность термодесорбции в результате разогрева поверхности. I

Поток деоорбиру1011р хся частиц с помощью масс-спектрометра сепарируют п массе и заряду. Ионы Лития отклоняются в электрическом поле, не попадая во входную щель энергоанализатора, с помощью которого измеряют энергетическое распределение десорбиро- ванных атомов лития. Поток атомов лития, пройдя входную 1чель время- пролетного энергоанализатора, попада вт на нагретую до 1600 К иридиевую ленту для поверхностной ионизации Абсорбированных атомов лития. Затем ионизированные атомы лития поступают на вход канального умножителя электрЬнов (ВЭУ-6) с коэффициентом усиления 10 и далее на внешнюю систему регистрации, состоящую из пред- усилителя и анализатора (АИ-1024) работающего в режиме счета отдельных импульсов.

0

0

5

После регистрации р(Е)/Тд при Тд 77 К (фиг. 2) определены EQ/T 0,206 мэВ, Е, 0,150 мэВ и Е 0,26 мэВ.Эти данные использованыдля построения зависимости (бЭ) на основе выражений (1)-(7). При зтом А 25,4 эВ и b 3,0 . Зависимость для т 600 К приведена на фи г. 3.

Затем поверхность нагревают до Т 600 К, удовлетворяющей условию и измеряют р(Е)/Т, по ко- тором} определяют положение максиму- 5 ма ЕО/Т 0,170 мэВ (фиг. 4). Величина смещения составляет 0,036 мэВ. По приведенной на фиг.З зависимости определили искомую частоту колебанш атомов лития на окисленном вольфраме (в энергетических единицах) hCO (75±2) мэВ. Фонон- ный спектр окис ченного вольфрама занимает диапазон 60-85 мэВ, т.е. найденная частота попадает в фононный спектр поверхности. Погрешность определения частоты колебаний обусловлена погрешностью определения температуры поверхности.

Формула изобретения

0

Способ исследования поверхности твердого тела, заключающийся в нанесении на поверхность адсорбата, облучении исследуемой поверхности электронами с энергией, не меныией энергии оже-ионизации атомов поверхности, ионизации десорбирующихся атомов адсорбата и измерении параметров образующихся ионов, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности определения частоты колебаний адсорбированных атомов в диапазоне фононного спектра поверхности, перед облучением поверхность с нанесенным на нее адсор- батом охлаждают до температуры Тд 6 77 К, в качестве параметра образующихся ионов десорбир тощихся атомов адсорбата измеряют их энергети0 ческое распределение р(Е)/Тд для температзфы Т, определяют энергии Ед, Е и Е соответственно в максимуме и на полувысоте измеренного рас- на основе энергий Е,„ Е

5

0

5

пределения

о

5

и Е- рассчитывают энергетическое распределение р(Е)/Т для произвольной температуры Т, не превышающей температуру Т-. начала термодесорб- ции атомов адсорбата с поверхности .

1617347

по; этому распределению определяют положение максимума (Ш) этого распределения при температуре Т и частоте сО колебаний адсорбированно го. атома, строят зависимость смеще максимума А ЕО/Т(G3) распределение р(Е)/Т от частоты СО для темпе- patypbi Т, нагревают поверхность с ад Ьорбатом до температуры Т, повто

8

Ряют операции облучения, ионизации и измерения энергетического распределения десорбирующихся атомов адсорбата, находят положение максимума Е,/Т измеренного распределения, определяют смещение Е /т

ЕО/Т, и искомую частоту находят с помощью построенной зависимости йг о/ТССО) .

Фиг. /

То 77К 0 0,206 эВ

,эВ

Фиг. 2

A,ti3B

юо

50Jiu},fi3B

Фиг.д

,{7зВ

0.2.0.3

Фиг4

Е.эВ