Научная статья на тему 'Адсорбция углерода на поверхности твердого раствора Ag-0. 5 ат. %Bi'

Адсорбция углерода на поверхности твердого раствора Ag-0. 5 ат. %Bi Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
49
22
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Адсорбция углерода на поверхности твердого раствора Ag-0. 5 ат. %Bi»

АДСОРБЦИЯ УГЛЕРОДА НА ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО РАСТВОРА Ag-0.5 ат.%Bi

Этуев Анзор Владимирович, Подгорный Георгий Константинович

Кабардино-Балкарский Государственный Университет, г. Нальчик

Исследованию адсорбционных свойств поверхности структуры «металлический слой нанометровой толщины - подложка» уделяется большое внимание [1,2]. Свойства молекул адсорбированных на таких структурах отличаются от свойств, наблюдаемых при адсорбции на поверхности массивного образца. Для получения металлического слоя на поверхности подложки можно использовать процесс сегрегации примеси из объема образца. При этом представляет интерес изучение адсорбции углерод-содержащих молекул на поверхности структуры «сегрегационный слой - подложка».

Для проведения исследования был приготовлен образец Ag - 0.5 ат. Вк Исходными материалами служили серебро марки Ср 999,9 и висмут марки Ви ООО. Твердый раствор готовили непосредственным сплавлением компонент (взвешенных с точностью до 0,0002 г.) в запаянной кварцевой ампуле, откачанной до 1,332*10-4 Па. Предварительный вакуум в кварцевой ампуле достигался с помощью цеолитового насоса. Дальнейшая откачка производилась магниторазрядным насосом. Затем кварцевая ампула запаивалась и помещалась в высокотемпературную печь. При температуре 1373 К в течении 5 час проводилось вибрационное перемешивание жидкого раствора. После этого образец Ag-0.5aт.% JBi подвергался гомогенизирующему отжигу в диффузионной печи при температуре 873 К в течение 200 часов. Затем ампула с твердым раствором была охлаждена до комнатной температуры. Из полученного слитка с помощью электроискровой резки вырезался образец заданной геометрической формы. Поверхность образца шлифовали, полировали до зеркального блеска. Для того чтобы удалить деформированный поверхностный слой, который возникает при по-

лировке образца абразивными пастами, использовали химическое растворение этого слоя в водном растворе азотной кислоты по методике описанной в работе [3].

В дальнейшем образец загружался в исследовательскую камеру электронного оже-спектрометра с помощью системы шлюзования. Исследования проводились на сверхвысоковакуумной установке УСУ-4 с анализатором "полусферический дефлектор". Спектры записывались в режиме ДЕ=сош1 Энергия пропускания энергоанализатора 100 эВ. Для генерации оже - электронов использовался электронный пучок диаметром 500 цм, интенсивностью 1 цА и энергии 2200 эВ. Угол падения первичного электронного пучка на образец составлял 450. Установка обеспечивала рабочий вакуум 1*10-9 мм.рт.ст. Использование криопанели обеспечивает более высокий вакуум (~1*10-10 мм.рт.ст.). При исследовании состава поверхности Ag - 0.5 ат.%Bi использовали низкоэнергетические оже-переходы Ag - 356 эВ, Bi - 101 эВ, С - 272 эВ. Спектры записывали в режиме регистрации первой производной энергетического распределения вторичной электронной эмиссии. Количество адсорбированного углерода оценивали путем измерения интенсивности оже-пика углерода в зависимости от времени выдержки образца в сверхвысоковакуумной камере спектрометра. Для получения атомарно-чистой поверхности проводили травление поверхности твердого раствора Ag - 0.5 ат.% В1 ионами аргона (энергия ионного пучка 500 эв, ток пучка 2 мкА,

вакуум

3 • 10"

мм.рт.ст.).

При нагреве образца Ag - 0.5 ат. В1 происходит обогащение поверхности атомами висмута. На рис.1 представлен график зависимости относительной интенсивности оже-сигнала В1 от времени выдержки твердого раствора Ag - 0.5 ат. 1% В1 при температуре 664 К.

40 60

ыин.

100

Рис. 1. Изменение относительной интенсивности оже-пика В1 на поверхности образца Ag - 0.5 ат.% Г В1 от времени

изотермического отжига при температуре 663 К.

Из рисунка видно, что на зависимости относительной интенсивности оже-пика Bi от времени выдержки наблюдаются три области. Первая область (до 10 мин.) соответствует быстрому нарастанию поверхностной концентрации висмута. Во второй области (10-20 мин) наблюдается плавное уменьшение скорости нарастания концентрации со временем. При больших временах изотермической выдержки образца концентрация висмута на поверхности практически не изменяется. Временная зависимость относительной интенсивности оже-пика Bi легко аппроксимируется уравнением вида:

у—а(1—^ (1)

где а — 55,936 - коэффициент определяющий величину насыщения, а Ь — 0,167 - устанавливает скорость увели-

1001

чения концентрации висмута на поверхности. Таким образом, нагрев твердого раствора Ag - 0.5 ат.% В1 до 663 К приводит к увеличению концентрации атомов висмута на поверхности. Затем на сегрегированный слой висмута был осажден углерод из атмосферы остаточного газа спектрометра. Как известно атмосфера остаточного газа сверхвы-

соковакуумной камеры состоит из молекул СО, С02. Облучение поверхности электронами проводилось в течение ~ 10-15 мин. и только для анализа состава поверхности. Следующее измерение состава поверхности делалось через 24 часа. В результате получили зависимость относительной интенсивности оже-пиков серебра, висмута, углерода от времени выдержки в сверхвысоковакуумной камере. Эта зависимость представлена на рис. 2. Следует отметить, что адсорбция углерода проводилась при комнатной температуре.

I -

3 3

к н

о

Рис. 2 Зависимость относительной интенсивности оже-пиков Ag, Вк С от времени выдержки в вакуумной камере оже-

спектрометра. (•- С, _1- В1 *-Ag)

Из рисунка видно, что первые четыре дня скорость адсорбции углерода была низкой. При этом следует учитывать, что происходит наложение оже-пиков углерода (272 эВ) и серебра (262 эВ). Вследствие этого трудно зафиксировать увеличение амплитуды оже-пика угле-рода(272 эВ), пока его амплитуда меньше амплитуды энергетической линии серебра (262 эВ). Для увеличения скорости адсорбции на четвертый день (96 час.) в камеру

спектрометра напустили С02 газ до вакуума 1'10 мм.рт.ст. Выдержали 2 часа, затем откачали камеру спектрометра до сверхвысокого вакуума. На следующий день стал фиксироваться оже-пик углерода (272 эВ). Из графика можно заметить тенденцию увеличения амплитуды оже-пика углерода. Но при этом скорость накопления атомов углерода на поверхности достаточно низкая. Поэтому процедуру напуска С02 газа в рабочую камеру оже-спек-трометра повторили на 8 день (192 час.). При этом скорость адсорбции молекул углекислого газа на поверхности твердого раствора Ag - 0.5ат.%Bi увеличилась приблизительно в 7,5 раза. Таким образом, кратковременный напуск С02 газа в рабочую камеру оже - спектрометра приводит к резкому увеличению скорости адсорбции углерода. Увеличение содержания углерода на поверхности образца приводит к исчезновению оже-ли-ний висмута и серебра. Исходя из этого, можно приблизительно рассчитать толщину адсорбционного слоя по длине свободного пробега оже-электрона серебра. Этот параметр рассчитывали с помощью известного [4] уравнения ТТР-2М.

(2)

где ß = -0,10 + 0,944 • (E2 + EgV'5 + 0,069 • р

0,1

у = 0,191 •р01, C = 1,97 - 0,9 •U,

N п 28 8

D = 53,4-20,8•U, U = , Ep =

A

U0

Äi - длина свободного пробега оже электрона i-ого элемента, Et - энергия оже-электрона элемента, Nv - число валентных электронов, р - плотность вещества, Ai - атомный вес, Eg - ширина запрещенной зоны, ß, у, C, D - коэффициенты. В результате получили значение параметра для серебра ÄAg =0,726 nm, а для висмута ÄBj =0,602 nm.

Следовательно, исчезновение оже-линии серебра свидетельствует о том, что толщина адсорбционного слоя углерода равна 0,726 nm.

Список литературы: P. Jakob, A. Schlapka. Surface Science. 601, 3556 (2007).

F. Voigts, F. Bebensee, S. Dahle, K. Volgmann, W. MausFriedrichs. Surface Science 603, 40 (2009). Коваленко В. С. Металлографические реактивы. М.: Металлургия, 1981. 120с. S. Tanuma, C. J. Powell, D. R. Penn Surface and Interface Analysis, Vol. 21, 165 (1993)

1. 2.

3.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.