Научная статья на тему 'Гетерогенная хемилюминесценция виллемита, возбуждаемая потоками атомарного водорода различной плотности'

Гетерогенная хемилюминесценция виллемита, возбуждаемая потоками атомарного водорода различной плотности Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
159
15
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Гранкин Виктор Павлович, Волощук Сергей Алексеевич, Алешин Сергей Викторович

Рассмотрены механизмы хемоэлектронного возбуждения кристаллофосфоров. Разработана стадийная и математическая модель гетерогенной хемилюминесценции (ГХЛ) для кристаллов, возбуждаемых по диффузионному и ударному механизмам рекомбинации. Экспериментально изучены механизмы взаимодействия атомных частиц из газовой фазы с поверхностью виллемита для различных плотностей потоков. Проведен анализ и сопоставление полученных экспериментальных результатов с теоретическими моделями.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Гранкин Виктор Павлович, Волощук Сергей Алексеевич, Алешин Сергей Викторович

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

Текст научной работы на тему «Гетерогенная хемилюминесценция виллемита, возбуждаемая потоками атомарного водорода различной плотности»

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ

2004 р.

Вип.№14

Ф13ИКО-МАТЕМАТИЧН1 НАУКИ

УДК 621.3.032.96

Гранкин В.П.1, Волощук С.А.2, Алешин С.В.

з

ГЕТЕРОГЕННАЯ ХЕМИЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ ВИЛЛЕМИТА, ВОЗБУЖДАЕМАЯ ПОТОКАМИ АТОМАРНОГО ВОДОРОДА РАЗЛИЧНОЙ ПЛОТНОСТИ

Рассмотрены механизмы хемоэлектронного возбуждения кристаллофосфоров. Разработана стадийная и математическая модель гетерогенной хемилюминес-ценции (ГХЛ) для кристаллов, возбуждаемых по диффузионному и ударному механизмам рекомбинации. Экспериментально изучены механизмы взаимодействия атомных частиц из газовой фазы с поверхностью виллемита для различных плотностей потоков. Проведен анализ и сопоставление полученных экспериментальных результатов с теоретическими моделями.

Граница раздела твердое тело - газ представляет исключительную важность вследствие роли, играющей в фундаментальных исследованиях и технологии - особенно в микроэлектронике и промышленном катализе. Получить информацию о механизмах реакций происходящих на границе раздела фаз представляется важным для развития дальнейших представлений о РРЛ и для выбора образца безынерционного хемилюминесцентного (ХЛ) сенсора, работа котрого основана на явлении люминесценции [1,2].

Физико-химические реакции и электронное возбуждение поверхности Гетерогенные химические реакции (адсорбция, рекомбинация атомов в молекулы, другие каталитические реакции) могут являться источниками энергии для электронного возбуждения поверхности твердого тела, находящегося в контакте с газовой средой, и сопровождаются в ряде случаев энерговыделением в несколько эВ на локальный акт. Сильноэкзотермическими реакциями являются реакции адсорбции и рекомбинации атомов водорода и кислорода, протекающими на поверхности оксидов, сульфидов и других твердых тел. Выделяющаяся энергия, первоначально сосредоточенная на вновь образованной связи, приводит к неравновесному локальному колебательному возбуждению продукта реакции [1]. Аккомодация энергии колебательного возбуждения на поверхности может идти по электронному каналу.

Радикалорекомбинационная люминесценция (РРЛ)

Люминесценция твердого тела возможна за счет энергии гетерогенной реакции рекомбинации адатомов с атомами из газовой фазы - ударный механизм (Ридила-Или) и реакции рекомбинации атомов, предварительно адсорбированных на поверхности - диффузионный механизм (Ленгмюра-Хиншелвуда) [2]. Для механизма рекомбинации Ридила-Или интенсивность ГХЛ пропорциональна потоку атомов из газовой фазы на поверхность полупроводника:

где Г] - квантовый выход ГХЛ, возбуждаемой в данной реакции, j - плотность потока атомов из газовой фазы, о\ - сечение ударной рекомбинации, N1(1) - число адсорбированных атомов на центрах свечения поверхности кристаллофосфора. Для механизма рекомбинации Ленгмюра-

1 ГТГТУ, д-р физ.-мат. наук, проф.

2 ГТГТУ, аспирант

3 ГТГТУ, аспирант

1р(!) = г}о JN.it),

(1)

Хиншелвуда интенсивность ГХЛ пропорциональна квадрату концентрации атомов на поверхности: /л = /у] 2/'| А'|2(0 . (2)

Кинетический механизм реакций

Обозначения: L - регулярный центр поверхности; R - атом в газовой фазе; R2 - молекула в газовой фазе; RL - адсорбированный атом; R2L - адсорбированная молекула; hv - квант света. Кинетический механизм реакций имеет вид:

1. Адсорбция и десорбция атомов на регулярных центрах поверхности:

t

R + L Vl >RL, RL Vl >R + L.

2. Адсорбция и десорбция молекул на регулярных центрах поверхности:

t

R2 +L Уз >R2L, R2L Уъ >R2 +L.

3. Рекомбинация радикала из газовой фазы с атомом на поверхности - по механизму Ридила-Или: R + RL V2 >R2L + hv (3)

4. Рекомбинация адсорбированных атомов в процессе диффузии по поверхности - по механизму Ленгмюра-Хиншелвуда:

RL + RL Г' >R,L + L + hv

z W

г

Над стрелками проставлены: V\,V\ - соответственно скорость адсорбции радикала из газовой фазы на узле кристаллической решетки и скорость обратного процесса - десорбции;

г

У2 - вероятность рекомбинации радикала из газовой фазы и адсорбированного атома; V3, V3 -соответственно скорость адсорбции молекулы из газовой фазы на узле кристаллической решетки и скорость обратного процесса - десорбции; / \ - константа скорости рекомбинации адсорбированных атомов на поверхности твердых тел.

Выделение нерешенных ранее частей общей проблемы

Отсутствие данных о механизмах гетерогенных химических реакций для различных плотностей потоков на требуемом диапазоне температур на поверхности конкретных кристал-лофосфоров (виллемита). Здесь требуется выполнение, как натурного эксперимента, так и проведение анализа и сравнения полученных результатов с математическими моделями физико-химических процессов на поверхности кристаллофосфора.

Математическая модель Обозначения для концентраций в момент времени t: [RL] —> Ni(t); [R2L] —> N2(t); [L] —> N(t).

Модели, представленной выше, соответствует следующая система кинетических урав-

N = + v3N2 - vxN - v3N + Г^2

^ = Vin - - v1Nl - 2YxNl (5)

Полученная система уравнений позволяет определить интенсивность люминесценции в любой момент времени:

I{t) = r,-cJ2-j-Nl{t) + rll-Yl-Nl{t) (6)

Кинетические зависимости ГХЛ получаются в виде (6) при решении задачи Коши для системы (5) [3].

нении:

Результаты

Приведены экспериментальные зависимости интенсивности люминесценции от времени, характеризующиеся начальной вспышкой - спадом и дальнейшим постепенным раз-горанием люминесценции (эксперимент 1, методика из [1]).

г .

>1

//

V 1

■ 1 --

1, МИН. 45

а) б)

Рис. 1 - Зависимость от времени общей интенсивности люминесценции (1) и РРЛ. возбуждаемой по ударному (2) и диффузионному (3) механизмам рекомбинации, ¡= 101 '. а) Т=300 К, б) Т=320 К.

2 6 10 Ы^.усл ед 14 О 2 6 И], усл. ед. 14

а) б)

Рис. 2 - Зависимость от заполнения поверхности люминофора атомами (N1) РРЛ, возбуждаемой по ударному (1) и диффузионному (2) механизмам рекомбинации, а) Т=300 К, б) Т=320 К.

Скорость реакций и их вклад в общую интенсивность люминесценции зависит от заполнения поверхности люминофора атомами. Для 300 К из (1,2) зависимости вкладов в люминесценцию по ударному и диффузионному механизмам от поверхностного заполнения атомами

можно

описать

в виде

¡ш = 0.09 • Аг,, 1Ш = 0.01 • ;

для

320 К

1т =0.085 =0.007-Ж2.

а) б)

Рис. 3 - Зависимость от времени общей интенсивности люминесценции (1) и РРЛ, возбуждаемой по ударному (2) и диффузионному (3) механизмам,]= см"2с~\ стрелками указаны моменты времени

изменения плотности потока атомов, подаваемого на поверхность, а) Т=450 К, б) Т=300 К.

Найдено (эксперимент 2), что как общая люминесценция, так и РРЛ, возбуждаемая по механизму РИ и ЛХ зависит от подаваемой плотности потоков (|) (рис.З). Более того, найдены зависимости вкладов в РРЛ по диффузионному и ударному механизмам от\ (рис.З, 4).

ю 1, усл. ед.

Рис. 4 - Зависимость интенсивности РРЛ, возбуждаемой по ударному (1) и диффузионному (2) механизмам реакции от плотности потока атомов, ]=1016^1017 см"2с4. Т=450 К.

> 10 усл. Щ. 23

Рис. 5 - Зависимость соотношения вкладов в интенсивность РРЛ, возбуждаемой по ударному и диффузионному механизмам реакции от плотности потока атомов. 7 см"2с"\

(1) -Т=450К, (2)-Т=300 К.

Доля РРЛ по ударному механизму увеличивается с увеличением плотности подаваемого потока атомов из газовой фазы, из (1) можно представить в виде - Iш = 0.98 ■ / . по диффузионному остается практически неизменной рис.4. Найдена зависимость соотношения вкладов по механизмам РИ/ЛХ от плотности потока атомов из газовой фазы рис.5.

Выводы

На основании полученного комплекса кинетических зависимостей интенсивности ГХЛ для различных температур реакций в возбуждении поверхности атомными потоками различной плотности можно сказать, что вклад в РРЛ по диффузионному и ударному механизмам зависит от |. Экспериментальные зависимости интенсивности РРЛ, возбуждаемой по ударному механизму Р.-И. от плотностей подаваемых потоков хорошо описываются линейными функциями, что согласуется с построенной математической моделью. Найдено, что как для всего интервала изменения плотности подаваемого потока, так и для исследуемых температур: 300 К и 450 К РРЛ виллемита возбуждалось предпочтительно в реакции ударной рекомбинации РИ. Причем при длительной тренировке образца РРЛ, возбуждаемая по механизму ЛХ, стабилизировалась и практически не зависела от дальнейшего изменения плотностей потоков.

Полученные данных о механизмах гетерогенных химических реакций для различных плотностей потоков в исследуемом диапазоне температур на поверхности виллемита дают необходимую информацию для выбора образца ХЛ-сенсора и условий проведения детектирования. Безынерционные ХЛ-сенсоры могут быть внедрены на предприятиях электронной техники, в вакуумно-плазменных производствах, для определения сверхнизких концентраций атомных частиц в активной части действующих приборов и аппаратов, а также околоземной атмосфере.

Перечень ссылок

1. Гранкпн В. П. Хемилюминесценция поверхности - Тт; 2п8 - Сс18 - Ад в атмосфере атомарного кислорода и водорода / В.П. Гранкпн // Журнал прикладной спектроскопии.-1996,- Т.63,- №3,- С.444-451.

2. Гранкпн В. П. Концентрационные зависимости гетерогенной хемилюминесценции и детектирование атомных потоков / В.П. Гранкпн, С.А. Волощук // Вюник Приазов. держ. техн. ун-ту: 36. наук. пр. - Мар1уполь, 2002 - Вип.№12,- С.316-321.

3. Гранкпн В. П. Концентрационные зависимости гетерогенной хемилюминесценции и детектирование атомных потоков / В.П. Гранкпн, С.А. Волощук II Вюник Приазов. держ. техн. ун-ту: 36. наук. пр. - Мар1уполь, 2003,- Вип.№13- С.385-390.

Статья поступила 05.03.2004

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.