Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 5 Краткие сообщения 03;05;11;12 Распыление и электронное возбуждение золота атомами водорода тепловых энергий й В.Ф. Харламов, М.В. Кубышкина, А.А. Янович, Т.В. Иванов Орловский государственный технический университет, 302020 Орел, Россия e-mail: Kharl@ostu.ru (Поcтупило в Редакцию 11 июля 2005 г.) Обнаружен эффект распыления золота атомарным водородом. Установлено, что механизм распыления связан с электронным возбуждением металла в ходе гетерогенной реакции H + H H2.

PACS: 61.80.Lj Введение металла присоединяли пружинный ДточечныйУ контакт.

К противоположной грани кристалла припаивали или Процессы энергообмена на границе твердых тел и прижимали второй контакт. Все грани кристалла, за газов играют важную роль в гетерогенных явлениях исключением грани, покрытой золотом, изолировали (рост нанотрубок, наночастиц и кристаллов, эпитаксия, от доступа газа. Полученную структуру металл-полукатализ, плазменная обработка материалов и т. д.). Если проводник-металл (МПМ) включали в измерительную рассеяние выделяющееся на границе твердое тело-газ цепь и помещали в проточный реактор. Для возбуэнергии затруднено, возможны процессы деградации и ждения поверхности золотой пленки использовалась распыления кристаллов. Например, в среде атомарного реакция гетерогенной рекомбинации атомов водорода водорода наблюдается распыление в виде нейтральных H + H H2. Через реактор непрерывно прокачивали частиц и положительно заряженных ионов сульфида спектрально чистый водород при давлении 50 Pa. Для цинка [1], германия [2], щелочно-галогенидных кристалполучения газа использовали генератор водорода ГВЧ-6;

ов [3,4], оксида кальция [5], соединений AIIIBV [6] и водород чистотой 99.995% предварительно пропускали пленок свинца [7]. Механизмы распыления твердых тел через колонку с силикагелем. Диссоциацию молекул радикалами остаются гипотетическими.

водорода (H2 2H) осуществляли с помощью высокоВ настоящей работе сообщается об обнаружении частотного разряда в газе. Излучение разряда поглощараспыления атомарным водородом пленок золота, налось рогом Вуда. Отсутствие освещения пленок золота несенных на кристаллы кремния. Установлено, что одоптическим излучением газового разряда контролироновременно с распылением наблюдается электронное вали по показаниям фотоумножителя. Возникающие в возбуждение металла в ходе гетерогенной реакции зоне разряда колебательно- и электронно-возбужденные H + H H2. Таким образом, впервые получены экспемолекулы в процессе диффузии в реактор испытывали не риментальные данные, позволяющие интерпретировать менее 103 столкновений с молекулами газа, вследствие распыление металла радикалами как следствие его элекчего теряли избыток энергии [9]. В отдельных опытах тронного возбуждения в ходе гетерогенной химической установлено, что электроны и ионы плазмы в процессе реакции.

диффузии рекомбинировали и не проникали в реактор В статье [8] описан эффект хемоэмиссии электронов (при напряжении 10 V, приложенном к промежутку из металла в полупроводник: при протекании гетемежду пленкой Au и расположенным над ней электророгенной реакции H + H H2 на поверхности тонкой дом электрический ток в газе был меньше 1 10-13 A).

пленки никеля, нанесенной на поверхность кристалла Концентрация атомов H в реакторе, измеренная методом кремния, возникают горячие электроны, которые дифтермозонда, равнялась 3 1013 cm-3.

фундируют сквозь пленку и межфазную границу. Цель Перед измерениями образцы выдерживали в течеисследований состояла в применении этого эффекта для ние 3 h в среде атомарного водорода, что приводило изучения электронного возбуждения золота атомарным к очистке пленки золота от адсорбированных молекул водородом.

(кислорода, воды и т. д.) в результате образования летучих гидридов и распыления в ходе реакции адсорбционного слоя [10,11]. В отдельных опытах образцы Методика эксперимента приводили в контакт с термопарой. Было установлено, Пленки золота толщиной d =(10-8-10-7) mнапыля- что увеличение их температуры вследствие протекали в вакууме на кристаллы кремния n- и p-типа с удель- ния реакции на поверхности пленки золота составляет ным сопротивлением 100 cm. К напыленному слою около 0.2 K.

128 В.Ф. Харламов, М.В. Кубышкина, А.А. Янович, Т.В. Иванов Введем следующие обозначения: Rn Ч сопротивление структуры МПМ при ее включении в цепь таким образом, чтобы минус источника напряжения соединялся с пленкой Au; Rp Ч сопротивление этой структуры при соединении плюса этого же источника тока с пленкой Au. В опытах контролировали изменение со временем сопротивлений Rn и Rp структуры МПМ после включения и выключения источника атомов водорода, разность потенциалов V (хемоЭДС), возникающую на контактах структуры МПМ в ходе реакции, и ток короткого замыкания этой структуры на микроамперметр I0, Рис. 1. Зависимость сопротивления контакта Дпленка золообусловленный действием хемоЭДС. Сопротивления Rn та-кремний n-типаУ от величины и полярности электричеи Rp измеряли с помощью моста постоянного тоского напряжения на этом контакте в молекулярном (1, 2) ка УПИП-60 М. Величину V измеряли с помощью этого и атомарном (1, 2 ) водороде (при измерении значений R же моста методом компенсации. В ДхолостыхУ опытах с в среде атомарного водорода источник атомов H включался помощью полупроводникового диода, помещенного в ре- на 7 s). К пленке золота присоединен: 1, 1 Ч минус источника актор, установлено отсутствие электромагнитных помех тока; 2, 2 Ч плюс источника тока. d = 3 10-8 m; T = 295 K.

(что обеспечивается экранировкой реактора, разряда и измерительного прибора).

После включения и выключения источника атомов H величина хемоЭДС, возникающей на контактах струкПолученные результаты туры МПМ в ходе гетерогенной реакции H + H H2, которая протекает на поверхности золотой пленки, и В среде атомарного водорода эффекты хемоэмиссии ток короткого замыкания I0, обусловленный действием электронов из металла в полупроводник возникают тольхемоЭДС, испытывают скачкообразные изменения; на ко в структурах МПМ, содержащих кремний n-типа. При интервалах времени 102 s кинетические кривые V (t) тех же условиях в образцах МПМ, содержащих кремний и I0(t) имеют прямоугольную форму (рис. 2). В среде p-типа, эти эффекты не наблюдаются. Они отсутствуют атомарного водорода пленка золота приобретает полотакже, если используются кристаллы кремния n-типа без жительный, а полупроводник Ч отрицательный заряд.

напыленного золота (d = 0; верхний ДточечныйУ контакт Выдержка пленок золота в среде атомарного водоприсоединен непосредственно к поверхности крсталла).

рода в течение 10-20 h приводит к их потемнению При протекании реакции H + H H2 на поверхности вследствие распыления: вначале оголяется поверхность пленки золота, напыленой на поверхность кремния подложки вблизи краев, затем граница между подложкой n-типа, получены следующие результаты.

и пленкой золота перемещается внутрь образца. ПолоПоявление атомов водорода в газовой среде влияет вина поверхности пленки Au толщиной 1 10-7 m удана сопротивление структур МПМ, причем это явление ляется за 20 h обработки атомами H (средняя скорость наблюдается только в том случае, если к пленке золораспыления равна 10-12 ms-1). При этом коэффициент та присоединен минус источника тока. После включения источника атомарного водорода сопротивление Rn структур МПМ испытывает скачкообразное уменьшение (на величину Rn), новое значение сопротивления (R) n в среде атомов H не изменяется со временем (на интервалах 102 s кинетические кривые Rn(t) имеют прямоугольную форму). После выключения источника атомов H это сопротивление скачкообразно приобретает прежнее значение. В тех же условиях появление атомов H в газовой среде не влияет на Rp. При повышении приложенного к структуре МПИ электрического напряжения U величина Rn наблюдаемых скачкообразных изменений Rn убывает (рис. 1, кривые 1 и 1 ), при этом аналогичная величина Rp остается равной нулю (кривые 2 и 2 ). Отношение сопротивления структуры МПМ при включенном источнике атомарного водорода R к Рис. 2. Зависимость разности потенциалов между пленкой ее сопротивлению при выключенном разряде R зависит золота и кремнием n-типа (1) и тока короткого замыкания этой от величины и полярности приложенного напряжения U структуры на микроамперметр (2) от времени после вклюи испытывает скачкообразное изменение при U = чения () и выключения () источника атомарного водорода.

(вставка на рис. 1). d = 3 10-8 m; T = 295 K.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Распыление и электронное возбуждение золота атомами водорода тепловых энергий распыления, т. е. отношение числа выбитых атомов Au к горячих электронов, возбужденных в ходе гетерогенчислу молекул H2, образовавшихся на поверхности при ной реакции, через пленку и межфазную границу металл-полупроводник. Благодаря изгибу зон вверх на рекомбинации атомов H, составляет в среднем 4 10-5.

поверхности кремния n-типа [12] в ходе реакции проИзучение структуры пленок золота, выдержанных в исходит разделение электрических зарядов на межфазсреде атомарного водорода, с помощью микроскопа ной границе. Отсутствие аналогичных неравновесных Axioscop 2 MAT (увеличение 50-200 раз) показало, что эффектов в случае структур МПМ, содержащих кремв процессе распыления пленка распадается на островки, ний p-типа, объясняется тем, что поверхность кремния часто имеющие форму многоконечных звезд. Причем p-типа захватывает дырки, вследствие чего зоны загнуты остатки пленки сохраняются в наиболее дефектных вниз [12]. По этой причине отсутствуют условия для участках поверхности.

разделения зарядов на межфазной границе: горячие электроны, достигнув плоскости контакта, задерживаются электрическим полем контакта и не проходят в полуОбсуждение результатов проводник поскольку длина экранирования в кремнии ( 10-6 m) велика по сравнению с длиной релаксации В условиях опытов после включения источника энергии электронов ( 10-7 m) [12].

атомарного водорода скорость гетерогенной реакции Согласно полученным результатам, эмиссия горячих H + H H2, протекающей на поверхности металла (Cu, дырок из пленки золота в кремний p- или n-типа не Pt, Ni), испытывает скачкообразное увеличение, занаблюдается. Это обусловлено тем, что время жизни тем не изменяется (кинетическая кривая J(t) имеет горячих дырок в металлах (p 10-14 s [13]) по крайней прямоугольную форму). После выключения источника мере на два порядка меньше, чем время жизни горячих атомов H скорость реакции скачкообразно уменьшаетэлектронов, вследствие чего горячие дырки рекомбинися более чем на два порядка (эти данные получены руют с электронами внутри пленки, не достигая границы посредством регистрации динамического эффекта реакметалла с полупроводником. Кросе того, вероятность ции) [10,11]. Поэтому можно считать, что обнаруженные возникновения горячих дырок в ходе реакции может изменения величин Rn, V и I0 после включения и выбыть небольшой, если дополнительную энергию поключения разряда происходят синхронно с изменением лучают только те электроны, первоначальная энергия скорости гетерогенной реакции H + H H2, протекаюкоторых близка к энергии Ферми.

щей на поверхности пленки золота.

Согласно уравнению Кнудсена-Ленгмюра, скорость Полученные результаты не могут быть объяснены сублимации золота в условиях опыта пренебрежимо изменением температуры полупроводника вследствие мала. Поэтому источником энергии при распылении увеличения температуры пленки золота в результате золота атомами H является экзотермическая реакция протекания на ее поверхности экзотермического процес- гетерогенной рекомбинации атомов водорода, т. е. расса H + H H2. Пусть R и R1 Ч сопротивление кон- пыление протекает по следующей схеме:

такта между пленкой металла и полупроводником при kJ температурах соответственно T и T1 (T < T1). Зависи- 2H(g) +Au(s) H2(g) +Au(g), G0 = -78.

mol мость величины R1R-1 от электрического напряжения, Локальный нагрев (уровень фононного возбуждения) приложенного к контакту Ч плавная, не содержащая поверхности твердого тела в зоне рекомбинации аторазрывов [12]. Она не соответствует наблюдаемой в мов мал из-за высокой теплопроводности кристаллиопытах зависимости величины RR-1 от U, содержаческой решетки и не может обеспечить распыление щей скачкообразное изменение отношения RR-1 при атомов Au [14]. Невозможно колебательное возбуждение U = 0 (см. вставку на рис. 1). Это свидетельствует о атомов металла в зоне химического превращения путом, что изменение температуры контакта в результате тем колебательно-колебательного обмена энергий вследтепловыделения на поверхности пленки Au не оказывает ствие резкого различия локальных частот, вносимых заметного влияния на сопротивление контакта. Следоваатомами H, адсорбированных на поверхности, и чательно, влияние атомарного водорода на это сопротивстот фононного спектра твердого тела [15]. Поэтому ление соответствует неравновесной электропроводности распыление золота атомарным водородом обусловлено контакта, обусловленной эмиссией из пленки золота в возбуждением электронной подсистемы металла при реполупроводник неравновесных носителей тока. Этими комбинации атомов H на его поверхности. Поскольку в носителями тока являются электроны, поскольку эффект ходе гетерогенной реакции H + H H2 происходит воззависит от полярности приложенного напряжения и никновение электронных возбуждений в пленке золота, возникает только тогда, когда минус источника тока можно считать, что распыление атомов Au происходит присоединен к пленке золота.

по ударному механизму в результате рекомбинации на Таким образом, при интерпретации полученных реповерхности электронов с дырками. Преимущественное зультатов можно считать, что эффект возникновения распыление золота возле границы подложки связано с положительного электрического заряда у пленки Au и тем, что здесь меньше вероятность повторного осаждеэффект изменения сопротивления Rn структуры МПМ, ния атомов золота на подложку после отражения от содержащей кремний n-типа, обусловлены миграцией молекул газа.

9 Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 130 В.Ф. Харламов, М.В. Кубышкина, А.А. Янович, Т.В. Иванов Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант 05-03-96403).

Список литературы [1] Бажин А.И., Малиенко Е.М. // Журн. физ. химии. 1976.

Т. 50. № 7. С. 1732Ц1734.

[2] Пинчук В.П., Корнич В.Г., Горбань А.Н. // Укр. физич.

журн. 1975. Т. 20. № 11. С. 1891Ц1895.

[3] Харламов В.Ф., Стыров В.В. // Изв. вузов. Физика. 1975.

№5. С. 54Ц59.

[4] Рубцов Н.М., Азатян В.В., Бородулин Р.Р. и др. // Хим.

физика. 1984. Т. 3. № 12. С. 1719Ц1723.

[5] Измайлов Ш.Л., Харламов В.Ф. // Кинетика и катализ.

1982. Т. 23. Вып. 5. С. 1179Ц1182.

[6] Игнахина М.А., Буравлев Ю.М., Горбань Э.М. // Поверхность. 1987. № 9. С. 141Ц143.

[7] Харламов В.Ф., Горбачев А.Ф., Клыков О.И. // Хим.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам