Книги по разным темам Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 8 Полевая десорбция пленки калийЦзолото на вольфраме й Д.П. Бернацкий, В.Г. Павлов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия E-mail: bernatskii@ms.ioffe.rssi.ru, vpavlov@ms.ioffe.rssi.ru (Поступила в Редакцию 18 ноября 2003 г.) С помощью полевой десорбционной микроскопии непрерывного режима, полевой эмиссионной микроскопии и времяпролетного масс-анализа продуктов полевой десорбции изучены процессы образования и разрушения сплавов и химических соединений золота с калием при их совместной адсорбции на вольфраме.

Изучено влияние электрического поля на эти процессы. Обнаружено появление моноатомных и кластерных ионов калия и его соединений с золотом в слабых для полевой десорбции полях. Под влиянием химической реакции полевая десорбция калия обнаруживает автоколебания.

Работа выполнена при поддержке Российской государственной программы ДПоверхностные атомные структурыУ (проект ГК № 1152).

Химические соединения золота со щелочными ме- онных изображений непрерывного режима в качестве таллами обладают уникальными физическими и хи- изображающих веществ использовались калий и цезий.

мическими свойствами [1Ц4]. Они имеют наибольшую Давление остаточных газов в приборе не превышасоставляющую ионной связи среди всех соединений ме- ло 10-10 mm Hg. Эмиссионные изображения с экрана таллов с металлами. Объем соединения намного меньше микроскопа и времяпролетные масс-спектры с экрана суммы объемов исходных компонентов и даже меньше запоминающего осциллографа записывались на видеокаобъема одного из компонентов Ч щелочного металла. меру, а затем вводились в компьютер для обработки и Электрические свойства соединений также необычны: в анализа.

зависимости от состава и внешних условий они могут Пленка соединения золота с калием создавалась на быть проводниками, полупроводниками или диэлектри- поверхности вольфрамового острия из адсорбированных ками. на нем атомов золота и калия. Калий наносился из Необычность свойств соединений и сплавов золота промышленного прямонакального источника ИКО-34-9.

со щелочными металлами особенно сильно должна Для нанесения золота были изготовлены источники из проявляться на поверхности и на границах раздела танталовой фольги. После обезгаживания источника с фаз, где происходит резкое изменение структуры и помощью прогрева в вакууме в него помещался кусок числа соседних атомов золота и щелочных металлов. проволоки из золота чистотой 0.999. Для нанесения Среди проявлений таких особенностей можно отметить золота дeржатель острия поворачивался в положение, недавно обнаруженные увеличение скорости диффузии при котором вершина острия находилась напротив испри облучении светом [5] и автоколебания ионного тока точника. Адсорбаты на поверхность острия наносились полевой десорбции [6]. при комнатной температуре подложки.

Исследование пленок соединений золота со щелочны- Для определения поверхностной концентрации адми металлами представляет интерес и с точки зрения сорбатов и контроля качества образующейся пленки практических приложений, поскольку за счет небольшо- измерялась работа выхода с помощью вольт-амперных го изменения химического состава появляется возмож- характеристик полевой электронной эмиссии, анализиность получения в одной пленке участков с проводимо- ровались полевые электронные и десорбционные изобстью различного типа. Для нанотехнологии с исполь- ражения и масс-спектры полевой десорбции.

зованием сканирующей туннельной и силовой микроскопии особый интерес представляет изучение влияния 2. Результаты и их обсуждение электрического поля на процессы роста и разрушения пленок.

В масс-спектрах полевой десорбции, полученных непосредственно после адсорбции калия и золота, присутствовали сигналы только от одно- и многоатомных 1. Методика эксперимента ионов калия (K+, K+, K+).

2 Эксперименты проводились с использованием сверх- Полевая десорбция калия с поверхности, на котовысоковакуумного полевого эмиссионного микроскопа, рой находилась смесь адсорбатов золотоЦкалий, обнакоторый может работать в режимах полевой электрон- руживала автоколебательные эффекты [6]. Эти эффекты ной и полевой десорбционной микроскопии, а также состояли в периодических изменениях ионного тока и в режиме времяпролетного масс-анализа продуктов по- десорбционных изображений при постоянных условиях левой десорбции. Для получения полевых десорбци- эксперимента. Изменения изображений заключались в Полевая десорбция пленки калийЦзолото на вольфраме десорбции появлялись сигналы от молекулярных ионов, содержащих атомы золота (рис. 2). Кроме того, такой прогрев, вызывающий образование пленки поверхностного соединения калийЦзолото, приводил к значительному увеличению скорости поверхностной диффузии атомов калия и повышению яркости полевых десорбционных изображений непрерывного режима.

Разрушение пленки и разложение химического соединения калийЦзолото электрическим полем исследовались с помощью наблюдения полевых десорбционных изображений непрерывного режима (рис. 3) и массанализа продуктов десорбции (рис. 2). Было обнаружено три стадии разрушения пленки. На первой стадии Рис. 1. Островки золота на грани (110) вольфрама. Полевое (поле 2Ц2.5 V/nm) в спектрах присутствовали только десорбционное изображение непрерывного режима. Изображасигналы от ионов калия. На полевых десорбционных ющий адсорбат Ч цезий, изображающее поле 1.5 107 V/cm, T = 500 K.

периодическом появлении и исчезновении зон десорбции, их расширении, сужении, перемещении по поверхности острия и в локальных изменениях интенсивности десорбции. Колебания наблюдались при поверхностной концентрации золота меньше монослойной или вблизи края более толстой пленки золота.

Формирование пленки соединения золота с калием происходило при повышении температуры до 500Ц800 K и контролировалось по полевым электронным, полевым десорбционным изображениям и по масс-спектрам.

Соответственно применялoсь три режима образования пленки: в отсутствие поля; в поле, десорбирующем калий, и в поле, необходимом для получения полевых электронных изображений. Изменялась также последовательность нанесения адсорбатов (сначала золото, потом калий и наоборот). Нанесение золота проводилось при разных углах поворота острия относительно источника золота. Золото наносилось либо на всю поверхность острия, либо на ее часть. В последнем случае при нагревании после нанесения золота наблюдались поверхностная диффузия золота с четким фронтом диффузии и образование островков перед фронтом. На полевых электронных изображениях пленка золота на вольфраме обладает слабым контрастом из-за близости работ выхода адсорбата и подложки; на полевых десорбционных изображениях непрерывного режима фронт диффузии и островки наблюдались гораздо лучше (рис. 1).

В экспериментах не было обнаружено заметного влияния последовательности нанесения адсорбатов и присутствия электрического поля на процесс формирования и качество образующейся пленки. Свойства пленки зависели только от количества адсорбированного золота. Как уже отмечалось, при полевой десорбции смеси адсорбатов золота и калия (десорбирующие поля Рис. 2. Примеры масс-спектров продуктов десорбции пленки F < 108 V/cm) наблюдались только ионы калия. После KAu при ее разрушении электрическим полем. Состав зарегинагревания (T > 500 K) и последующего охлаждения стрированных ионов: a ЧK+, K2Au+, (KAu)+; b ЧK+, KAu+;

2 c ЧK+, K+, (KAu)+.

до комнатной температуры в масс-спектрах полевой 3 Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 1496 Д.П. Бернацкий, В.Г. Павлов Рис. 3. Полевые десорбционные изображения непрерывного режима при разрушении пленки соединения KAu электрическим полем. Напряженность поля, V/nm: a Ч2.5, b Ч2.8, cЦf Ч4.0, g, h Ч4.6, i Ч5.2.

изображениях зона десорбции расходилась от центра десорбционного тока и более резкой границе зоны изображения острия к его периферии при повышении десорбции. Предполагается, что на этой стадии происхонапряжения, а при снижении приложенного напряжения дит извлечение и десорбция избыточных атомов калия, двигалась в обратном направлении, и картина возвраща- растворенных в пленке соединения KAu.

ась к исходной (рис. 3, a, b). Такое поведение изобраНа следующей стадии, реализующейся в полях, прижений характерно для полевой десорбции непрерывного мерно в 2 раза больших, чем первая стадия (4Ц6 V/nm), режима щелочных металлов [7,8]. Этот цикл можно происходит разложение химического соединения и разбыло повторять много раз без заметных изменений рушение пленки. В масс-спектрах кроме сигналов от изображений. Данная стадия интерпретируется нами ионов калия появляются сигналы от молекулярных (клакак десорбция калия, адсорбированного на поверхности стерных) ионов, содержащих атомы калия и золота. На пленки соединения золотоЦкалий.

рис. 2 приведены примеры времяпролетных спектров, Вторая стадия проходила в полях 3Ц3.5 V/nm (т. е. на содержащих сигналы от кластерных ионов. Масса иона 20Ц30% больших, чем для первой стадии). Внешние оценивается по времени пролета иона от острия до проявления напоминали первую стадию разрушения: детектора, определяемому по фронту пика [9]. Частота расходящийся фронт десорбции; в спектрах только ионы появления какого-либо пика соответствует доле ионов калия. Отличие состояло в меньшей интенсивности данного сорта в десорбционном потоке. На большинстве Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. Полевая десорбция пленки калийЦзолото на вольфраме полученных осциллограмм присутствовали только пики При снижении напряжения разрушенная пленка чаот ионов калия. Количество кластерных ионов, содержа- стично восстанавливается за счет притока атомов кащих атомы золота, не превышает нескольких процентов лия с боковой поверхности острия. После нескольких циклов подъема и снижения напряжения (разруот числа ионов щелочного металла.

шенияЦвосстановления пленки соединения) восстановРазрушение пленки соединения KAu начинается при ление пленки заметно ухудшается, что может быть прохождении фронта десорбции, расходящегося от обласвязано с удалением золота из десорбирующихся класти максимального поля на вершине острия (рис. 3, cЦi), стерных ионов. Исходная концентрация золота на вери продолжается при повышении напряжения, что проявшине острия может быть восстановлена при нагревании ляется в десорбции ионов калия и кластерных ионов тидо температуры поверхностной диффузии золота, но па KnAum по всей поверхности острия. На толстых пленпри этом с поверхности термически десорбируется весь ках соединения наблюдался второй фронт разрушения калий.

соединения KAu (рис. 3, i). На полевом десорбционном Таким образом, на примере пленки KAu показано, изображении непрерывного режима начало разрушения что воздействием электрического поля можно измепленки при повышении десорбирующего поля проявлянять локальный состав (и, следовательно, электронные ется в возникновении яркого пятна в центре изобрасвойства) соединений золота со щелочными металлами.

жения (рис. 3, c), которое мгновенно превращается в Изменения происходят за счет полевой десорбции атобыстро расходящееся кольцо (рис. 3, dЦf). Когда кольцо марных и кластерных (молекулярных) ионов и могут разрывается на краю картины (рис. 3, g), движение фронбыть обратимыми (при удалении только щелочного та останавливается. Если поднимать десорбирующее металла) или необратимыми (если десорбируются также напряжение, то фронт десорбции постепенно сдвигается кластерные ионы, содержащие атомы золота).

к краям изображения (рис. 3, i) и уходит за край.

Наблюдаемые процессы можно объяснить следующим Авторы выражают благодарность В.И. Палееву за образом. При подъеме поля до значения, соответству- обсуждение результатов работы и полезные замечания.

ющего рис. 3, c, адсорбированный калий со всей изображаемой поверхности острия удаляется и с вершины Список литературы острия начинается десорбция калия и частично золота из пленки соединения KAu. Образуются три зоны на [1] W. Spicer, A.H. Sommer, J.C. White. Phys. Rev. 115, 57 (1959).

поверхности: 1) на вершине острия внутри кольца Ч [2] W. Spicer. Phys. Rev. 125, 1297 (1962).

частично разрушенное и обедненное калием соедине- [3] R.E. Watson, M. Weinert. Phys. Rev. B 49, 7148 (1994).

[4] T.A. Rodriguez, J. Hrbek, Y.-W. Yang, M. Kuhn, T.K. Sham. J.

ние KAu, адсорбированный калий отсутствует; 2) вне Vac. Sci. Technol. A 11, 2029 (1993).

кольца Ч неповрежденное соединение, диффундирую[5] М.В. Кнатько, В.И. Палеев, М.Н. Лапушкин. ЖТФ 68, щий с боковой поверхности острия калий десорбируется (1998).

полем (время жизни адсорбированного калия в этой [6] Д.П. Бернацкий, В.Г. Павлов. Письма в ЖТФ 26, 22 (2000).

зоне мало) и до кольца не доходит; 3) на боковой [7] Д.П. Бернацкий, Ю.А. Власов, В.Г. Павлов. ЖТФ 57, поверхности острия Ч пленка соединения KAu с адсор(1987).

бированным на поверхности калием. На границе первой [8] D.P. Bernatskii, V.G. Pavlov. Phys. Low-Dim. Struct. 7, и второй зон образуется ступенька (кольцо), усили(1997).

вающая поле. Локальное усиление поля у ступеньки [9] Д.П. Бернацкий, Ю.А. Власов, В.Г. Павлов. Письма в ЖТФ 12, 806 (1986).

делает возможным разрушение пленки соединения не только в месте существования максимального поля на вершине острия (рис. 3, c), но и в области более слабых полей. Кольцо расширяется. Когда кольцо приближается к третьей зоне или смыкается с ней (рис. 3, g), появляется возможность поступления адсорбированного калия с боковой поверхности острия непосредственно в первую зону Ч зону обедненного калием поверхностного соединения. Энергия связи атомов калия с поверхностью и время жизни в зоне частично разрушенного соединения, по-видимому, больше, чем на поверхности исходного неповрежденного соединения, и калий с большей вероятностью доходит до ступеньки, двигаясь в первой зоне. В происходящих у ступеньки процессах (поверхностная диффузия, полевая десорбция, разложение и восстановление поверхностного соединения) устанавливается динамическое равновесие, и фронт десорбции стабилизируется (рис. 3, g).

   Книги по разным темам