Способ контроля термоэмиссионного состояния поверхности твердого тела

 

Союз . Советских

Социалистических

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (1t) 1 005213 (6I ) Дополнительное к авт. саид-ву— (22)Заявлено 16.04.80 (21) 2911950/18-21 с присоединением заявки РЙ (23) Приоритет(51 } M. Кл.

0 I J 9/" 2

0 01 М 13/00

Гасударственный комитет (53) УДК 621.383. .292.8(088.8) Опубликовано15.03.83. Бюллетень № 10

Ilo йелам кзобретеккй и аткрытий

Дата опубликования описания 15 03 83

%»

Э. Я. Зандберг, Э. Г. Назаров и У.„ ...,Расулев - "." /

/ (72) Авторы изобретения

Ордена Ленина физико-технический инс им. A. .ф. Иоффе (7 I ) Заявитель (54 ) СПОСОБ КОНТРОЛЯ ТЕРМОЭМИССИОННОГО СОСТОЯНИЯ

ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛР.

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для определения эмиссионной неоднородности поверхности твердых тел.

Известен способ контроля эмиссионной однородности твердого тела при высоких температурах, заключающийся в определении работы выхода по отношению к термоэлектронной эмиссии и к поверхностной ионизации трудноионизируемых элементов, для которых е(1/- 4 )7I kT, где е - элементарный заряд; - потенциал ионизации элемента; Ч - работа выхода твердого тела; k - постоянная Больцмана

Т - температура твердого тела. Если твердое тело эмиссионно однородно, то обе работы выхода одинаковы. Если поверхность тела неоднородна, то главный вклад в эффективную термоэлектронную работу выхода вносят

Э участки с малой работой выхода, а в эмиссию ионов трудноионизируемых элементов — участки с наибольшей работой выхода, которые определяют величину Ч . Этот способ применяети ся для определения эмиссионной од5 нородности твердых тел, например граней монокристаллов 11.

Недостатки способа - невысокая чувствительность, большая длительность измерений и сложность необходимой аппаратуры.

Известен способ контроля термоэмиссионного состояния поверхности твердого тела во время происходящих на ней адсорбционных процессов по изменению со временем величин тока термоэлектронной эмиссии и ионного тока поверхностной ионизации от направляемого к поверхности потока трудноионизируемых частиц (2) . го Недостатками способа являются малая чувствительность, большая дли. тельность измерений и сложность необходимой для измерений аппаратуры.

Вследствие малой эффективности по3 I 0052 верхностной ионизации трудноионизируемых частиц для получения измеримых ионных токов нужно направлять большие потоки частиц к поверхности. Кроме того, метод требует применения сложной и дорогостоящей масс спектрометрической техники измерения ионных токов, так к к ионный ток от алой примеси более легкоионизируемых частиц, всегда присутст- 16 вующих в щелочных металлах, может значительно превосходить измеряемый ток. Настройка масс-спектрометра на линию после изменения знака приложенного напряжения при переходе от измерения термоэлектронного тока к току положительных ионов требует зна чительного времени, что лишает метод экспрессности, необходимой при изучении быстропротекающих процессов.

L(ehbe изобретения является повышение чувствительности и упрощение контроля.

Поставленная цель достигается тем что согласно способу включающему облучение нагретой поверхности потоком частиц, приложение напряжения между исследуемой поверхностью и коллектором, измерение и сравнение электронных и ионных токов, измерение ионного 6 тока осуществляют при приложении импуль са напряжения прямоугольной формы, последовательно отпирающего и запирающего ионный ток, с амплитудой, о6еспечивающей компенсацию контактных

35 полей пятен у поверхности и длительностью, достаточной для образования стационарного покрытия адсорбированными частицами, а в качестве направляемого потока используют легко40 ионизируемые частицы, и по изменению всплеска ионного тока в момент его отпирания судят об изменениях термоэмиссионного состояния поверхности. где 4 - поток частиц к поверх33 ности, а 0е,,г(- /kT} вероятность испарения этих частиц с поверхности в нейтральном состоянии;

2а С (- kT - вероятность испарения ехр этих же частиц с поверхности в виде ионов.

Подстановка этих величин в (1 ) дает

Ы) 1"ак ехр (-Ео кТ}

8 основе способа лежит изменение концентрации легкоионизируемых частиц на исследуемой поверхности при приложении модулированного напряжения с импульсами прямоугольной формы происходящее при постоянном потоке частиц к поверхности, находящейся при постоянной температуре, увеличение на поверхности концентрации частиц во время действия, запирающего ток полпжительнык ионов импульса напряжения, приводит к всплеску ионного тока при изменении знака напряжения, так как ионный ток пропор1) ф ционален поверхностной концентрации частиц.

По соотношениям поверхностной ионизации максимальный всплеск тока

Х „.е й,„ хс „(- (кт), („) ьах еах ехр где S — площадь поверхности;

М - стационарная концентрация лах частиц на поверхности, достигаемая во время действия запирающего напряжения; Чт„„х

М таркр.(о 1» г) где aL- степень поверхностной ионизации, которая выражается известной формулой Саха-Ленгмюра, указывающей на сильную зависимость . от работы выхода твердого тела, а величины ее имеют пределы 0 а(со

При появлении на поверхности участ ков с большей, чем исходная, работой выхода увеличивается и это в соответствии с (2} приводит к увеличению всплеска ионного тока при его отпирании.

Стационарный ионный ток 1о легкоионизируемых элементов нечувствителен к появлению на поверхности пятен с большей работой выхода, так как

1о (4} где - коэффициент поверхностной ионизации, который для легкоионизируемых элементг в достигает предельной величины / 1 и не изменяется при увеличении т .

Параметры прикладываемого для регистрации всплесков ионного тока импульсного напряжения с импульсами прямоугольной формы должны быть следующими.

Продолжительность импульсов должна быть такой, чтобы за время их дей5 10052 ствия устанавливались бы стационарные покрытия поверхности ионизируемым веществом. Для нахождения требуемои длительности запирающего ионный ток импульса нужно постепенно увеличивать длительность импульса, следя за величиной всплеска тока после его отпирания. Когда длительность запирающего импульса достаточна для получения 1 „,а», устанавливается всплеск !, который не ма с изменяется при дальнейшем увеличении длительности импульса. Выбирают длительность импульса, достаточную для получения N . Указанная процедура выбора длительности импульса одинакова при всех условиях работы.

Она не зависит от материала твердого тела, от его температуры, от вида легкоионизирующихся атомов и от величины их потока к поверхности.

Пр амплитуде при кладываемое напряжение должно быть таким, чтобы при отборе тока на поверхности осуществлялись условия, близкие к компенсации контактных полей пятен (эти поля F10 — 10 В/см1. Для этого е ъ обычных диодных системах достаточно, чтобы амплитуда импульса была бы нескольких сотен вольт. зо

Пример. Измеряют ток термоэлектронной эмиссии, нагретой до

1000 К, монокристаллической поверхности площадью S c 54,б эВ, например М4о Затем направляют на поверхность поток атомов легкоионизируемых элементов, например Cs, и измеряют ток 1 ионов С. . Прикладывают им+ пульсное напряжение прямоугольной формы с амплитудой» 300 В от re40 нератора импульсов. Увеличивают длительность импульсов до тех пор, пока установится постоянный по величине всплеск ионного тока, величина которого будет опорной.

Подвергают поверхность обработке, например прогреву в течение какоголибо времени. Пусть за это время на поверхности образовалось пятно с большей работой выход а (н апр имер грань (, 1.1 Г) с Я = 5,3 Зв площадью

0,001 S). Регистрируют ток термоэлектронной эмиссии со всей поверхности. Сн практически остался тем же

Подают импульс напряжения прямоуголь55 ной формы и регистрируют всплеск ионного тока в момент его отпирания.

При том же потоке частиц к поверхности всплеск ионного тока, равный

13 6 сумме всплесков с обоих участков (пятна и остальной поверхности), увеличился в 4,5 раза по сравнению с опорным.

При контроле термоэмиссионного со стояния той же поверхности по извест» ному способу, используя в качестве направляемого потока частиц той же интенсивности литий, ионный ток также увеличился почти в ч раза по сравнению с опорным. Однако аГсолютные величины измеренных токов для одной и той же поверхности в предлагаемом способе по сравнению с известным в 1C" раз больше.

Таким образом, предлагаемый способ имеет следующие преимущества: большое повышение чувствительности определений, что дает возможность тестировать поверхности значительно меньшими потоками частиц и тем предотвращать изменение свойств контролируемой поверхности в процессе ее исследования; воэможность анализа поверхностей при гораздо более низ" ких температурах, чем в существующих способах (для ионизации трудноФэнизируемых элементов требуются T - 2000 К в то время как легкоионизируемые элементы иониэируются при Т 800"900 K)

1 что расширяет круг объектов, которые можно обследовать, так как многие твердые тела рззрушаются при высоких температурах; повышение экспрессности определений термоэмиссионного состояния поверхности твердого тела. формула изобретения

Способ контроля термоэмиссионного состояния поверхности твердого тела, включающий сблучение нагретой поверхности потоком частиц, приложение напряжения между исследуемой поверх" ностью и коллектором, измерение элек" тронного и ионного токов, о т л ич à ю шийся тем, что, с целью повышения чувствительности и упрощения контроля, измерение ионного тока осуществляют при приложении импульса напряжения прямоугольной формы, последовательно отпирающего и запирающего ионный ток, с амплитудой, обеспечивающей компенсацию контактных полей пятен у поверхности, и длительностью достаточной для образования стационарного покрытия адсорбированными частицами, а в качестве направляемого потока используют легкоионизируемые частицы, и по измене

Составитель Л. Дикова

Редактор М. Петрова Техред К.Мыцьо Корректор M. Шароши

Заказ 1916/72 Тираж 701 Подписное

ВНИИПИ Государственного ком тета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

7 10052 нию всплеска ионного тока в момент его отпирания судят об изменениях термоэмиссионного состояния поверхности.

Источники информации, 5 принятые во внимание при экспертизе

13 8

1. Зандберг Э. Я., Ионов Н. И.

Поверхностная ионизация И., "Наука", 1969, с. 127-133.

2. Зандберг Э. Я. Тонтегоде А.Я.

Юсифов Ф. К. йТФ, т.41, 1971.с 2420 (прототип).