Способ определения доли площади поверхности металла, занятой адсорбированной монослойной графитовой пленкой

 

Изобретение относится к технической физике, в частности к физике поверхностных явлений. Цель изобретения - повышение чувствительности и достоверности определения доли площади, занимаемой монослойной графитовой пленкой, адсорбированной на металле. Исследуемый образец и эталонный образец, покрытый графитовой пленкой, находящиеся при температуре 20-400°С, облучают пучком атомов цезия до насыщения поверхности. Нагревают образцы и измеряют полное число ионов, десорбирующихся с поверхности в диапазоне температур 1530-1930°С. Искомую долю площади, занятую графитовой пленкой, определяют расчетным путем. Разработанный способ позволяет увеличить чувствительность определения доли площади металла, занятой графитовой пленкой, на 3 порядка и достоверность получаемых результатов в 15 раз.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1543337

А1 (51) 5 G 01 И 27/62

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 44 17970/24-21 (22) 28.04,88 (46) 15.02.90. Бюл. Р 6 (71) Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе (72) Н.P.Галль, С.Н.Михайлов, Н.Насруллаев, Е.В.Рутьков и А.Я.Тонтегоде (53) 621.384(088.8) (56) Методы анализа поверхности./

/Под ред. А.Зандерны. М.: Мир, 1979, Зандберг Э.Я., Тонтегоде А.Я., Юсифов Ф.К. Журнал технической физики. 1972, т ° 42, с. 171-179.

Тонтегоде А.5I., Абдуилаев P.N., Юсифов Ф.К. Журнал технической физики. 1975, т. 45, в. 9, с. 1904-1914. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОЛИ.ПЛОЦАДИ

ПОВЕРХНОСТИ HETAJIJIA, ЗАНЯТОЙ АДСОРБИРОВАННОЙ МОНОСЛОЙНОЙ ГРАФИТОВОЙ ПЛЕНКОЙ

Изобретение относится к технической физике, в том числе к физике поверхностных явлений, и может быть использовано в научных исследованиях и в технологии тонких пленок для определения фазового состава углеродных пленок на начальных стадиях их роста.

Цель изобретения заключается в повьппении чувствительности и достоверности определения доли площади, занимаемой субмонослойной графитовой пленкой, адсорбированной на металле.

Способ заключается в помещении в вакуум образца и эталона, установке (57) Изобретение относится к технической физике, в частности к физике поверхностных явлений. Цель изобретения — повьппение чувствительности и достоверности определения доли площади, занимаемой монослойной графитовой пленкой, адсорбированной на металле.

Исследуемый образец и эталонный образец, покрытый графитовой пленкой, "находящиеся при 20-400 С, облучают пучком атомов цезия до насыщения поверхности. Нагревают образцы .и измеряют полное число ионов, десорбирующихся с поверхности в диапазоне температур 1530- 1930 С. Искомую долю площади, занятую графитовой пленкой, с

Ю определяют расчетным путем. Разработанный способ позволяет увеличить чувствительность определения доли площади металла, занятой графитовой пленкой, на 3 порядка и достоверность по.лучаемых результатов в 15 раз.

laeaL температур их рабочих поверхностей в определенном диапазоне, облучении пучком частиц, содержащих щелочнои металл, измерении числа ионов, десорбирующихся с указанных поверхностей, и определении искомого параметра расчетным путем, при этом устанавливают температуры в диапазоне 300-700 К рабочих поверхностей образца и эталона, выполненного в виде нанесенной на металлическую подложку графитовой пленки монослойной толщины, облучение упомянутых поверхностей проводят пучком атомов Ся до насыщения, после чего

1543337

45 производят их нагревание до 2200 К, измеряя при этом полное число ионов

Сз,десорбирующихся в интервале темо ператур 1800 †29 С, а искомую долю площади определяют из соотношения .Р

Нов В эт (1) Р И Б р где N N — полное число ионов, обР У зт десорбировавшихся с поверхности образца и эталона соответственно в температурном интервале 1800-2900 К; ОвР

Б, Ь вЂ” площадь рабочих по верхностей образца и эталона соответственно.

Способ основан на особых свойствах адсорбированных пленок углерода в форме графита — эти. пленки отстоят на значительном удалении от поверхности металла (3-4X) и связаны с ней лишь силами Ван-дер-Ваальса аналогично тому, как в монокристалле графита слои слабо связаны между собой и ото 25 стоят друг от друга на 3,3А. При определенных условиях в полость между графитовой пленкой и металлами могут диффундировать и накапливаться там атомы. Это позволяет при термодесорбции разделить атомы, десорбирующиеся с поверхности пленки и выходящие изпод нее, они десорбируются лишь при

Т 1800К при термическом разрушении графитовой пленки, Количество таких атомов позволяет судить о доле площади поверхности образца, занятой графитовой фазой углерода. Субмонослойные пленки адсорбированного углерода в любых иных химических состояниях—

Ю карбид, алмаз, аморфный углерод и др., Ъ не обладают описанными свойствами.

Эталон выполняют в виде нанесенной на металлическую подложку графитовой пленки монослойной толщины.

Наносимая углеродная пленка должна быть графитовой по своей структуре и быть расположена на подложке, так как только в этом случае образуется полость, где могут накапливаться адатомы Сз в (фазе, количество которых (W ) входит в соотношение для определения 9 „ . Подложка должна быть металлической, так как только в этом случае атомы Cs, десорбирующиеся при разрушении графитового слоя, ионизи- 55

1 руются с вероятностью .100Е, что позволяет с высокой точностью изме- . рить их число. И, наконец, адсорбированная графитовая пленка должна иметь монослойную толщину, т.е. покрывать всю рабочую поверхность эталона, и не иметь графитовых островков во втором слое, так как в противном случае появится неопределенность, связанная с десорбцией Cs из пространства между графитовыми слоями, что приведет к ошибкам в определении искомой доли площади 0 I ð

Необходимость установки одинаковых температур рабочих поверхностей образца и эталона в диапазоне 300-700 К oIIределяется тем, что режим заполнения атомами Сз полости между графитовой пленкой и поверхностью металла, так называемой фазы адсорбции, сильно зависит от температуры. При Т > 700 К все падающие на поверхность атомы Cs отражаются от нее и заполнения )"-фазы не происходит. При Т <300 К проникновение адатомов Cs под графитовый слой затруднено вследствие значительного уменьшения их подвижности. Необходимость установки одинаковых температур рабочих поверхностей образца и этало«а связана с необходимостью создания одинаковых поверхностных концентраций адатомов Cs в фазе. Таким образом, отклонение от указанных температурных режимов приведет к значительному ухудшению точности и чувствительности способа., так как число атомов Cs, попавших в -фазу прямо определяет полное

У+ число ионов Cs, десорбирующихся затем при подъеме температуры, которое входит в соотношение для вычисления Ip .

Необходимость облучения поверхностей образца и эталона пучком атомов Cs обусловлена следующи .

При попадании на поверхность металла, содержащую субмонослойную пленку графита (и возможно неуглеродные или углеродные пленки в иных, отличных. от графита химических состояниях) при температурах из указанного интервала атомы Cs прилипают к ней с коэффициентом 1 и распределяются по ней, причем часть их попадает в f -фазу и накапливается там. В дальнейшем при термическом разрушении графитовой пленки атомы цезия выйдут на поверхность и будут зарегистрированы в виде

Ф ионов Cs, по количеству которых судят об искомом параметре 3,, При нагреве Cs попавший в -фазу, может выйти из нее лишь при термическом разрушении графитового слоя при

5 15433

Т 1500 С, а по его количеству можно о, судить об искомом параметре 9 гр

Cs должен попадать на поверхность в виде атомов, так как только в этом случае он обладает достаточной по5 движностью для заполнения -фазы, и лишь в этом случае его удается использовать для определения 9

Рабочие поверхности образца и эталона облучают атомами Cs до наступления насыщения, Это необходимо для того, чтобы избежать неопределенности в количестве накопившегося в -фазе

Cs Иомент насьпцения определяют 15 по появлению обратного потока атомов

Cs отраженных от поверхности, рав-. ного падающему.

Необходимость произвести нагревание указанных поверхностей до Т)1800 К 20 связана с тем, что при 1800 К начинается, а при Т- 2200 К заканчивается термическое разр.шение графитового слоя, атомы Cs, находящиеся под слоем, в -фазе, выходят наружу, а по числу этих атомов, десорбирующихся в указанном интервале, судят о доле площади, занятой углеродом в фазе графита. Для ее точного и чувствительного определения необходимо измерить 30

+ полное число ионов Cs десорбирующихся в указанном интервале.

Число ионов Cs, десорбирующихся с поверхности эталона в указанном выше температурном интервале N

35 связано с площадью рабочей поверхности эталона S следующим соотношением:

И.= 8 (2) где n — поверхностная концентрация атомов Cs в -фазе. 40

Аналогично число ионов Cs десорбирующихся с поверхности образца Np аsp связано с площадью его рабочей поверхности S и долей этой площади, покрытой адсорбированной графитовой 45 пленкой, соотношением

ОБр ОБ Гр

Г (3) где 11t — поверхностная концентрация атомов Cs в -фазе.

Величина и 1 — концентрация атомов

Св в / -фазе, зависит лишь от темпера и уры при которой рабочие поверхности образца и эталона облучались пучком атомов Cs. Из (2) и (3) выводим соотношение для определения искомой доли площади

2р. 3 16 8 т (4)

Р Пэт Spsp

37 6 где И,N полное число ионов Cs

pÁ р десорбирующихся с поверхности образца и . эталона, соответственно.

Пример. Для реализации способа в вакуумном объеме в качестве образца помещали ленту из поликристаллического Ir толщиной 20 мкм, шириной 1,5 мм и длиной 4 см. В качестве эталона использовали ленту из поликристаллического рения толщиной

30 мкм, шириной 1,5 мм и длиной 4 см.

Нагрев лент производили путем пропускания через них электрического тока.

Наносили графитовую пленку монослойной толщины путем адсорбции на ленту паров бенэола при давлении - (5-7) " 10 Па, температуре ленты -1400 С в

-и о течение 20 мин. После этого производили откачку паров бензола, а температуру Ке ленты с находящейся на ее рабочей поверхности графитовой пленкой монослойной толщины устанавливали равной температуру Ir ленты !00 С. о

Ленты облучали пучком атомов Cs иэ специального источника, содержащего бихромат Сз, плотность пучка составляла 4, =1;10 ат/см с, средняя энер° 12 гия атомов Cs не превышала 0,05 эВ.

Иомент насыщения определяли по появлению потока отраженных от поверхности атомов, равного падающему. Облучение прекращали, перекрывая пучок атомов

Cs специальной заслонкой. Нагревание лент производили поочередно, пропуская через них электрический ток, а полное число десорбирующихся ионов ,Ф

Сз измеряли с помощью специальной коллекторной системы, обеспечивающей полный сбор покидающих поверхность ионов

Температуру поверхностей лент в процессе нагрева определяли оптическим микропироме тром "Py c". Полное число ионов, десорбировавшихся с поверхности Re эталона, составило N

13

+ эт

=7 10 ионов Cs . Полное число ионов, десорбировавшихся с Ir образца, зависело от количества нанесенного ранее углерода и степени его графитизации.

Так, при нанесении на Ir поверхность углерода в количестве 5 ° 10 ат и его полной графитизации, полное число ионов, десорбировавшихся в указанных условиях,.составило М =4 1О ионов

Ck . Из формулы (2) быпа вычислена доля площади образца, занятая субмо1543337

Формула из обре тения тервале температур

1800-2900 К;

Б г и 8 — площади рабочих поовР верхностей образца и эталона соответст-. венно.

Составитель 15.Кудрявцев

Техред А.Кравчук Корректор Л.Патай

Редактор M.Недолуженко

Заказ 398

Тираж 510

Подписное

BHHHIIH Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж 35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. сварила,101 г нослойной графитовой пленкой. Она составила

4.10 1 5 40

- 6" 10 гР 1,5 40 7 101> (5) таким образом доля площади пленки, которая может быть зарегистрирована предлагаемым способом, составила 5"

« 10 ппощади образца. Приведенный

6 пример показывает нижнюю границу ис- 10 комой доли площади, которая может быть измерена данным способом.

Предлагаемый способ по сравнению с .известными обеспечивает возможность повышения чувствительности определе- 15 ння площади субмонослойных графитовых пленок, адсорбированных на поверхность металла, более чем на 3 порядка и достоверности измерений более чем в, 1.0 раз, и дает возможность решения 20 ряда важных в научном и практическом отношении физико-химических задач, которые не могли быть решены известными способами.

Данный способ является простым и удобным в исследованиях гетерогенного

1 катализа, синтеза алмазных пленок и др., где требуется знание фазового сОстава адсорбироваиного углерода на начальных стадиях адсорбции.

Способ определения доли площади поверхности металла, занятой адсорби- 35 рОванной монослойной графитовой пленкой, включающий помещение в вакуум образца и эталона, облучение пучком частиц, содержащих щелочной металл, измерение числа ионов щелочного металла, десорбирующихся с упомянутых поверхностей, и определение доли площади расчетным путем, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения чувствительности и достоверности способа, устанавливают одинаковые температуры в диапазоне 300-700 К рабочих поверхностей образца и эталона, при этом эталон выполняют в виде нанесенной на металлическую подложку графитовой пленки монослойной толщины, в качестве пучка частиц используют пучок атомов Cs и облучение указанных поверхностей проводят до насыщения их атомами Cs после чего производят их нагревайие, измеряя при этом полное число ионов Cs десорбирующихся в интервале температур, а искомую долю площади 9 „ определяют из соотношения

1 4ы 8 эт

3, Р где N u N — полное число ионов

06Р цезия, десорбировавшихся с поверхности образца и эталона соответственно в ин