Эрозия поверхности игольчатых нанокристаллов под действием бомбардировки ионами инертных газов

Методом полевой ионной микроскопии исследована эрозия поверхности вольфрамовых автоэмиттеров, возникающая при низкоэнергетической ионной бомбардировке инертными газами. Установлено, что в радиационно-индуцированном изменении нанотопографии поверхности превалирующими являются процессы смещения поверх...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2013
Автори:	Дудка, О.В., Ксенофонтов, В.А., Мазилов, А.А., Мазилова, Т.И., Саданов, Е.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2013
Назва видання:	Металлофизика и новейшие технологии
Теми:	Строение и свойства наноразмерных и мезоскопических материалов
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/104095
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Эрозия поверхности игольчатых нанокристаллов под действием бомбардировки ионами инертных газов / О.В. Дудка, В.А. Ксенофонтов, А.А. Мазилов, Т.И. Мазилова, Е.В. Саданов // Металлофизика и новейшие технологии. — 2013. — Т. 35, № 3. — С. 407-418. — Бібліогр.: 15 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-104095
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1040952025-02-23T17:39:17Z Эрозия поверхности игольчатых нанокристаллов под действием бомбардировки ионами инертных газов Erosion of Acicular Nanocrystals Surface under Bombardment by Inert Gases Ions Дудка, О.В. Ксенофонтов, В.А. Мазилов, А.А. Мазилова, Т.И. Саданов, Е.В. Строение и свойства наноразмерных и мезоскопических материалов Методом полевой ионной микроскопии исследована эрозия поверхности вольфрамовых автоэмиттеров, возникающая при низкоэнергетической ионной бомбардировке инертными газами. Установлено, что в радиационно-индуцированном изменении нанотопографии поверхности превалирующими являются процессы смещения поверхностных атомов в низкокоординированные положения. Отмечается, что смещённые поверхностные атомы могут играть существенную роль в процессах катодного распыления и поверхностной самодиффузии, активированной низкоэнергетической ионной бомбардировкой. Методом польової іонної мікроскопії досліджено ерозію поверхні вольфрамових автоемітерів, що виникає при низькоенергетичному іонному бомбардуванні інертними газами. Встановлено, що в радіаційно-індукованій зміні поверхневої нанотопографії превалюють процеси зсуву поверхневих атомів у низькокоординовані положення. Відзначається, що зміщені поверхневі атоми можуть виконувати істотну роль у процесах катодного розпорошення і поверхневої самодифузії, активованої низькоенергетичним іонним бомбардуванням. The surface erosion of tungsten field emitters induced by low-energy ion bombardment with inert gases is investigated, using field-ion microscopy. As shown, the displacement of surface atoms to the low-coordinated position is a prevailing process for the nanotopography changes under irradiation. As noted, the displaced surface atoms can play an essential role in the processes of the cathode sputtering and surface self-diffusion activated with lowenergy ion bombardment. Авторы выражают благодарность проф. И. М. Михайловскому за полезные обсуждения и постоянное внимание к работе. 2013 Article Эрозия поверхности игольчатых нанокристаллов под действием бомбардировки ионами инертных газов / О.В. Дудка, В.А. Ксенофонтов, А.А. Мазилов, Т.И. Мазилова, Е.В. Саданов // Металлофизика и новейшие технологии. — 2013. — Т. 35, № 3. — С. 407-418. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 1024-1809 PACS numbers: 61.80.Jh, 61.82.Bg, 61.82.Rx, 66.30.Fq, 68.37.Vj, 79.20.Rf https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/104095 ru Металлофизика и новейшие технологии application/pdf Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Строение и свойства наноразмерных и мезоскопических материалов Строение и свойства наноразмерных и мезоскопических материалов
spellingShingle	Строение и свойства наноразмерных и мезоскопических материалов Строение и свойства наноразмерных и мезоскопических материалов Дудка, О.В. Ксенофонтов, В.А. Мазилов, А.А. Мазилова, Т.И. Саданов, Е.В. Эрозия поверхности игольчатых нанокристаллов под действием бомбардировки ионами инертных газов Металлофизика и новейшие технологии
description	Методом полевой ионной микроскопии исследована эрозия поверхности вольфрамовых автоэмиттеров, возникающая при низкоэнергетической ионной бомбардировке инертными газами. Установлено, что в радиационно-индуцированном изменении нанотопографии поверхности превалирующими являются процессы смещения поверхностных атомов в низкокоординированные положения. Отмечается, что смещённые поверхностные атомы могут играть существенную роль в процессах катодного распыления и поверхностной самодиффузии, активированной низкоэнергетической ионной бомбардировкой.
format	Article
author	Дудка, О.В. Ксенофонтов, В.А. Мазилов, А.А. Мазилова, Т.И. Саданов, Е.В.
author_facet	Дудка, О.В. Ксенофонтов, В.А. Мазилов, А.А. Мазилова, Т.И. Саданов, Е.В.
author_sort	Дудка, О.В.
title	Эрозия поверхности игольчатых нанокристаллов под действием бомбардировки ионами инертных газов
title_short	Эрозия поверхности игольчатых нанокристаллов под действием бомбардировки ионами инертных газов
title_full	Эрозия поверхности игольчатых нанокристаллов под действием бомбардировки ионами инертных газов
title_fullStr	Эрозия поверхности игольчатых нанокристаллов под действием бомбардировки ионами инертных газов
title_full_unstemmed	Эрозия поверхности игольчатых нанокристаллов под действием бомбардировки ионами инертных газов
title_sort	эрозия поверхности игольчатых нанокристаллов под действием бомбардировки ионами инертных газов
publisher	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
publishDate	2013
topic_facet	Строение и свойства наноразмерных и мезоскопических материалов
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/104095
citation_txt	Эрозия поверхности игольчатых нанокристаллов под действием бомбардировки ионами инертных газов / О.В. Дудка, В.А. Ксенофонтов, А.А. Мазилов, Т.И. Мазилова, Е.В. Саданов // Металлофизика и новейшие технологии. — 2013. — Т. 35, № 3. — С. 407-418. — Бібліогр.: 15 назв. — рос.
series	Металлофизика и новейшие технологии
work_keys_str_mv	AT dudkaov éroziâpoverhnostiigolʹčatyhnanokristallovpoddejstviembombardirovkiionamiinertnyhgazov AT ksenofontovva éroziâpoverhnostiigolʹčatyhnanokristallovpoddejstviembombardirovkiionamiinertnyhgazov AT mazilovaa éroziâpoverhnostiigolʹčatyhnanokristallovpoddejstviembombardirovkiionamiinertnyhgazov AT mazilovati éroziâpoverhnostiigolʹčatyhnanokristallovpoddejstviembombardirovkiionamiinertnyhgazov AT sadanovev éroziâpoverhnostiigolʹčatyhnanokristallovpoddejstviembombardirovkiionamiinertnyhgazov AT dudkaov erosionofacicularnanocrystalssurfaceunderbombardmentbyinertgasesions AT ksenofontovva erosionofacicularnanocrystalssurfaceunderbombardmentbyinertgasesions AT mazilovaa erosionofacicularnanocrystalssurfaceunderbombardmentbyinertgasesions AT mazilovati erosionofacicularnanocrystalssurfaceunderbombardmentbyinertgasesions AT sadanovev erosionofacicularnanocrystalssurfaceunderbombardmentbyinertgasesions
first_indexed	2025-11-24T04:07:45Z
last_indexed	2025-11-24T04:07:45Z
_version_	1849643254075621376
fulltext	407 PACS numbers: 61.80.Jh, 61.82.Bg, 61.82.Rx, 66.30.Fq, 68.37.Vj, 79.20.Rf Эрозия поверхности игольчатых нанокристаллов под действием бомбардировки ионами инертных газов О. В. Дудка, В. А. Ксенофонтов, А. А. Мазилов, Т. И. Мазилова, Е. В. Саданов ННЦ «Харьковский физико-технический институт» НАН Украины, ул. Академическая, 1, 61108 Харьков, Украина Методом полевой ионной микроскопии исследована эрозия поверхности вольфрамовых автоэмиттеров, возникающая при низкоэнергетической ионной бомбардировке инертными газами. Установлено, что в радиаци- онно-индуцированном изменении нанотопографии поверхности превали- рующими являются процессы смещения поверхностных атомов в низко- координированные положения. Отмечается, что смещённые поверхност- ные атомы могут играть существенную роль в процессах катодного рас- пыления и поверхностной самодиффузии, активированной низкоэнерге- тической ионной бомбардировкой. Методом польової іонної мікроскопії досліджено ерозію поверхні вольф- рамових автоемітерів, що виникає при низькоенергетичному іонному бо- мбардуванні інертними газами. Встановлено, що в радіаційно-індукова- ній зміні поверхневої нанотопографії превалюють процеси зсуву поверх- невих атомів у низькокоординовані положення. Відзначається, що змі- щені поверхневі атоми можуть виконувати істотну роль у процесах като- дного розпорошення і поверхневої самодифузії, активованої низькоенер- гетичним іонним бомбардуванням. The surface erosion of tungsten field emitters induced by low-energy ion bombardment with inert gases is investigated, using field-ion microscopy. As shown, the displacement of surface atoms to the low-coordinated position is a prevailing process for the nanotopography changes under irradiation. As noted, the displaced surface atoms can play an essential role in the processes of the cathode sputtering and surface self-diffusion activated with low- energy ion bombardment. Ключевые слова: поверхность вольфрама, эрозия, смещённые поверх- ностные атомы, низкоэнергетическая ионная бомбардировка, полевая ионная микроскопия. Металлофиз. новейшие технол. / Metallofiz. Noveishie Tekhnol. 2013, т. 35, № 3, сс. 407—418 Оттиски доступны непосредственно от издателя Фотокопирование разрешено только в соответствии с лицензией © 2013 ИМФ (Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины) Напечатано в Украине. 408 О. В. ДУДКА, В. А. КСЕНОФОНТОВ, А. А. МАЗИЛОВ и др. (Получено 24 декабря 2012 г.) 1. ВВЕДЕНИЕ Явление распыления представляет собой процесс удаления атомов с поверхности твердых тел, подвергаемых низкоэнергетической ион- ной бомбардировке [1, 2]. Используемый в большом количестве приложений этот физический процесс является фундаментальным инструментом создания тонких пленок и покрытий напылением, анализа и очистки поверхности, определения локального химиче- ского состава материала, микрообработки и формирования наноре- льефа поверхности. В связи с этим основное внимание было сфоку- сировано на расчетах и экспериментальном определении коэффи- циентов распыления, а также установлении распределений по энер- гиям и углам распыленных частиц. Однако для многих приложе- ний также важным является явление поверхностной диффузии, индуцированной ионной бомбардировкой [3—6]. Интерес к исследо- ванию этого явления, прежде всего, связан с развитием вакуумной микроэлектроники, сканирующей туннельной микроскопии и созда- нием когерентных источников ионов и электронов с локализованной эмиссией [6—9]. Изменение рельефа поверхности микрозондов и игольчатых полевых эмиттеров в процессе эксплуатации в значи- тельной мере определяется радиационно-стимулированными диффу- зионными процессами и катодным распылением, которые являются следствием ионной бомбардировки в условиях технического вакуума. Несмотря на то, что явление поверхностной миграции, активирован- ной ионной бомбардировкой, исследуется на протяжении нескольких десятилетий, его атомный механизм и относительный вклад в эрозию поверхности остается недостаточно изученным. В настоящей работе методами полевой ионной микроскопии исследовалось влияние облу- чения низкоэнергетическими ионами гелия и неона на микротопо- графию поверхности игольчатых вольфрамовых нанокристаллов. 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА 2.1. Аппаратура и образцы для исследования Эксперименты проводились в двухкамерном полевом ионном мик- роскопе с охлаждением образцов до 21—80 К [10]. Использовались игольчатые образцы с радиусами кривизны 20—100 нм, полученные методом электролитического травления. После установки в микро- скоп образцы подвергались низкотемпературному полевому испа- рению до формирования атомно-гладкой поверхности. Напряжен- ЭРОЗИЯ ПОВЕРХНОСТИ ИГОЛЬЧАТЫХ НАНОКРИСТАЛЛОВ 409 ность поля, необходимая для работы микроскопа, создавалась по- дачей на образец постоянного напряжения в интервале 4—22 кВ с возможностью одновременного наложения переменного напряже- ния амплитудой в пределах 2—20 кВ. Каждое из напряжений имело независимую регулировку, что позволяло проводить не только ана- лиз, но и облучение непосредственно в камере микроскопа, обеспе- чивая имитацию условий катодного распыления. Облучение осу- ществлялось при подаче на образец только переменного напряже- ния. В момент отрицательного полупериода возникала холодная автоэлектронная эмиссия при напряженностях поля Е = (2—4)⋅109 B/м, которая происходила в присутствии изображающих газов – гелия или неона. Поток эмитированных электронов производил ионизацию атомов изображающего газа, которые ускорялись в сто- рону игольчатых эмиттеров и бомбардировали поверхность. Ам- плитуда переменного напряжения выбиралась таким образом, что- бы обеспечить плотность автоэлектронного тока в интервале 104— 106 А/cм2. Общий ток, проходящий через вершины игольчатых об- разцов, составлял 10 −8—10 −6 А. Интенсивность ионной бомбардиров- ки и энергетический спектр падающих частиц при автоэлектрон- ном режиме микроскопа определялись с помощью методики, раз- работанной в работе [11]. Напряженность электрического поля определялась из отношения рабочего напряжения к пороговому напряжению испарения грани {110} вольфрама при 77 К, соответ- ствующему известной напряженности электрического поля – 5,7⋅1010 B/м. В проводившихся экспериментах по автоэлектронной эмиссии средняя энергия W падающих на поверхность частиц варьировалась в пределах 100—450 эВ. Максимальная энергия бомбардирующих ионов Wmax в пять—семь раз превышала среднее значение <W>. После облучения автоэмиттеров полярность напряжения изменялась на обратную, и уже в ионном режиме производился анализ эрозии по- верхности, вызванной радиационным воздействием. Часть экспери- ментов по облучению выполнялись в том же двухкамерном полевом ионном микроскопе, снабжённом источником моноэнергетических ускоренных атомов [12]. Образцы подвергались бомбардировке нейтральными атомами гелия с энергией 2—7 кэВ и интенсивностью (5—20)⋅1011 атом/(см2⋅с). Общий ток на выходе ионного источника со- ставлял 0,5—1,0 мкА, а плотность тока – 1,5—3,0 мкА/см2. При этом диаметр пучка вблизи образца был около 5 мм, что упрощало юсти- ровку системы. Нейтрализация ускоренных ионов, необходимая для бомбардировки образцов без снятия высокого напряжения, осуществ- лялась в камере перезарядки, представляющей собой узкий металли- ческий канал. Это позволило проводить исследования радиационных нарушений непосредственно в процессе их возникновения. Бомбарди- ровка осуществлялась перпендикулярно оси образцов. В большинстве 410 О. В. ДУДКА, В. А. КСЕНОФОНТОВ, А. А. МАЗИЛОВ и др. случаев оси совпадали с кристаллографическим направлением <110>. 2.2. Определение интенсивности бомбардировки эмиттеров в процессе отбора автоэлектронного тока Проведение количественного анализа поверхностных нарушений, воз- никающих при низкоэнергетическом облучении, и корректная срав- нительная оценка полученных результатов с данными других авторов требует точного знания количества падающих на поверхность частиц и их энергетического спектра. С этой целью были проведены аналитиче- ские расчеты конфигурации электрического поля в окрестности образ- ца и условий попадания ускоренных ионов на вершину эмиттеров. В соответствии с рассмотрением, проведенным в работах [11, 13], конфигурация поверхности игольчатого эмиттера аппроксимиро- валась одной из эквипотенциалей электрического поля, создавае- мого заряженной полубесконечной нитью. Потенциал равномерно заряженной нити, расположенной вдоль отрицательной полуоси z с точечным зарядом на ее вершине, равен 2 2 1/2 00 ( ) ( , , ) , 4 [( ) ] d z z ∞ τ ξ ξϕ ρ θ = πε + ξ + ρ (1) где ε0 – электрическая постоянная, равная 8,8542⋅10 −12 Ф/м, ξ – текущая координата вдоль заряженной нити, τ(ξ) – линейная плотность заряда, удовлетворяющая условию конечности напря- женности поля и задаваемая уравнением ( ) ( )qτ ξ = τ + δ ξ , (2) где τ и q – постоянные, задающие величину заряда на вершине ни- ти и линейную плотность заряда, соответственно. В безразмерных координатах 0 /rγ = ρ и 0 /z rη = , (3) где r0 – радиус кривизны острия. Вводя параметр 0 / ,q rω = τ (4) в результате интегрирования выражения (1) получим: 2 2 1/2 2 2 k k A ( , , ) ( ) ln( ) . V z C C C − ϕ ρ θ = − ω γ + η + γ + η + η  − (5) Здесь константы Ck и CA задают положение эквипотенциалей, соответ- ЭРОЗИЯ ПОВЕРХНОСТИ ИГОЛЬЧАТЫХ НАНОКРИСТАЛЛОВ 411 ствующих конфигурации острийного образца и тянущего электрода, V – разность потенциалов между образцом и экраном. Эквипотенци- аль, задающая форму поверхности острия, выражается соотношением 2 2 1/2 2 2 k ( ) ln( ) C−ω γ + η − γ + η + η = , (6) а конфигурационные константы равны k ln2C = ω − и A max max / ln2C = ω η − η . (7) Напряженность поля на вершине эмиттера может быть представ- лена в виде: [ ]0 0 max ( 1) . ( ln2) ln2 V F r ω += ω − + η (8) Для параболического острия, как известно, справедливо соотношение [14] ( )0 0 0 0 2 , ln 2 / V F r R r ≅ (9) где R0 – величина межэлектродного расстояния. Сопоставляя соотношения (8) и (9) при значении параметра аппрок- симации ω = 2, соответствующем параболической конфигурации острия, получаем, что результаты расчетов напряженности поля по этим уравнениям близки; это указывает на применимость аппроксима- ции формы образца эквипотенциалью, описываемой соотношением (1). Расчеты, проведенные в работах [3, 11], показали, что вклад в ионную бомбардировку эмитирующей поверхности вносят ионы, образовавшиеся вблизи поверхности острия, либо в области близ- кой к оси симметрии. Для числа ионов N, бомбардирующих по- верхность в единицу времени применимо соотношение [11] 30 BS 0 2 ( ), jp N k r V kT e = π σ (10) где kBS – безразмерный коэффициент интенсивности бомбардиров- ки, р – давление газа, k – постоянная Больцмана, Т – температура газа, j0 – плотность электронного тока на поверхности острия, σ – сечение ионизации атомов газа. В работе [11] этот коэффициент был рассчитан только для r0 = 100 нм. Проведены расчеты для эмиттеров с различными радиусами кри- визны у вершины в интервале 10—100 нм, размеры которых отве- чают типичным условиям ионно-микроскопических эксперимен- тов. На рисунке 1 приведена зависимость коэффициента интенсив- ности бомбардировки kBS, определяющего полное число ионов, бом- 412 О. В. ДУДКА, В. А. КСЕНОФОНТОВ, А. А. МАЗИЛОВ и др. бардирующих полусферическую часть образца в единицу времени, от радиуса кривизны острия у вершины. Как следует из приведенного графика, коэффициент kBS суще- ственно зависит от размеров эмиттера. Максимальное значение kBS, в соответствии с результатами расчетов [11] для r0 = 100 нм, равно 14,4. Результаты расчетов использовались для определения потока падающих на образец ионов. 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ОБСУЖДЕНИЕ При облучении образцов в автоэлектронном режиме среднее значе- ние энергии ионов, бомбардирующих исследуемую часть образца, лежало в интервале 80—450 эВ. Дозы менялись в пределах 1011— 1016 ион/см 2. На рисунке 2 приведены полевые ионные изображе- ния игольчатого эмиттера с радиусом кривизны у вершины 17 нм до (а) и после (б) облучения ионами гелия со средней энергией 85 эВ до флюенса 5⋅1012 ион/cм 2 при 21 К. Максимальное значение энергии ионов гелия Wmax в этом эксперименте составляло 425 эВ. Облучение ионами гелия приводило к нарушению регулярности расположения атомов на поверхности. На изображении появлялись хаотически рас- пределенные центры повышенной яркости, большинство из которых представляло собой отдельные атомы, смещенные в положения с по- ниженными значениями поверхностных координационных чисел. Та- Рис. 1. Зависимость коэффициента интенсивности бомбардировки ионами гелия вершины острия от радиуса кривизны эмиттера. ЭРОЗИЯ ПОВЕРХНОСТИ ИГОЛЬЧАТЫХ НАНОКРИСТАЛЛОВ 413 кие атомы характеризуются повышенной локальной напряженностью поля, что и объясняет их высокий ионно-микроскопический контраст. При облучении в автоэлектронном режиме значения энергии падаю- щих частиц <W> и Wmax были ниже порогового значения энергии, не- обходимой для образования атомами гелия стабильных френкелев- ских пар точечных дефектов (450 эВ [1]). С увеличением средней энер- гии ионов гелия отношение поверхностной плотности атомов, смещен- ных в низкокоординированные положения монотонно растет (рис. 3). Кроме облучения гелием, в автоэлектронном режиме, было про- ведено облучение ионами неона. На рисунке 4 приведены ионно- микроскопические изображения игольчатого нанокристалла воль- фрама радиусом 24 нм, сформированного полевым испарением при 77 К, до (а) и после (б) облучения ионами неона со средней энергией 120 эВ до флюенса 2⋅1012 ион/cм 2. После бомбардировки ионами неона, так же как и после облуче- ния ионами гелия наблюдается нарушение регулярности в распо- ложении поверхностных атомов. На изображении регистрируются центры повышенной яркости, представляющие собой атомы воль- фрама, смещенные вдоль поверхности. Расположение таких атомов на поверхности характеризуется случайным распределением. С уве- личением средней энергии падающих частиц поверхностная плот- ность смещенных атомов возрастает. На рисунке 5 показаны зависи- мости приведенных к дозе ni значений поверхностной плотности смещенных атомов ns от средней энергии ионов He и Ne. Для сравне- ния, на том же рисунке, приведены энергетические зависимости ко- эффициентов распыления вольфрама ионами гелия и неона [1]. а б Рис. 2. Ионно-микроскопические изображения острийного эмиттера до (а) и после (б) облучения ионами гелия до флюенса 5⋅1012 ион/cм2. 414 О. В. ДУДКА, В. А. КСЕНОФОНТОВ, А. А. МАЗИЛОВ и др. Из сравнения данных, приведенных на рис. 5, следует, что при облучении низкоэнергетическими ионами гелия и неона экспери- ментально наблюдаемая скорость эрозии поверхности вольфрама, связанная с поверхностными смещениями атомов решетки, суще- ственно превышает эрозию поверхности, которую следует ожидать Рис. 3. Зависимость отношения поверхностной плотности центров повы- шенной яркости ns к числу упавших на поверхность ионов ni от средней энергии ионов гелия. а б Рис. 4. Ионно-микроскопические изображения острийного эмиттера до (а) и после (б) облучения ионами неона до флюенса 2⋅1012 ион/cм2. ЭРОЗИЯ ПОВЕРХНОСТИ ИГОЛЬЧАТЫХ НАНОКРИСТАЛЛОВ 415 только от процессов распыления, т.е. в области энергий падающих частиц, соответствующей сотням электрон-вольт, на один акт уда- ления атома с поверхности приходится до 102 поверхностных сме- щений, которые играют основную роль в структурном разупорядо- чении поверхности при облучении. Данный вывод важен для рас- смотрения процессов поверхностного массопереноса при радиаци- онном воздействии. Отметим, что основная масса смещенных вдоль поверхности атомов оказывается в низкокоординированных поло- жениях, характеризуемых пониженной энергией связи с решеткой и низким миграционным барьером. Поэтому естественным кажется утверждение, что именно эти атомы будут принимать преимуще- ственное участие не только в процессах поверхностной самодиффу- зии, но и распыления. При этом наиболее вероятно, что процесс распыления не является одноактным и должен иметь латентную стадию, связанную с накоплением смещенных атомов. Впервые наблюдаемый на атомном уровне эффект латерального смещения атомов может быть описан в терминах полуфеноменологической модели поверхностной самодиффузии, активированной низкоэнер- гетической ионной бомбардировкой [3—5]. С целью изучения элементарных актов взаимодействия быстрых частиц с поверхностью кристаллов, вызывающих нарушения атом- ной топографии, проводились эксперименты с облучением образцов непосредственно в процессе наблюдения. Игольчатые нанокристал- лы вольфрама бомбардировались нейтральными атомами гелия, Рис. 5. Приведенные к флюенсу бомбардирующих ионов значения поверх- ностной плотности смещенных атомов и коэффициенты распыления S вольфрама в зависимости от средней энергии ионов гелия и неона. 416 О. В. ДУДКА, В. А. КСЕНОФОНТОВ, А. А. МАЗИЛОВ и др. ускоренными внутри камеры полевого ионного микроскопа до энергии 7 кэВ, по методике, описанной в работе [12]. На рисунке 6 приведены ионно-микроскопические изображения вольфрамового острия, демонстрирующие состояние поверхности до (а) и после (б) облучения до флюенса 9⋅1011 атом/см2. Направле- ние облучения (сверху вниз) в пределах ±3° совпадает с кристалло- графическим направлением ]511[ , которое лежит в плоскости (110), являющейся наиболее плотноупакованной в вольфраме. Каждый акт попадания ускоренного атома на образец сопровож- дался одновременным (по реакции глаза) появлением на изображе- нии одного или нескольких ярких атомов, претерпевших смещения в низкокоординированные метастабильные положения. Повышен- ный точечный эмиссионный контраст таких атомов был обусловлен их позицией на поверхности, характеризуемой локально высокой напряженностью поля [14]. Изображения на рисунках 6, а, б демонстрируют единичный акт попадания ускоренного атомов в образец, в результате которого об- разовалась пространственно локализованная группа смещенных поверхностных атомов. Возникшее нарушение характеризуется ра- диально убывающей зависимостью количества смещенных атомов. Участки поверхности, где произошли существенные поверхностные изменения, на рис. 6, б отмечены тремя окружностями, ограничи- вающими области с различной концентрацией смещенных атомов. Концентрация таких атомов в центральном круге (1) составляет 5,9⋅1013 атом/см2, что существенно превышает плотность наруше- ний на остальной части исследуемой поверхности нанокристалла. Поверхностные плотности повреждения на участках между первой и второй окружностями составляет 2,2⋅1013 атом/см2 и между вто- а б Рис. 6. Ионно-микроскопические изображения острийного эмиттера до (а) и после (б) облучения вольфрамового острия ионами гелия с энергией 5,0 кэВ. ЭРОЗИЯ ПОВЕРХНОСТИ ИГОЛЬЧАТЫХ НАНОКРИСТАЛЛОВ 417 рой и третьей – 1,1⋅1013 атом/см2. Центры окружностей 2 и 3 сме- щены относительно центра первой окружности приблизительно вдоль направления ]311[ , близкого к направлению облучения ]511[ . Такая предпочтительная вытянутость вдоль направления бомбардирующего пучка была характерна и для других наблюдав- шихся групп смещенных поверхностных атомов. Как правило, большинство вытянутых групп были ориентированы под углами менее 45° к направлению облучения. Вероятность образования групп атомов, показанных на рис. 6, б, в результате статистически независимых последовательных попаданий ускоренных атомов гелия в одну и ту же область исчезающе мала (по- рядка 10 −10). Таким образом, можно сделать вывод о том, что каждая такая группа смещенных поверхностных атомов образуется в ре- зультате единичного акта взаимодействия ускоренного атома гелия с нанокристаллом. Суммарное количество смещенных поверхностных атомов в группе (внутри окружности 3 на рис. 6, б), соответствующее единичному радиационному воздействию равно 23. Это значение бо- лее чем на два порядка превосходит величину коэффициента распы- ления вольфрама ионами гелия с энергией 5 кэВ [15] и может быть следствием прохождения приповерхностного каскада. В этом случае наблюдаемое распределение поверхностных атомов можно тракто- вать как суммарный результат динамического и диффузионного мас- сопереноса из первичной области радиационного возмущения с ха- рактерными путями до 6 нм (радиус окружности 3 на рис. 6, б). 4. ВЫВОДЫ Таким образом, проведенные в настоящей работе наблюдения эле- ментарных актов взаимодействия ускоренных ионов He с атомно- гладкой поверхностью показывают, что доминирующим фактором радиационно-индуцированной эрозии поверхности является смеще- ние, а не удаление (распыление) поверхностных атомов. Наблюдае- мая с помощью атомной топографии эрозия поверхности вольфрама более чем на два порядка превышает эрозию поверхности, связанную с катодным распылением материала. Обнаружена предпочтительная вытянутость поверхностных нарушений, связанных со смещенными атомами, вдоль направления бомбардирующего пучка. Авторы выражают благодарность проф. И. М. Михайловскому за полезные обсуждения и постоянное внимание к работе. ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой. Вып. II (Ред. Р. Бериш) (Москва: Мир: 1986). 2. R. F. Egerton, R. McLeod, F. Wang, and M. Malac, Ultramicroscopy, 110: 991 418 О. В. ДУДКА, В. А. КСЕНОФОНТОВ, А. А. МАЗИЛОВ и др. (2010). 3. Ж. И. Дранова, И. М. Михайловский, ФТТ, 13, № 2: 553 (1971). 4. J. Y. Cavaille and M. Drechsler, Surf. Sci., 75: 342 (1978). 5. P. R. Schwoebel, J. Appl. Phys., 64: 2359 (1988). 6. I. P. Jain and G. Agarwal, Surf. Sci. Reports, 66, No. 3—4: 77 (2011). 7. J. P. Allain, M. Nieto, A. Hassanein et al., Proc. SPIE, 6151: 615131 (2006). 8. Г. Н. Фурсей, Д. В. Глазанов, Л. М. Баскин и др., Вакуумная микроэлек- троника, 26, № 2: 89 (1997). 9. M. A. Makeev, R. Cuerno, and A.-L. Barabasi, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B, 197: 185 (2002). 10. I. M. Mikhailovskij, E. V. Sadanov, T. I. Mazilova et al., Phys. Rev. B, 80: 165404 (2009). 11. П. А. Березняк, В. В. Слезов, Радиотехника и электроника, 17, № 2: 354 (1972). 12. I. M. Neklyudov, E. V. Sadanov, G. D. Tolstolutskaja et al., Phys. Rev. B, 78, 115418 (2008). 13. О. А. Великодная, В. А. Гурин, И. В. Гурин и др., Письма в ЖТФ, 33: 90 (2007). 14. M. K. Miller, A. Cerezo, M. G. Heatherington, and G. D. W. Smith, Atom Probe Field Ion Microscopy (Oxford: Clarendon: 1996). 15. J. Roth, I. Bohdansky, and A. P. Martinelli, Radiat. Eff., 48: 213 (1980).

Эрозия поверхности игольчатых нанокристаллов под действием бомбардировки ионами инертных газов

Репозитарії

Схожі ресурси