Билет 2 Вопрос 3

Необходимость сверхвысокого вакуума (СВВ) для исследования микро- и наноструктур. Понятие монослоя, степень покрытия, время образования монослоя на поверхности.

Для исследования твердых тел используется множество различных методов, например:

v Масс-спектроскопия и МС вторичных ионов,

v Электронная оже-спектроскопия,

v Просвечивающая электронная микроскопия,

v Растровая электронная микроскопия,

v Фотоэлектронная микроскопия,

v Сканирующая туннельная микроскопия,

v Атомно-силовая микроскопия,

 

которые позволяют получать исчерпывающую информацию о химическом составе, кристаллической структуре, распределении примесей и многих других свойствах, представляющих как чисто научный, так и практический интерес
(см. рис. 1).

 . 1. Схема расположения источников излучения и детекторов для исследования материалов. 1 – рабочая камера; 2 – источник для распыления; 3 – источник излучения; 4 – детектор; 5 – образец; 6 – вакуумная система.

На рис.1 представлены методы анализа практически любой возможной комбинацией источника излучения, а именно: электроны на входе и электроны на выходе или фотоны на входе и электроны на выходе. Многие камеры, в которых проводят исследования, содержат также средства для эрозии поверхности образца, такие как ионный распылитель, а также испарительную аппаратуру для нанесения в вакууме покрытий на чистую поверхность.

Современные технологические процессы, физические методы исследования поверхности твердых тел, новые технологии стимулируют развитие новых методов анализа элементного состава, кристаллической структуры, химических связей поверхностных слоев толщиной в несколько нанометров.

Однако для всех методов анализа поверхности необходимо выполнение одного условия, а именно: анализ поверхности должен осуществляться в сверхвысоком вакууме. Две основные причины этого:

Ø длина свободного пробега электронов, эмитированных поверхностью исследуемого образца, должна быть намного больше размеров спектрометра, чтобы на пути к анализатору они не претерпевали рассеяния и, тем самым, не были утрачены для анализа (10^-5 - 10^-6 Торр)

Ø результаты анализа весьма чувствительны к поверхностным загрязнениям любого рода (10^-9 - 10^-10 Торр)

 

Для сохранения атомарно чистой поверхности в процессе анализа или эксперимента необходимо поддерживать вакуум 10^-9 ¸ 10^-10 Торр. Это область сверхвысокого вакуума (СВВ). Современные вакуумные камеры из нержавеющей стали, магниторазрядные, турбомолекулярные и сорбционные насосы позволяют создать и поддерживать необходимое время требуемые условия вакуума.

     В зависимости от значения давления различают вакуум низкий, средний, высокий и сверхвысокий.

Рис. 2. Шкала степеней и областей вакуума

 

Моноатомный слой — внешний слой поверхности конденсированной фазы на её границе с др. фазой или с вакуумом.

Степень покрытия поверхности молекулами адсорбированных газов влияет на характер протекания поверхностных явлений: эмиссию электронов из твердого тела, поверхностный электрический разряд, сухое трение и износ, адгезию пленок и т.д.

Подробнее (Л.Н. Розанов – Вакуумная техника)- думаю, что врядли на экзамене спросят вывод, но если кому интересно, вот он:

Время формирования монослоя (wiki) — промежуток времени, который в среднем требуется на покрытие поверхности адсорбатом, к примеру кислородом. Если адсорбат имеет коэффициент прилипания равный 1 (то есть каждая молекула, которая достигает поверхности, осаждается на ней, а не отражается), то время формирования монослоя описывается формулой:

где t — это время в секундах, а P — давление в паскалях. Для того, чтобы покрыть поверхность при давлении 300 µPa (2×10⁻⁶ тор) требуется всего одна секунда.

Кинетические параметры молекул азота при различных давлениях:

Время образования 1 монослоя на поверхности при Р=1´10^-10 Торр и коэффициенте прилипания равным единице составляет ~ 1 час.