Главная » 2014 » Июль » 30 » Скачать Влияние адсорбции молекул из газовой среды и объемной фазы на поверхностные свойства Р-металлов и их бинарных сплавов. Калажоков, бесплатно
04:18
Скачать Влияние адсорбции молекул из газовой среды и объемной фазы на поверхностные свойства Р-металлов и их бинарных сплавов. Калажоков, бесплатно
Влияние адсорбции молекул из газовой среды и объемной фазы на поверхностные свойства Р-металлов и их бинарных сплавов
Диссертация
Автор: Калажоков, Заур Хамидбиевич
Название: Влияние адсорбции молекул из газовой среды и объемной фазы на поверхностные свойства Р-металлов и их бинарных сплавов
Справка: Калажоков, Заур Хамидбиевич. Влияние адсорбции молекул из газовой среды и объемной фазы на поверхностные свойства Р-металлов и их бинарных сплавов : диссертация кандидата физико-математических наук : 01.04.07 Нальчик, 2006 163 c. : 61 06-1/992
Объем: 163 стр.
Информация: Нальчик, 2006
Содержание:
Основные обозначения
Введение
I Обзор литературы по изучению кинетики адсорбции компонентов на границах фаз
11 Теоретические исследования кинетики адсорбции в системе поверхность-газовая фаза
12 Экспериментальное исследование кинетики адсорбции на поверхности чистых металлов и бинарных сплавов
13 Кинетика процесса адсорбции из объема
14 Ориентационная зависимость поверхностных характеристик металлов53 150 влиянии газовой среды и плазмы на поверхностное натяжение жидких металлов
Выводы по первой главе
II Теоретическое описание процесса адсорбции
21 Вводные замечания
22 Уравнения начальной стадии адсорбции молекул из газовой фазы на однородной поверхности
23 О времени адсорбционной релаксации поверхности
24 Зависимость времени адсорбционной релаксации от параметров поверхности и условий опыта
25 Изменение энергетических параметров поверхности в процессе ее адсорбционной релаксации
26 Уравнение кинетики адсорбции компонентов в бинарных расплавах
Выводы по второй главе
III Экспериментальная техника и методика изучения кинетики адсорбции на поверхности чистых р-металлов 31 Условия, необходимые для проведения опытов по кинетике адсорбции молекул из газовой фазы на поверхности металлов
32 Экспериментальная установка для комплексного исследования поверхности методами электронной оже-спектроскопии и работы выхода электрона
33 Методики анализа поверхности методами электронной оже-спектроскопии и масс-спектрометрии потоков частиц с поверхности
34 Методики подготовки поверхности для изучения адсорбции
35 Узел экспериментальной установки для определения изменений работы выхода электрона
Выводы по третьей главе
IV Исследование кинетики адсорбции кислорода на поверхности р-металлов
41 Кинетика адсорбции молекул кислорода на поверхности индия, олова, свинца и таллия
42 Методики обработки кинетических кривых работы выхода электрона и обсуждение результатов опыта
43 О чистоте поверхности, полученной в предварительно откачанных системах
44 Адсорбционная релаксация системы поверхность-газовая фаза и ее влияние на величины параметров поверхности
45 Ориентационная зависимость адсорбции на металлической поверхности
46 Вклад газовой фазы в температурный коэффициент поверхностного натяжения и работы выхода электрона чистых металлов
Выводы по четвертой главе
Введение:
Актуальность темы. Развитие современной науки и техники характеризуется тенденцией к микроминиатюризации элементов электронной техники (переход к нанотехнологиям), размеры которых составляют десятые и сотые доли микрометра. Очевидно, что при этих условиях вклад поверхности в различные физические свойства материалов резко возрастает. На многие свойства микро- и наноразмерных элементов оказывают влияние процессы, происходящие на их поверхностях в начальный период их формирования, например, процессы адсорбции и диффузии молекул, перераспределение компонентов в поверхностном слое вплоть до установления равновесия в системе. С другой стороны, анализ литературных данных по таким важным характеристикам поверхности как адсорбция и десорбция, поверхностное натяжение (ПН) и работа выхода электрона (РВЭ), состав поверхностного слоя и др. показывает значительное расхождение (до 25%) экспериментальных данных различных авторов. При этом наибольший разброс данных наблюдается как в области малых остаточных давлений от газовой среды от 1 • 10"^ до 1 • 10'^ Па, так и в области малых концентраций поверхностно-активного компонента в конденсированной среде. Такие расхождения отмечаются в литературе давно, но пока нет однозначного и убедительного ответа на данный вопрос, что требует дальнейшего исследования проблемы.В связи с изложенным становится очевидной актуальность теоретического и экспериментального изучения кинетики начального этапа процесса адсорбции молекул как из газовой фазы, так и из объема, исследования кинетики адсорбционных процессов на свободной поверхности материалов.Цель работы - теоретическое и экспериментальное исследование начального этапа процесса адсорбции компонентов из газовой фазы и из объема на поверхности чистых р-металлов, установление влияния адсорбционных процессов на их поверхностные свойства.Для реализации поставленной цели решались следуюш;ие задачи: 1. В рамках адсорбционной модели Ленгмюра, решить общее уравнение кинетики для двух видов адсорбции молекул из газовой фазы - диссоциативной и недиссоциативной адсорбции; уточнить кинетические коэффициенты, получить выражения для постоянной адсорбции (кр) и равновесного коэффициента заполнения поверхности молекулами (вд) в зависимости от условий опыта и параметров поверхности; 2. В рамках той же модели адсорбции получить аналитические выражения для временной зависимости поверхностного натяжения и работы выхода электрона в процессе адсорбции молекул на поверхности металлов; 3. Сконструировать и собрать экспериментальную установку, позволяющую проводить комплексное исследование элементного состава поверхности методом электронной оже-спектроскопии, СХПЭЭ, масс-спектрометрии и измерения изменений работы выхода электрона (РВЭ) в условиях сверхвысокого вакуума (Р<5-10" Па) и непрерывной адсорбции молекул из газовой фазы на поверхности изучаемых объектов по заданной программе; 4. Исследовать кинетику адсорбции кислорода на очищенные поверхности индия, олова, свинца и таллия, используя созданную экспериментальную установку и разработанные методики; 5. Разработать методики расчета и оценить величины параметров адсорбции на поверхности раздела металл-газовая фаза - коэффициента заполнения, времени адсорбционной релаксации поверхности, теплоты адсорбции, начального неравновесного и равновесного значений ПН и РВЭ границы металл-газ; определить вклад газовой фазы в температурные коэффициенты ПН и РВЭ; 6. Установить связь между ПН и РВЭ, вычислить ГШ низкоиндексных граней и оценить ориентационную зависимость адсорбции кислорода на гранях алюминия.Научная новизна полученных результатов 1. В рамках адсорбционной модели Ленгмюра получены выражения для времени адсорбционной релаксации поверхности при диссоциативной (Тр )^ и недиссоциативной (Тр) адсорбции и коэффициента заполнения поверхности 9 в зависимости от времени адсорбции. Установлено, что значения Xpd и Хр много больше х - времени жизни молекул на поверхности по Френкелю.При физической адсорбции выражения для Xpd и Хр переходят в формулу Френкеля; 2. Установлена зависимость времени диссоциативной адсорбции Xpd и равновесного коэффициента покрытия адсорбента 9s от условий опытов - температуры Т, давления Р , числа адсорбционных центров No, начального коэффициента прилипания So и теплоты адсорбции Н; 3. В рамках рассматриваемой модели адсорбции получены формулы, описывающие изменения Р В Э и ПН в процессе адсорбции молекул из газовой фазы, которые в частном случае стационарного состояния описывают зависимость равновесных значений ПН (ар) и Р В Э (фр) от температуры Т, давления Р и параметров поверхности - Nq , Sq и теплоты адсорбции Н; 4. В рамках термодинамической модели адсорбции компонентов получено выражение, описывающее адсорбцию из объема на поверхность разбавленного жидкого бинарного раствора. На основе полученного выражения для a(t) предложена методика определения величины Сто - начального неравновесного значения ПН свежеобразованной поверхности раствора, времени адсорбционной релаксации поверхности жидкого раствора Хр; 5. Из анализа литературных данных по анизотропии ПН a(hkl) и Р В Э ф(Ьк1) однородных граней кристалла установлена связь между ними, позволяющая с достаточной точностью рассчитать величину трудноопределяемого в экспериментах ПН грани кристалла через значение Р В Э этой грани. Приводятся расчетные значения ПН низкоиндексных граней ряда тугоплавких металлов; 6. Экспериментально изучена кинетика адсорбции кислорода на поверхности индия, олова, свинца и таллия. Обнаружено небольшое уменьшение РВЭ в начале адсорбции, что связано с частичным внедрением кислорода в приповерхностный слой металла. Дальнейшее накопление кислорода в области поверхности приводит к образованию оксидной фазы - более плотной у индия и олова, чем у свинца и таллия. Установлена корреляция между изменениями РВЭ, удельной теплотой сублимации на атом и энергией на одну связь адсорбат-адсорбент; 7. Предложена методика обработки кинетических кривых изменения ПН в зависимости от времени и степени заполнения поверхности при адсорбции молекул из газовой фазы. Методика позволяет определить начальное неравновесное значение ПН (сто), время адсорбционной релаксации поверхности Тр, оценить величину теплоты адсорбции Н и другие параметры поверхности. С учетом адсорбционной релаксации свежеобразованных поверхностей сделаны расчеты равновесных значений ПН (Ор) металлов в удовлетворительном согласии с экспериментом; 8. Впервые изучено влияние остаточной газовой фазы (ОГФ) на температурные коэффициенты (ТК) ПН и РВЭ чистых металлов. Показано, что абсолютные значения вкладов ОГФ в ТК ПН и РВЭ могут значительно превосходить численные значения истинных ТК ПН и РВЭ чистых металлов. Установлены критерии, когда вклад ОГФ в ТК отрицателен, положителен или равен нулю. Вводится понятие температурной инверсии знака вклада ОГФ в ТК ПН и РВЭ. Практическая ценность результатов. Полученные соотношения и параметры по кинетике адсорбции позволяют судить от каких характеристик системы поверхность-газ зависит скорость протекания адсорбционнорелаксационных процессов, как существенно меняются свойства поверхности при этом. Предложены формулы, позволяющие быстро оценить наиболее оптимальные условия проведения опытов по кинетике адсорбции и рекомендовать наиболее выгодные термовакуумные условия обработки поверхности изделия при создании активных и пассивных элементов твердотельной наноэлектроники методами эпитаксии.Отработанные методики проведения опытов по определению изменений РВЭ и масс-спектров в условиях непрерывной адсорбции, предлагаемые методики обработки результатов эксперимента и сделанные рекомендации могут быть использованы экспериментаторами при изучении температурных и концентрационных зависимостей поверхностных свойств металлов.Основные положения, выносимые на защиту 1. Полученные соотношения для времени адсорбционной релаксации поверхности Тр и Xpd, зависимости коэффициента заполнения поверхности 9 от времени диссоциативной и недиссоциативной адсорбции t. Вытекающие из полученных соотношений следствия Tp«Xpd«x, где х - время жизни молекул на поверхности по Френкелю; 2. Соотношения, выражающие изменения ПН и РВЭ поверхности чистых металлов в зависимости от времени адсорбции t и соответствующие им формулы ПН и РВЭ для стационарного (установившегося) случая; кинетические кривые и разработанные методики обработки кинетических кривых a(t) и а(0), позволившие определить значения ПН и РВЭ для неравновесного состояния поверхности и параметров адсорбции Хр, Н; 3. Кинетические кривые ф(1) и методика обработки их для систем Ме+Ог, где Me - In, Sn, Pb Tl ; определение значений Тр и Н из обработки кинетических кривых 9(t). Результаты и следствия , полученные из экспериментальных и теоретических кривых Хр(р), а(р), ф(р) и др. Обнаруженная закономерность между изменением РВЭ, энергией на одну связь между атомами адсорбатадсорбент и теплотой сублимации металла; 4. Полученные соотношения для вклада ОГФ в температурный коэффициент ПН и РВЭ чистых металлов, следствия и рекомендации из них; 5. Формула для вычисления ПН низкоиндексных граней тугоплавких металлов и ориентационная зависимость адсорбции кислорода на гранях алюминия. Степень обоснованности научных положений, выводов, экспериментальных результатов, рекомендаций, сформулированных в диссертации. Все выкладки и выводы используемых соотношений в диссертации выполнены на основе общепринятых моделей адсорбции Ленгмюра, Генри и Гиббса.Измерение РВЭ проводилось модернизированным методом Андерсона, допускающим погрешность в пределах Дф=±0,0001 эВ. Для измерения оже-спектров использовался четырехсеточный анализатор энергии электронов с видоизмененной первой сеткой, радиус которой равен половине радиуса тормозящей сетки, с разрешающей способностью около 0,3%.Перед напуском газа в камеру поверхность образца очищалась от загрязнений методом ионной бомбардировки (Аг^) с последующим термовакуумным отжигом его в сверхвысоком вакууме Р»5-10"^ Па. Качество очистки поверхности контролировалось оже-спектрометром. Воспроизводимость результатов определений РВЭ, энергетического положения оже-пиков, их относительных амплитуд не выходили за пределы погрешности измерений.Приборы, на которых получены экспериментальные результаты, прошли поверку метрологической службы КБГУ. Основные результаты, полученные в диссертационной работе физически обоснованы и не противоречат современным представлениям.Личное участие автора в получении научных результатов, изложенных в диссертации. Задачи по исследованию начального процесса адсорбции, степени влияния сильно разреженных газовых сред с свежеприготовленными (или очищенными) поверхностями были поставлены руководителем Хоконовым Х.Б., который принимал участие в обсуждении выбора методов исследования и полученных результатов. Теоретические выкладки, анализ полученных выражений, предложенные новые способы обработки кинетических кривых адсорбции, а также расчеты параметров адсорбции выполнены лично автором.В проведении экспериментов, обработке результатов и их обсуждении принимали участие аспирант Пономаренко Н.С., доцент Калажоков Х.Х. Апробация результатов. Основные результаты диссертации докладывались на: Третьей Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых "ВНКСФ-3" (Екатеринбург, 1995), Всероссийской конференции "Физика межфазных явлений и процессов взаимодействия потоков энергий с твердыми телами" (Нальчик, 1995), Региональной научной конференции "Физика межфазных явлений и процессов взаимодействия потоков частиц с твердыми телами" (Нальчик, 1998), VI научно-технической конференции "Вакуумная наука и техника с участием зарубежных специалистов" (Гурзуф, 1999), Второй международной конференции "Фундаментальные проблемы физики" (Саратов, 2000), X Российской конференции "Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов" (Екатеринбург-Челябинск, 2001), Международном семинаре "Теплофизические свойства веществ" (Нальчик, 2001), Региональной конференции "Вакуумная электроника на Северном Кавказе" (Нальчик, 2001), Седьмой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых "ВНКСФ-7" (ЕкатеринбургСанкт-Петербург, 2001), Ежегодных региональных научных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых "Перспектива" (Нальчик, 1998, 1999).Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ. Список публикаций приводится в конце автореферата.Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, изложенных на 155 страницах машинописного текста, содержит 58 рисунков и 12 таблиц. Список литературы включает 189 наименований.
