Исследование физических механизмов переноса ионизирующего вещества в полевых источниках ионов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ I,гд ИНСТИТУТ ФИЗИКИ

1 ■ О,:.» ■ г

На правах рукописи

/ДК 539.311

СНИТКО Алексей Олегович

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ МЕХАНИЗМОВ ПЕРЕНОСА ИОНИЗИРУЕМОГО ВЕЩЕСТВА В ПОЛЕВЫХ ИСТОЧНИКАХ ИОНОВ

01.04.07. - физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Киев - 1994

Работа выполнена в отделе физической электроники Института Фшшкн АН Украины.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор В. К. Медведев.

Официальные оппоненты, доктор физико-математических наук В. П. Коваленко.

кандадат Физико-математических наук Т. П Смерека.

Ведущая организация: Институт металлофизики АН Украины.

Защита состоится "___"______________ 10'Jl гола в _____ часов

на заседании специализированного Ученого Сонета Л ()1Г>. (Ы. 01 при Инспкуте физики АН Украины но адресу: г. Кнен. проспект

Науки, 4Б, Специализированный Соиет при ИФ All Украины.

С iuiccepiamieii можно ознакомиться в библиотеке Институт.) Физики All Украины.

Автореферат разослан "____"__________________199-1.

Ученым секретарь Специализированного Совета кандидат физ. -мат. наук /Жг В. Л Ищук

Ф

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Быстрое развитие микроэлектроники стимулирует исследования в области новых технология производства микроэлектронных приборов, позволяющих достичь большей мшшатшртлцпн элементов микросхем. К числу приоритетных направленно относится разработка н совершенствование ноино-лучовых технологий для создания структур на поверхности с размерами элементов мспео I мкм.

Сфокусированные ло субмикронных размеров ионные пучки исе шире используются в сканирующей ионной микроскопии, нон-нонном микроанализе н в различных технологических операциях в микроэлектронике - ремонте масок лля рентгеновской литографии, создании рисунка на резнете, безмасочном легировании полупроводников, нанесении н удалении проводящих дорожек и т.д. СИ. Наиболее перспективными источниками ионов лля ионно-пучковых установок оказались полевые жилкометаллическне (ЖМИИ) и криогенные (ПКИШ источники ионов," в которых ионы образуются в результате воздействия сильного электрического поля на острие, покрытое пленкой жидкого металла или конденсированного газа. Благодаря чрезвычайно высокой яркости этих источников были - получены нонные пучки с диаметром ло 50 нм при плотности тока до 10 А/см"*. ,

Однако механизмы работы полевых источников до енх пор не вполне выяснены. К числу вопросов, требующих глубокого теоретического и экспериментального изучения, относятся исследования механизмов поступления ионизируемого вещества в область ионизации, в частности, возможная роль'поверхностной диффузии (ПД) п этой поставке.

В ПКИИ ионизируемое вещество поступает на поверхность острия из газовой Фазы, при этом в область ионизации оно поступает как непосредственно из газа, так и, в значительно боаьыем количестве, нз конденсированной пленкн на конической части острия. При исследовании полевой ионизации /Л, на поверхности вольфрамового острия при малых давлениях (3.10"^ Topp), Гомер £2] обнару жил, что конденсированная пленка водорода при т<5 к обладает чрезвычайно высокой подвижностью, вследствие этого в nfüiacit.

ионизации па вершине острия поступают молекулы^ водо)>ода с конической части с расстояний порядка 30 мкм. Подставляет несомненный интерес исследование роли поверхностной диффузии водорода в реальном Г1КШ1, в котором путем применения дифференциальной откачки удается увеличить давление водорода у острия на несколько порядков СЗ]. В проведенных к настоящему времени исследованиях ПКИИ водорода с дифференциальной откачкой обычно использовались острия большого радиуса (г0>1 мкм). на которых сложно выделить поверхностную поставку водорода в зону ионизации на фоне поступления молекул из газа непосредственно на вершину, имеющую довольно большую ппоцадь. В настоящей работе использовались острия

-4

малого радиуса мкм) и довольно большие (-10 Торр) дав-

ления водорода. Для выяснения механизма ИД водорода предпринято исследование'изотопического эффекта в полевой ионизации водорода и дейтерия. Исходи из расчета электрического поля на поверхности острия, проведен анализ различных механизмов поступления ионизируемого газа на вершину острия: потока непосредственно из газа, поступление с конической части острия путем последовательных прыжков (прыжковый механизм) н поверхностной диффузии в конденсированной пленке.

Весьма интересным представляется исследование ИЛ металлов на поверхности острия 14]. Эти результаты представляют интерес для реализации режима работы ЖМШ1 с диффузионной поставкой ионизируемого металла на вершину острия с его конической части. Такой режим может оказаться полезным при совмещении ЖМИИ со сканирующим туннельным микроскопом. Данные по ПД пленки ¿i весьма полезны при интерпретации результатов, полученных с помощью литиевого десорбционного проектора. В настоящей работе предпринято исследование ПД лития с конической части молибденового острия на его вершнну, очищенную десорбцией полем. При этом изучалась зависимость механизма днФФузни, скорости и путей распространения илепкн лигня от толщины литиевого покрытия на конической части и от структуры поверхности вершины острия.

При исследовании ПД ¿<. выбор молибдена в качестве материала острия обусловлен тем, что имеются данные по диффузии и структура пленок íi на различных гранях Но и W [5-8], а также диФФу-

зин 11 на вольфрамовом острие [9]. что позволяет произвести сравнительный анализ результатов, полученных на близких по своим свойствам подложках.

Цели настоящей работы:

- развитие физических представлений о механизмах переноса ионизируемого вецества на вервину острия в криогенных источниках ионов;

- исследование изотопического эффекта о полевой ионизации Нг и Dg при 5 К;

- изучение ПД лития на молибденовом острие при различных температурах н концентрациях адсорбата;

- разработка н экспериментальное исследование конструкций полевых источников ионов водорода н лития.

Научная новнзна работы заключается в том, что в работе впервые: - '

1. Экспериментально обнаружен чрезвычайно больвой ионный ток в полевом криогенном источнике ионов Hg, свидетельствующий об аномально высокой подвижности Нг на поверхности конденсированной пленки при 5 К.

2. Экспериментально обнаружен ярко выраженный изотопический эффект в полевом криогенном источнике ионов водорода, выражающийся в том. что при 5 К максимальный ток источника водорода на два порядка превышает максимальный ток источника дейтерия при одинаковых (1.10-4 Topp) давлениях газа в приборе.

3. Экспериментально изучены концентрационные зависимости поверхностной диффузии И на Но острие в интервале температур 170+300 К. Обнаружено, что скорость диффузии U увеличивается в пределах трех монослоев, претерпевая резкие изменения при покрытиях, соответствующих заполнению очередных слоев Ii. Скорость н направление распространения пленки <•£/ вплоть до 3-х монослоев определяются кристаллографической структурой поверхности.

4. Показано, что после заполнения 3-го монослоя U скорость диффузии достигает максимума, н при 8>3 перестает зависеть от толщины напыленной пленки адсорбата, при этом распространение

лития из многослойного покрытия на чистую поверхность Но происходит путем движения трехслойной пленки.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Исследованы характеристики и рабочие режимы полевых криогенных источников нонов водорода н дейтерия.

2- Предложен метод количественной оценки поставки вещества в полевом криогенном источнике ионов, включающий в себя учет локального усиления потока вследствие неоднородности электрического поля и оценку эффективной площади острия, с которой происходит сбор ионизируемого вещества. Метод позволяет оценить величины рабочих токов различных газов и оптимизировать параметры источников.

3. Предложен источник ионов лития для практического применения в нонно-лучевых установках.

Результаты исследований могут быть использованы при разработке и эксплуатации жидкометаллических и газовых ионных источников. используемых в нонно-лучевой литографии, космических двигателях, для термоядерного синтеза с ннерцнальным удержанием плазмы и сканирующей туннельной микроскопии. Данные по ПД И полезны при интерпретации результатов, полученных при помощи литиевого десорбцнонного проектора.

Основные защищаемые положения:

1. Поверхностный слой Н^ в конденсированной пленке при 5 К обладает аномально высокой скоростью диффузии (/> * ю-3 см^ с-').

2. В диффузии водорода на поверхности конденсированной пленки при 5 К наблюдается ярко выраженный изотонически» эффект, выражающийся и том, что скорость диффузии по меньшей мере на два порядка, превышает скорость диффузии

3. Скорость поверхностной диффузии И на Но острие увеличи-И.1СНЯ на циа порядка при увеличении покрытия до трех монослоев, прсмериин.ш резкие изменения при заполнении очередных слоев лития При свсрхмонослойних покрытиях в ннтерпале температур I |(|: )1)11 К лиФФуаня /I иа большинстве грииеи острия происходит по механизму р.кшорссшнающо!оси копра, при этом вплоть до трех

слоев скорость и направление распространения пленки лития завн-сят от кристаллографической структуры поверхности острия.

Аптюбация работы. Результаты работ докладывались из Исе-союзной школе по полевой эмиссионной микроскопии (Ca л лап. tOWi); XX и XXI Всесоюзных конференциях по эмиссионной электроники (Кнеп. 1907; Ленинград, 1991); III Всесоюзной конференции но микроанализу на ионных пучках (Сумы, 1990).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных рабог, список которых приведен в конце автореферата.

Структура Диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения II списка цитируемой литературы из 94 на-нменованнп. Диссертация изложена на 120 страницах машинописною текста, содержит 24 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы. сформулированы цели работы н защищаемые положения, отражена новизна к практическая значимость работы.

Глава 1 представляет собой обзор литературы. посвященной исследованиям полевой ионизации, изучению механизмов поступления ионизируемого вещества в область ионизации, а также исследованиям ПД газов и металлических адсорбатов. В ПКИИ сильное влияние на массоперенос оказывает неоднородное электрическое поле на вершине острия. Под действием полярнзацноных сил поток атомов газа существенно увеличивается, возможно также затягивание в область сильного поля молекул, попадающих на коническую часть острия н поступающих на вершину в результате серии последовательных соударений (прыжковый механизм). При охлаждении острия до криогенных температур молекулы газа могут поступать в зону ионизации путем ПД в конденсированной пленке. На роль поверхностно!» диффузии впервые обратил внимание Гомер [2] при исследовании по леооп ионизации Н? и Не на острне с радиусом 50 нм при Т-1 К.

Гомер обнаружил. что поток газа непосредственно на вершину су-щестенно меньше, чем необходимо для обеспечения наблюдаемых ионных токов, и оценил (не учитывая прыжковый механизм) в 30 мкм диффузионную длину, в пределах которой происходит сбор молекул с

конической части острия. Так как давление Н-, не превышало

-7

2.10 Topp, то наблюдаемые ионные токи были весьма малы ••10"® А. Впоследствии, в ряде работ увеличение ионного тока достигалось при помощи дифференциальной откачки, путем создания -"5 -4

высокого (10 -¡-10 Topp) давления газа в области острия [3]. Однако эти работы не были направлены на исследование поверхностной поставки, как правило, применялись острия большого (г >1 мкм) радиуса; в этом случае сложно выделить вклад от поверхностной поставки на фоне потока газа на вершину, имеющую большую площадь.

На основании имеющихся литературных данных сделан вывод, ни представляет несомненный интерес провести исследование полевой ионизации водорода при больших давлениях газа и малом (го<0,1 мкм) радиусе вершины острия, направленное на исследование различных механизмов поступления ионизируемого газа в зону ионизации. Для выяснения механизма ПД в конденсированной пленке целесообразно исследовать изотопический эффект в полевой ионизации Н-г и йг.

Так как погок газа на поверхность сильно зависит от электрического поля, в обзоре рассмотрены различные методы расчета поля на поверхности острия. На основе анализа литературных Данных сделан вывод, что наиболее точно форму реальных острнй можно описать, используя аппроксимацию формы острия зкмшотен-ииалыи системы "шар на конусе" С101. Этот метод позволяет корректно рассчитать электрическое поле как на полусферической вершине острия, так и на конической его части, на значительном удалении in вершины.

Ii ofcutpe рассмотрены экспериментальные данные по структуре нненчк, Li на гранях (110) и (Iii!) монокристаллов W и Мо Г7,0]. При наиылешш Ii, по мере роста концентрации адсорбага. в субмо-iioi iiiiTiioii oOi.h:in нокрипш наблюдается ряд двумерных структур aiiaioMuii Нпопшупакоианному монослош соишонлвует образование

изоморфной подложке структуры (1x1). При сверхмонослойных покры тиях рост пленки И носит сложный характер, т.к. происходит перераспределение атомов адсорбата между слоями, по мвре роста концентрации усиливается рассогласование структур пленки и подложки. Послойный рост пленки li наблюдался до 3-х слоев на (112Wo и ло 4-х слоев на (112)W. При больших покрытиях наминается рост трехмерных зародышей собственной кристаллической фазы лития.

В обзоре рассмотрены современные теоретические представления о процессе ПД и экспериментальные работы по исследованию ПД li на различных гранях монокристаллов W и Но [5,61. Результаты экспериментов показывают, что скорость ПД сильно зависит от концентрации адсорбата, структуры подложки и взаимодействии между алатомами на поверхности. ПД li на V острие в полевом эмиссионном микроскопе при помощи методики, близкой к использованной в настоящей работе, исследовалась в [9]. На основании имеющихся литературных данных сделан вывод, что представляет значительный интерес изучить ПД Li на Но острие н сопоставить полученные результаты с имеющимися данными по структуре н диффузии пленок И на различных гранях IV и Но. Это позволяет выясннть механизмы и движущие силы ПД li на острие, получить информацию о взаимодействии между адатомами в пленке, а также исследовать влияние атомной структуры подложки на скорость и характер распространения пленки li.

В главе 2 описана экспериментальная методика, основывающаяся на использовании двух основных методов - полевой ионной и полевой эмиссионной микроскопии. Экспериментальные приборы представляли собой отпаянные стеклянные лампы с давлением остаточных газов не менее 10~10 Торр. Установка предусматривала охлаждение до температуры 4,2 К. При исследовании диффузии li на Но предусматривалась плавная регулировка температуры острия от 170 до 300 К.

г

Эксперименты проводились на острнйных образцах W и Но, изготовленных методом электрохимического травления. При исследовании водородного источника ионов использовалось вольфрамовое острие с радиусом вершины 175 нм; при исследовании ПД li - острие

на Но с радиусом 600 им.

Исследования ПКИИ и производились в полевом ионном микроскопе. Источником газа (в каждом приборе располагался источник линь одного изотопа) служили титановые спирали, нагреваемые прямым накалом. При нагревании до высоких температур источник выделял газ. а при небольшом накале - откачивал его из агмог сферы прибора. Так как при 4.2 К равновесное давление Н^ равно 2. lo 7 Topp, в области острия создавалось повышенное давление <10~4+ 10 Topp) за счет постоянного поступления водорода нз источника. Экспериментальные данные о поступлении ионизируемого газа получались путем изучения ионной эмиссии и яркости автонон-имх изображении при температурах 5 н 77 К в зависимости от давления газа н напряженности электрического поля.

Исследования ПД Ii на Но проводились в полевом эмиссионном микроскопе. Адсорбат напылялся на поверхность острия при 300 К для получения однородной пленки Li. толщина которой калибровалась по изменению яркости автоэлектронного изображения острия. Моноглойному покрытию 0=1 на поверхности (110)Wo соответствует

4 К р

средняя концентрация адат омов 1,4.10 см [8]. Измерения производились в интервале покрытий от 0,5 до 3-х монослоев при температурах 1704-300 К. Данные по ПД Ii получались путем измерения времени распространения t пленки Ii на расстояние »а по-

верхность острия, предварительно очищенную полевой десорбцией.

Исходя нз уравнения D = —jsj— --- 0oexp i--). по зависимостям Lgl>=f(1/T) определялись коэффициент диффузии D, предэкспо-неицнальный множитель 1>0 н энергия активации Е^. Обработка данных производилась на ЭВМ методом наименьших квадратов. Средне-квадратичоское отклонение в определении величин l>. DQ. и не

превышало 20 v

В > паве 3 представлены результаты исследования ПКИИ водорода и деигерия, а также проведено их сравнение с данными по полевой ионизации Не [21 Наследовались ионная и электронная эмиссия при охлаждении острия до 77 н 5 К, когда на поверхности кон-шчмируеп.'ы пленка /Л, толщиной, но меньшей мере, в несколько мо-шн'лиеи. Пглеш.шие конденсации H¿ при й К ионная эмиссия на-(|>1ь.лаип:я в нолях вдвое меньших, чем при 77 К. Изложены резуль-

таш изучения электронной эмиссии скьозь конденсированную пленку И^. а также возможности перестройки формы острия путем upoöuu диэлектрической пленки конденсированного газа. D эюм случае на поверхности могут быть сформированы микровиступи с ко:»1>Фнцненшм усиления поля -1.5. При включении в автоионним режиме на микровыступах локализируется ионная эмиссия, чго позволяет создать источники нонов с чрезвычайно ьисокон яркостью н малин лнаметром

эмнттнрующеП области. В настоящей работе был получен in;iочник с

7 2

яркостью 3. 11) Л/см ср н диаметром эмнттнрующен области Ö им. Результаты исследования поннон эмиссии, локализованной на мнкро выступах, свидетельствуют о том, что в ПК'ИИ основным фактором, ограничивающим рост ионного тока, является скорость поступления молекул газа в область ионизации.

Исследования яркости полевых нонных изображеннП нрн 5 К и при 77 К при разных давлениях ионизируемого газа пизьоляют оце нить вклад в ионный ток молекул, поступающих но поверхносш с конической части острия, по сравнению с потоком из газа на вер шину. В ходе экспериментов при 5 К были обнаружено, что постун лент; молекул по поверхности значительно (более чем на два порядка) превышает поток из газа.

Исследования изотонического эффекта производились nyieu сравнения максимальных ионных токов /Л, и Dg при одинаковых давлениях /Л, и D~> и обьеме прибора и одинаковых величинах поля на вершине острия (2,5 В/8). обеспечивающих ионизацию всех поступающих на вершину молекул. При этом наблюдался ярко выраженный нзотопнческнн эффект. выражающийся в том, что ионный ток Н^ в поле 2,5 В/Я достигал значения 0,2^0,3 мкА, а в случае лишь

нА. при равных давления/, водорода и депгерпя ь приборе (1.Ii)"® Topp). Величина максимального тока Н^, наблюдаемого в эксперименте, определялась максимальным давлением, которое удавалось создан, в приборе в условиях, когда значительная часть поверхности стенок лампы охлаждалась жидким Не. Тог факт, чго при охлаждении о<лрня до 5 К предельный ионный ток Dg изменялся мало, свидетельствует о том, что конденсация газа на поверхности существенно не изменяет поступление молекул D-, в зону ионизации. П источники Нр образование кондененроваинон пленки открывает

мипшын канал нпппрунпстнин поставки, приводящей к резкому увели-чрмнш шпинип тока. Для выяснения механизма поверхностной по— ставки /Г, были рассмотрены различные процессы массопереноса в им iii нг '

II нрниннне. в криогенном источнике нонов возможны три механизма поставки ионизируемого газа в зону ионизации на нершнне острия. 1 > конденсация непосредственно из газовой Фазы; ?.) затя-пшанно в область сильного поля молекул, испаряющихся с конической части острия (прыжковый механизм); 3) ПД с конической части острия в кои.чрнснроманной фазе. Первые два механизма сильно зависят от распределения электрического поля у поверхности острия, поэтому для их правильного учета необходимы сведения об электрических полях на вершине и на конической части острия.

Для этой цели была построена математическая модель поверхности острия. Реальная форма острия аппроксимировалась олной из эквнпотенцналей системы "шар на конусе" [10]. Используя уравнение эквнпотенцналн. с помощью ЭВМ можно было вычислить напряженность электрического поля в любой точке поверхности острия. Поступление вещества непосредственно нз газовой Фазы определялось исходя нз газокниетнческого потока на единицу площади Ы0 с коэффициентом усиления у. обусловленным присутствием электрического

поля: т ,

, л1/г , гаг% .//г

* * I 7ЯТ ) ~ лля ^Р" 11 У * I I "для Цилиндра;

где к - поляризуемость молекулы. Г - поле на вершине. Под депствнем электрического поля давление газа нал поверхностью ослрня р увеличивается по сравнению с давлением рс в объеме прибора:

р

Р*Ро е*Р В*7 )

Если нал каким-то участком поверхности острия давление р превышает давление насыщенного пара, происходит образование конденсированной пленки. Таким образом, электрическое поле расширяет температурную область существования конденсированной пленки газа.

Существенная роль прыжкового механизма поставки вещества обусловлена тем, что острие в криогенном источнике имеет низкую

температуру. а испаряющиеся с него молекулы - мание jiiepi ни '-) i а молекулы могут бып. затянуты полем на вершину ос1|>ия с номшмш удаленны/ областей поверхности острия. Относительный вклад нрыж коиото механизма но сравнению с конденсацией из газовой Фазы можно оценим, неволя ни веинчнны спада яркости центральной части антоношюго изображения при нолях, превышающих напряжение нан лучшего изображения. При этом молекулы, поступающие на вершину прыжковым механизмом, ионизируются на краях вершины осцлы, не доходя до центра, а ионный ток с центральной части вершины обеспечивается исключительно за счет молекул, поступающих неносред стиенно из газа. Расчет на основе результатов экспериментов но исследованию яркости полевых ионных изображении показал, что для ^'с. " "1>[| ^ граница области, лашщен вклад в поставку вещества прыжковым механизмом, находится на расстоянии при

Л1 К - на расстоянии x^-lr а при 5 К - х* 18.ür . Расчет пока зал, что, как в случае волирола. так н в случае юлня, электрнче

ское иоле на границе удовлетворяет условию ~ 3.5 кГ. Эта величина была принята в качестве критерия, определяющего границу области сбора вещества, поступающего на вершину прыжковым механизмом при 5 К.

Исходя из результатов эксперимента и расчета электрическою поля на поверхности острия, проведена оценка вкладов различных механизмов поставки в суммарный нонныи ток острия Под действием электрического поля тазокннетнческни иоюк молекул газа на поверхность может быть усилен в несколько раз, в случае охлаждения поступающего газа может достигаться примерно десятикратное увеличение потока на вершину. Прыжковый механизм поставки за сче! увеличения эф^ектинной площади сбора молекул может обеспечить

увеличение поступления еще примерно на порядок Для использован

-4

ною нами иория с радиусом W5 нм, при давлении 1.1U Topp, если работают лишь два указанных механизма массонерениса. то

ионный ток при /■ =-2.5 U/H должен быть порядка 4-ti. 1(1 ''а. Такая

ьелнчнна ионного тока наблюдалась нами.для дей1ерня н в работе

Г2] для Не Однако в случае водорода, нами наблюдался нонныи

юк на два портика неиичнны больше, для его обеспечения oÓJiacii,

if«ipa молекул Kg jinnnia простираться ло х~10()го. т.е. ~70 мкм. На iaMiz расстояниях от вершины энергия, обусловленная поляризацией молекулы II электрическом поле составляет всего -О.ЯЛТ". т.е. ночрвне механизмы поставки уже не должны работать. Следовательно. поступление молекул /л, происходит путем пд в конденсированной пленке.

Таким образом, в источниках Dp и Kg реализуются различные механизмы массонереноса: в источнике D\ поставка происходит посредством прыжкового механизма, а в источнике Нg молекулы поступают путем ПД п конденсированной пленке. Диффузия Hg происходит на большие расстояния (~7П мкм). с чрезвычайно большой скоростью. которую можно рассчитать исходя из площади сбора молекул

таза. Расчет коэффициента днффуэни дает значение D s= 10"^ р 1

см с . Поскольку диффузия происходит при температуре -5 К. значительно ниже температуры плавления Kg (13,9 К), то подвижностью обладает лить верхний слой молекул Hg в конденсированной пленке. Возможно, что диффузия Kg при 5 К имеет квантовый характер.

Изотопический эффект в полевой ионизации Hg и Dg при 5 К и больших давлениях газа обусловлен тем, что скорость диффузии Hg на поверхности конденсированной пленки газа, по меньшей мере на два порядка превышает скорость диффузии Dg.

В четвертой главе изложены результаты исследования ПД 11 на Но в полевом эмиссионном микроскопе, в интервале покрытий лития от 0.5 ло 3-х монослоев. Распространение пленки 11 с наибольшей скоростью происходит вдоль зонных линий типа [111] - от периферийных граней типа {110} через [121] к центру вершины, где расположена грань (110). Наименьшая скорость диффузии наблюдается вдоль зонных линий типа [100] н [НО], на периферии граней типа [100]. Т.о., полученные в настоящей работе данные характеризуют ПД U вдоль зонных линий типа [111]. Распространение пленки лития с наибольшей скоростью происходит поперек плотноупакованных моноатомных ступеней, паралельных направлению [ill], с межатомным расстоянием 2,73 Я. Ступени других типовf образующиеся на вицнналях граней [110], более разреженные и, играя роль ловушек для диффундирующих атомов li, представляют собой более высокие потенциальные барьеры для ПД. Это наблюдалось для всех исследо-

ванных покрытий, такой же характер Г1Д ti наблюдался и [9] на но вирхностн W острия, имеющего идентичную Мп структуру ПИЫ'р/ШЦ: тн. Распространение пленки Li на поверхность острия происходит г четко выраженной гранннен, исключение составляют лншь грани тина <110}, на поверхности ко-то|н)Н ш; удавалось наблюдать движение пленки с четком границей.

В пределах трех монослоев /.», по мере роста концентрации в, наблюдается увеличение D более чем на 2 порядка (Рис. 1 >. Па зависимостях IX0> можно выделить несколько областей изменения />. обусловленных фор-мированнем соответствующих монослоев Li и взаимодействиями в адсорбированной пленке.

В области покрытий Piic.l.

0,üSfK0.7 увеличение D связывается с отталкнва(ильным взонма действием адатомов Li н заполнением ловушек на поверхности

Область 1<в<1,2 соответствует переходу от первою монослоя лития, имеющего структуру (1x1), ко второму. Т.к. атомы /i имеют радиус 1.52 Я, а >/<> - 1,30 Я, то атомы Li в первом слое .сжаты. Переход ai омов во второй слой снимает напряжение в нненке. при 0>| днФФузня атомов происходит во ыиром слое но механизму раз-порачиваюикч осм конра, что приводит к резкому возрастанию скоро -(ми днФФузнн По шором и последующих слоях изоморфное соответствие пленки н подложки нарушается, в результате/ концентраты ¡i в Clio«! уменьшается ítM.fl после заполнения второго слоя Li на »11 Г!>//<> C7)i. Исходя нэ зюго.можн» утверждать, что увеличение I> в оГшасш 1 ,У<НС! соответствует началу заполнения ipen.ero слоя ЛН1НЯ, а н обпетпн Í!.-1 <0<;;, V - чегнертиго, в атом случае наблю-

лается значительное (Сочее чем на порялок) увеличение D (Рнс. 1).

Резкое упелнченне Г> после заношенна первого монослоя, в дальнейшем коррелирующее с заполнением очередных монослоев ад-copfiara. а также нашчне репкой границы распространяющейся пленки, свидетельствуют о том. что распространение сверхмонпслоИной нш'нки /» на чистую поверхность Но происходит по механизму разворачивающегося ковра. Исключение составляют лишь плогноупако-ванные грани типа <110) острия, где не удавалось наблюдать движение пленки г четкой границей.

Напыление пленки с толщиной более трех монослоев не приводило к изменению параметров диффузии и характера распространения адсорбированного плоя li. После заполнения третьего слоя значения коэффициента диффузии, прелэксноненпнального множителя н энергии акт цианин (£^-0,1340,0?! эВ> оказались равными полученным в О! дпя лнФФуэнн многослойного покрытия li на острие из 1С. Однако говорить о полной экранировке влияния полложки при 0>3 нельзя, т.к. распространение многослойной пленки по поверхности происходит неравномерно, с наибольшей скоростью вдоль зонных линий типа С1111, т.е направление распространение пленки по-прежнему задается кристаллографической структурой подложки.

Заполнение третьего слоя приводит к сильному увеличению скорости дн<Н>узни, что говорит о резком увеличении массопереноса при е>3 (Рис. 1).

Так как диффузия лития в настоящей работе исследовалась при температурах 170+300 К, значительно более низких, чем температура плавления li (453,5 К), то можно предположить, что полученные диффузионные характеристики описывают поверхностную днффузню самого верхнего слоя лнтня. При этом важную роль в определении зависимости диффузионных характеристик от толщины пленки играет механизм роста пленки лития на молибдене. Экспериментальные данные свидетельствуют, что рост пленки li происходит по механизму Странского-Крастанова, при этом в пределах первых трех слоев наблюдается послойный рост пленки, сохраняющей в значительной степени согласование с подложкой. Увеличение скорости ПД в интервале 0<6£3 по мере роста толщины пленки обусловлено сглаживанием потенциального рельефа подложки по мере утолщення подстн-

лающего слоя адсорбата. После образования трехслойной нленкн начинается рост трехмерных кристаллов лития. Атомы U. находящиеся в четвертом слое, находятся в равновесии с зародышами кристалла ческой Фазы, обладают, но-вндимому. большой подвижностью и обеспечивают распространение трехслойной пленки лития на очищенную поверхность молибденового острия по механизму разворачивающегося ковра. Так как равновесие между литиевым двумерным "газом" в четвертом слое и кристаллами ti слабо зависит от размеров кристаллов. то это приводит к тому, что при 9>3 скорость диффузии мало зависит от толщины напыленной пленки.

Произведенные исследования показывают, что ПД в адсорбированной пленке может служить механизмом переноса ионизируемого металла в ЖМИИ в случае работы при температурах значительно ниже температуры плавления или в режиме малых ионных токов.

Основные результаты работы.

1. Экспериментально обнаружено, что поверхностный слой в

конденсированной пленке при 5 К обладает аномально высокой ско-

-3 ? -1 ростью диффузии ~ 10 см с ).

2. О диффузии водорода на поверхности конденсированной пленки при 5 К наблюдается ярко выраженный изотопическнН эффект, выражающийся в том. что скорость диффузии H¿, по меньшей мере на два порядка превышает скорость днФФузнн

3. Проведен детальный анализ механизмов поставки вещества в область ионизации в ИКНИ - адсорбции из газовой Фазы, прыжкового механизма и поверхностной диффузии. Произведена оценка вклада этих механизмов в поставку при различных температурах, давлениях газа, напряженности электрического поля и радиусах кривизны острия. Показано, что первые два механизма обеспечивают поставку, необходимую для работы источников ионов Dg и Не* В источнике основную роль играет постаька путем диффузии водорода по поверхности конденсированной пленки с высокой скоростью, которая обеспечивает большие предельные токи источника H¿.

4. Скорость поверхностной диффузии ¡i на Но острие увеличивается на два порядка при увеличении покрытия И до трех монослоев, претерпевая резкие изменения при заполнении очередных

1"ПРИ ЛИ1НЯ

!i Покапано. что после заполнения Л-го монослоя Ii скорость диффузии постигает максимума, и при й>3 перестает зависеть от inпешим илныченной пленки адсорбата, при этом распространение пнгия из многослойною покрытия на чистую поверхность Ко проис-voniii nyieM движения трехслойной пленки.

6. При сверхмоноолойных покрытиях в интервале температур 170+300 К диффузия П иа большинстве граней острия (за исключением илогноупакованных типа (110)) происходит по механизму раэ-порачнвашегося ковра, при этом вплоть до трех слоев скорость и направление распространения пленки лития зависят от кристалле-графической структуры поверхности острия.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах: 1. Медведев В.К., Сннтко А. О. Исследование полевого криогенного источника ионов водорода - ЖТФ, 1907, т. 57, в. 8, с. 1G38-1042. Я. Медведев В. К., Сннтко А.О. Исследование низкотемпературной диффузии водорода в автоионном проекторе. - Тезисы докладов XX Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике. Киев, нэп. ИФ АН УССР. 1987. Т. 1. с. 12.

3. Медведев В. К. , Попович Н. II. . Сннтко А. О Исследование поставки рабочего вещества на вершину острия в криогенном источнике ионов. - Тезисы докладов XXI Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике. Ленинград, 1990, т. 1, с. 301.

4. Медведев В. К., Снитко А. О. Криогенные источники ионов. - Тезисы докладов III Всесоюзной конференции по микроанализу на ионных пучках. Сумы. 1990. с. 40.

5. Медведев В. К. .Попович H.H., Снитко А. 0. Исследование поставки рабочего вещества на вершину острия в криогенном источнике ионов. - ЖТФ. 1991, Т. 61. в. 2, с. 170-178.

6. Сннтко А. 0. Исследование поверхностной диффузии лития на мо-^ либлене. - УФЖ, 1991,