Неупругое взаимодействие электрона с молекулой C в пересекающихся пучках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ТЕПЛОФИЗИКИ

На правах рукописи

Агарков Алексей Анатольевич

НЕУПРУГОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОНА С МОЛЕКУЛОЙ С60

В ПЕРЕСЕКАЮЩИХСЯ ПУЧКАХ

01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Научный руководитель -

доктор физико-математических наук,

профессор А.А. Востриков,

Новосибирск - 1998

г

СОДЕРЖАНИЕ ^

Введение %112, "99 4

Глава 1. Техника и методики экспериментов.

1.1. Введение. 12

1.2. Вакуумная установка. 13

1.3. Техника и методика формирования низкоэнергитичного электронного пучка. 14

1.4. Техника и методика получения молекулярного пучка Сбо- 20

1.5. Результаты масс-спектрометрического анализа состава образца фуллерена в газовой фазе. 22

1.6. Определение энергии парообразования фуллерена в эффузионном источнике. 25

1.7. Метод пересекающихся пучков для измерения сечений ионизации и прилипания электрона к Сбо- 28

1.8. Методика регистрации электрон-индуцированного излучения Сбо в

видимой области спектра и результаты тарировки оптической системы. 35

1.9. Выводы. 45

' ^ тгэг _

1 лава 2. исследование ионизации ^60 электронаъш ударом.

2.1. Введение. 46

2.2. Результаты измерения абсолютного сечения ионизации Сбо- Потенциал ионизации. 50

2.3. Эффект задержанной ионизации Сбо- 56

2.4. Выводы. 68 Глава 3. Исследование образования отрицательных ионов С6о •

3.1. Введение. 69

3.2. Исследование прилипания электрона к Сбо при энергии электрона Ее < 0,5 эВ. 72

3.3. Результаты измерения абсолютного сечения прилипания электрона к Сбо

при Ее > 0,5 эВ. 80

3.4. Образование нестабильных ионов С6о~ при Ее > 7,5 зВ. 83

3.5. Анализ и сравнение полученных данных с результатами других работ. 86

3.6. Выводы. 91 Глава 4. Исследование электрон-индуцированного излучения С6о-

4.1. Введение. 93

4.2. Спектры излучения и функция возбуждения излучения Сбо- 97

4.3. ' Определение температуры излучающих молекул Сбо+*. 104

4.4. Исследование кинетики излучения С6о+*. Излучательная способность. 105

4.5. Выводы. 113 Заключение 114 Литература 119

ч

Введение

Термином «Фуллерены» называют замкнутые молекулы типа Сбо, С70, С76, С84, в которых все атомы углерода находятся на сферической или сфероидальной поверхности. В этих молекулах атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников или пятиугольников, которые покрывают поверхность сферы или сфероида. Центральное место среди фуллеренов занимает молекула Сбо, которая характеризуется наиболее высокой симметрией и, как следствие, наибольшей стабильностью. Эта молекула (см. рис. 1), напоминающая покрышку футбольного мяча, имеет структуру правильного усеченного икосаэдра.

Термин «Фуллерен» берёт своё начало от имени американского архитектора Ричарда Бакминстера Фуллера (1895 - 1983), который применял такие структуры при конструировании куполов зданий. По этой причине для обозначения класса молекул углерода, имеющих замкнутую сферическую или сфероидальную конфигурацию, используют название «фуллерены». Фуллерены в конденсированном состоянии называют «фуллеритами», а легирование фуллеритов металлическими и другими присадками переводит их в класс «фуллеридов».

Еще в начале семидесятых годов существование углерода в форме молекул с замкнутой поверхностью независимо друг от друга предсказали советские химики Д. Бочвар и Е. Гальперн [1] и японский физик Е. Осава [2]. В 1985 году фуллерены были обнаружены экспериментально Г. Крото, Р. Смолли и др. [3], а в 1990 году В. Кречмером, Д. Хаффманом и др. [4] был предложен способ их получения в макроскопических количествах. После того, как в начале 1991 г. было открыто явление сверхпроводимости при Т < 33 К поликристаллического С60, легированного атомами щелочных металлов, количество работ, связанных с фуллеренами резко увеличилось. Обнаружена целая семья фуллеренов - от С28 до Сг4о- Предполагается существование

s

Рис. 1. Молекула фуллерена С60

суперфуллеренов - своего рода "молекулярных матрешек" из углеродных слоев. Обзор работ, касающихся различных направлений исследования фуллеренов сделан в [5, 6].

Актуальность темы исследований

Физика фуллеренов в газовой фазе занимает важное место в физических и технологических исследованиях свойств фуллеренов и начинается эта физика с исследования кинетики образования фуллеренов при испарении графита в атмосфере инертного газа. В условиях вакуума в парных столкновениях с электронами, фотонами и другими частицами получают константы различных процессов. Технологии получения тонких пленок, получение допированных и интеркалированных фуллеренов также реализуются в газовой фазе. Со свойствами фуллерена связан ряд астрофизических проблем (напомним, что впервые фуллерен открыт при попытке лабораторного моделирования атмосферы звезд углеродного цикла [3]).

Фуллерены - это новый объект фундаментальных и прикладных физико-химических исследований. К фундаментальным, в частности, относятся исследования процессов неупругого взаимодействия фуллеренов с электронами в газовой фазе, приводящих к образованию отрицательно и положительно заряженных фуллеренов, возбужденных молекул. Сечения прилипания электронов, сечения ионизации и спектры электрон-индуцированного излучения характеризуют электронно-колебательную структуру молекулы и необходимы при расчёте и анализе процессов в различных средах.

Учитывая малое количество работ и большое разногласие в результатах по определению сечения прилипания и ионизации фуллерена Сбо, а также отсутствие результатов исследования электрон-индуцированного излучения Сбо в газовой фазе было решено провести такие исследования. Поэтому выбранное направление исследования представляется актуальным.

Цель и основные задачи работы

Цель состояла в получении новых экспериментальна данных о неупругом взаимодействии электрона с молекулой Сбо в газовой фазе, приводящего к образованию ионов Сбо+, Сбо~ и излучению.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

1. Создать установку для получения пучка труднолетучих молекул Сбо и методики измерения сечений образования Сбо+, Сбо" и излучения.

2. Создать систему масс-спектрометрического контроля состава образцов Сбо в вакууме на базе время-пролётного масс-спектрометра МСХ - 6.

3. Создать систему спектроскопических измерений излучения Сбо на базе малогабаритного монохроматора МУМ.

4. Методом молекулярного пучка провести следующие экспериментальные исследования.

- Исследовать образование Cgo" в процессе Сбо + е~ Сбо~ и получить абсолютное сечение прилипания в области энергии электрона от 0 до 30 эВ

- Исследовать образование Сбо+ в процессе Сбо + е" —> Сбо+ + е" и получить абсолютное сечение ионизации в области энергии электрона до 60 эВ.

- Исследовать электрон-индуцированную люминесценцию молекул Сбо и ионов Сбо+-

Научная новизна определяется полученными в работе следующими новыми фундаментальными данными о неупругих процессах взаимодействия электрона с молекулой Сбо-

- Впервые измерены абсолютные значения сечения прилипания электрона к молекуле Сбо в процессе Сбо + е" —» Сбо" в диапазоне энергий электрона от 0 до 30 эВ.

- Впервые показано, что в диапазоне энергий электрона от 0 до 0,5 эВ величина сечения прилипания определяется сечением поляризационного захвата s-электрона молекулой Сбо-

- Методом пересекающихся пучков молекул Сбо и электронов измерены абсолютные значения сечения ионизации Сбо в диапазоне энергии электрона Ее от порога появления (7,6 эВ) до 60 эВ.

- Обнаружен эффект "задержанной" ионизации молекулы Cgo, которая инициировалась столкновением с поверхностью, после возбуждения Сбо электронным ударом. Получена функция возбуждения "задержанной" ионизации.

- Принципиально новым является то, что удалось обнаружить и исследовать электрон-индуцированное излучение молекулы фуллерена в видимой области спектра. Оказалось, что спектр излучения Сбо+* хорошо описывается формулой Планка для теплового излучения малой частицы, т.е. молекула формирует планковский спектр излучения. Используя это, получена зависимость температуры излучающего иона Сбо+* от энергии электрона и установлено, что электрон с энергией 47 эВ при столкновении с молекулой Сбо может передать ей « 39 эВ.

- На основе анализа данных по кинетике излучения Сбо+* впервые определена излучательная способность (величина степени черноты) молекулы Сбо+*: е(Сбо+*) «

ю-2.

Основные защищаемые положения

1. Методика и результаты исследования образования отрицательных ионов Сбо~, абсолютные сечения прилипания.

2. Методика и результаты исследования ионизации молекулы Сбо электронным ударом в газовой фазе, абсолютные сечения ионизации и эффект "задержанной" ионизации.

3. Методика и результаты исследования электрон-индуцированного излучения

* — *

молекулы Сбо и иона Сбо •

Научно-практическая ценность полученных результатов

Полученные результаты носят, в первую очередь, фундаментальный характер и важны для

- описания физических свойств фуллеренов и других макромолекул и кластеров;

- построения физических моделей, описывающих переход свойств отдельных структурных единиц к свойствам макроколичеств конденсированного вещества;

- описания физико-химических свойств газовых сред с кластерами;

Они позволяют глубже понять ряд принципиальных вопросов, существующих в разрыве между молекулярной физикой и физикой конденсированного состояния веществ, таких как:

- влияние макромолекул (кластеров) на излучательные свойства газовых сред;

- влияние макромолекул (кластеров) на ионизационные свойства газовых сред;

Результаты работы могут быть использованы в смежных науках - физике атмосферы, лазерной физике, физике твердого тела и могут быть применены, например, в следующих прикладных задачах: 1) при разработке ионных двигателей с использованием фуллеренов в качестве рабочего вещества; 2) в качестве пробных частиц для локальных измерений температуры в сверхзвуковых струях и вблизи обтекаемых поверхностей; 3) для улучшения аэродинамических характеристик сверхзвукового обтекания тел методом вдува из них струи газа с фуллеренами; 4) для ионного травления в микроэлектронике.

Разработанные в ходе выполнения диссертационной работы техника и методики физических исследований могут быть использованы при работе с другими

труднолетучими веществами, особенно это относится к исследованию излучательных свойств сильносвязанных макромолекул и кластеров.

Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается использованием современных методов и техники физического эксперимента, а именно: молекулярных и электронных пучков, масс-спектрометрии, оптической спектроскопии и фазочуствительного детектирования. Кроме этого, достоверность полученных в работе данных подтверждается сравнением с результатами работ других авторов и анализом погрешностей экспериментов.

Апробация работы

Результаты исследований, полученные при выполнении диссертационной работы, обсуждались на Международных симпозиумах по молекулярным пучкам (Израиль, 1995 и Франция, 1997), XXII Международной конференции по явлениям в ионизованных газах (США, 1995), Международных симпозиумах по малым частицам и неорганическим кластерам (Дания, 1996 и Швейцария, 1998), 3 Международном семинаре «Фуллерены и атомные кластеры» (Санкт-Петербург, 1997), XI Международной Вавиловской конференции по нелинейной оптике (Новосибирск, 1997), V Международной конференции молодых учёных «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Новосибирск, 1998), IX Международной конференции по методам аэрофизических исследований (Новосибирск, 1998), XXI Международном симпозиуме по динамике разреженного газа (Франция, 1998).

По материалам диссертации опубликовано 18 работ, включая 10 тезисов докладов.

Работа выполнялась по следующим темам фундаментальных исследований: «Исследование теплофизических свойств веществ и материалов, перспективных для

энергетики и новой технологии» - ГР 01.9.50 001692; «Исследование процессов молекулярной газодинамики» - ГР 01.9.50 001681; «Исследование динамики низкотемпературной плазмы» - ГР 01.9.50 001682. Работа поддержана грантами РФФИ: № 95-02-05317 "Электрон-индуцированные процессы в кластерах", № 97-02-18510 "Высоковозбуждённые излучающие состояния фуллерена: образование, диссипация энергии и релаксация", № 98-02-17804 "Электрон-индуцированные процессы в кластерах"; грантом Госкомитета Российской федерации по высш. образованию № 95-0-5.3.-184 "Возбуждение излучающих состояний и образование ионов при столкновении молекулы Сбо с электроном", а также грантом фонда Сороса для аспирантов.

Объём и структура работы.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Текст диссертации изложен на 118 страницах, включая 31 рисунок, 1 таблицу. Список литературы содержит 129 наименований.

Глава 1. Техника и методики экспериментов. 1.1. Введение

В настоящей работе в основе экспериментальных исследований лежит широко известный метод пересекающихся пучков [7]. Для реализации этого метода использовалось следующее оборудование: малогабаритная вакуумная камера на базе турбомолекулярного насоса ТМН 01 АБ-1500-004, времяпролётный масс-спектрометр МСХ—6, низковольтная электронная пушка (типа пушки Пирса) с оксидным катодом, малогабаритный монохроматор МУМ. Перечисленное оборудование не было приспособлено к проведению исследований с фуллеренами. Поэтому потребовалось сконструировать и изготовить все необходимые узлы для реализации плана экспериментальных исследований. В результате создана установка для проведения физических исследований в высоком вакууме с пучками фуллеренов. На установке реализованы методики масс-спектрометрических, оптических и ионных измерений. Для регистрации оптических и ионных сигналов использовался стандартный метод синхронного детектирования [8]. Этот метод даёт возможность выделять полезный сигнал на фоне случайного и регистрировать только те сигналы, которые имеют фиксированный сдвиг фаз относительно опорного сигнала. Поэтому происходит выделение полезного сигнала не только на фоне шумов, но и на фоне сигналов, идущих от непромодулированного (фонового) газа в молекулярно-пучковой системе.

В данной работе, в отличие, например от работы [9], модулировался электронный пучок, а сигнал регистрировался фазочуствительным нановольтметром ЦМРА1\[-232В на частоте и фазе модуляции. Фоновый сигнал в режиме модуляции пучка снимали при перекрытом пучке С6о- Таким образом, полезный сигнал, который являлся разницей между полным сигналом и сигналом фона при перекрытом пучке Сбо, был связан только с неупругим взаимодействием молекул Сбо с электронами. Плотность молекул и электронов в области пересечения пучков были столь малы, что вероятность даже однократного столкновения Сбо - электрон была достаточна низка. Таким образом, все процессы, исследованные в данной работе, относятся к случаю парного взаимодействия Сбо - е~.

1.2. Вакуумная установка

Вакуумная установка состоит из вакуумной камеры, системы вакуумной откачки, криогенного (азотного) контура, вакуумных электрических разъемов, координатника, датчиков вакуума, системы получения пучка ионов и диагностического оборудования.

Вакуумированный объем представляет собой цилиндрическую камеру длиной 0,5 м и внутренним диаметром 0,28 м. Корпус камеры выполнен из нержавеющей стали с химической полировкой внутренней поверхности. В высоковакуумном блоке используются уплотнения с прокладками из меди и фторопласта.

Камера откачивалась до высокого вакуума турбомолекулярным насосом 01АБ-1500-004 со скоростью откачки не менее 720 л/с. Предварительное разрежение в объеме создается форвакуумным насосом НВР-16Д. Этот же насос использовался для откачки газа с выпускного патрубка турбомолекулярного насоса. Между высоковакуумным и форвакуумным насосами расположен электромагнитный клапан КВУМ-40. В магистрали байпасной откачки используется ручной вентиль с проходным диаметром 25 мм, уплотняющий элемент которого сделан из витона. Для просушки камеры и получения более высокого вакуума предусмотрена подача в объем азота с помощью ручного натекателя.

Система измерения вакуума включает в себя вакуумметр сопротивления РВТ-2М с датчиками ПМТ-6-3 с диапазоном работы в режиме индикации Ю-1 -105 Па. Для измерения более низких давлений используется ионизационно-термопарный вакуумметр ВИТ-2П, работающий в диапазоне 10"1 -10"7 Па.

1.3. Техника и методика формирования низкоэнергитичного электронного пучка

На рис. 2 схематично показана система для формирования низкоэнергитичного электронного пучка, измерения тока электронов и ионов. Она состоит из электронной пушки (типа пушки Пирса [10]), включающей в себя катодный узел, диафрагмы электронной оптики и ко�