Закономерности полевого испарения проводников различных типов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.04, кандидат физико-математических наук Конторович, Елена Львовна

• Конторович, Елена Львовна
• кандидат физико-математических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Конторович, Елена Львовна

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

§1. Некоторые аспекты теории и применения явления полевого испарения.

1.1. Полевое испарение.

1.2. Полевая ионная и десорбционная микроскопия.

§2. Влияние сильного электрического поля на формоизменения острия.

2.1. Перестройка в поле.

2.2. Термополевые микровыступы и макронаросты.

2.3. Конкуренция электростатических и лапласовых сил.

§3. Изучение полевого испарения металлов при высоких температурах.

§4. Изучение термололевых формоизменений и полевого испарения неоднокомпонентных систем. 4.1 Изучение полевого испарения некоторых сплавов. 4.2, Изучение полевого испарения некоторых материалов ВТСП.

Глава 2.

МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА.

§1. Полевая электронная микроскопия.

1.1. Основные закономерности автоэлектронной эмиссии.

1.2. Устройство и принцип действия полевого электронного микроскопа.

§2. Полевой ионный микроскоп и установка комбинированного полевого эмиссионного микроскопа.

§3. Принципы работы времяпролетного атомного зонда

§4. Широкоугольный атомный зонд.

§5. Узкоаппертурный атомный зонд.

§6. Конструкция и изготовление экспериментальных приборов.

6.1. Технология изготовления острий.

6.2. Установка и измерение температуры объекта.

6.3. Техника электрических измерений

6.4. Усиление яркости изображений

Глава 3.

ПОЛЕВОЕ ЙСПАРЁШЕ МЕТАЛЛОВ.

Введение.

§1.Экспериментальное изучение термополевых формоизменений и высокотемпературного полевого испарения платины.

1.1 Особенности М формоизменений платины.

1.2 Высокотемпературное полевое испарение платины.

1.3 Анализ температурных зависимостей Р(Т), У(Т), (3(Т).

§2.Численное моделирование распределения потенциала на поверхности острийного полевого эмиттера.

2.1 Введение.

2.2 Методы расчета.

2.3 Основные физические результаты расчетов.

2.4 Физическая картина явления высокотемпературного полевого испарения

Глава 4.

ПОЛЕВОЕ ИСПАРЕНИЕ НЕКОТОРЫХ СПЛАВОВ

Введение.

§ 1. Полевое испарение сплава IrRh.

§2. Полевое испарение сплавов HfMo и HfW.

Глава 5,

К МЕХАНИЗМУ ПОЛЕВОГО ИСПАРЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ ВТСП.

Введение.

§1. Неравновесный характер разрушения ВТСП-кристалла при полевом испарении.

§2. Полевое испарение монокристалла В128г2Са2СизОу.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Закономерности полевого испарения проводников различных типов»

Актуальность работы.

Вот уже несколько десятилетий внимание многих исследователей приковано к процессам, происходящим на поверхности проводящих кристаллов под воздействием сильного электрического поля. Современный интерес обусловлен как необходимостью решения практически важных задач, связанных с нанотехнологией и созданием точечных источников электронов и ионов , так и фундаментальной значимостью проблемы. Изучение воздействия электрических полей, сравнимых с внутриатомными в кристаллической решетке, позволяет извлечь новую информацию о состоянии поверхности и приповерхностных областей проводников различных типов.

Существенную роль, в том числе и методическую, играет процесс полевого испарения, который.» несмотря на широкий диапазон приложений,, не является достаточно изученным. С помощью полевых эмиссионных методов было выполнено значительное количество экспериментальных работ, посвященных, в основном, изучению процессов нолевого испарения при низких температурах. Это привело к созданию теоретических моделей явления,

В то же время, накопление обширного экспериментального материала о термополевых преобразованиях микрокристаллов процессах, происходящих при одновременном воздействии сверхсильных электрических полей 10 7 " 10 8 В/см и температур, достаточных для процессов миграции и самодиффузии , - поставило целый ряд новых вопросов, требующих разрешения. К их числу относится, в частности, высокотемпературное полевое испарение металлов, которое определим, как процесс, сопровождающийся интенсивной поверхностной диффузией, ростом микровыступов и других, более сложных форм: наростов, ступеней и т.п. Детальное рассмотрение нестабильностей на поверхности острийных эмиттеров может составить основу теории функционирования надежных полевых источников электронов и ионов, а также основу для разработки методов формирования таких электронных и ионных эмиттеров с заданной геометрией и, соответственно, с требуемыми эмисионными свойствами. Термополевые формоизменения в широком интервале полей и температур были детально исследованы для ряда тугоплавких металлов: "ЩГШ], Мо, Та, КЬ, 1г, 11е[Ш]. Высокотемпературное полевое испарение, с визуализацей в полевом десорбционном микроскопе изучено для У/ [В2, у2], Мо [у2], 1т [Б5].

Нами ставились цели определения индивидуальных черт протекания этих процессов в случае материалов с несколько отличающимися от использованных в предыдущихработа^ физико-химическими свойствами.

Сплавы вызывают в связи с этим интерес, так как их применение разнообразит испаряемые компоненты и , кроме того, облегчает получение тонких ионных пучков ряда материалов, снижая рабочие температуры и поля. Если обычное холодное полевое испарение сплавов изучалось многократно, главным образом в аналитических целях, то их высокотемпературное полевое испарение оставалось в тени. € другой стороны, холодное полевое испарение термополевых микровыступов, выращенных на остриях из сплава практически не рассматривалось.

Попытки объяснить динамику процесса высокотемпературного полевого испарения столкнулись с рядом проблем, главная из которых -отсутствие ясных представлений как о распределении электрического поля по поверхности острия, так и о влиянии изменения электрического поля на соответствующие формоизменения поверхности,

Кроме того, возникший в последние годы интерес к новым многокомпонентным материалам, таким как высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) и, в частности, работы, проводимые с использованием атомных зондов, потребовали пересмотра возможности применения существующих теорий к процесам полевого испарения неоднокомпонентных объектов.

Как и в случае металлических сплавов здесь надо учитывать избирательность испарения компонент. Кроме того, на ход полевого испарения ВТСП материалов может повлиять локальное изменение характера проводимости в результате удаления кокого-либо атома элементарной ячейки.

В связи с отмеченными особенностями, для совершенствования существующих моделей полевого испарения представлялся интересным анализ данных, характеризующих полевое испарение ВТСП кристаллов как неравновесный процесс. С практической точки зрения это важно для понимания природы реальной поверхности ВТСП материала, подвергающейся воздействию электрических полей (тонкопленочные структуры, приконтактные области).

Цель и задачи работы.

Цель работы - установление закономерностей полевого испарения проводников различных типов в широком температурном интервале. Для достижения этой цели в диссертации решались следующие задачи:

• Изучение термонолевых формоизменений и особенностей высокотемпературного полевого испарения платины.

• Разработка модельных представлений о механизме " схлопывания кольца" с определением точной формы испаряющих элементов (макронаростов, углов, микровыступов.)

• Изучение полевого испарения ТгЯЪ, ШМо и сплавов в широком интервале температур.

• Изучение холодного полевого испарения материалов ВТСП Ей 1:2:3 и В12223 при вариации полей и температур.

Научная новизна результатов заключается в следующем:

1. Впервые подробно изучены термополевые формоизменения платины.

Показано, что те же формы и особенности испарения реализуются при температурах на 150-200К ниже, чем в случае 1г.

2. Разработана новая модель процесса "схлопывания кольца".

• Наблюдаемая кинетика процесса определяется зависимостью распределения электрического поля у подножия макронароста от геометрии макронароста : по мере увеличения нароста, поле в его внешнем углу понижается и достигает уровня, который существенно ограничивает приток атомов к вершине за счет понижения градиента химического потенциала.

• Впервые показано, что макронаросты должны быть пологими и невысокими (с углом при основании макронароста не более 10 градусов и радиусом много большим высоты макронароста). Доказана универсальность явления высокотемпературного полевого испарения. Конкретный температурдо-полевой режим должен зависеть от материала острия.

3. Впервые обнаружена заметная сегрегация Щг и Н? на поверхности соответствующих сплавов Ь-КЬ, Н£Мо, НШ, которая выражается в том, что микровыступы состоят в основном из этих поверхностно активных компонентов.

4. Показано, что наличие Шг в сплаве 1гШ1 - разрыхляет решетку и способствует росту микровыступов на плотноупакованных гранях.

5. Обнаружен неравновесный характер испарения кристалла ВТСП Ей 1:2:3

6. Впервые выявлено значительное возрастание скорости испарения иона В!444" (В12223) при охлаждении образца от температуры жидкого до температуры твердого азота.

Научная и практическая значимость.

В настоящей диссертации собраны и проанализированы новые систематические сведения о процессе полевого испарения материалов ВТСП (Ей 1:2:3 и В12223). Получен новый экспериментальный материал, касающийся процессов термополевых формоизменений острий из 14, ряда сплавов (1гШ1, ШМо, Ш№) , Обнаружен эффект "схлопывания колец" и разработана новая модель, позволившая доказать универсальность явления и выявившая значимость определенной геометрии острия. Обнаружена заметная сегрегация КИ и Ш на поверхности сплавов МИт, НМо, С точки зрения построения точечных источников ионов, перспективными для нанотехнологии, рассматриваемые материалы хороши стабильностью и широким диапазоном управления геометрией и составом пучка, а также и зарядовостью ионов.

Основные положения. выносимые на защиту.

• Платина, как точечный полевой источник ионов, по своим параметрам аналогичный иридиевому, выгодно отличается от последнего тем, что те же форша процесса, особенности испарения реализуются при температурах на 150 - 200 градусов ниже наблюдаемых для иридия.

• Получило развитие объяснение обнаруженного ранее на иридии, а теперь и на платане явления «схлопывания колец» при высокотемпературном полевом испарении, расчет распределения электрического поля вдоль поверхности острия выявил существенную роль участка с отрицательной кривизной у подножия макронароста. Определены форма и высота макронаростов.

• Высокотемпературное полевое испарение сплавов IrRh, HfW и HfMo обнаружило существенную сегрегацию поверхностно-активных компонентов Rh и Hf на поверхности соответствующих сплавов, которая выражается в том, что микровыступы состоят в основном из этих компонентов.

• Анализ спектров полевого испарения материала ВТСП Ей 1:2:3 подтвердил идею неравновесного испарения такого материала. Обнаружены скоррелированные группы испаряемых ионов.

10

• Опыты с полевым испарением материала ВТСП В1 2223 обнаружили аномальную зависимость скорости полевого испарения от температуры. Испарение резко усиливается при переходе через Тс от Т жидкого к Т твердого азота.

Апробация работы.

Результаты исследований, вошедших в диссертацию докладывались и обсуждались на Международных симпозиумах "Наноструктуры: физика и технология" (С.-Петербург, 1993, 1994 г.); на Международном симпозиуме по эмиссии в сильных полях (Руан, Франция, 1994); на Международной конференции по вакуумной микроэлектронике (Портланд, Орегон, США, 1995 г); на Международном симпозиуме по эмиссии в сильных полях (Москва 1996 г); на Международной конференции по вакуумной микроэлектронике (С.-Петербург, 1996); на Международной конференции по вакуумной микроэлектронике (Эшвилл, Северная Каролина, США, 1998).

Основное содержание диссертации изложено в 12 публикациях (5 статей в отечественных^ зарубежных журналах и 7 докладов). и

Заключение диссертации по теме «Физическая электроника», Конторович, Елена Львовна

Основные результаты проведенных иследований можно сформулировать следующим образом:

1. Термополевые формоизменения платины аналогичны таковым для иридия, с тем отличием, что те же формы процесса, особенности испарения реализуются при температурах на 150-200 градусов ниже чем для иридия.

2. Эффект схлопывания колец при ВТПИ платины, обнаруженный ранее для иридия, аналогичным образом проявляется и в случае платины.

3. С точки зрения построения точечных источников ионов, перспективных для нанотехнологии, интересна эмиссия ионов платины с вершины трехгранных углов {023} на начальных стадиях перестройки. В отличие от микровыступов , вершины стабильны на поверхности и обеспечивают долгую стабильную эмиссию уже при довольно низких температурах (с 900-1000К).

4. Теоретический расчет распределения электрического поля на поверхности острия с макронаростом позволил выявить причину непостоянной скорости схлопывания колец. Наблюдаемая кинетика процесса определяется зависимостью распределения электрического поля у подножия макронароста от геометрии макронароста.

5. Результаты расчетов подтвердили и существенно уточнили предлагаемую ранее качественную модель явления.

6. Показано, что макронаросты должны быть пологими и невысокими, (а ~10°,К»Н)

7. Приведенные расчеты показывают, что процесс ВТПИ со схлопыванием колец должен быть универсальным . Конкретные поля и температуры должны зависеть от материала острия.

8. Обнаружена заметная сегрегация Шг и НТ на поверхности соответствующих сплавов ШИ, ШМо, НШ, которая выражается в том, что микровыступы состоят в основном из этих поверхностно активных компонентов.

9. В режиме высокотемпературного полевого испарения полевого испарения сплава НШо, содержащего только 7% Ш, в ионных потоках регистрируется преимущественно Н£

10.14? формоизменения сплава 1гЙ1 напоминают таковые для чистых 1г и Р1;, с тем отличием, что микровыступы вырастают даже на плотноупакованных гранях.

11.Эффект "схлопывания колец" при высокотемпературном полевом испарении, обнаруженный ранее для чистых металлов , аналогичным образом проявляется и для исследованных сплавов.

12. С точки зрения построения точечных источников ионов, рассматриваемые сплавы хороши стабильностью и широким диапазоном управления геометрией пучка и зарядовостью ионов.

13.При изучении полевого испарения ВТСП - кристаллов, результаты позволяют сделать вывод о характере выхода определенных ионов в виде групп одного сорта и в виде скоррелированных сигналов от групп ионов разного сорта. Если с поверхности ВТСП кристалла удаляется какой-либо атом, то изменяется локальный состав поверхности. Испарение иона - инициатора (адсорбированный материал или же элемент решетки) влекло за собой такое перераспределение связей, что одновременное ним из той же элементарной ячейки удалялся другой ион.

14.Выявлено значительное возрастание скорости испарения иона В!444 (ВЬ8г2Са2Си20у) при охлаждении образца (от температуры жидкого до температуры твердого азота). Анализ наблюдений позволяет предположить, что при охлаждении ниже Т перехода в кристалле 2223 ослабляются связи атомов В1 с решеткой, либо заметно увеличивается амплитуда их колебаний.

В заключении, мне бы хотелось сердечно поблагодарить научного руководителя В.Н. Шредника, который , будучи еще руководителем моей дипломной работы, неизменно играет важную роль в моей научной судьбе. Его постановка задачи, ценные советы и участие сделали представляемую работу возможной.

Выражаю особую признательность О.Л. Голубеву, с которым меня связывают многие годы совместной работы, чей опыт и знания всегда служили мне опорой.

Я благодарна Ю.А. Власову, М.В. Логинову, В.Г. Бутенко, Д.П. Вернадскому, Д.В. Глазанову за неоценимую помощь в проведении экспериментов и за квалифицированные консультации.

Большую помощь в проведении экспериментов оказали Г.В. Спасская и Т.И. Судакова, которых я искренне благодарю.

Я выражаю глубокую признательность коллективу лаборатории, возглавляемой В.Н. Шредником за неизменно дружелюбную, творческую атмосферу.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Итак, работа была направлена на углубление и расширение наших знаний о процессах полевого испарения однокомпонентных и многокомпонентных материалов* таких, как платина, сплавы 1гШ1, Н£Мо и ВТСП материалы Ей 1:2:3 и В1 2223 в широком температурном интервале: 80-2000 К.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Конторович, Елена Львовна, 1999 год

1. Власов Ю.А., Голубев О.Л., Конторович Е.Л.ДНредник В.Н. Полевое испарение монокристалла Bi2Sr2Ca2Cu3Oy // Письма в ЖТФ. 1992. Т. 17. В. 24. С. 5-9.

2. Власов Ю.А., Голубев О.Л., Конторович Е.Л., Шредник В.Н. Неравновесный характер разрушения элементарной ячейки ВТСП-кристалла. //ЖТФ. 1995. Т. 65. В. 1. С. 70-80.

3. Голубев О.Л., Конторович Е.Л., Шредник В.Н. Термополевые формоизменения и высокотемпературное полевое испарение платины // ЖТФ. 1996, Т. 66. В. 3, С. 97-106.

4. Kontorovitch E.L., Loginov М.V., Shrednik V.N. "Atom probe determination of the multicomponent material thermo-field microprotrusion parameters". Journal of Vacuum Science & Technology B, Second Series, v. 15, N .2, pp.495498, 1997.

5. Shredpik V.N., D.V.Glazanov, Kontorovitch E.L., "To the theory of dynamic surface changes while high-temperature field evaporation". Journal of Vacuum Science & Technology B, Second Series, 1999, in print.

6. Golubev O.L., Kontorovich EX., Shrednik V.N. at al. A ball-pen in nanometric scale. // Int. Symp. «Nanostructures: physics and technology».

7. St. Petersburg. 1993. Absrtacts. P. 233-234.

8. Golubev O.L., Kontorovich EX., Shrednik V.N. Iridium and platinum writer in nanometrie scale. I I Int. Symp. «Nanostructures: physics and technology». St. Petersdburg. 1994. Abstracts. P. 382-383.

9. Golubev O.L., Kontorovich E.L., O.G.Saveljev, Shrednik V.N. and Yu.A.Vlasov "Search for correlation of elementary events at HTSC field evaporation". 41st international Field Emission Symposium, Rouen, France, 1994, Technical Digest, p. GB-2.

10. Golubev O.L., Kontorovich E.L., Shrednik V.N. Point sources of Pt and Ir. // Int. Vac. Microelectron. Conf. Portland. USA. 1995. Technical Digest. P. 447449.

11. Kontorovitch EX., Loginov M.V., Shrednik V.N. "Investigation of hafiiium-tungsten alloy by time of flight atom probe". 43rd International Field Emission Symposium, Moscow, Russia, 1996, program and Abstracts, p.P-62.

12. Shrednik V.N., D.V.Glazanov, Kontorovitch EX., "To the theory of dynamic surface changes while high-temperature field evaporation". XI International Vacuum Microelectronics Conference, Ashville, NC, USA, 1998, Technical Digest, p. 7-8.

13. А1-91. Автоионная микроскопия. Под ред. Дж. Рена и С. Ранганатана.

14. М.Мир. 1971.270 с. Б1-48. Бартон В., Кабрера Н., Франк Ф. Рост кристаллов и равновеснаяструктура их поверхности. // В кн. Элементарные процессы роста кристаллов. М. Изд. ин. лит. 1959. С. 11-109.

15. Б2-104. Блашенков Н.М., Лаврентьев Г.Я., Шредник В.Н. Уменьшение теплоты десорбции кислорода в монокристалле SmBa2Cu307^ в области Тс. // Письма в ЖТФ. 1991. Т. 17. В. 22. С. 30-35.

16. Б5-92. Бутенко В.Г., Голубев О.Л., Шредник В.Н, и др. Эффект схлопывания колец при горячем полевом испарении иридия. // Письма в ЖТФ. 1992. Т. 18. В. 8. С. 86-91.

17. В6-107, Власов Ю.А., Голубев О.Л., Шредник В.Н. Равновесные и стационарные формы нагретых металлических кристаллов в сильном электрическом поле. //Рост кристаллов. 1991. Т. 19. С. 5-21.

18. В7-80. Власов Ю.А., Голубев О.Л., Сюткин H.H. и др. Автоэлектроннаяработа выхода материалов ВТСП. // Тез. докл. XXI Всес. конф. поэмиссионной электронике. Ленинград. 1991. Т. 1. С. 272.

19. В8-81. Власов Ю.А., Голубев О.Л., Шредник В.Н. Изучение ВТСП-монокристаллов с помощью Нолевых эмиссионных методов. // Тез. докл.Iii

20. Межд. симп. по физике и химии твердого тела. Благовещенск. 1991. С.143.

21. В9-82. Власов Ю.А., Голубев О.Л., Сюткин H.H. и др. Полевая десорбция с поверхности сверхпроводящих перовскитов. // ЖТФ. 1990. Т. 60. В. 10. С. 159-163.

22. В10-83. Власов Ю.А., Голубев О.Л., Сюткин H.H. и др. Исследование атомной структуры и состава монокристаллов YBa2Cu307.x с помощью широкоугольного атомного зонда. // Письма в ЖТФ. 1989. Т. 15. В, 16. С. 62-67.

23. Г5-95. Гарбер Р.И., Дранова Ж.И, Михайловский И.М. Способ изготовления игольчатых автоэлектронных эмиттеров. // A.C. N/ 171929. Б.И. 1965. N/12. С. 116.

24. И1-101. В.П.Ильин "Численные методы решения задач электрофизики", М., "Наука", 1985 г., 336 с.

25. Е1-89. Елинсон М.И., Васильев Г.Ф. Автоэлектронная эмиссия. М. Гостехиздат. 1958. 253 с.

26. Л1-68. Логинов М.В., Шредник В.Н. Структура и состав термополевых микровыступов из силицида вольфрама. // ЖТФ. 1997. Т. 67. N. 9. С. 102109.

27. Л2-69. Логинов М.В., Шредник В.Н. Полевое испарение сплава Hf-Mo. // ЖТФ. 1998. Т. 68. N, 3. С. 69-73.

28. Л3-93. Логинов М.В., Савельев О.Г., Шредник В.Н. Полевая десорбция протонированных кластеров воды с поверхности ВТСП материалов. // ЖТФ. 1994. Т. 64. N. 8. С. 123-131.

29. МЫЗ. Мюллер Э., Цонь Т. Автоионная микроскопия. М. Металлургия. 1972.360 с.

30. М2-16. Миллер М- Смит Г. Зондовый анализ в автоионной микроскопии. М. Мир. 1993. 301 с.

31. МЗ-25. Мюллер Э.В., Цонг Т.Т. Полевая ионная микроскопия, полевая ионизация и полевое испарение. М. Наука. 1980.217 с. М4-34. Мюллер Э.В. Автоионизация и автоионная микроскопия. // УФН. 1962. Т. 77. С 481-523.

32. PI-51. Рабинович A.A., Шредник В.Н., Павлов В.Г. и др. Новый способ обработки автокатодов. // Аппаратура и методы рентгеновского анализа. 1974. N. 13. С. 256-258.

33. С1-42. Сокольская И.Л. Поверхностная миграция атомов вольфрама в электрическом поле. //ЖТФ. 1956. Т. 26. N. 6. С. 1177-1184. С2-99, A.A. Самарский "Теория разностных схем", М., "Наука", 1989 г., 616 с.

34. СЗ-100. A.A.Самарский, Е.С.Николаев "Методы решения сеточных уравнений", М., "Наука", 1978 г., 592 с.

35. Т1-94. Тегарт В. Электролитическое и химическое полирование металлов. М, ИХ 1957.184 с.

36. Ф1-105. Фоменко B.C. Эмиссионные свойства метериалов, // Справочник. Киев. Наукова Думка. 1981. 338 с.

37. Ш1-43. Шредник В.Н., Павлов В.Г., Рабинович A.A., Шайхин Б.М. Воздействие сильного электрического поля и нагрева на металлические острия. // Изв. АН СССР, сер. физ. 1974. Т. 38. N. 2. С. 296-301.

38. Ш4-53. Щредник В.Н., Павлов В.Г., Рабинович А.А. Способ изготовления автоэмиссионных острийных катодов, // À.C. N. 464238. Б.И. 1975. N. 35. С. 179.

39. Ш5-90. Шредник В.Н. Высоковольтные ненакаливаемые катоды (мощые и маломощные). // В кн. Ненакаливаемые катоды. М. Сов.