Электронно- и ионно-стимулированные процессы на поверхности твердых тел

| следующая статья ==>





Начало исследованиям электронно-стимулиро­ванных процессов (ЭСП) на поверхности твердых тел было положено в 1975 г. В условиях бомбардировки электронами низких энергий было продемонстрировано ло­кальное осаждение пленок металла в области взаимодействия сканирующего электронного пуч­ка с подложкой, которое закончилось получением опытных образцов пленок Ag, полностью локали­зованных на следе электронного пучка. Эффект объяснялся созданием на поверхности радиаци­онных дефектов, являющихся дополнительными центрами конденсации, способствующих эпитаксиальному выращиванию пленок различных ме­таллов и полупроводников, значительно снижая температуру эпитаксии. Наконец, была также по­казана возможность управления свойствами рас­тущей пленки электронами низких энергий, что позволило получить островковые пленки с задан­ными размерами островков. Этот результат ока­зался весьма ценным при исследовании различ­ных размерных эффектов.
В последние годы большое внимание уделя­лось таким практически важным вопросам, как электронно-стимулированная диффузия частиц на поверхности, электронно-стимулированная де­сорбция, в частности, была изучена радиационная стойкость керамики в ионных космических двига­телях по отношению к низкоэнергетичным элек­тронам и ионам.
Систематическое исследование ионно-стимулированных процессов на поверхности твердых тел (ИСП), их закономерностей и, в пер­вую очередь, выяснение механизма ионной стимуляции конденсации и роста пленок проводи­лось с 1975 г. Была разработана пер­вая теоретическая модель ионно-стимулированного зарождения конденсата на поверхности, базирующаяся на представлении об образовании под действием ионов точечных дефектов - цен­тров конденсации, на которых ликвидируется барьер зародышеобразования, а также впервые обнаружена ионная стимуляция поверхностной диффузии. Это легло в основу физических основ диагностики дефектной металлической поверхно­сти для выявления уничтоженных маркировочных обозначений и усталости металла, базирующейся на получении в областях остаточной деформации контраста (в некоторых случаях визуального), проявляющегося при ионной бомбардировке за счет изменения относительных концентраций им­плантированных газов и компонентов металла.
В своем роде решающую роль в развитии исследований ионно-стимулированных процес­сов и синтеза двух новых метастабильных алло­тропных форм углерода - линейно-цепочечного (ЛЦУ) и гранецентрированного (ГЦК) углерода сыграло исследование влияния ионного облуче­ния на процессы формирования, структуру и свойства углеродных пленок, которое показало, что в зависимости от энергии ионного облучения (ЕАг+= 0...200эВ) свойства аморфных углерод­ных пленок, конденсируемых в условиях ионного облучения, резко немонотонно изменяются с энергией ионов, а в ряде случаев зафиксировано изменение типа химической связи между атомами углерода. В последующем было надежно уста­новлено, что в селективных интервалах энергии ионного облучения имеет место изменение ближ­него порядка в расположении атомов углерода происходит ионная стимуляция фазовых превращений, приводящая к изменениям свойства угле­родных пленок.
Впервые проведен теоретический анализ ме­ханизма перестройки структуры углеродных кла­стеров под действием медленных ионов, учиты­вающий эффекты неупругого взаимодействия ио­нов с углеродным конденсатом, приводящие к ин­тенсивному возбуждению электронной подсисте­мы пленки. Такой подход позволил объяснить не­монотонный характер энергетической зависимости эффекта ионного воздействия осциллирующей за­висимостью от энергии сечения резонансной пере­зарядки ионов на углеродных кластерах.
Был разработан и применен но­вый метод обработки Оже-спектров, развит метод деконволюции KVV Оже-линий углерода для оп­ределения плотности электронных состояний в валентной зоне а-С. С применением этого метода, а также с помощью анализа спектра характери­стических потерь энергии электронов была впер­вые исследована электронная структура карбиновой аллотропной модификации углерода и доказана его линейно-цепочечная структура.
Эти работы положили начало новому циклу приоритетных пионерских исследований, посвя­щенных развитию методов синтеза и исследова­нию свойств и структуры линейно-цепочечного углерода. К настоящему времени реализованы методы газоразрядной, лазерной и ионно-стимулированной конденсации карбиновых пленок, предложены способы управления структурой кар­бина с применением радиационных методов, по­зволяющие получать различные модификации карбина. Заложены основы колебательной спек­троскопии карбина, и исследована атомная струк­тура карбина с применением современных мето­дов исследования и обработки эксперименталь­ных данных; это впервые позволило построить структурную модель карбина, абсолютно адек­ватную картине электронной дифракции. Таким образом, были развиты физиче­ские основы методов управляемого нанесения тонких пленок, ионно- и электронно-стимулиро­ванные процессы на поверхности твердого тела, адсорбции, поверхностной диффузии, эпитаксиально-ориентированного роста тонких пленок, получены новые вещества в форме нанофаз, в том числе, способные к самоорганизации.
Развивая углеродную тематику в плане полу­чения углеродных пленок с широким спектром свойств и, в частности, алмазных пленок, с 1992 года ведется исследование ультрадисперсно­го алмаза (УДА), получаемого методом взрывного синтеза. Проведенные исследования атомной и электронной структуры УДА позволили предло­жить метод получения ультрадисперсных алмаз­ных пленок с применением лазерного испарения. Рекордно высокая плотность частиц в пленке оп­ределила перспективу их использования как заро­дышевого подслоя для последующего наращива­ния алмаза методом CVD. Это привело к сущест­венному повышению качества CVD-пленок, их оптических и механических свойств.
Проведены работы по формированию ориентиро­ванных молекулярных пленок методами вакуум­ной конденсации и ионной полимеризации в ка­честве альтернативы методу Ленгмюра-Блоджетт, применяемого исключительно к узкому кругу ве­ществ - молекул с гидрофильными и гидрофоб­ными группами. Экспериментально изучены за­кономерности роста тонких ориентированных пленок, базирующиеся на анализе межмолекуляр­ных взаимодействий и взаимодействий подложка - адсорбат, объясняющие основные эксперимен­тальные закономерности ориентированного роста.
Таким образом, нанотехнология является междисципли­нарной областью фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с синтезом нано-материалов, исследованием их свойств, созданием технических систем на их основе для различных практических приложений, а также включающая разработку принципов и устройств, необходимых для реализации вышеуказанных процессов. Поэтому можно считать основные методы управляемого создания различного рода наноматериалов и наноструктур важной областью современных нанотехнологий.

Успех отмеченных выше исследований во многом зависит от наличия источников электронных, ионных и атомарных (молекулярных) пучков с ши­роким диапазоном их параметров: энергии, плотно­сти и массового состава, а также длительности. Многие из таких источников были результатом многолетних исследований физики газовых раз­рядов всех существующих типов: разряда с по­лым катодом, стационарных и импульсных раз­рядов постоянного тока, высокочастотных, мик­роволновых и лазерных, дуговых, искровых раз­рядов и плазменных струй, комбинированных систем.
Разработанные плазмотроны - генераторы плазменных струй для обработки поверхности различных материалов с защитой области взаи­модействия плазма - поверхность оболочкой ней­трального газа.
Наконец, большие успехи в создании новых наноструктурированных углеродных материалов были достигнуты с помощью разработанных реак­торов на основе специальным образом организо­ванных сильноточных импульсных вакуумных дуг в магнитном поле, укомплектованных дополнительно источниками ионов. Следует упомянуть здесь и об уникальном источнике кластерных ионов, который также предполагается использовать, например, для полировки поверхности образцов или наоборот, создания некоего рельефа, имплантации и др.

| следующая статья ==>