Визначення елементарних стадій взаємодії атомних часток з поверхнею та розробка «атомного зонду» для діагностики поверхні

  • 86
  • 2018/01/29

(науковий керівник – Гранкін В.П., д-р фіз.- мат. наук, проф.)

Мета НДР – дослідження взаємодії атомних часток теплової енергії з поверхнею твердих тіл, у тому числі з системою квантових центрів з локалізованими електронами і наноточок, побудова механізмів електронного збудження поверхні, а також розробка нових принципів визначення заповнення поверхні атомами у відносних одиницях (з чутливістю до 10-8 моношару), зокрема, у динамічних умовах. Наукова новизна та значимість отриманих наукових результатів Розроблено наукові основи люмінесцентного контролю концентрації атомів на поверхні, що адсорбуються із газової середи та плазми, в вільно-радикальних технологічних процесах, таких як епітаксія напівпровідників, гетерогенний каталіз, плазмохімія. Створено принципи атомного зондування для діагностики заповнення поверхні атомами («атомний зонд»). Функціонально «атомний зонд» схожий на тунельний мікроскоп, але більш чутливий, простий в експлуатації і може бути використаний для досліджень швидкопротікаючих процесів та процесів електронної акомодації енергії гетерогенних хімічних реакцій. Підвищення чутливості зондування досягається за рахунок переведення твердого тіла в електронно-збуджений метастабільний стан шляхом попередньої дії на поверхню іонізуючим випромінюванням, наприклад ультрафіолетовими (УФ) квантами, що призводить до збільшення виходу квантів хемілюмінесценції на декілька порядків величини. Запропонований спосіб може підвищити чутливість методу до 5 порядків величини, тобто краще за 10-8 моношару в динамічному режимі. Такого підходу сьогодні у світі не існує і його вперше запропоновано у ДВНЗ «ПДТУ». Розроблено оригінальні методики експерименту. Серед них є унікальні, а саме – спостереження люмінесценції поверхні, яка збуджується у хімічній реакції та окремих її актах (адсорбція, рекомбінація радикалів та ін.). Створена нова вакуумна установка, у якій можливо дослідження гетерогенної хемілюмінесценції, фотолюмінесценції, хемостимульованої та термостимульованої люмінесценції, збудження зразків атомами різного сорту та плазмою В установці реалізовано також можливо найбільш чутливий і точний на сьогодні спосіб визначення коефіцієнта рекомбінації атомів чи радикалів на поверхні зразка із використанням ефекту накопичення Рамцею. Побудовано моделі квантових механізмів високоефективної електронної акомодації на нанокаталізаторах і твердих тілах з системою квантових точок та нанорозмірних структур. Значимість отриманих результатів полягає в тому, що дослідження електронних процесів на поверхні твердих тіл під час хемозбудження є необхідними для подальшого розвитку уявлень про механізми гетерогенної хемілюмінесценції, хемоемісії та інших явищ електронного збудження твердого тіла у актах зіткнення низькоенергетичних атомних часток із твердим тілом. Відповідність отриманих наукових результатів сучасному рівню досліджень в даній галузі У ДВНЗ «ПДТУ» відкрито нове явище – високоефективна електронна гетерогенна акомодація енергії хімічної реакції, яке полягає у збільшенні швидкості реакції на кілька порядків величини та інтенсивності хемілюмінесценції за рахунок збудження електронної системи напівпровідника. Вперше на основі відкритого явища показано, що електронний канал акомодації може виступати в якості інструмента для визначення заповнення поверхні атомами із газової фази та плазми. Для ряду досліджень (адсорбція атомів, дисоційована адсорбція молекул та ін.), приладів (лазери, хімічні та газові лазери), а також у гетерогенному каталізі, плазмохімії, космічних дослідженнях та ін. важливо знати заповнення поверхні атомами та слідкувати за концентрацією атомів на поверхні. Найкращим інструментом для визначення заповнення поверхні атомами є розроблений за кордоном тунельний (атомно-силовий) мікроскоп. Але його не можна використати для визначення заповнення поверхні атомами малого діаметру (водню, кисню, азоту та ін.) і заповнення поверхні при протіканні хімічної реакції. В цьому випадку використовуються атомні ваги на основі п’єзокварцу, але у цьому випадку не можна розлічити атоми або молекули на поверхні. Величина інтенсивності люмінесценції напівпровідника говорить про швидкість електронної акомодації. У силу своєї високої чутливості люмінесцентний метод (у т.ч. метод хемостимульованої люмінесценції та метод хемілюмінесцентного зондування поверхні імпульсними потоками окремих компонентів реакції суміші) дозволяє судити о детальних шляхах реакції на мікрорівні та природі інтермедіантів. Люмінесценція є наслідком електронного збудження твердого тіла енергією реакції рекомбінації атомів на поверхні з атомами із пучка та несе інформацію про саму поверхню (унаслідок різниці у спектрах люмінесценції об’єму та поверхні твердого тіла), про заповнення поверхні атомами та про газове оточення. Люмінесценція, що виникає при взаємодії нормованого зондуючого потоку з атомами на поверхні, є високочутливим інструментом та може бути використана для реєстрації атомів на поверхні при заповненні від 10-8 до 1 моношару. Час вимірювання концентрації атомів на обраній ділянці поверхні менш за секунду. Можлива область робочих тисків атомного зонду 10-10 – 10-3 Тор в режимі сканування пучка по поверхні, та 10-3 – 100 Тор при визначенні інтегральної концентрації атомів на всій поверхні зразку твердого тіла. Цей підхід вперше запропоновано у ДВНЗ «ПДТУ». Практична цінність результатів НДР Нерівноважні процеси взаємодії низькоенергетичних атомних часток із поверхнею та енергообмін в елементарних актах взаємодії газ – тверде тіло визначають поведінку каталітичних структур, напівпровідникових приборів, опто- і мікроелектроніки, захисних поверхонь спускаємих космічних апаратів і можуть бути високочутливим інструментом дослідження твердого тіла та елементарних актів енергообміну в системах газ – тверде тіло. На цій основі розроблено нові принципи та методи визначення заповнення поверхні атомами у відносних одиницях (з чутливістю до 10-8 моношару), зокрема, у динамічних умовах протікання хімічної реакції рекомбінації атомних часток із плазми на поверхні дослідного матеріалу, що неможливо зробити існуючими методами. Створений «атомний зонд» може бути використано в мікро- та наноелектроніці, плазмохімії, гетерогенному каталізі, у наукових дослідженнях, де є необхідним контроль концентрації атомів на поверхні напівпровідникових структур.

Якщо ви знайшли помилку, будь ласка, виділіть фрагмент тексту та натисніть Ctrl+Enter або це повідомлення.

Повідомити про помилку

10:17
17/08/2018
Непарний тиждень
немає занять