Работа выхода грани (110)w в присутствии атомов ниобия

В настоящее время разработан и в достаточной степени понятен термоэмиссионный преобразователь (ТЭП) ядерной энергии с ядерным горючим в качестве источника тепловой энергии [1]. Одним из путей улучшения параметров ТЭП является разработка и применение новых материалов для электродов преобразователя. Вместе с тем следует обращать внимание на проблему совместимости различных материалов, в том числе на возможность влияния материала коммутационной перемычки между эмиттером и коллектором ТЭП на эмиссионные характеристики эмиттера. Такое влияние возможно вследствие массопереноса материала коммутационной перемычки на рабочую поверхность эмиттера в режиме генерации. В данной работе представлены результаты исследований влияния атомов ниобия (Nb) на эмиссионные свойства грани (110) монокристалла вольфрама (W).

Исследования проведены в сверхвысоковакуумной установке [2] с остаточным давлением в рабочем объеме P ~ 10-11мм.рт.ст. Установка обеспечивает перемещение и вращение исследуемого образца внутри камеры, нагрев его до 2500К, измерение температуры образца пирометром и термопарой WR-5/20. Контроль чистоты поверхности образца и измерения степени покрытия ниобием эмиттера из W(110) проводились Оже-анализатором типа «цилиндрическое зеркало» и спектроскопией полного тока (СПТ), описанного в [3]. Определение работы выхода φ поверхности образца производилось методом контактной разности потенциалов (КРП) в варианте Андерсона [4]и методом полного тока.

Образец для лабораторных исследований (чашечка O16 мм) изготовлен из монокристаллического (грань (110) с ориентацией ~ 40?) вольфрама. В качестве источника Nb использовался переплавленный в вакууме кусочек ниобиевой проволоки технической чистоты. Ниобий наносился на центральную часть образца в виде полоски, шириной 3 мм и толщиной от долей монослоя до 5 монослоев включительно.

Получена количественная зависимость изменения работы выхода ∆φ грани (110) W от степени покрытия θ ниобием (рис. 1). Максимальное значение ∆φ = 0,38 эВ соответствовало монослойному ниобиевому покрытию на поверхности образца.

Обнаружено, что при отжиге пленок Nb на грани (110)W различной исходной толщины (от θ0 ~ 0,7 до 5 монослоев включительно) после растворения Nb в W и охлаждения образца ниже 500K происходит значительное снижение φ поверхности при достижении степени покрытия θ ~ 0,7 (максимальное

∆φ = 0,67 эВ), которое существенно отличается от калибровочного значения (рис. 1).

Во всех интересуемых случаях были сняты СПТ в области ускоряющих напряжений от 0 до 100 В. Представленные на рисунке 2 спектры для наглядности смещены по оси ординат (кроме спектров 4 и 5) и показаны только участки в области энергий о 0 до 50 В.

Характерная особенность спектров – это наличие трех максимумов, величина и положение которых зависит от состава и свойства поверхности. Первый пик находится непосредственно за областью кривой задержки и максимум его приходится примерно в районе КРП. В [5,6] указывают на то, что первый пик в СПТ может служить хорошим индикатором как нарушения структурной однородности (например, вследствие загрязнения), так и изменения φ. Второй и третий пики меняются меньше по величине, но энергетическое положение их более чувствительно к зонной структуре приповерхностных слоев. Например, второй пик в случае чистого W и Nb (кривые 5 и 4 рис. 2) имеет смещение относительно друг друга, а в случае неполного покрытия поверхности W ниобием с θ = 0,32 (кривая 8, рис. 2) этот пик становится широким, с пологой вершиной и напоминает суперпозицию пиков, соответствующих чистым поверхностям W и Nb. Третий пик заметно реагирует на процесс растворения Nb в W изменением своего местоположения.

По данным спектроскопии полного тока (рис. 2) и коэффициенту отражения тепловых электронов (рис. 3) наблюдаемое изменение φ при растворении Nb в W объяснено образованием на поверхности образца некоторой конфигурации атомов Nb – W, электронная структура которой близка к структуре сплава в приповерхностной области. При θ ~ 0,7 влияние «изолированных» атомов W, продиффундировавших на поверхность, наибольшее, что проявляется в разуплотнении сплошной структуры пленки островков ниобия. Совпадение после отжиговой зависимости ∆φ(θ) с калибровочной кривой в области θ < 0,6 объяснено слиянием одиночных атомов W в островки с собственной структурой и восстановлением плотности пленок в ниобиевых островках. При θ > 0,8 концентрация атомов Nb настолько высока, что действие одиночных поверхностных атомов W

практически не сказывается на плотность пленки ниобия, поэтому изменение работы выхода

∆φ(θ) точно следует калибровочной зависимости.

Десорбционные эксперименты показали, что при Т = 1900К и менее испарение Nb с эмиттера не происходит. Заметное испарение Nb с W начинается при Т= 2150К (рис. 4), когда за время более трех часов контролируемое значение работы выхода при испарении Nb изменяется на 0,29 эВ. Найденное нами значение энергии десорбции Nb с W равно Едес= 7,3 эВ. Это значение практически совпадает с энергией сублимации Nb, равное Есуб= 7,37 эВ. Для полного удаления Nb с поверхности W необходима длительная (более 1 ч) термообработка при Т ~ 2500К.

Иллюстрации к статье

Степень покрытия, θ

Изменение работы выхода, эВ

Ток через образец, отн.ед

Сдвиг энергии, В

Рис. 1. Изменение работы выхода грани (110) W

от степени покрытия θ поверхности ниобием.

1- до отжига, 2- после отжига (исходная θ > 1)

Коэффициент отражения

Рис. 2. Спектры полного тока поверхности (110) W c пленками Nb (2,4,6,8- без отжига, 1,3,7,9,10 – после отжига). 5-чистая грань (110) W, 4 –чистая пленка Nb (5 монослоев) на грани (110) W.

1 – θ 0,85; 2- 0,81; 3- 0,53; 6- 0,9; 7- 0,75; 8- 0,32;

В

э

9- 0,96; 10- 0,56. θ =I/I 0 (отношение интенсивностей Оже – сигнала субслоя и монослоя).

Изменение работы выхода,

Рис. 3. Изменение работы выхода, коэффициента отражения, положения третьего пика СПТ от степени покрытия θ грани (110) W ниобием.

  1. до отжига, 2 – после отжига монослойной пленки ниобия

Напряжение, В Степень покрытия, θ

Рис. 4. Изменение работы выхода молибденового коллектора со временем при осаждении на него Nb, десорбированного с грани (110) W при 2150 К

Изменение работы выхода, эВ

Время, мин

ЛИТЕРАТУРА

  1. Физические основы термоэмиссионного преобразования энергии /Под ред. Стаханова И.П. – М.: Атомиздат, 1973. – 374 с.
  2. Бекмухамбетов Е.С., Джаймурзин А.А., Иманбеков Ж.Ж., Кутепов В.В., Склонин С.В. Установка для исследования поверхности твердых тел и результаты изучения адсорбции кислорода на грани (110)W. Препринт ИЯФ АН КазССР, Алма-Ата, 1988, №88-05, - 62 с.
  3. Силантьев В.И., Шевченко Н.А., Меламед Б.Я. Контроль чистоты поверхности монокристаллического вольфрама с помощью спектроскопии полного тока. – Укр.физ.жур., 1979, т.24, №8, с.1227-1229
  4. Anderson P.A. The Contact Difference of Potential between Tungsten and Barium. – Phys.Rev., 1935, v.47, p.958-964.
  5. Дегтяр И.Я., Меламед Б.Я., Силантьев В.И., Шевченко Н.А. – Поверхность, 1982, №8, с.55.
  6. Бекмухамбетов Е.С., Джаймурзин А.А., Иманбеков Ж.Ж., Склонин С.В. – ХХ Всесоюзная конференция по эмиссионной электронике (тезисы докладов), Киев, 1987, т.1, с.153.

 

Год: 2011
Город: Алматы
loading...