ДИССОЦИАЦИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ ПОД ЗОНДОМ СТМ

July 27, 2012 by admin Комментировать »

Иванов Ю. А., Малышев К. В., Перунов Ю. М., Федоркова Н. В.

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана 2-я Бауманская, 5, Москва, РФ Федеральное государственное унитарное предприятие «Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт (ФГУП «ЦНИРТИ»)

Новая Басманная, 20, Москва 107066, РФ Тел. +7 095 261-6626, факс +7 095 267-1559, +7 095 267-2143, e-mail: post@cnirti.ru


Аннотация Рассматриваются два из ряда возможных механизмов инициирования диссоциации адсорбированных молекул на поверхности под зондом СТМ. Полевая эмиссия из зонда в вакуум в условиях существования «потенциальной воронки» в пространстве зонд-подложка создаёт сжатый пучок электронов. Под электронным ударом происходит ступенчатое колебательное возбуждение до предела диссоциации и возбуждение при однократном ударе в нестабильные предиссоциирующие или отталкивательные электронно-возбужденные состояния с последующим мономолекулярным распадом. Диссоциация по второму пути возможна также при полевой эмиссии электронов из зонда без «потенциальной воронки». Обсуждаются количественные характеристики процессов, которые используются для выбора их вероятного механизма.

I.  Введение

О химических реакциях на поверхности твердого тела известно мало по сравнению с реакциями в газовой фазе. Поиск новых методов для их изучения, в особенности тех, где возможна пространственная локализация вплоть до атомных размеров, весьма актуален. Применение сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) и микроскопа на атомных силах (ACM) для этой цели представляются перспективным. С другой стороны, сейчас развиваются направления нанотехнологии с применением СТМ и газовых реагентов. Успех во многом определяется созданием нового раздела физической химии: кинетика и механизмы физико-химических процессов на поверхности под зондом СТМ.

II.   Исходные положения

Если вершина зонда СТМ находится на расстоянии от поверхности проводящей подложки h~1 нм, туннельный ток зонд-подложка lptUn~0. Полевая эмиссия электронов из зонда СТМ в вакуум при потенциале зонда ир -10 В и h~1 нм возможна, если радиус кривизны вершины зонда близок к радиусу атома г-0,5 нм. Диаметр пятна от пучка на поверхности составит сМО нм при угле расхождения пучка а~80°. При токе IР~1 нА плотность тока составит jptUn~103 А-см’2, что соответствует плотности потока электронов Jg-6,24-1021 см’2-с’1. В [1] расчетным путём показано, что в вакуумном плоском зазоре шириной h>1 нм при UpWp >10 В между зондом и подложкой может возникнуть «потенциальная воронка», сжимающая поток электронов в трубке d~1 нм. Для этого на зонде или подложке по оси столба должен находиться адсорбированный атом донорного или акцепторного типа. При возникновении такой «потенциальной воронки» в столбе ток может достигнуть lpt~10 мкА, плотность потока электронов Je~6,24-1027 см’2 с’1 и плотность тока ip~109 А см 2 [1,2].

Примем:

•       Поверхность подложки под зондом СТМ покрыта слоем физически адсорбированных молекул (адмолекул) толщиной не более 1 монослоя. Температура в СТМ комнатная.

•       Скорости термодинамических равновесных химических реакций между ними при комнатной температуре пренебрежимо малы.

•       Наблюдаемый процесс начинается с диссоциации адмолекул под ударами электронов. Скорость диссоциации определяет скорость процесса в целом. В химических реакциях радикалов друг с другом, с адмолекулами и атомами поверхностного слоя подложки возникают летучие и твердые продукты.

•       Зонд СТМ эмитирует электроны благодаря полевой эмиссии.

III.    Возможные пути диссоциации адмолекул

Рассмотрим два пути диссоциации молекул.

1.  Низкопороговый процесс ступенчатого колебательного возбуждения адмолекулы в основном электронном состоянии многократным электронным ударом вплоть до предела диссоциации и распада возбужденной молекулы. Энергетический порог такого возбуждения (минимальная кинетическая энергия электронов £e=eUp) составляет £ei=eUpi~0,1 эВ для сложных молекул и Eei~0,5 эВ для Н2, <Э2 и N2. Эффективное сечение одноквантового колебательного возбуждения молекул в газовой фазе электронами с энергией Ее >2Ее1 близко к газокинетическому ai«10′ 15 см2. Примем, что и для адмолекулы величина его будет такой же.

2. Высокопороговый процесс перехода молекулы под однократным электронным ударом в нестабильные электронно-возбужденные предиссоциирующие или отталкивательные состояния с последующим мономолекулярным распадом. Для молекул Н20, 02, Н2, многих органических, металлоорганических и элементо-органических соединений порог таких реакций £e2=eUp2>7 10 эВ. В газовой фазе в плазме тлеющих разрядов [4] эффективное сечение возбуждения близко к газокинетическому ст2«10′15 см2 для электронов с энергией на несколько эВ выше пороговой. Примем, что для адмолекулы оно такой же величины.

Диссоциация по первому пути возможна, если частота одноквантового колебательного возбуждения молекулы под ударами электронов пучка vKon не ниже частоты v колебаний молекулы в потенциальной яме у стенки vKon > v«1013 с’1. Предполагается, что колебательная дезактивация адмолекулы происходит за несколько колебаний её в потенциальной яме. Известно, что гетерогенная релаксация колебательной энергии происходит при одном столкновении возбужденной молекулы со стенкой [3].

В условиях «потенциальной воронки» при плотности потока электронов Je~6,24-1027 см’2 с’1 частота колебательного возбуждения достигнет значения vKon=^iJe ~ 1013 с’1, т.е. возникнет условие ступенчатого колебательного возбуждения адмолекулы до предела диссоциации.

Диссоциация по второму пути возможна в условиях полевой эмиссии и без «потенциальной воронки», если энергия падающих электронов превосходит уровень от 7 до 10 эВ. Плотность потока электронов определяет скорость процесса диссоциации, которая резко увеличится в условиях «потенциальной воронки».

IV.   Параметры процесса

Измеряются параметры процесса:

•    скорость процесса R, выраженная в числе удаленных или осажденных атомов (молекул) в расчёте на 1 см2 за 1 с,

•    локализация это наименьший из латеральных размеров dmin -диаметр лунки, ширина канавки или грядки,

•     минимальные ток зонда 1р и плотность потока электронов Je~lp/dmin2, которые обеспечивают заметную скорость процесса,

•    минимальный потенциал зонда Upmin, при котором обнаруживается процесс,

•    расстояние зонд-подложка h(Rmax), при котором наблюдается максимальная скорость процесса и расстояние h(dmin), при котором наблюдается минимальный размер продукта.

Измеренные значения dmin, R, lp, Je, Upmin, h(Rmax) и h(dmin) используются для выбора вероятного механизма процесса, который начинается с диссоциации адмолекул.

Рассмотрим три типа процессов на поверхности, локализованных в нм области: удаление (травление) поверхностного слоя подложки с образованием летучих продуктов; осаждение твердой фазы на подложке; изменение электрофизических свойств поверхностного слоя подложки. Измерение скорости 1-го и 3-го процессов и их локализации в латеральной плоскости может быть выполнено методами СТМ/АСМ микроскопии, т.е. в ходе процесса травления или осаждения с применением СТМ. Для этого необходимо измерить глубину вытравленной канавки или высоту осаждённой грядки и их ширину и длину. Локализация 2-го процесса производится таким же путём. Измерение его скорости здесь не обсуждается.

Если Upmin<5 В, то в рамках настоящего рассмотрения нельзя сказать ничего определённого о механизме процесса.

Если Upmin>7 В, то нужно обратить внимание на величины Je и h.

Если процесс возникает только при h>1 нм и токе Je>1 мкА в условиях «потенциальной воронки, а зависимость R от тока Je пороговая с резким подъёмом, тогда, вероятно, процесс инициируется диссоциацией по ступенчатому низкопороговому механизму.

Если процесс можно обнаружить при h>1 нм и токах 1е < 1 мкА, а в условиях возникновения «потенциальной воронки» его скорость R увеличивается пропорционально росту плотности потока Je и локализация процесса улучшается, тогда вероятно, что процесс начинается с диссоциации по одноступенчатому высокопороговому механизму. Если при этом порог процесса ниже порога возникновения «воронки» eUpmin< ell

pwpi

тогда eUpmjn«Ee2.

При h<1 нм зондовый ток обусловлен туннелированием электронов. В этом случае количество возможных путей инициирования химических реакций возрастает и их анализ усложняется. Так, неупругое туннелирование электронов может вызвать возбуждение частиц. Отрицательные ионы могут возникать при туннелировании электронов из зонда на адмолекулы со сродством к электрону. Возможна также автоионизация молекулы в сильном неоднородном поле зонда с образованием положительного иона при Up>10 В. Сильная поляризация адмолекул в неоднородном поле зонда может вызвать их диссоциацию или увеличить «реакционную способность» при комнатной температуре. Эти процессы здесь не обсуждаются.

V.   Заключение

В условиях образования «потенциальной воронки» под зондом СТМ на поверхности подложки возможны два типа реакций диссоциации адмолекул под электронным ударом, один из них возможен и без воронки. Их можно дискриминировать по измеренным параметрам процесса.

VI.  Список литературы

1.  N. D. Lang. Phys. Rev. Lettters,1985, v. 55. p. 230; 1986, v. 56. p. 1154.

2.  H.-W. Fink. Phys. Scr., 1989, v. 38, p. 260.

3.  Розенштейн В. Б.,Уманский С. Я.,Гершензон Ю. М. В кн.: Плазмохимические процессы. М.: Наука,1979, с. 44-63.

4.  Иванов Ю. А. Химия высоких энергий, 1989, т. 23, № 1, с. 81-87.

DISSOCIATION OF MOLECULES ON SURFACE UNDER STM PROBE

Ivanov Yu. A., Malischev К. V.,

PerunovYu. М., Fedorkova N. V.

N. E. Bauman Moscow State Technical University (N. E. Bauman MSTU)

5  Second Baumanskya Str.; Moscow, Russia;

State Central Research Radio-Technical Institute (FGUP "CNIRTI")

20 Novaya Basmannaya Str., Moscow 107066, Russia Phone +7 095 261-6626 Fax,+7 095 267-1559, +7 095 267-2143 e-mail: post@cnirti.ru

Abstract Estimation of admolecules dissociation rate under electron strike was made for tunneling electron microscope conditions. Two types of excitation processes were discussed: the stepwise vibrational excitation up to dissociation limit and the excitation to unstable and predissociation electronic states. Both types are available under “potential whirlpool” conditions. The second type is available without “potential whirlpool” conditions too.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты