Oxidation of thallium by low-energy oxygen ions.pdf Введение Известно [1], что оксиды таллия служат промоторами в составе катализаторов различных реакций. Явление высокотемпературной сверхпроводимости было открыто в слоистых таллийсодержащих оксидах [2]. Сравнительно недавно началось использование окиси таллия в качестве изолирующего диэлектрического слоя в микросхемах. К этому следует добавить, что для нетермической активации физико-химических процессов в технологии микро- и наноэлектроники используются воздействия различных излучений и полей [3]. Для получения оксидов обычно применяют высокоэнергетические (> 10 кэВ) ионы кислорода. Как отмечают авторы [4], в этом случае модификация поверхности наблюдается за счет имплантации ионов кислорода, приводящей к созданию объемных оксидных и гидроксидных поверхностных слоев. В литературе практически не встречаются работы, посвященные исследованию поверхности металлов после взаимодействия с низкоэнергетическими ионами кислорода, поэтому, с учетом практического значения, целью данной работы является изучение таких процессов на примере таллия. Экспериментальная часть Для достижения поставленной цели нами использовалась электронная оже-спектроскопия, которая весьма чувствительна к изменению химического окружения атомов на поверхности. В этом методе появление связанного кислорода на поверхности проявляется на спектрах в виде изменений профиля оже-пиков с их энергетическими смещениями на несколько электронвольт в сторону меньших энергий. Исследования выполнялись на сверхвысоковакуумной установке с безмасляной откачкой, а в качестве аналитического прибора использовался электронный оже-спектрометр [5]. Остаточное давление в рабочих камерах во время измерений было не более 1.5•10-7 Пa. Для бомбардировки образца ионами кислорода использовался источник с ионизацией газа электронным ударом (О+, E = 600 эВ, 5 мкА/см2). Этот же источник применяли для получения атомарно-чистой поверхности, но в этом случае использовались тяжелые ионы аргона (Ar+, 600 эВ, 5 мкА/см2). Образец для исследования представлял собой пластину Tl (99.99 aт.%) размером 10×10×1 мм. Результаты и их обсуждение Все эксперименты начинались с приготовления атомарно-чистой поверхности образца. Сравнение наших данных с результатами работы [6] позволяет сделать вывод о том, что чистая поверхность характеризуется двойным оже-пиком (N6,7O4,5O4,5) с энергиями 81.0 и 84.0 эВ, причем со временем энергетическое положение не изменялось (рис. 1, кривая 1). Этот факт, наряду с отсутствием оже-пиков примесных атомов, свидетельствовал об атомарно-чистой поверхности. Далее была изучена поверхность после контакта образца с кислородом при атмосферном давлении и в средах с пониженным парциальным давлением. Как и ожидалось, полученные нами данные хорошо согласуются с литературными [6, 7]. На рис. 1 приведено энергетическое положение оже-пиков N6,7O4,5O4,5 для Tl в зависимости от времени выдержки в кислородных средах с парциальным давлением 10-2 Па (кривая 2) и при атмосферном давлении (кривая 3). Рис. 1. Энергетическое положение оже-пика N6,7O4,5O4,5 таллия в зависимости от выдержки в кислороде при разных парциальных давлениях: кр. 1 - 1.5•10-7 Па (атомарно-чистая поверхность); кр. 2 - 1•10-2 Па; кр. 3 - 105 Па По данным работы [7], энергетическое положение оже-пика N6,7O4,5O4,5 после экспозиции в кислородной среде при 1•10-2 Па соответствует тонкому нестехиометрическому оксидному слою. Взаимодействие Tl c кислородом при атмосферном давлении, когда наблюдается образование объемного слоя Tl2O в смеси с Tl2O3 [1], дает спектр с оже-пиком N6,7O4,5O4,5 с энергией 80.0 эВ (рис. 1, кривая 3), начиная с 10 мин экспозиции в кислороде. После бомбардировки образца таллия ионами кислорода (600 эВ, 5 мкА/см2) регистрировались спектры, аналогичные полученным в среде с парциальным давлением кислорода 1•10-2 Па. Энергетическое положение оже-пика таллия также было при Е = 82.5 эВ, но отношение амплитуд IO/ITl значительно отличалось от полученного при давлении кислорода 1•10-2 Па. На рис. 2 приведена кинетика изменения отношения амплитуд оже-пиков кислорода и таллия при экспозиции в кислородной среде 1•10-2 Па (кривая 1) и при облучении ионами кислорода (кривая 2). Видно, что после бомбардировки ионами кислорода наблюдаются более высокие значения отношения интенсивностей IO/ITl, а расчет поверхностных концентраций с использованием IO/ITl дал значения, близкие к стехиометрическому составу Tl2O. Полученные результаты можно объяснить следующим образом. Известно [8], что взаимодействие ионов с поверхностью и их активность определяются соотношением между энергией и плотностью ионного тока. В нашем случае бомбардировка низкоэнергетическими ионами при высоких дозах облучения приводит к появлению большого количества дефектов на поверхности. Точечные дефекты, например, вакансии и скопления точечных дефектов, создаваемые на поверхности ионной бомбардировкой, служат адсорбционными центрами, которые усиливают адсорбцию кислорода. Рис. 2. Зависимость отношения интенсивностей оже-пиков IO/ITl при экспозиции в кислородной среде 10-2 Па (кр. 1) и от времени облучении ионами кислорода (600 эВ, 5 мкА/см2) (кр. 2) Имплантация ионов при энергиях 600 эВ не происходит, так как по данным профилирования пленка монослойная. Установлено также, что полученная оксидная пленка пассивирует поверхность таллия. Об этом свидетельствует тот факт, что выдержка в течение 2 сут в атмосферных условиях (730 мм рт.ст., влажность 55%, 23 °С) образца Tl, облученного ионами кислорода, не приводила к изменению цвета поверхности, в то время как контрольный образец в течение нескольких минут покрывался толстым черным слоем из оксидов Tl2O + Tl2O3.

Скачать электронную версию публикации