Адсорбционные процессы на поверхности раздела титан-газ : Исследования методами РФЭС, РФД и квантовой химии

• Автор: Кузнецов, Михаил Владимирович
• Шифр специальности: 02.00.21
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 321 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. Методы анализа поверхности. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия и рентгеновская фотоэлектронная дифракция

1.1. Методы анализа поверхности.

1.2. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

1.3. Рентгеновская фотоэлектронная дифракция

2. Поверхность титана экспериментальное и теоретическое исследование

2.1. Структура и свойства титана

2.2. Поверхность титана.

2.3. Экспериментальное исследование структуры поверхности Т

2.3.1. ДМЭ анализ поверхности И.

2.3.2. Структурный анализ поверхности И методом СТСПЕБ.
2.3.3. Рентгеновская фотоэлектронная дифракция на поверхности И
2.4. Электронная спектроскопия поверхности .
2.5. Теоретические расчеты электронной структуры и свойств
поверхности
3. Адсорбция азота на поверхности титана
3.1. Поверхностные структуры азога на Ц и других металлах.
5.2. Электронная спектроскопия адсорбционной системы
3.3. Исследование адсорбции 2 на методами РФЭС и РФД.
3.3.1. Адсорбция азота па Ц0Ю1 при Г0 К.
3.3.2. РФД анализ структурной локализации азота на поверхности
3.3.3. Адсорбция на при температурах К
3.3.4. Адсорбция на при температурах Г0 К.
3.3.5. Химические сдвиги 1,г электронного уровня азота на .
3.3.6. Степень покрытия грани азотом при разных температурах
3.3.7. Коэффициент прилипания азота к грани
3.3.8. Модель хсмосорбции азота на .
3.4, Феноменологическое моделирование адсорбции 3 на Т.
3.5. Первопринципныс расчеты адсорбции 2 на поверхности
.металлов Т. гг
3.5.1. Сисгема ЯООО.
3.5.2. СисемаМоОО
4. Реконструктивная хемосорбция кислорода на тигане.
4.1. Адсорбция кислорода на титане н других .металлах IVVI групп.
4.2. РФЭС и РФД нсслсдованис адсорбции О, на Т при комнатной температуре
4.2.1. Кинетическая кривая адсорбции на Т при К.
4.2.2. Кислород на грани ТООО при 2 Л Г0 К
4.2.3. Титан на поверхности ТОООГ при 2 Л К
4.2.4. Рост Т О, на поверхности ТООО при комнатной тсмиерагурс.
4.2.5. Молекулярная форма кислорода на грани Т при К.
4.2.6. Валентная полоса поверхности ОЛГО1 0 Л, К.
4.3. Адсорбция О, на Т при температурах К.
4.3.1. .Адсорбция 0П до экспозиций 1 2 Лснгмюр
3 К.
4.3.2. Диффузия кислорода с поверхности в подслойные центры Т 2 Л.
4.3.3. Адсорбция 0Г при высоких экспозициях 2 Л 0 К.
4.3.4. Оксиды ТОл, ТгОзи тз на поверхности ОЛГ
0 К
4.3.5. Нагрев адсорбционной сисгемы ОТООО от 0 до 3 К
4.4. Феноменологическое моделирование кинетики реконструктивной хемосорбцни кислорода на грани ГООО 7ЪК
4.5. Нсрвоприниинные расчеты адсорбции О на поверхности металлов
IV группы Т, 7л.
4.6.1. Система О2Я.
4.6.2. Система 0г
5. Конкурирующая адсорбция азота и кислорода на грани Т РФЭС
исследование
5.1. Кинетика адсорбции на Т при комнатной температуре
5.2. Химическое состояние азота, кислорода и титана в системе 2.i
5.3. Поверхность i при экспозиции смеси 2 I.0 Лсигмюр
5.4. Молекулярная форма кислорода в адсорбционной системе i.
5.5. Механизм конкурирующей адсорбции 0i
5.6. Последовательная адсорбция и а поверхность i.
6. Исследование адсорбции моноокиси азота на поверхности i.
6.1. Адсорбция на поликристаллнческом титане.
6.2. Адсорбция на поверхности iI.
6.2.1. Химические состояния азота и кислорода в системе
6.2.2. Структурная локализация азота и кислорода на поверхности
6.2.3. Кинетика адсорбции 0 на i
6.2.4. Кинетическая модель адсорбции 0 на i
6.3. Псрвопрннципныс расчеты адсорбции на i.
7. Хс.мосорбиия моноокиси углерода на i.
7.1. Диссоциативная хсмосорбция СО на титане
7.2. Квантовохкмнческне расчеты адсорбции СО на грани i
Заключение
Литература


В результате разница в энергиях связи химический сдвиг остовных уровней атомов одного сорта в двух различных соединениях А и. Е1. В к2УлУ,Е1. В большинстве случаев изменение знака АЕ при переходе от одного химического соединения к другому определяется изменением знака заряда 1Л реже изменением ЛУ. Последним членом в уравнении 1. Это иногда приводит к ошибкам даже при качественной интерпретации результатов. Природа химического сдвига и методики его расчетов обсуждаются в работах ,, где приводятся также справочные данные по энергетическому положению остовиых уровней элементов в химических соединениях. Большую помощь в интерпретации РФЭспектров оказывают печатные и электронные варианты баз данных ЭС внутренних уровней элементов для различных соединений . Расчеты химических сдвигов из первых принципов достаточно сложны, однако, как будет показано в последующих главах на примере ЛМТО ПГ1 расчетов адсорбционных систем 0 и СО на Т, они дают вполне удовлетворительное согласие с РФЭСэкспсримснтом . Глубина аначта. Характеристическое рентгеновское излучение ионизирует внутренние уровни атомов на достаточно большой глубине. Однако на поверхность выходят только электроны, эжектиро ванные в тонком приповерхностном слое, определяемым длиной свободного пробега А. Электрон с энергией 5 эВ, проходя через твердое тело, теряет ее через рассеяние на плазмонах, одночастичные электронные возбуждения, включающие валентные электроны, и ионизацию остовных электронов атомов, входящих в состав образца. Зависимость длины свободного пробега от энергии электрона показана на рис. Рис. Зависимость длины свободного пробега электрона в т вердом теле . Энергия. Как видим, в диапазоне кинетических энергий, характерных для РФЭС эВ, длина свободного пробега электрона ограничена несколькими нанометрами, а в интервале энергий 0 эВ менее чем 1 нм. Например, для титана главного объекта настоящей диссертации при рентгеновском М Квозбуждении ,6 эВ кинетическая энергия Т 2рм фотоэлектронов составляет 0 эВ и следовательно, длина свободного пробега фотоэлектрона см. А, т. Для повышения поверхностной чуствитсльности РФЭСизмсрения проводят под некоторым углом к нормали поверхности 8, в этом случае глубина анализа определяется соотношением ЗАсоэб. Например, при 8 толщина анализируемого слоя П составляет 0. А. Вопрос корректности результатов при касательных углах менее остается дискуссионным, в этом случае накладываются эффекты шероховатости поверхности, размера образца, телесного угла сбора фотоэлектронов, внутреннего отражения низкоэнергегичных электронов, приблизившихся к поверхности под углом скольжения, и лр. Однако имеются сообщения об успешных РФЭСэкспсриментах при касательных углах менее 5 . Изменяя угол регистрации фотоэлектронов, можно варьировать глубину РФЭСанализа, а из угловых зависимостей восстанавливать профили распределения концентрации элементов в приповерхностном слое . Для более глубокого профилирования применяют источники ионного распыления, в этом случае удается исследовать толщины 0 нм и более. Количественный анализ. Если вернуться к обзорному спектру Ау см. РФЭспсктров остовных электронных уровней элемента изменяется при переходе от одних электронных состояний к другим. Это связано с отличием в сечении фотоионизации электронов разных оболочек под действием рентгеновского излучения. В сложных соединениях атомную концентрацию отдельного элемента А наиболее часто определяют, как
где Ба атомный фактор чувствительности данной линии, включаший в себя сечение фотоиоинзацин и аппаратурный фактор из уравнения 1. Величина может бьгп. Уравнения 1. Из 1. РФЭСанализа. Интенсивность РФЭСсигшша , определяется через площадь под соответствующим ником и точность ее оценки в значительной степени зависит от правильного вычитания фона. Наиболее простой способ его вычитания проведение линии между выбранными точками спектра. Этот способ достаточно груб, однако во многих случаях позволяет достаточно корректно учитывать фоновую составляющую. Ширли . Рис. Один из вариантов этого метода описан в 7, и иллюстрирован на рис.