Спросить
Войти
НИОБИЕВЫЕ КЛАСТЕРЫ: МЕХАНИЗМ КОМБИНАТОРНОГО СИНТЕЗА РАСПЫЛЕННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КЛАСТЕРНЫХ
ИОНОВ NBnOmХожиев Шерали Тешаевич1, Ташмухамедова Дилноза Артикбаевна2, Косимов Исроил Одинаевич1, Муродкобилов Дилшод Мирзакобилович2
sherkht@bk.ru1 , ftmet@mail.ru2
ТашГТУ
Аннотация: В настоящей работе нами были проведены исследования зависимостей интенсивностей выходов кластерных ионов (NbnOm-) от давления кислорода в камере бомбардировки. Предпринята попытка на основе анализа экспериментальных данных обосновать, что процесс образования, возбуждения и молекулярный распад распыленных металлических кластерных ионов NbnOm- лежат в основе модели механизма комбинаторного синтеза. При этом кластерный ион приобретает поступательную и внутреннюю энергию (колебательную и вращательную), достаточную для обратного распада, подобно тому, как это происходит при образовании комплексных ионов в бимолекулярных газофазных реакциях.
NIOBIUM CLUSTERS: MECHANISM OF COMBINATOR SYNTHESIS OF SPRAYED METAL CLUSTER NBnOm-IONS
Khozhiev Sherali Teshaevich1, Tashmukhamedova Dilnoza Artikbaevna2, Kosimov Isroil Odinaevich1, Murodkobilov Dilshod Mirzakobilovich2
sherkht@bk.ru 1, ftmet@mail .ru2 Tashkent State Technical University
Abstract: The dependences of the emission and fragmentation of NbnOm-clusters sputtered by Xe+ ions from the surface of V on the oxygen pressure near the bombarded surface are studied using secondary ion mass spectrometry. It is shown
that the process of NbnOm-cluster formation under ion bombardment can be described within the framework of the mechanism of combinatorial synthesis by taking into account the mutual reversibility of the reactions of formation and unimolecular decay. The cluster ion gains onward and internal energy (oscillatory
and vibrational), sufficient for inverse disinteration, like that, as this occurs when forming complex ion in bimolecular gaze face reactions.
В современном этапе развития технологии Вторично-ионная масс-спектрометрия (ВИМС) выделяется своеобразными особенностями. Прежде всего нужно отметит, что наличия такого мощного прибора как микрозондового анализатора позволяет исследовать материалов, с различной стехиометрией. ВИМС [10,13] дает возможность проводит -экспериментальную работу на высшем уровне. Одновременно можно будет, проводит - масс и энерго- анализ. Ещё одной особенностей данной установки является малая время образования продуктов распыления. В течение очень короткого времени порядка (10-15-10-12) секунды одновременно происходит реакции образования и распада продуктов распыления. Развитие современных нанотехнологий существенно стимулировало интерес к эффективным методам получения кластерных частиц различной стехиометрии и изучения их фундаментальных свойств [1].Ионное распыление [2,3] имеет ряд преимуществ перед другими способами генерации кластеров, поскольку позволяет подбором распыляемого материала и сорта бомбардирующих ионов получать кластеры, которые сложно синтезировать другими методами, а высокая доля заряженных и возбуждённых частиц обеспечивает значительное удобство проведения исследований, т.к. не требуется дополнительных средств для их возбуждения и ионизации. Вместе с тем, несмотря на уникальные возможности данного метода, природа процессов, лежащих в основе образования кластеров в процессе распыления, всё ещё остаётся не ясной даже на качественном уровне. Существующие модели образования кластеров при распылении имеют общую основу - представления о каскаде столкновений, генерируемом первичным ионом (или атомом) в кристаллической решетке твердого тела [4]. Однако ответы на вопрос о том, каким образом и в каком качестве покидают поверхность образующие кластер атомы, могут быть различными [5-7]. Как это было приведено в наших предыдущих работах [8,11]. В тоже время, все до настоящего времени существующие механизмы и модели образования кластеров не учитывают мономолекулярную фрагментацию распыленных кластеров и существенную трансформацию масс - и энергоспектров кластерных ионов с момента их формирования до момента регистрации на детекторе, т.е. построены без учета релаксации внутренней энергии распыленных кластеров после эмиссии. В ряде наших работах [9] был представлен механизм комбинаторного синтеза молекулярных кластеров SinO2п+1 и МЬп0т+ при рекомбинации над поверхностью ионов, атомов и молекул, независимо распыленных в индивидуальных каскадах, согласно которому кластеры формируются путём последовательного присоединения продуктов распыления Si, O, SiO и SiO2 а также ИЪ, ИЪО и ИЪ02 (мономеров) к активным анионам О-^- и ИЪ+ в результате парных столкновений при их различных сочетаниях между собой [10,11].
В настоящей работе на основе анализа экспериментальных данных и учитывая предыдущие наши работы [ 9-10,12,14-15] обосновать, что процесс образования, возбуждения и молекулярный распад распыленных металлических кластерных ионов ИЬп0т- лежат в основе модели механизма комбинаторного синтеза [9]. При этом кластерный ион приобретает поступательную и внутреннюю энергию (колебательную и вращательную), достаточную для обратного распада, подобно тому, как это происходит при образовании комплексных ионов в бимолекулярных газофазных реакциях.
Исследования зависимостей эмиссии отрицательно заряженных кластеров оксида ниобия ИЬп0т- (п=1-5) свидетельствуют об увеличении их выходов с ростом давления кислорода вблизи поверхности. При максимальном давлении Р=5*10-3 Па масс- распределение ИЬп0т- имеет вид, описанный нами ранее в [14,15]. Оно характеризуется немонотонным изменением интенсивностей выходов в каждой кластерной серии п с увеличением числа атомов кислорода т (Рис.1.1). Наибольшую интенсивность в масс- спектре имеет кластер ИЪОз- , наблюдается также эмиссия кластера ИЪ04-, выход которого на два порядка ниже, чем МЪ03-. Как и у кластеров УпОт-, в каждой кластерной серии можно наблюдать аномально высокие выходы ионов ИЬп0т- с определенным отношением атомов ИЪ к О. При этом кластеры с малым соотношением О к ИЪ слабо представлены или отсутствуют. Согласно [16], для нейтральных кластеров оксида ниобия наиболее стабильными являются структуры кластеров ИЪзОу, N^09, N^0™ и №5012. Действительно, в нашем спектре масс отрицательных ионов кластеры с данной стехиметрией характеризуются интенсивными выходами. В то же время, более интенсивными в нашем случае являются пики кластеров МЪз08- и МЪ5013-, имеющие один дополнительный атом кислорода.
Исследование процессов фрагментации селектированных распыленных кластеров ИЬпОт- (Табл.1.1) свидетельствует, что ИЪ02 , ИЪОз и №205 наряду с О и О2 являются наиболее вероятными нейтральными фрагментами при распадах, и, соответственно, могут рассматриваться как строительные блоки кластеров ИЬп0т- в соответствии с [16].
Рис.1.1. Диаграммы интенсивностей кластеров КЬпОт- в зависимости от кластерной серии п при бомбардировке поверхности ниобия ионами Хе+ с
энергией 18,5 кВ и давлении О2 в камере бомбардировки Р=5*10-3 Па [14, 15]
Формирование кластеров КЬпОт- может происходить в соответствии с [9] путём последовательного присоединения данных структурных элементов в различной последовательности. В процессе распыления с поверхности эмиттируются атомарные ионы КЬ- а также нейтрали О, О2, КЬО, КЬО2 и др. Так, аналогично кластерам оксида ванадия, образование кластерного иона КЬО" происходит в реакциях:
№ + О^ЫЬО" (1.8) Для кластера КЬО2- основной является реакций синтеза:
КЬО- + О ^КЬО2" (1.9) Аналогично, образование КЬО3- происходит в основной реакции:
КЬО2" + О^ЪОз- (1.10) Полная цепочка формирования, например, кластера КЬзО8- может быть представлена, исходя из данных Табл.1.1, следующим образом. Вначале происходит последовательное образование кластеров КЬО- , КЬО2- и КЬО3- в реакциях (1.8)-(1.10). В дальнейшем имеют место реакции:
№>Оз" + №>О2 ^№>2Оз-; №>2О5- + О ^ №>2Об-; №>2Об- +№>О2 ^ЪзО8-(1.11а)
При этом также происходит образование КЬзО8- в параллельном канале ЫЬОз- + №О5 ^КЪзО8- (1.11б)
В свою очередь, синтез КЬ2О6-, из которого образуется КЬ3О8- на
конечной стадии процесса (1.11а), также наблюдается в параллельной реакции:
NbOs- + NbOs ^Nb2O6- (1.12)
С другой стороны, сам кластер Nb3O8- служит основой для образования кластера Nb4O10- :
Nb3Og- + NbO2 ^Nb4O10- (1.13)
Таким образом, совокупность каналов фрагментации кластеров NbnOm-указывает на их образование в параллельно идущих цепочках реакций комбинаторного синтеза в соответствии с механизмом [9].
Таблица 1.1.
Матер. ион Канал распад Нейтрал. фрагмент Зона S2, P(%) Зона Si,P(%)
NbO2- NbO2- ^NbO- +O О 4,5-10-5 5-10-4
NbO3- NbO3- ^NbO2 - +O О 3-10-4 8-10-3
NbO4- NbO4- ^NbO2 - +O2 O2 2-10-4 3-10-3
NbO4- ^NbO3- +O О 0,22 4,34
Nb2O5- Nb2O5- ^NbO3 - +NbO2 NbO2 1,3.10-2 0,6
Nb2O6- Nb2O6- ^NbO3 - +NbO3 NbO3 1.10-2 0,3
Nb2O6- ^Nb2Os- +O О 0,4 7
Nb3O8- Nb3O8- ^NbO3- +Nb2O5 Nb2O5 1 .10--2 0,2
Nb3O8- ^Nb2O6- +NbO2 №О2 4. 10-3 0,15
Nb4O10- Nb4O10- ^Nb3O8- +NbO2 NbO2 0,1
NbsO13- NbsO13- ^Nb3O8- +Nb2O5 Nb2O5 0,6
Использованная литература
