Основы физики поверхности твердого тела - Киселев В.Ф.
Скачать (прямая ссылка):
диссипации энергии, выделившейся в актах адсорбции. В большинстве работ
дополнительные источники энергии, связанные с электронной подсистемой,
исключаются. В скрытом виде обмен энергии между адсорбированной частицей
и твердым телом учитывается коэффициентом прилипания к5.
Для качественной характеристики такого обмена энергией часто используют
коэффициент аккомодации, предложенный Кнуд-сеном, a(Ts) = Д/?* . Он
выражает долю средней энергии Д, переносимой от налетающей газовой
молекулы с кинетической энергией Е/с в твердое тело. Для однородной
поверхности и больцмановского распределения атомов адсорбата по их
кинетической энергии (до столкновений)
а^Гs)~ ~~~т{Ек - \^Ts \ > (8-8)
(1 + М)Н 2 )
где Т5 - температура поверхности, М - отношение масс адсорбируемой
частицы (та) и атомов поверхности (ms). К настоящему времени проведено
большое число расчетов парциальных коэффициентов а(Т5) для модельных
систем, учитывающих энергетический обмен между низкочастотными фононами
поверхности (Vs) и трансляционными (T-Vs обмен), вращательными (R-Vs
обмен) и колебательными (V-Vs обмен) степенями свободы налетающих
молекул. В случае металлов учитывалась энергия возбуждения плазменных
колебаний свободных электронов - плазмонов. Оказалось, что определенные
из эксперимента величины ос(7Д очень слабо отражают свойства поверхности,
и скорее определяют закономерности рассеяния налетающих частиц для
поверхностей, уже покрытых прочно адсорбированными молекулами. Эти
вопросы выходят за рамки настоящей книги и больше интересуют физику
атомных столкновений и физику молекулярных пучков, широко использующихся
для получения эпитаксий [Р19].
Взаимосвязь электронных, атомных и молекулярных процессов на поверхности
271
Исследования элементарных актов обмена энергией хемо-сорбированных
молекул с поверхностью, времен жизни т возбужденных молекул и механизма
их десорбции являются ключевыми для понимания динамики адсорбции и
катализа. Большой прогресс в этом направлении уже достигнут путем
проведения экспериментов с молекулярными пучками и использования лазерной
диагностики быстрых стадий реакции. В основном изучались процессы на
поверхностях диэлектриков и металлов, причем основное внимание уделялось
возбуждению молекулярной фазы. В случае полупроводников, как это следует
из п.п. 8.2.1 и 8.2.2, появляется дополнительный эффективный канал
передачи энергии - захват и рекомбинация носителей заряда на АГ1ЭС.
Данные по десорбции, стимулированной воздействием на поверхность
полупроводника электронов, ионов и фотонов, прямо говорят о роли
электронных и фононных возбуждений в этом процессе. Однако интерпретация
этих данных часто осложнена неизбежными при таких воздействиях чисто
термическими эффектами, т.е. термодесорбцией. Выделение на этом фоне
электронных (т.н. атермических) эффектов требует обычно наличия
дополнительных источников информации, в первую очередь измерений
электрофизических и оптических характеристик поверхности. Существенный
прогресс в раскрытии механизма десорбции могут дать исследования
заселенности колебательных уровней десорбирующихся молекул. Недавно Баде
(1993), используя лазерные импульсы с длительностью - 400 фемтосекунд,
удалось получить оценку температуры колебательного возбуждения молекул
NO, десорбирующихся с поверхности Pd. Для нижних колебательных уровней
оно составляло - 2500К при электронной температуре - 4500К. Эти измерения
относятся к случаю фото десорбции, для термодесорбции они пока нереальны.
Поражает многообразие форм десорбирующихся частиц при возбуждении
электронной подсистемы. Это могут быть нейтральные молекулы в нижнем
энергетическом состоянии, возбужденные молекулы, теряющие избыточную
энергию в процессе люминесценции в газовой фазе, ионы и продукты
диссоциации первично адсорбированных молекул. Часто наблюдается
одновременная десорбция разных видов как исходных частиц, так и продуктов
их диссоциации. Рассмотренная в 8.2.1 электронно-колебательная модель
захвата на АПЭС пока может только в самых общих чертах охарактеризовать
энергетику процессов десорбции и диссоциации молекул на поверхности. Для
ее конкретизации необходимы новые экспериментальные исследования.
8.3.3. Поверхностная диффузия. За время жизни на поверхности
адсорбированный атом (молекула) может совершать перескоки
272
Глава 8
из одной адсорбционной ямы в другую. Эти латеральные движения и
определяют поверхностную диффузию. Диффузия на однородной поверхности
хорошо описывается уравнением
D = D0 ¦ ехр(- Edy/kT). (8.9)
Высота потенциальных барьеров, отделяющих потенциальные ямы друг от друга
(Еаф должна быть меньше энергии адсорбции и не превышать высоту барьера
для десорбции. Развитие электронной и, в особенности, ионной микроскопии
дало возможность визуально наблюдать диффузию как самих атомов твердого
тела (само-диффузия) так и адсорбированных атомов и молекул - рис. 8.19.
Многочисленные эксперименты показывают, что на атомарно-чистых
