Вакуумные течи — Если присмотреться повнимательнее
Вакуумные течи — Если присмотреться повнимательнее…
Для развития многих областей физики и техники необходимо знать, как устроена поверхность, а именно надо знать, какие атомы на ней находятся, как они расположены относительно друг друга, как перемещаются по поверхности. Требуются эти знания и для развития самой вакуумной техники. В свою очередь, вакуумная техника помогает все это узнать. Действительно, если у нас есть идеально чистая поверхность, то оставаться чистой в течение времени, необходимого для исследований, она может только в вакууме. На воздухе или в плохом вакууме она мгновенно покроется слоем молекул: на воздухе — кислорода и воды, в вакууме — остаточных газов. Чем вакуум выше, тем время загрязнения поверхности больше. Конкретно, если мы хотим, чтобы не более 10% поверхности покрылось слоем молекул, например, за 1 час, необходимо иметь вблизи этой поверхности вакуум не хуже 3 • 10“8 Па (зависимость скорости, с которой поверхность покрывается сорбированным газом, от вакуума вычислена в § 2 гл. 1). Это уже настолько высокий вакуум, что его часто не без оснований называют «сверхвысокий вакуум».
Предположим, что необходимый вакуум обеспечен и мы можем начать разглядывать поверхность во все более сильный микроскод](например, сначала в оптический, потом в электронный, потом в ионный). В повести Ст. Лема «Солярис» это описано так: «Я видел как будто с большой высоты огромную пустыню… на ней лежали… плоские скалистые холмики. Я сделал изображение резким и, не отрывая глаз от окуляров… прибавил увеличение… приплюснутая тень одной молекулы заполнила весь окуляр». К сожалению, в реальной жизни так просто это не делается, но при достаточно большом увеличении мы увидели бы нечто похожее на рис. 28, где каждый атом условно изображен кубиком. Атомы на поверхности могут занимать разные положения, и они обозначены на рисунке цифрами от 1 до 5. Отсюда уже видно, почему устройство поверхности важно для вакуумной техники — ведь от расположения атомов зависит, легко ли каждому атому испариться, т. е. оторваться от поверхности?] Атому 1 надо оторваться от одного соседа, атому 2 от двух?и т. д. Конечно, действительная картина может
быть сложнее. Например, расстояния между атомами на поверхности могут быть разными в разных направлениях. Если часть поверхности образована не плоскостью Л, а плоскостью В (на рисунке стрелки А и В параллельны этим плоскостям), то атомы расположены по углам прямоугольников со сторонами а и (а — период решетки), а не квадратов со сторонами а. Поверхность может быть устроена и еще сложнее, например атомы на поверхности могут образовывать вообще не ту решетку, что в глубине,— скажем, в глубине решетка может быть кубическая, а на поверхности атомы могут образовывать шестиугольники.
Судя по тому, как сложно устроена поверхность, процессы на ней тоже могут быть достаточно разнообразны. Но для начала… Как сказал один из героев романа М. Булгакова «Мастер и Маргарита»: «Любезный Фагот, покажи нам для начала что-нибудь простенькое». Впрочем, простота эта, как и в упомянутом романе, весьма относительна.
Возьмем для начала металлическую иголку, раз в десять или сто тоньше той, которой шьют. Поместим ее в вакуум и начнем нагревать. При некоторой температуре мы увидим, что острие затупляется (рис. 29). Перемещение атомов вызывает сила поверхностного натяжения. Это она собирает воду в каплю и втягивает ее в стеклянный капилляр. Теперь установим напротив острия электрод и подадим на него относительно
острия напряжение. Изображенная на рисунке батарейка — условность. На самом деле напряжение должно быть на несколько порядков больше, чем у батарейки. Но важен принцип — при нагреве в поле можно так подобрать температуру и поле, что острие будет становиться еще острее. Электрическое поле тянет острие к электроду, заряженному противоположным относительно острия зарядом. Кроме того, в электрическом поле ускоряется поверхностная диффузия — «ползание» атомов по поверхности.
Для изменения формы поверхности при воздействии температуры и электричества есть еще один путь. Возьмем вольфрамовую проволоку, поместим ее в вакуум и пропустим по ней такой ток, чтобы она нагрелась примерно до 2000 К (на воздухе это сделать нельзя — она окислится). Электрическое поле, вызванное падением напряжения вдоль проволоки, при этом будет мало (поскольку проволока — проводник) и перестройки поверхности из-за действия поля, о которой говорилось выше, ожидать не приходится. Однако поверхность изменяется, причем достаточно загадочным образом*). Например, поверхность может покрыться ступеньками или ребрами с периодом в единицы или десятки микрометров. При этом оказывается, что новая поверхность образована другой кристаллической гранью (см. рис. 28), например, до воздействия поверхность горизонтальна, а после перестройки поверхность превращается в чередование ступенек из граней, наклоненных влево и вправо под углом 45° к горизонтали. Начало одной такой ступеньки и показано на рис. 28. Важным для такой перестройки поверхности является механическое действие тока на атомы металла. В этом нет ничего странного — электроны разгоняются полем и тормозятся, сталкиваясь с атомами, а значит, действуют на них механически. Теперь перейдем к более подробному рассмотрению поведения на поверхности атомов, прилетевших из вакуума.
Пусть на поверхности одного вещества (подложки) находится небольшое (менее монослоя) количество атомов другого вещества. Как им на ней расположиться? Можно так, как, например, атомы в объеме аморфного вещества. Можно периодически, как говорят, в виде двумерной решетки, аналогично трехмерной решетке в объеме кристаллического вещества. Эта двумерная решетка может быть никак не связана с решеткой подложки, т. е. сорбированные атомы находятся на одинаковых расстояниях один от другого, но где угодно — относительно подложки. Так, например, шахматную доску (двумерная решетка) можно расположить на клетчатой скатерти (изображающей верхний слой трехмерной решетки вещества подложки) как угодно. И наконец, двумерная решетка может быть связана с расположением атомов подложки, т. е. сорбированные атомы будут находиться на определенных местах.
Казалось бы, все в порядке, но порядок этот может быть устроен настолько хитро, что не сразу удается понять, как именно. Для примера на рис. 30 показано, как распола-
гаются атомы Bi, сорбированные на Pt *), и атомы О, сорбированные на Ni **). Данные были получены при изучении дифракции электронов, отражающихся от таких поверхностей; об этом методе рассказано дальше.
Такие и более сложные вещи происходят на атомно-гладкой поверхности, т. е. на поверхности, составленной одной атомной плоскостью и не содержащей ступеней (типа показанных на рис. 28).
А что происходит, когда атом прилетает из вакуума на поверхность, не являющуюся атомно-гладкой, а содержащую ступеньки, углы и т. д.? Он либо отскакивает, либо сорбируется и начинает двигаться по ней, пока не уткнется в «угол» (см. рис. 28) или не свалится в «ямку» (ловушку), где будет связан сразу с несколькими атомами и «прилипнет» к поверхности надолго. Время пребывания атома в любом положении увеличивается с уменьшением температуры. При достаточно низкой температуре атом прилипнет в любом месте поверхности, а при достаточно высокой — нигде. Но при промежуточных температурах атомами, прилетающими из вакуума, будет достраиваться неполная, т. е. содержащая ступеньки, атомная плоскость, пока она не станет полной (гладкой).
Что дальше?
Углов и ступенек больше нет. Теперь, чтобы атомам конденсироваться на поверхности, надо столкнуться двум, а лучше сразу трем — они слипнутся, образовав зародыш кристаллизации, и с него начнется рост новой плоскости. Но иногда происходят и более интересные вещи.
В результате искажения кристаллической решетки где-то в глубине кристалла поверхность может быть устроена так, как это показано на рис. 31. Такая структура называется «винтовой дислокацией». Когда к ступеньке в области винтовой дислокации начнут пристраиваться атомы, то, как видно из рисунка, плоскость замкнуться не сможет и будет расти нитевидный кристалл, именуемый «вискером» (от английского слова whisker — усы животного).
Как из плоскости растет вискер, так из вопроса о росте вискеров вырастает один из важнейших вопросов электровакуумной техники — вопрос об электрическом пробое вакуумного промежутка.
