На пороге новой науки

Как сказал Вольфганг Паули, «поверхность придумал дьявол»**). Но для того чтобы узнать о поверхности все, что сейчас о ней известно людям, надо было придумать методы исследования поверхности и сделать приборы, работающие на основе этих методов. Казалось бы, приборы для исследования поверхности — это лишь одно из множества применений вакуумной техники. Но об этих методах следует рассказать именно в книге, посвященной вакууму, потому что, во-первых, исследование поверхности часто необходимо для изготовления вакуумных приборов и, во-вторых, исследовать поверхность чаще всего приходится в вакууме. К тому же исследование поверхности — исключительно быстро развивающаяся область, а доступного и популярного изложения, из которого можно было бы узнать, что это такое, пока нет.

Чтобы узнать что-то об объекте, надо на него чем-то подействовать и пронаблюдать его реакцию. Например, нагреть образец и исследовать эмиттированные электроны или облучить образец ионами и исследовать выходящее из него электромагнитное излучение. Для того чтобы метод позволил исследовать именно поверхность, а не объем образца, необходимо выполнение одного из двух условий: либо воздействие не должно проникать глубже поверхности (как, например, при облучении ионами), либо сигнал, поступающий от образца, должен исходить с небольшой глубины (как, например, при наблюдении эмиттированных электронов или выбитых с поверхности ионов).

Однако прежде чем исследовать поверхность, остановимся на принципиально важном вопросе — на ее подготовке. Надо ли чистить образец, предназначенный для исследования, и если надо, то как? Можно не делать ничего. Можно смахнуть пыль. Можно промыть водой, ацетоном, бензином, спиртом. Можно поместить в вакуум без предварительной обработки. А можно еще и нагреть. Или обработать ионной бомбардировкой, а потом опять нагреть. Как видим, методов множество.

Решение зависит от цели исследования, и далеко не всегда надо чистить до блеска и чистить вообще. Если надо узнать состав поверхности детали, то лучше взять ее непосредственно оттуда, где она работает. Если в воздухе — то из воздуха, если в воде — из воды. Исследовать тоже лучше в той же среде, ибо в чужой среде объект изменится, например в вакууме начнут удаляться летучие вещества с поверхности. Но большинство методов исследования поверхности можно применить только в вакууме, а помещая образец, взятый из воздуха или воды, в вакуум, мы уже влияем на состав его поверхности. Однако это неизбежно. Зато если исследуемый образец -часть электронного прибора, работающего в вакууме и подвергающегося нагреву и электронной бомбардировке, то вполне естественно при исследовании поместить его в вакуум, нагреть и обработать электронным пучком.

Существует, однако, широкий круг физических исследований, в которых объектом является именно чистая поверхность, например, металла. Как ее сделать? Нужно взять кусок этого металла и нагреть его в вакууме для удаления с поверхности воды и сорбированных газов. Но бывают такие термостойкие окислы, что нагревом их не удалить. Тогда надо обработать поверхность ионной бомбардировкой. Но при этом в образец внедрятся ионы, а на поверхности возникнут дефекты в кристаллической решетке и рельеф — ямы и бугры там, где их не было. Можно снова нагреть образец, чтобы избавиться от дефектов, но при этом из объема на поверхность выйдет углерод. Тогда надо нагреть образец при наличии в вакууме некоторого количества кислорода. Углерод соединится с кислородом и удалится, однако металл может окислиться. И так далее, и так далее…

Применяют и многостадийную очистку (нагрев — бомбардировка — нагрев — бомбардировка), стараясь при этом брать сверхчистые вещества, наконец, напыляют прямо в той же установке пленку исследуемого вещества. Короче, действуют в зависимости от наличия оборудования, времени и степени сложности поставленной задачи. Заметим, что знания, добытые физиком, будут служить людям почти вечно, а поэтому не так важно, добыты они 27 декабря или 3 января. А вот вред от ошибки может быть велик. В самом деле, сколько ошибок, по вашему мнению, может делать стоматолог или кассир? Прав у исследователя Природы в этом вопросе не больше.

Воздействовать на объект можно нагревом, электрическим полем, потоком электронов, ионов, атомов и электромагнитным излучением. При этом объект может генерировать потоки электронов, ионов, атомов и электромагнитное излучение. Таким образом, каждый метод исследования можно характеризовать тем, что применяется для исследования, какую реакцию изучают, как при этом изменяется объект, как интерпретировать данные измерений. Пример: вид воздействия — нагрев; изучаемая реакция — состав продуктов испарения; влияние на объект — уход с его поверхности легко испаряющихся компонентов. Следовательно, происходит изменение поверхности. Интерпретация — пар должен состоять из тех компонентов объекта, которые наиболее легко испаряются при нагреве.

Далее, для характеристики метода исследования поверхности первостепенное значение имеет величина анализируемой площади, так же, как при фотографировании со спутника — минимальный размер объекта, видимый на снимке (порядка 10 см). Наконец, поскольку мы собираемся анализировать поверхность, принципиально важно знать, с объекта какой толщины мы получаем информацию и можно ли эту толщину изменять. И последняя основная характеристика — чувствительность.

Начнем с простого — с формы поверхности.

На «надатомном» уровне, т. е. в области размеров, много больших, чем расстояние между атомами, поверхность определяется шероховатостью, т. е. глубиной, частотой и направлением борозд, высотой и частотой расположения пиков — словом, всем тем, что можно перечислить в ответ на вопрос: горная ли страна находится в 1800 км к югу и 700 км к востоку от Москвы.

На атомном уровне поверхность определяется расположением атомов на ней, которое, кстати, может отличаться от расположения атомов в глубине. Это, прежде всего, наличие дефектов решетки, т. е. наличие атома там, где его не должно быть, или пустого места (вакансия) там, где должен быть атом, и прочих дефектов. Например, с винтовой дислокацией, с которой начинает расти вискер, мы уже встречались. Сорбированные чужие атомы на поверхности могут иметь свою решетку, отличающуюся от решетки в глубине материала.

Перейдем к вопросу — какие это атомы. Прежде всего, это состав поверхности, т. е. сколько атомов каждого элемента в первом, втором, третьем и т. д. ее слое (первом, втором и т. д. монослое). Но ответа на этот вопрос недостаточно. Например, если проанализировать состав поверхности некоего образца, то мы узнаем, что на поверхности имеется поровну атомов Л и В. Но как устроен образец? Кристаллы ли В покрывают половину поверхности вещества А или кристаллы А покрывают половину поверхности вещества В, или это слой соединения АВ, у которого на поверхности находится поровну атомов А и атомов В, или это вещество А, в котором имеются включения вещества В, или наоборот? По данным о составе большого участка поверхности образца понять, какой из этих случаев имеет место, невозможно. Нужен метод, позволяющий устанавливать состав маленьких участков поверхности, меньших размеров кристалликов. Применив такой метод, мы узнаем, например, что участки, содержащие элементы А и В, чередуются. Следовательно, это не сплав, но какое из этих веществ образует подложку, а какое — кристаллики на ней, неясно. Решение таких вопросов бывает очень Сложно.

Топографией (описанием формы) и составом поверхности проблема не исчерпывается. Например, атом О в соединениях Н₂О, Н₂О₂, О₂, О₃ и сам по себе — не одно и то же. Как их различить? Если О₂ от Н₂О можно отличить по наличию Н, а Н₂О от Н₂О₂ по отношению Н: О, то как отличить О₂ от О₃? Отличаются они по электронной структуре, т. е. по расположению электронов вокруг ядер. Итак, метод исследования поверхности должен отвечать на вопросы: где находится атом, что за атом, как устроена электронная оболочка (в какое соединение входит атом).

От того, какие атомы находятся на поверхности, как они расположены и в какие соединения входят, зависят остальные свойства поверхности, например работа выхода, коэффициент отражения электромагнитных волн, трение, химические свойства…

Различные методы исследования поверхности мы будем группировать по способам воздействия на поверхность, причем будем рассматривать более подробно те методы, которые пока более широко распространены. А распространенность метода определяется сложностью его реализации и количеством информации об объекте, которую он дает возможность получить. Кроме того, важно знать, когда метод возник. Как бы ни был хорош метод, открытый в прошлом году, конкурировать с тем, который известен полвека, он не способен. Впрочем, при современном уровне развития приборостроения освоение новых методов происходит достаточно быстро. Физика поверхности развивается стремительно.