Изучение влияния температурного и лазерного отжига на эмиссионные свойства сплава Pd-Ba



Сравнительный анализ показал, что в условиях высокого вакуума лазерная активировка приводит к значительно большему увеличению σm, чем в случае температурной активировки. Это объясняется интенсивным удалением примесных атомов О, С, S под действием лазерных лучей.

Ключевые слова: пленки, эпитакция, спектроскопия, лазерное облучение.

Настоящее время в электровакуумных приборах СВЧ, в частности импульсных магнетронах до сих пор успешно используются сплавные катоды типа Pd-Ba. Однако с переходом к наноразмерным слоям существенно увеличивались требования к размерам и микроструктуры поверхности, однородности состава, электрическим параметрам и сроку службы этих катодов [1,2]. Катод Pd-Ba представляет собой двухфазный сплав с массовой долей бария 0,5...2 %, причем одна фаза — интерметаллическое соединение Pd2Ba или Pd5Ba, вторая — тугоплавкий металл [1,3].

В связи с этим эти катоды изготавливаются в виде цилиндра и внутри цилиндра размещается специальный узел нагрева. Для увеличения эмиссионной способности катода можно использовать метод низкоэнергетической ионной имплантации [4–6]. Основным преимуществом ионной имплантации является то, что этот метод можно использовать для катодов, вышедших из строя после длительной эксплуатации. Однако, и в этом случае после эксплуатации в течение 200–300 часов необходимо будет проводит активировку при Т = 700–800 К. Как проведение высокотемпературного прогрева, так и ионной бомбардировки катодов связаны с очень многими трудностями (громоздкость установки, большое потребление электроэнергии, необходимость герметизации узла нагрева и др.) и неконтролируемыми эффектами. Поэтому очень важно изыскать другие методов активировки, например, лазерной обработки.

Данная работа посвящена сравнительному анализу эмиссионных свойств сплавов Pd-Ba (Ba — 1,5 ат. %), активированных температурным прогревом и лазерной обработкой.

На рис.1 представлена динамика изменения максимального значения коэффициента ВЭЭ σm и значении работы выхода еφ сплава Pd-Ba при активировке температурным прогревом и лазерным облучением. Анализ результатов ОЭС, снятых после каждого цикла обработки, снимались оже-спектры, которые показали, что как в процессе термической, так и лазерной обработки наряду с очисткой поверхности от загрязнений происходит диффузия атомов Ba к поверхности, вследствие чего изменяется состав и, соответственно, эмиссионные свойства поверхности Pd-Ba. Из рисунка 1 видно, что в случае прогрева при относительно низких температурах (Т ≤ 600 К), когда на поверхности Pd-Ba содержится значительное количество примесных атомов, а диффузия Ва к поверхности еще мала, вторично-эмиссионные характеристики поверхности меняются незначительно. Высокотемпературный прогрев (Т ≥ 1000 К) приводит к резкому снижению концентрации примесных атомов и увеличению в поверхностных слоях относительной концентрации атомов Ва, что способствует существенному увеличению σm и уменьшению eφ.

Рис. 1. Зависимости значении σm, eφ от температуры прогрева (1,2) и плотности энергии лазерного облучения (3) для сплава Pd-Ba: 1,3 — σm, 2 — eφ

Наибольшее изменение параметров имеет место в интервале температур Т 1050–1150 К. При этом интенсивность оже-пиков, характерных примесных атомов уменьшаются до минимума (см. табл. 1). Начиная с Т = 1200 К наблюдается интенсивная десорбция бария с поверхности.

В случае лазерного облучения увеличение σm и уменьшение eφ начинается с плотности энергии W ≈ 0,8–1,0 Дж∙см-2 и при W ≈ 2,0–2,2 Дж∙см-2 достигает своего максимального значения и составляет ~3,5, что значительно больше, чем температурном прогреве. При лазерной активировке оптимальным являлся плотность энергии W ≈ 2 Дж∙см-2. Результаты сравнены с данными, полученными другими видами активировки (табл. 1).

Таблица 1

Влияние условий активировки на эмиссионные свойства PdBa

Условия активировки	W, Дж∙см-2	Топт, К	Концентрация атомов ват.%					m	e, эВ
			Ba	Pd	O	C	S
В высоком вакууме	–	1100	41	46	10	2	1	2,5	2,5
В атмосфере N2	–	1000	42	49	8	1	–	2,9	2,2
В атмосфере H2	–	1000	45	51	4	–	–	3,6	2,2
В высоком вакууме	2	–	44	51	4	–	–	3,5	2,2

При активировке в высоком вакууме концентрация Ва на поверхности увеличивается до 40–42 ат. %, а концентрация примесных атомов O, C, S составляет 10, 2, 1 ат. % соответственно. При активировке в атмосфере N₂ и H₂ поверхностная концентрация Ва составляет 42–45 ат. %, а концентрации O, C, S — уменьшаются. Это приводит к существенному увеличению _m. Активировка сплава Pd-Ba в среде <Н₂> приводит к более интенсивному удалению примесных атомов при низких температурах, чем прогрев в высоком вакууме. Лазерная активировка позволяет интенсивно удалить атомы примесных элементов и увеличить _m до 3,5 без напуска водорода (табл. 1).

Известно, что в процессе эксплуатации катодов эмиссионные параметры могут меняться из-за адсорбции атомов остаточных газов на поверхности, длительного прогрева и бомбардировки ее заряженными частицами (электронами, ионами, остаточного газа). Простая выдержка Pd-Ba, активированного лазерным облучением, в вакууме ~ 10^–5 Па в течение 5–6 часов приводила к уменьшению _m до ~2,7 и появлению на поверхности атомов углерода до ~ 1–1,5 ат. % и увеличению концентрации кислорода до 7–8 ат. %. Затем в течение 100 и более часов состояние поверхности практически не изменилось. В случае длительного прогрева этого же образца Pd-Ba при Т ≈ 700–750 К значения _m и e заметно не изменялись в течение 500–550 часов.

Дальнейшее увеличение времени прогрева приводило к монотонному уменьшению и при t ≥ 600 часов значение σ_m стабилизировалось на уровне 1,9–2.

Повторная лазерная активировка этого же катода при Т ≈ 1050 К не приводила к заметному увеличению σ_m. Для выяснения причины ухудшения эмиссионной эффективности авторами снимались РЭМ-изображения поверхности Pd-Ba, подвергнутой прогревом в течение ~ 600 часов.

Рис. 2. РЭМ-картина поверхности Pd-Ba, снятая после эксплуатации в течение более 500 ч

Из рис. 2 видно, что на гладкой поверхности Pd-Ba имеются отдельные дефектные участки с диаметрами 10–15 мкм. Дальнейшие исследования показали, что глубина этих участков достигает до 20–30 мкм. По-видимому, износ катодов на основе Pd-Ba обусловлен появлением на его поверхности дефектных участков в виде пузырьков. Результаты ОЭС показали, что в этих участках содержатся значительное количество атомов С (~11 ат. %), S (2,5 ат. %), О (13 ат. %). Увеличение концентрации примесных атомов в дефектных участках может быть обусловлено диффузией О, C и S из «объема» Pd-Ba.

Литература:

1. Дюбуа Б. Ч., Королёв А. Н. Современные эффективные катоды // Электронная техника. Сер.1. СВЧ-техника. Вып.1(508). 2011. с. 5–24.
2. Дюбуа Б. Ч., Култашев О. К., Поливникова О. В. Эмиссионная электроника, нанотехнология, синергетика (к истории идей в катодной технологии) // Электронная техника, Сер.1. СВЧ-Техника, Вып. 4 (497). 2008. с. 3–21.
3. Дмитриева В. Н., Есаулов Н. П., Журавлев Н. Н., Рождественский В. М. Исследование фазового состава сплавов платина-барий и палладий-барий // Благородные металлы и их применение: сб. Свердловск. 1971. Вып.28. с. 58.
4. Умирзаков Б. Е., Мирзаев Д. А., Нормуродов М. Т. Спектроскопия вторичных и фотоэлектронов для образцов Pd и Pd-Ba, имплантированных ионами Ва+ // Поверхность. Физика, химия, механика. 1991. — Вып.9. — с.25–32.
5. Умирзаков Б.Е, Донаев С. Б. Модификация поверхности Pd и Pd-Ba ионной бомбардировкой // Электронная техника, сер. 1, СВЧ-техника. 2014. вып. 2 (521), с.65–72.
6. Умирзаков Б. Е., Ташмухамедова Д. А. Электронная спектроскопия нанопленок и наноструктур, созданных ионной имплантацией. — Ташкент: ТашГТУ, 2004. — 147 с.