ИЗОТЕРМЫ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ И КОНЦЕНТРАЦИИ БИНАРНЫХ РАСПЛАВОВ ГАЛЛИЙ-ТАЛЛИЙ

Ашхотов О.Г. (oandi@usa.net)

Кабардино-Балкарский государственный университет

The surface composition and surface tension of binary alloys Ga-Tl was measured by Auger electron spectroscopy and sessile drop method in the concentration interval from liquidus temperatures up to 573K. The enrichment of the surface with Tl was found. The Tl surface concentration decreased with increase in temperature. "In situ" was measured surface tension at 573K for melts Ga, Tl and Ga-Tl solutions. An evaluation of the surface tension of liquid Ga, Tl and Ga-Tl alloys reported.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Эксперименты проводились с помощью электронного оже-спектрометра, снабженного энергоанализатором заряженных частиц типа «цилиндрическое зеркало». Функциональная схема установки [1] включает в себя сверхвысоковакуумный модуль с системой шлюзования, рабочую камеру, приборы питания, измерительную и вычислительную аппаратуру, обеспечивающую выбор метода, управление и контроль за ходом эксперимента, сбор и накопление первичной информации, а также последующую математическую обработку. В качестве источника возбуждения вторичной электронной эмиссии в установке используется электронная пушка, позволяющая формировать электронный пучок диаметром 0.5-1мм, при токе 10 -100 мкА. Источник ионов обеспечивал пучок диаметром 0.5 см при токе 110 мкА и энергии 100-1000 эВ и использовался для очистки исследуемой поверхности.

Исследуемая жидкость располагалась на подложке («чашке») из графита в виде лежащей капли с максимальным диаметром. Образец в виде лежащей капли на подложке размещался на держателе образца, имеющем четыре степени свободы. Зондирование электронным пучком поверхности жидкого образца проводилось на максимальном диаметре, так как сдвиг пучка электронов вверх или вниз от плоскости максимального диаметра приводил к значительному уменьшению тока вторичной эмиссии на коллекторе энергоанализатора. Для получения необходимой температуры использовался радиационный нагреватель, а платино-платинородиевая термопара - для ее измерения.

Оже-спектры регистрировались в виде dN/dE путем электрического дифференцирования. Для измерения поверхностного натяжения использовался метод лежащей капли [2] с применением таблиц [3].

ПРИГОТОВЛЕНИЕ СПЛАВОВ, ОЧИСТКА ПОВЕРХНОСТИ И МЕТОДИКА

ЭКСПЕРИМЕНТА

Сплавы готовились в рабочей камере оже-спектрометра из металлов с содержанием основного компонента 99.99 ат.% - для таллия и 99.999 - для галлия. Кроме чистых металлов были исследованы методом ЭОС поверхности четырех расплавов галлий-таллий с концентрациями 9.8, 16.6, 81.0, 95.7 ат.% Tl от температур ликвидуса до 573 К. На оже-спектрах, снятых с поверхности этих сплавов после приготовления в сверхвысоком вакууме, помимо пиков металлов присутствовали линии оже-электронов углерода (KLL, 270 эВ), кислорода (KLL ,510 эВ), а для галлия еще и сера (LMM, 150 эВ). От загрязнений на поверхности наиболее эффективно удавалось освободиться прогревом при температуре 573К с одновременной ионной бомбардировкой поверхности (Ar+, 1000эВ, 10 мкА) в течение нескольких часов.

После выдержки образца при температуре эксперимента в течение 3040 мин. при скорости нагрева/охлаждения 1 град./мин., проводился оже-анализ исследуемой поверхности на наличие загрязнений и, если последние отсутствовали (или были на минимальном уровне), регистрировался оже-спектр для количественной интерпретации и проводилось фотографирование профиля капли на мелкозернистые фотопластинки. Температурное равновесие образца обеспечивалась прогревом до температуры эксперимента всех конструкционных элементов сверхвысоковакуумной камеры.

Время проведения эксперимента составляло несколько десятков минут. За это время происходило загрязнение поверхности исследуемого образца вследствие адсорбции из остаточного газа, поэтому для удаления адсорбированных слоев практиковался периодический flash-прогрев с ионной бомбардировкой при 573К. Изученные нами металлы и сплавы в заданном интервале температур обладали достаточно малой упругостью паров. Это гарантировало от искажающего влияния ионных токов, возникающих при ионизации паров электронным ударом и исключало перекачку легколетучих компонентов в вакууме.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Все оже-спектры регистрировались в виде первой производной кривой энергетического распределения вторичной электронной эмиссии dN/dE.

Оже-спектр таллия характеризуется оже-линиями серии NOO - 84 эВ, а чистого жидкого галлия - достаточно интенсивным пиком LMM- 1070 эВ. Для жидких металлов отношение интенсивностей оже-линий Tl/Ga составило 1.1. Указанные пики использовались при оценке поверхностных концентраций двойных сплавов. Процедура расчета поверхностных концентраций подробно описана в [4].

Указанные оже-линии металлов и примесей на спектрах использовались также для анализа степени чистоты исследуемой поверхности.

В указанных условиях нами одновременно с контролем за состоянием поверхности было измерено поверхностное натяжение чистых галлия и таллия. Каждое значение определено с точностью 3%. Результаты измерения поверхностного натяжения чистых галлия и таллия хорошо передаются уравнениями:

s

Tl

=565-0.14 (T-T .),

4пл 7

s =474-0.15 (T-T .)

Bi4 пл 7

где T . - температура плавления металла.

Результаты этих исследований сведены в сравнении с литературными в табл. 1, 2.

Табл.1. Значения поверхностного натяжения чистого галлия.

Табл.2. Значения поверхностного натяжения чистого таллия.