PERTES CARACTÉRISTIQUES DES ÉLECTRONS RÉFLÉCHIS SUR LE MOLYBDÈNE (100)

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Submitted on 1 Jan 1970

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PERTES CARACTÉRISTIQUES DES ÉLECTRONS RÉFLÉCHIS SUR LE MOLYBDÈNE (100)

J. Lecante, D. Degras

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J. Lecante, D. Degras. PERTES CARACTÉRISTIQUES DES ÉLECTRONS RÉFLÉCHIS SUR LE MOLYBDÈNE (100). Journal de Physique Colloques, 1970, 31 (C1), pp.C1-63-C1-65.

�10.1051/jphyscol:1970111�. �jpa-00213742�

JOURNAL DE PHYSIQUE

Colloque C 1, supplément au no 4, Tome 31, Avril 1970, page C 1 - ⁶³

PERTES CARACTERISTIQUE s DES ÉLECTRONS RÉFLÉCHIS SUR LE MOLYBDENE (100)

Par

J. LECANTE et D. A. DEGRAS

Section d'Etudes des Interactions Gaz-Solides, CEN Saclay, France

Résumé. - La rétrodiffusion des électrons de 250 eV en incidence normale sur la face (100) de Mo présente un spectre assez complexe pour les pertes d'énergie comprises entre 5 et 25 eV.

Ce spectre est notablement altéré par CO et Hz chimisorbés sur le molybdène.

Abstract. - The energy spectrum of back scattered 250 eV electrons impinging normally ont0 (100) Mo is rather complex for energy losses less than 25 eV. This spectrum is definitely altered when CO and Hz are chemisorbed on the molybdenum surface.

1. Introduction. - L'utilisation d'un faisceau d'élec- trons lents (O à 300 eV) est très efficace pour l'étude des phénomènes de surface : diffraction par électrons lents, désorption électronique [l], mesure de poten- tiels de surface 121, diffusion inélastique sur les couches chimisorbées [3] par exemple. Un renouveau d'intérêt a été porté aux pertes caractéristiques d'énergie d'un faisceau d'électrons et à l'émission Auger depuis les récents perfectionnements des diffracteurs à électrons lents.

Nous exposerons ici nos premiers résultats expéri- mentaux relatifs aux pertes caractéristiques et à l'in- fluente apparente, sur leur position et intensité, de la couche chimisorbée.

2. Dispositif expérimental (voir Fig. 1). -

2 . 1 TUBE - Bien que primitivement destiné à l'étude de la réflexion quasi élastique des électrons sur un monocristal et des potentiels de surface, le tube uti- lisé s'est avéré d'une grande simplicité et d'une sensi- bilité suffisante pour l'observation des pertes d'énergie caractéristiques.

Il se compose principalement de :

- un canon à électrons de type classique à cathode de tungstène thorié. Un diaphragme du canon de dia- mètre 1 mm est la seule communication entre la partie canon et la partie cible pompées indépendamment,

- un collecteur d'électrons rétrodiffusés de forme cylindrique dans le fond duquel est maintenue la cible,

- la cible est un monocristal de Mo taillé suivant la face (100) en forme de disque de 6 mm de dia- mètre 2/10 mm d'épaisseur. Elle est soudée sur 4 pattes en fil de tungstène (1110 mm). Un thermo- couple W-Rh soudé sur sa face arrière par rapport aux électrons incidents permet de suivre sa température jusqu'à 2 300

Pompage

Conon à

électrons

Pompage /11m I\\'

4

Thermocouple

FIG. 1 . - Schéma général du tube.

2 . 2 . NETTOYAGE

LA CIBLE - Deux dispositifs sont prévus :

- Bombardement ionique : à l'intérieur du collec- teur cylindrique une source d'ions simple permet de bombarder la face avant de la cible avec des ions Ar de quelques centaines d'eV (10 à 50 PA).

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1970111

C l - 6 4 J. LECANTE ET D. A.. DEGRAS - Bombardemefit électronique : un canon à élec- é ;, ,, ,, ,,

trons placé derrière la cible permet d'élever la tempé- rature de celle-ci jusqu'à 2 000 OK : courant électro-

nique 2 à 3 mA tension d'accélération jusqu'à i?

3 000 volts.

2.3. INTRODUCTION

-- Les gaz utilisés, spectroscopiquement purs, proviennent de bouteilles en pyrex de l'Air Liquide.

Ils sont introduits à la pression désirée à l'aide d'une vanne Granville-Philips.

2.4. POMPAGE - Le système de pompage est clas- sique : 2 .pompes à diffusion d'huile en série avec piège à azote liquide pour la partie canon, une pompe ionique pour la partie cible. Après étuvage du tube à 450 OC durant plusieurs heures la pression limite atteinte est de l'ordre de IO-' N . m F 2 . Le vide résiduel contrôlé à l'aide d'un analyseur de gaz quadripolaire est essentiellement constitué d'hydrogène et d'oxyde de carbone (50-50 % environ).

3. Technique expérimentale. - Le faisceau d'élec- trons primaires (250 eV) venant frapper la cible, un potentiel retardateur est appliqué sur le collecteur et l'on enregistre simultanément le courant d'électrons rétrodiffusés et la tension collecteur sur un enregis- treur XY. Le balayage en tension s'effectue à l'aide d'un générateur très basse fréquence et le courant est dérivé électroniquement. On obtient ainsi la courbe de distribution en énergie des électrons réfléchis.

Les mesures sont faites avant et après nettoyage de la cible. On procède alors à une adsorption forcée (de CO dans le cas présent) et l'on note l'évolution au cours du temps des pics de pertes caractéristiques. Un équi- libre étant atteint on le déplace par augmentation de la température de la cible : on utilise à cet effet le rayonnement du filament du canon de désorption thermique. Le cycle est recommencé jusqu'à obten- tion de la reproductibilité des résultats.

4. Résultats.

Les premiers résultats types sont groupés sur la figure 2 où en allant de bas en haut on voit successivement les spectres électroniques : (1) à 300 OK et après 60 heures d'exposition à CO + HZ (50-50 %) à la pression totale de ~ . m - ~ ; (2) à 300 OK après bombardement ionique de la sur- face et adsorption de CO pendant 1 heure à la pres- sion de 2 x 1OP5 ~ . m - ~ . La pression partielle de H2 reste de l'ordre de N . m - 2 ; (3) après avoir porté la surface précédente à 350 OK pendant 20 mn à 2 x N. m-2 ; (4) enfin, au refroidissement de l'échantillon, pour la température de 315 OK, sous la même pression de CO.

Après refroidissement complet de la cible mais toujours en présence de 2 x N.m-' de CO :

on revient à la courbe 2. On remarque principalement les pics aux alentours de 6, 8, 9 et surtout 12 eV.

Deux pics à 14 et 15 eV apparaissent régulièrement mais se modifient au cours des séquences et varient

I

O 2 4 6

8

Pertes d énergie ( e ~ )

FIG. 2. - Courbes types des spectres d'électrons réfléchis.

en intensité. Bien qu'ils ne soient pas représentés ici il faut noter aussi la présence de pics à 34 et 45 eV qui correspondent respectivement aux transitions Auger

5. Discussion. - Il existe assez peu de données sur les spectres de pertes caractéristiques relatives au molybdène et nous n'en avons trouvé aucune en ce qui concerne les monocristaux. Haworth [5] a donné en 1935 pour le molybdène les valeurs de : 10,6, 22 et 45 eV. Harrower [4] en 1956 donne : 11,6 eV et 24,7 eV pour des électrons primaires de 200 eV. Lynch et Swan [6] en 1968 : 9,9 et 22,8 eV pour des électrons primaires de 1 200 eV. Kirilova, Bolobin et Mayevs- kiy [7] indiquent des valeurs de 7 eV et 11 eV obtenues par absorption UV : ils attribuent la première à une transition interbande et la seconde à une oscillation de plasma : en effet la fonction perte d'énergie Jm.8-' où

est la constante diélectrique complexe passe par un maximum pour 11 eV et l'on a de plus

O et

très petit ( E ~ et c2 étant les parties réelle et imaginaire de 8). La transition interbande correspondant à une valeur maximale de Jm.

et de z2.

La théorie des oscillations collectives prévoit que si l'on peut considérer le modèle électron libre, la fréquence plasma est fonction de la densité des élec- trons de conduction et est donnée par la formule :

où n est la densité des électrons libres, e la charge de l'électron,

m la masse de l'électron,

8,

la constante diélectrique du vide.

PERTES CARACTÉRISTIQUES DES ÉLECTRONS RÉFLÉCHIS C l - 6 5 Si l'on utilise cette formule avec le nombre usuel

de 6 électrons de valence (5 électrons s et 1 électron d) du molybdène on trouve une perte caractéristique de : hw, = 23 eV. Dans notre dispositif en incidence normale sur la face (100) il n'a pas été possible de mettre en évidence de pic au voisinage de 23 eV. Il faut signaler pour mémoire que le Molybdène offre aussi les valences 2 et 3 et on lui attribue encore quel- quefois les valences 4 et 5. Si l'on considère les don- nées optiques de Kirilova et al. on peut toutefois rap- porter la perte de 12 eV à une oscillation collective.

Il n'apparaît pas clairement de pertes à fréquence réduite que l'on pourrait attribuer à un plasmon de surface (os = o,/J1 +

mais les variations d'inten- sité et de position de certains pics en fonction des diffé- rentes séquences expérimentales montrent bien l'in-

adsorbés suggèrent pour les pics à 14, 15,5 et 14,5 eV les potentiels d'apparition de CO' et HZ ^(complexe

activé) et CO+ (lié en phase 4). Il n'est toutefois pas aisé de tirer dans l'état actuel de l'expérimentation des corrélations bi-univoques entre les pertes caractéris- tiques et l'état de la couche chimisorbée sur I'échantil- lon. Des progrès sont actuellement en cours, grâce à des perfectionnements technologiques récents du montage.

6. Conclusions. - Ces résultats préliminaires mon- trent déjà une certaine complexité de l'interaction électron-surface dans le cas qui nous intéresse ici.

La structure chimique de la surface influence forte- ment la rétrodiffusion.

fluence de l'état de surface. En particulier le pic à En terminant il nous est agréable d'exprimer nos 9,5 eV semble n'exister qu'à chaud et des résultats remerciements à G . Chauvin et J. Delcher pour antérieurs sur la désorption induite par électrons [l] l'efficacité de leur aide technique au cours du montage et plus récents sur la coopération CO + H, [8] et de la conduite de l'expérience.

Bibliographie

[l] DEGRAS (D. A.), LECANTE (J.), Supplemento al Nuovo [5] HAWORTH (L. J.), Phys. Rev., 1935, 48, 88.

Cimento Serie 1, 1967, 5 , 598-605. [6] LYNCH (M. J.) and SWAN (J. B.), Aust. J. Phys., 1968, [2] DEGRAS (D. A.), LECANTE (J.), Phenomena in ionized ^{21, 811.}

gases. Vienna, Austria, 1967, 66. [7] KIRILOVA (M. M.), BOLOBIN (G. A.), MAYEVSKIY (V. M.), Fiz. metall. mettaloved, 1967, 24, 95 et [3] PROPST and PIPER, J. of Vac. Science and Technology, Fiz. metal. mettaloved, 1965, 19, 495.

1967,4, 53. [8] LAPUJOULADE (J.), AVS Surface Symposium 1969 (a

[4] HARROWER (G. A.), Phys. Rev., 1956, 102, 340. paraître).