Surface Science 95 (1980) L254-L258 Q North-Holland Pubhshmg Company

SURFACE SCIENCE LETTERS

DISSOLUTION DU CI~SIUM ADSORBI~ SUR GRAPHITE ET FORMATION DE COMPOSI~S LAMELLAIRES

M LAGUES, D MARCHAND et A.P. LE(;RAND Laboratotre de Phystque Quanttque, ~qutpe de recherche assoct6e au 6WRS No 6 76. k,~ olc Sup6rieure de Physique et Chtmte htdustrtelles de la Utile de Paris, 10 Rue ['auquelin, F-75231 Paris Cedex 05, France

Recewed 3 January 1980

Lvolutlon of the surface concentration of cesmm adsorbed on HOPG turbostratlc graphite samples have been studxed after various heat treatments After heating at 750 K of the ftrst deposit, the cesium then deposited at room temperature, quickly dissolves m the bulk. When deposited at 200 K, a new cesium layer is stable The ratio of cesium Auger transitions (47 eV and 563 eV) varies apprecmbly (from l to 4) in accordance with the quantity adsorbed and the successive heat treatments of the sample The formation of graphite lamellar compounds ot cesium produces a new transmon at 280 eV on the graphite KVV Auger peak Metallograptuc microscope pictures of the sample after deposmon and dissolution of several monolayers of cesium exhxblt a preferential diffusslon along gram boundaries of the sbustrate

La forte r~activlt~ des compos~s lamellalres de m~taux alcalms, pr6par6s par exemple par la m6thode dite du "tube g deux boules" [1 ], rend dlfficile l'observa-

tion sous ultravlde de leurs propri~t6s superficielles. Deux techniques sont actuellement utilis6es pour 6vlter la pollution de la surface

observ6e: soit le transfert en atmosph6re neutre dans l 'encemte ultravide, soit le

clivage in-situ des ¢chantillons [2]. Nous pr~sentons icl une approche dlff~rente qm consiste ~ r6aliser in-sltu quel-

ques couches d 'un compos~ lamellaire. Nous avons choisi des matCriaux du type

CsCn dont les propri6t~s de volume sont maintenant blen connues [3,4]. Cette lettre pr~sente les premiers r6sultats obtenus avec un substrat turbostratique HOPG (Union Carbide). La concentration superficlelle de cesium est mesur~e par spectros- copie Auger (analyseur cylindrique) et la structure cristalline est observ6e par dif- fraction d'~lectrons lents. Les d~p6ts de C6SlUm sont effectu~s grgce h des g~n~ra- teurs d'alcalins utilis~s pour la r6alisation industneUe de photocathodes (SAES getters). La r~duction ~ haute temp6rature (environ 1000 K) de chromate de c6sium par un alliage aluminium(16%)-zirconium(84%) est raise ~ profit pour produire un

jet de c6sium collimat6 sur l '6chantillon de graphite [5] La figure 1 pr6sente les spectres Auger. (a) du graphite avant tout traitement et

L254

M Lagues et al / Dtssolunon du Cs adsorbd sur graphtte L255

l(c) \ 280or

(b) (c)

Cs 563eV

(b) [b) (c)

Cs 47eV C 272eV

F~g. 1. Spectres Auger en mode dN(E)/dE (a) graphite propre, (b) apr~s un premier d~p6t de c6sium ~ temp6rature ambiante, (c) apr6s dissolution de c6sium en volume et nouveau d6p6t basse temp6rature (<200 K).

(b) apr6s un premier d6p6t de c6sium h temp6rature ambiante. Le rapport des am- plitudes des deux principaux pies Auger caract6ristiques du c6sium est alors Cs(47 eV)/Cs(563 eV) = 4.1.

L'6chantiUon est ensuite port6 gt une temp6rature d'environ 750 K pendant 30 min. Apr6s ce traitement thermique le c6sium disparait pratiquement de la surface de l'~chantillon, par d6sorption (non d6tect~e par spectrometric de masse) et par dissolution dans le volume. De nouveaux d6p6ts de c6sium sont ensuite effectu6s temperature ambiante. La quantit6 de c~sium mesur6e par spectroscopic Auger reste alors tr6s inf6rieure ~ celle mesur6e lors du premier d6p6t. De plus, la concen- tration d~croit r6guli6rement ~ temp6rature ambiante. Ceci est attribu6 ~ une dis- solution tr6s rapide du e~sium d6pos6, notamment via les joints de gains de l'6chan- tillon. On peut en effet n~gliger la d~sorption du c6sium h temp6rature ambiante [6,7].

Si un nouveau d6p6t est effectu~ ~ basse temp6rature (~<200 K), il est alors de nouveau stable (fig. lc). Cependant les spectres Auger obtenus pr6sentent deux dif- ferences importantes avec celui relatif au premier d6p6t (fig. lb): (i) I1 apparait une nouvelle structure Auger ~ 280 eV sur le pie KVV du graphite, caract~ristique de la forhaation d'un compos~ lameUaire darts les premieres couches du substrat [2,8]. (ii) Le rapport des amplitudes des transitions Auger Cs(47 eV)/Cs(563 eV) reste toujours inf6rieur ~ celui du premier d6p6t. II varie de 1 ~i 4 su.ivant la quantit6 de e6sium adsorb6 et les divers traitements thermiques qui suivent ee nouveau d6p6t.

La modification du rapport Cs(47 eV)/Cs(563 eV) peut avoir deux origines: soit la variation des sections effieaees Auger, li6e ~ l'6tat de liaison des atomes de c6sium, soit une contribution importante du e6sium en volume. Cette derni6re hypoth6se explique effeetivement la diminution du rapport dans la mesure o/~ la

L256 1,1 La~Ue~ et al / l ) tss(duttolt du ( s adsorbc sur g~aphtte

| lg 2. Ddtractogrdmme de l'echantlllon de graplute propre (kp = 75 V) I_es grams prdsentent des laces (0001) partaltement orlent~es montrant la bonne quallt~ turbostratlque du graphite utdlsd

profondeur d '~chappement des dlectrons de 563 eV est supdrieure fi celle des dlec- trons de 47 eV.

L 'adsorpt lon de cdslum dmlmue sensiblement le contraste des dlagrammes de diffraction d'~lectrons lents correspondants au graphite propre La dimension moyenne des grains de nos ~chantillons, estim~e ~ une centame de microns (fig. 2), ne nous a pas permis d' identlfier par Dt~L la structure de la couche adsorb~e de C~SlUm dans la gamme de temperature e \p lorde S~ l 'adsorption est locahs~e, seule une 6tude sur monocristaux permettra cette identification. Toutefoxs, pour de falbles recouvrements, des structures en halos dlffus ont ~t~ observ~es et a t t r ibutes fi une phase liquide bidunenslonnelle [9]

La figure 3 pr~sente des photographies de l '~chantlllon de graphite, prises au microscope metallographique, (a )avant tout t rai tement (b)apr~s dissolution de C~SlUm. kes joints de grams sont tr~s net tement attaqu~s et sont ainsi le si~ge d'une diffusion pr6f~rentielle du c~slum. Cette attaque conftrme la p~nCtratlon en volume et vraisemblablement la formation d 'un compos6 lamellaire du C6SlUm.

En conclusion, nous avons montr¢ qu 'd 6taxt possible de r~aliser sous ultravide des compos~s lamellaires graphl te-c~sium. Nous pensons pouvoir contr61er la con- centrat ion de c6sium dans les premieres couches graphitiques grfice h une source de flux ~talonn~ et la mesurer en utlllsant notamment le rapport des amplitudes des deux transitions Auger caract~nstlques.

M. Lagues et a l / DtssolutT"on du Cs adsorb~ sur graphtte L257

Fig. 3. Aspects du substrat de graphite vus au microscope m~taUographique (a) avant tout traitement, (b) apr6s dissolution de c6sium.

L258 M Lagues et a l / Dtssolutton du Cs adsorbe sur graphite

Nous remercions le Dr. D. Guerard, du laboratolre de chlmie min6rale apphqu6e

de l 'Universi t6 de Nancy, qui a bien voulu nous fournir les 6chanti l lons de graphite.

R6f6rences

[1] A. Herold, Bull. Soc. Chem. France (1955) 999, Compt. Rend. (Pans) 232 (1951) 838. [2] P. Pfluger, P. Oelhafen, H.U. Kunzi, R. Jeker, kJ Hauser, K.P. Ackerman, M Muller et

H.J Guntherodt, darts" Proc Intern Conf on Layered Materials and Intercalates, Nijmegen, Netherlands, 1979.

[3] D.D.L. Chung, G. Dresselhaus et M.S. Dresselhaus, Mater Scl Eng. 31 (1977) 107. [4] R. Claxke, N Caswell et S.A. Solm, Phys. Rev. Letters 42 (1977) 61. [5] S.J. Helher, Vuoto Sclenza Technologia 5 (1972) 138. [6] B. McEnaney et R. Mehew, J. Nucl. Mater 60 (1976) 177 [7] D. Chandra et J.H. Norman, J. Nucl. Mater. 62 (1976) 293 [8] P. Oelhafen, P. Pfluger et H.J. Guntherodt, Solid State Commun 32 (1979) 885. [9] J.J Lander et J. Morrlson, Surface SCL 6 (1967) 1.