Основы физики поверхности твердого тела - Киселев В.Ф.
Скачать (прямая ссылка):
(количество которого в атмосфере, увы, уменьшается). Напомним, что в
естественном фотосинтезе главными участниками являются те же частицы -
Н2О, Н*, Н+ и СО2. Поверхность полупроводника является прекрасной ареной,
на которой в модельных условиях можно исследовать отдельные электронные и
молекулярные стадии этого еще далеко не разгаданного феномена природы.
8.2.3. Протонные процессы. Пленки адсорбированной воды на
поверхностях неорганических и даже биологических объектов выполняют
важнейшую функцию не только в природе, но и в технике. Вода в мембранах
живых клеток играет определяющую роль в
Рис.8.14. Выход десорбции, стимулированной ИК излучением (1,3), и
термодесорбции (2,4) с реальной поверхности Ge молекул СО2 (1,2) и Н20
(3,4) [45]
266
Глава 8
функционировании всего биологического мира. Мы уже отмечали в п.7.4.2
значимость фазовых переходов на таких пленках во многих важнейших
процессах, протекающих на земной поверхности. Столь же велика роль
адсорбированной воды в функционировании элементов мик-ро- и
наноэлекгроники, обладающих огромными поверхностями, контактирующими с
атмосферной водой. Долгое время все разнообразие протонных процессов
рассматривалось изолированно от электронных процессов в твердом теле.
Рассмотренный ранее донорно-акцепорный механизм адсорбции и заряжения
(п.п.7.3.3 и 8.2.2) указывает на тесную сопряженность электронных и
протонных поверхностных процессов.
Фундаментальным свойством воды является способность к термической
диссоциации ее молекул. В равновесном состоянии константа
гетеролитической диссоциации НгО Н+ + ОН' при 300К определяется значением
pH = 7, т.е. одна на 107 ее молекул диссоциированы. Синхронные движения
Н+ и ОН" вдоль цепочки водородных связей воды или льда (т.н. Бернал-
Фаулеровская цепочка) определяют протонную электропроводность таких
систем.
Протонная проводимость воды a, = \i,n^.q- Независимые
п п п
измерения подвижности протонов на поверхности
SiC>2 позволили оценить исходную концентрацию протонов "о * Ю12 см"2, что
не сильно отличается от концентрации координационно-связанных молекул
воды (НгО)*, определенной методами ЯМР и ИК спектроскопии. Константы
диссоциации адсорбированной воды (НгО)*. на 4-5 порядков выше, чем для
объемной воды. Измерения поверхностной проводимости протонов
полированного кварцевого стекла показали, что арастет с увеличением
количества слоев воды (0) в основном за счет роста подвижности цн+ при
небольшом изменении концентрации "о. Этот вывод получил веское
подтверждение в прямых измерениях подвижности протонов на поверхности
Si02 с помощью
ю-'
03
К)'9 Г "s
О
1010 d
Рис.8.15. Зависимость (а) поверхностного сопротивления R (1 и 2),
подвижности р (!' и 2') и (б) концентрации nH+ (1 и 2) протонов от
относительного давления паров воды P/Ps на поверхности Si02 в полевом
Л/ОЯ-транзисторе: 1 и 1' - данные, полученные на образах, находившихся
несколько суток на воздухе; 2 и 2' - на образцах, вакуумированных при
470К. [47]
Взаимосвязь электронных, атомных и молекулярных процессов на поверхности
267
кремниевых полевых транзисторов, проведенных при разных упругостях паров
воды - рис. 8.15. Видно, что поверхностное сопротивление SiC>2 убывает
(о^ растет) с ростом подвижности при незначительных изменениях .
Усиление протонизации ПД центров (НЬО)* при захвате дырок подтверждают
данные эффекта поля на германии и кремнии. При длительном выдерживании в
парах воды и приложении поперечного электрического поля (знак на
металлическом электроде) наблюдалось накопление в их оксидных пленках
положительного заряда протонов дц*. При изменении направления поперечного
постоянного поля эффект накопления практически исчезал. Эффект накопления
протонов наблюдался при таких давлениях паров воды, когда на поверхности
появляются грозди молекул (рис.7.12) и константа дисоциации (НгО)*
понижается из-за высокой диэлектрической проницаемости воды. Это
согласуется с данными по протонной нейтрализации БС и PC - рис.8.8.
8.3. Динамика поверхностных процессов
8.3.1. Кинетика адсорбции и заряжения поверхности. Прямое сравнение
экспериментальных данных по кинетике адсорбции na{t) и заряжения
поверхности стало возможным только после появления достаточно
чувствительных кварцевых адсорбционных весов (см. п. 7.3.1). В качестве
измеряемых параметров заряжения использовались: изменение потенциала
поверхности (ДК5), термоэлектронной работы выхода (АФг) и
электропроводности (До). Первые совместные измерения при адсорбции NC>2
на монокристаллической пленке PbS показали, что характер начальных
участков кинетических кривых - n"(t) и До(Г) существенно зависит от
концентрации
присутствующих на ней биогра- Рис 8 16 кинетика изменения элек-
фических (до проведения ад- тропроводности Ла (1) и хемосорбции
сорбции NO2) медленных со- Па (2) N02 (/*=100 Па) на поверхности
стояний (Nsb); они создавались PbS.
предварительным окислением а - NSB = Ю11 см-2, б - NSB = 1012
