Основы физики поверхности твердого тела - Киселев В.Ф.
Скачать (прямая ссылка):
неоднородностях (о > X); т.е. I = Is + ld; I = Is при a = 0. Для
теоретических оценок Id и /j используются скалярная теория рассеяния
частиц на неоднородностях и формулы Френеля, соответственно. Из сравнения
этих расчетов с экспериментальными данными по спектральной зависимости
1(Х) удается оценить эффективное значение ст, характеризующее
шероховатость - спектроскопия диффузного рассеяния.
Методы нелинейной оптики. При переходе к мощным лазерным пучкам, когда
напряженность поля Е электромагнитной волны приближается к Е", атомный
осциллятор становится ангармоническим и поляризация среды может быть
представлена в виде разложения
Р - ео5С<') ' Е + ?оХ<2) ' Е2 + еоЗС<3> ' + ¦¦¦, (4.7)
где /П) - 1 /Еа , ?<2) ~ 1 /Еп2 и т.д. - нелинейные восприимчивости,
которые содержат информацию о кристаллических полях вещества. Первый член
разложения определяет электроотражение (отражение света в поперечных
электрических полях), второй - генерацию второй гармоники (ГВГ), третий -
эффект Керра и двухфотонные процессы. Для диагностики нарушений структуры
в приповерхностных слоях сильнопоглощающих кристаллов наибольшее
распространение получил метод ГВГ, особенно в центросимметричных
кристаллах
Рис.4.9. Угловые зависимости интенсивности второй гармоники от реальной
(а) и имплантированной ионами Аг+ поверхности Si (111) при дозах
имплантации 1,2-1011 (б) и 2,41014см'2 (в) соответственно [12]
132
Глава 4
(например Si, Ge). В таких средах имеется сильный запрет по симметрии на
ГВГ, дипольная составляющая нелинейной поляризации в объемной фазе на
удвоенной частоте Я(2со) равна 0. Благодаря этому интенсивность
отраженной второй гармоники оказывается весьма чувствительной к
различного рода нарушениям инверсионной симметрии в результате появления
границы раздела, возникновения на ней деформаций и дефектов. В качестве
иллюстрации приведем изменения интенсивности ВГ после ионной имплантации
- рис.4.9.
4.3. Структура поверхности
4.3.1. Данные дифракции электронов. Основным методом исследования
поверхностной кристаллографии является дифракция медленных электронов
(ДМЭ), упруго отраженных от поверхности твердого тела. Это явление было
открыто в 1927 г. Дэвиссоном и Джер-мером в знаменитых экспериментах,
доказавших волновую природу элементарных частиц. Преимущество метода ДМЭ
по сравнению с методами дифракции рентгеновского излучения и нейтронов,
традиционно применяющихся в исследованиях объемных фаз в том, что
электроны взаимодействуют с атомами в миллионы раз сильнее, чем фотоны и
нейтроны. Интенсивность рассеяния электронов 1е на 6-7 порядков выше, чем
для фотонов и тем более для нейтронов.
В методе ДМЭ обычно используются пучки электронов с энергией ?, = 10-500
эВ, которым соответствуют длины волн де Бройля 0,4-0,06 нм. Глубина
проникновения электронов в кристалл определяется длиной свободного
пробега и зависит от механизма неупругих столкновений частиц с атомами
решетки, т.е. от потерь энергии. Основным механизмом потерь при таких ?
является возбуждение электронов в заполненной зоне твердого тела.
Поскольку их плотность в валентной зоне различных материалов = 2,5-1023
см'3, то глубина проникновения составляет несколько периодов решетки
(0,5-1 нм). При таких энергиях практически исключено какое-либо заметное
дефектообразование на атомарно-чистых поверхностях.
По законам волновой оптики условия возникновения дифракционных максимумов
определяются уравнением Брэгга-Вульфа
t/sinO = тХ, (4.8)
где d - период решетки, 8 - угол скольжения луча, т - целые числа
(порядок дифракции). Для двумерной решетки при падении по нормали пучка
моноэнергетических электронов, характеризующихся длиной волны X, условия
будут следующими:
ах cos<pv = тх X; ау coscp^ = туХ (4.9)
где ах, ау - постоянные решетки, <pv, <py - углы дифракции в направлении
X и У, соответственно.
Экспериментальные исследования структуры и свойств поверхности.
133
Уже в первых исследованиях ДМЭ было обнаружено, что на фоне дифракционных
рефлексов от объемной структуры кристалла четко фиксируются рефлексы от
его поверхности. Дифракционная картина от поверхностных атомов
наблюдалась только в случае атомарно-чистой поверхности и полностью
исчезала даже при слабом ее окислении. Сам факт возникновения дифракции
однозначно говорит о существовании на атомарно-чистой поверхности
упорядоченных областей, обладающих трансляционной двумерной
инвариантностью.
Для многих поверхностей периоды двумерных трансляций оказались больше,
чем для объема кристаллов.
Положение поверхностных рефлексов и их интенсивности существенно зависели
от ориентации кристаллических плоскостей, условий приготовления
поверхности и ее чистоты.
Эти наблюдаемые сверхструктуры (или, как их часто называют, сверх-
решетки) оказались стабильными в Рис.4.10. Рефлексы при дифрак-строго
фиксированных температур- ции медленных электронов на по-ных интервалах.
При изменении верхности Si (111) 7x7 температуры наблюдались как
