Основы физики поверхности твердого тела - Киселев В.Ф.
Скачать (прямая ссылка):
обратимые, так и необратимые перестройки, т.е. двумерные фазовые переходы
типа "порядок-порядок". В качестве иллюстрации на рис.4.10 приведена
электронограмма атомарно-чистой поверхности кремния (111). Числа за
круглыми скобками 7x7 показывают, во сколько раз размер элементарной
ячейки поверхностной структуры больше, чем в объеме.
Наблюдаемая картина дифракционных рефлексов (рис.4.10) является
результатом интерференции пучков электронов, дифрагировавших на атомах
поверхности. Насколько наблюдаемая картина позволяет определить реальное
расположение атомов - центров дифракции? Формальный подход к расшифровке
картин рефлексов, возникающих при ДМЭ, не дает ответа на этот основной
вопрос. Отметим лишь три основные трудности. 1) Проникающие в кристалл
электроны приводят к интерференции волн, отраженных от разных плоскостей
в его приповерхностной области. К формулам для двумерной решетки (4.9)
должны быть добавлены соотношения, учитывающие интерференцию в этой
области. 2) Спектр ДМЭ, зависит от формы потенциального барьера
поверхности, который должны преодолевать выходящие из кристалла
электроны. Барьер определяется не только расположением атомов в ячейке,
но также адсорбирован-
134
Глава 4
ными примесями и наведенными электронным пучком зарядами. Заряжение
поверхности в процессе измерения является серьезным препятствием в
исследовании поверхностей диэлектриков. 3) Сечение упругого рассеяния
электронов очень велико (= 0,01 нм2) и сравнимо с сечением неупругого
рассеяния. Многократное неупругое рассеяние приводит к появлению новых
дополнительных максимумов в спектрах ДМЭ. Их расшифровка требует
модельных теоретических расчетов. Пока для очень небольшого числа
поверхностей проведены оценки однородности электрических полей и вклада
неупругих столкновений.
Для оценок шероховатости атомарно-чистой поверхности и выявления на ней
макроскопических дефектов часто используют дифракцию быстрых электронов
(ДБЭ), сочетая эти измерения с измерением спектра ДМЭ. В этом методе
пучок моноэнергетических электронов с энергий 10-100 кэВ падает под очень
малым углом к поверхности (< 1°) и регистрируется рассеянное излучение.
Для большей однозначности эти данные дополняются наблюдениями на
сканирующем электронном микроскопе (4.2.1) декорированной поверхности.
Заметим, что электронные пучки уже давно используются в промышленных
электронографах при структурном анализе поли- и монокристаллических
материалов, как в методе "на просвет" (тонкие пленки =10-50 нм), так и
"на отражение".
4.3.2. Дифракция атомов, молекул и фотонов. Благодаря успехам в
создании источников интенсивных сверхзвуковых низкоэнергетических пучков
атомов и молекул, а также разработке высокочувствительных детекторов
широкое распространение для анализа поверхности начинают приобретать
методы дифракции и этих частиц.
Упругая дифракция атомных и молекулярных пучков (ДАМП) была открыта
Штерном и Эстерманом в конце 20-х годов вскоре после открытия ДМЭ и
явилась дополнительным подтверждением реальности существования волн де
Бройля. Длина волны для таких частиц, как Не2, D2 , HD, Ne и Не, при
энергии Е-, = 10-100 мэВ приближается к величине межатомных расстояний
(=0,1 нм), что и обеспечивает дифракцию. При таких энергиях метод
действительно является неразрушающим и дает информацию только о внешней
поверхности. Упругие и неупругие компоненты рассеянного пучка
анализируются с помощью времяпролетного масс-спектрометра. Измерения
интенсивности рассеянных частиц, в сочетании с развитой теорией неупругих
столкновений, позволили внести существенные коррективы в модели атомарно-
чистых поверхностей некоторых полупроводников (Si, GaAs), диэлектриков
(NiO, LiF) и металлов (Au, Pt, Ni). Наиболее широко метод ДАМП
используется сейчас для изучения адсорбционных слоев на чистых
поверхностях.
Экспериментальные исследования структуры и свойств поверхности.
135
Основные трудности всех перечисленных методик связаны с необходимостью
учета неупругих и многократных столкновений. В этом отношении значительно
проще метод дифракции рентгеновских лучей. Рентгеновский фотон слабо
взаимодействует с атомами и поэтому испытывает только однократные
столкновения. С этим связана высокая проникающая способность таких
фотонов, что не позволяет использовать их для диагностики периодической
структуры тонких приповерхностных слоев кристалла. Ситуация несколько
изменится, если использовать скользящие лучи (угол к поверхности < 0,1
мин) и монохроматическое электромагнитное излучение. Особенно эффективны
для этих целей источники синхротронного рентгеновского излучения.
"Малоугловои ' метод рентгеновской дифракции дает ценные сведения о
неоднородностях структуры, размеры которых существенно превышают длину
волны излучения и составляют от долей до сотен нм.
4.3.3. Структурный анализ аморфных поверхностей. Все перечисленные
дифракционные методы, естественно, не применимы к структурному анализу
