Основы физики поверхности твердого тела - Киселев В.Ф.
Скачать (прямая ссылка):
Домены со своей сверхструктурой, макроскопические дефекты, нарушения
стехиометрии в сложных полупроводниках вносят в поверхность элементы
неупорядоченности, причем эта неупорядоченность носит скорее не 2D, а ЗЭ-
характер, Согласно пока немногочисленным экспериментальным данным, в ряде
случаев доменные области достигают нанометрических размеров. Для них
могут проявляться как классические, так и квантовые размерные эффекты. В
результате поверхностные (5) и объемные (V) свойства оказываются
взаимосвязанными. Такая ситуация пока не обсуждалась в теоретических
работах. Не исключено, что для атомарно-чистых поверхностей оптимальной
может оказаться полидоменная структура с кластерами нанометрических
размеров. Из-за тесной взаимосвязи S и V свойств кластеров, а также
"подстройки" их структуры к строению всего кристалла, поверхность
некоторых относительно больших участков может оказаться достаточно
однородной. К таким поверхностям, с учетом размерных эффектов, может быть
применена представленная в гл. 1-3 электронная теория поверхности.
5.1.2. Регибридизация химических связей. Что происходит с
разорванными связями при расколе кристалла (или при ионном травлении),
как протекает релаксация поверхности после ее образования? Эти
центральные для физики поверхности вопросы, естественно, не могут быть
разрешены в рамках структурных исследований на отре-лаксировавших
квазиравновесных поверхностных фазах. Весьма информативными в этом
отношении являются спектры ЭПР от неспаренных электронов оборванных
связей. Наиболее детально исследованы спектры ЭПР от атомарно-чистых
поверхностей Si, Ge и графита. У последнего в 5р2-гибридизации находятся
атомы призматических граней (разорванные о-связи). Сигналы ЭПР от этих
материалов представлены на рис.5.2, а. Сопоставление ширин линий АН в
ряду С, Ge и Si (табл.5.1) соответствует последовательному изменению
констант спин-орбитальной связи для этого ряда и является одним из
доказательств того, что это сигналы действительно от атомов данных
материалов, а не примесей. Для кремния это подтверждается также
обнаруженной сверхтонкой структурой (СТС) от изотопов Si29, обладающих
ядерным спином.
154
Глава 5
До 60-х годов атомарно-чистую поверхность представляли состоящей из
частокола разорванных химических связей. Первые детальные исследования
ЭПР поверхностей спектрально-чистых образцов графита и германия
опровергают эти представления (Никитина, Демидович, 1972). Оказалось, что
при коэффициенте загрязнения (см. п.4.1.1), достигающем 105 см"2, на
поверхностях раскола кристаллов при комнатной температуре спиновые центры
практически отсутствуют - табл.5.1. При расколе Si, а также многих
диэлектриков, при 300К концентрация спиновых центров на 2-3 порядка ниже
концентрации поверхностных атомов. В случае раскола графита и Ge при 77К
на поверхности фиксируется заметная концентрация разорванных связей N$ ¦
Следовательно, концентрация спиновых центров, сохранивших 5р3-
гибридизацию, зависит от условий формирования поверхности.
В процессе рождения новой поверхности при расколе или дроблении
кристаллов, помимо сильных деформаций и термических эффектов, наблюдаются
сложные электронные явления: эмиссия медленных и быстрых электронов
(механоэмиссия), фотонов (люминесценция). Механизм их возникновения нам
пока неясен. По-видимому, при низких температурах поверхностная фаза
полностью не отрелаксирована и на ней сохраняется исходная sp3-
гибридизация атомов С и Ge. С ростом температуры процесс релаксации
проходит через ряд метастабильных состояний и поверхность достигает
некоторого квазиравновесия. В этом состоянии спиновые центры на ней
практически отсутствуют. На кремнии концентрация спиновых центров Ns
также уменьшается с ростом температуры раскола - табл.5.1. Во всех
случаях уменьшение Ns свидетельствует о регибридизации по крайней мере
части поверхностных атомов на от-релаксированной поверхности.
Рис.5.2. а. Сигналы ЭПР от атомарно-чистых поверхностей графита, кремния
и германия. б, в. Схемы регибридизации связей при адсорбции. Узкий сигнал
от графита вызван л-элек-тронами [Р8]
Природа атомарно-чистых поверхностей твердого тела
155
Таблица 5.1
Параметры сигналов ЭПР от атомарно-чистых поверхностей полупроводников и
диэлектриков
Материал Условия получения атомарно-чистой поверхности Ns, см 2
ДН, Гс g-фактор Температура отжига, К
Графит Помол при 300 К 77 К < 107 Ю13 12 2.0270 > 800
Ge Помол при 300 К < 109 -
77 К Ю'З 35 2,0240 > 550
Раскол монокристалла при 300 К 5 1012 30 2.0200
Si Помол при 300 К 1014 6 2,0056
700 К 1012 6 2,0056 > 700
Раскол монокристалла при 300 К 8 1013 6 2,0055
GaAs Грубое дробление при 300 К 5 1013 9-10 2,0038
Следует отметить, что параметры сигналов ЭПР при расколе монокристалла
кремния и при его дроблении до частиц размером ~ нм полностью совпадают,
они определяются в основном ближним порядком расположения атомов.
Аналогичные сигналы были обнаружены от парамагнитных дефектов аморфного
