Основы физики поверхности твердого тела - Киселев В.Ф.
Скачать (прямая ссылка):
незаполненные электронные состояния характеризуются отрицательными
значениями Е\, так как их энергетические уровни расположены выше уровня
Ферми.
Природа атомарно-чистых поверхностей твердого тела
167
Аналогом метода УФС УР является метод электрон-фотонной спектроскопии с
уг,ювым разрешением (ЭФС УР). В этой методике на поверхность кристалла
направляют под разными углами параллельный пучок электронов и, анализируя
спектр испускаемых фотонов, получают дисперсионное соотношение Е\(кр) для
незаполненных электронных состояний.
Дополнительные сведения об энергетическом спектре возбужденных состояний
извлекают, анализируя энергетическое распределение отраженных от
поверхности медленных электронов с энергией ~ 100 эВ (метод спектроскопии
энергетических потерь электронов - СЭПЭ). Большинство отраженных
поверхностью электронов испытывают только одно неупругое рассеяние, в
результате которого их энергия понижается на ДВеличина ДЕ, является
характеристикой того электронного перехода, который произошел в твердом
теле. Распределение отраженных электронов по энергиям содержит информацию
о всех диссипативных процессах, в том числе о переходах между
заполненными и незаполненными возбужденными ПЭС. Максимумы в спектрах
потерь энергии электронов, положение которых зависит от состояния
поверхности (химических обработок, адсорбционных воздействий), связаны с
поверхностными электронными переходами (ДЕ, = ?2 - Е\).
Несмотря на кажущуюся простоту физических идей, заложенных в эмиссионные
методики, расшифровка экспериментальных кривых по энергетическому
распределению эмитированных электронов (фотонов), а также построение
достоверной картины энергетического спектра ПЭС сопряжены с определенными
трудностями. Остановимся на двух наиболее важных.
1. Гетерогенность исследуемых атомарно-чистых поверхностей. В случае
поверхностей, полученных методом раскола кристалла в вакууме (п.4.1.2),
высокая концентрация на них ступенек, узлов и выходов дислокаций доказаны
многочисленными микроскопическими исследованиями. Метод ионного травления
также не вызывает особого оптимизма, если иметь в виду рис.1,я введения.
Хотя многократные термические отжиги, несомненно, существенно сглаживают
сложный рельеф поверхности, врядли можно добиться идеальной ее гладкости
на больших площадях. Кроме того, при отжигах поверхность обогащается
примесями, диффундирующими из объема. Концентрация последних даже на
"оже-чистой" поверхности может приближаться к числу ПЭС. С развитием
технологии подготовки поверхности, в частности, метода лучевой эпитаксии,
по-видимому, удается в ряде случаев получить макроскопические элементы
поверхности, близкие к однородным. Но для них часто непригодны корректные
методы изучения спектра ПЭС. Сканирующие электронные микро-
168
Глава 5
скопы и спектроскопы дают информацию о топографии и спектре в условиях
сильных неоднородных полей, а расшифровка сканограмм требует
дополнительных модельных предположений.
Эмиссионные методы мало применимы к исследованию влияния адсорбции на
энергетический спектр ПЭС. При используемых энергиях квантов
детектирующих пучков наблюдаемая картина эмиссии может быть осложнена
электроностимулированными химическими процессами (см. гл.8).
2. Заряжение поверхности при воздействии на нее фотонов или
электронов. Если этот эффект не проявляется в экспериментах с металлами,
то в случае высокоомных полупроводников и диэлектриков он может привести
к существенному и часто неконтролируемому изменению энергии
эмиттированных с поверхности частиц.
К сожалению, в случае металлов отсутствуют независимые методы
исследования спектра ПЭС. В случае полупроводников ценную информацию о
природе ПЭС дают данные ЭПР, однако они относятся только к парамагнитным
состояниям, а не ко всему спектру ПЭС.
5.3.2. Экспериментальные данные и модель энергетического спектра ПЭС.
Рассмотрим сначала атомарно-чистую поверхность кремния. Оборванные связи
- состояния А на поверхности Si(lll) (рис.5.2 и 5.3) создают достаточно
глубокие уровни в запрещенной зоне. Электроны в зр3-орбиталях оборванных
связей находятся в вырожденном состоянии. В таких состояниях может
проявиться эффект Яна-Теллера - снятие вырождения и распад 5р3-
гибридизации на исходные s и р орбитали, сопровождающиеся деформацией
ближайшего окружения атома. Прямое подтверждение ян-теллеровских смещений
дали эксперименты по лазерному воздействию на атомарно-чистую поверхность
Si(lll). При сильном возбуждении электронной подсистемы Si импульсами
неодимового лазера наблюдалось резкое уменьшение амплитуды сигнала от
центров А (рис.5.3) и появление нового сигнала с g-фактором 2,0043
(вместо 2,0055). Сдвиг соответствует деформации Яна-Теллера - опусканию
поверхностного атома Si на 0,03 нм, - гибридизация изменяется в сторону
sp2-pz.
При локализации двух электронов в одной потенциальной яме, помимо
кулоновского отталкивания, имеет место эффект корреляции, связанный, в
