Пособие к ТР (Большущая куча доков и образцов)

Министерство образования Российской ФедерацииМосковский энергетический институт(Технический университет)В.А. Воронцов, Н.Д. ВасильеваОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ БЛИЖНЕГОПОРЯДКА В РАСПОЛОЖЕНИИ АТОМОВАМОРФНЫХ ВЕЩЕСТВ ПО ДАННЫМЭЛЕКТРОНОГРАФИЧЕСКИХИССЛЕДОВАНИЙМетодическое пособие по курсу«Физика и технология некристаллических полупроводников»для студентов, обучающихся по направлениям «Электроника и микроэлектроника», «Электротехника, электромеханика и электротехнологии»,МоскваИздательство МЭИ2002УДК539В-191УДК: 539.27(076.5)Утверждено учебным управлением МЭИПодготовлено на кафедре Физики электротехнических материалов и компонентов и автоматизации электротехнологических комплексовРецензент: д-р.

техн. наук, проф. В.Я. БеспаловВОРОНЦОВ В.А., ВАСИЛЬЕВА Н.Д.ОПРЕДЕЛЕНИЕПАРАМЕТРОВБЛИЖНЕГОПОРЯДКАВРАСПОЛОЖЕНИИ АТОМОВ АМОРФНЫХ ВЕЩЕСТВ ПО ДАННЫМЭЛЕКТРОНОГРАФИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ: Методическое пособиепо курсу «Физика и технология некристаллических полупроводников». –М.: Издательство МЭИ, 2002.

– 16с.Описана методика обработки экспериментальных данных микродифракции электронов в аморфных веществах и отыскания параметровближнего порядка в расположении атомов данных веществ.Учебное изданиеВоронцов Владимир АнатольевичВасильева Наталия ДмитриевнаОпределение параметров ближнего порядка в расположении атомоваморфных веществ по данным электронографических исследованийМетодическое пособие по курсу«Физика и технология некристаллических полупроводников»для студентов, обучающихся по направлениям «Электроника и микроэлектроника», «Электротехника, электромеханика и электротехнологии»,ЛР № 020528 от 05.06.97Редактор издательства Н.Л. ЧернышТемплан издания МЭИ 2002(II) метод.

Подписано к печати 24.12.2002Формат 60х84/16. Печ. л. 1,0. Тираж 50. Изд № 106Издательство МЭИ, 111250, Москва, Красноказарменная, д. 14 Московский энергетический институт, 2002.2http://ftemk.mpei.ac.ru/ncsподготовлено В.А. Воронцовым 2003e-mail: vlad@ftemk.mpei.ac.ruВведениеТвердые аморфные и жидкие вещества по своему строению представляютсобой неупорядоченные системы, в которых отсутствует дальний порядок итрехмерная периодичность.

Однако в них существует ближний порядок, при котором расположение атомов вокруг любого из атомов системы можно охарактеризовать функцией радиального распределения атомов ФРРА(r). Эта функция,имеющая статистический характер, обозначает вероятность встречи с атомомтого или иного сорта, находящимся на расстоянии r от отсчетного.Функция ФРРА(r) сферически-симметрична, с ее помощью можно найтивеличины расстояний r, но не их направление; ФРРА(r) имеет несколько максимумов, по большей части два-три, которые соответствуют первым, вторым,третьим ближайшим соседям. Максимумы функции ФРРА(r) размыты, что свидетельствует о некотором наборе расстояний r около наиболее вероятного расстояния, отвечающего этой функции.

При некотором r=rmax функция ФРРА(r)максимумов уже не имеет.Параметрами, характеризующими ближний порядок, являются величиныближайших расстояний — первых, вторых, третьих, определяющих координационные сферы, — и число атомов вокруг атома, выбранного за начальный, в первой, второй, третьей координационных сферах, т.е. координационное число(КЧ). В любой точке аморфного или жидкого вещества этот порядок сохраняетсяна протяжении до десяти или немного больше ангстрем от отсчетного атома.

Заэтими расстояниями все другие расстояния равновероятны и распределение атомов определяется средней атомной плотностью, иными словами, числом атомовв единице объема.Проводя Фурье-анализ кривой экспериментальной интенсивности одним изметодов дифракции — рентгенографическим, электронографическим, нейтронографическим, можно найти функцию ФРРА(r) без каких-либо предварительныхпредположений о строении вещества.Выявление ближнего порядка и является целью исследования структурыаморфных и жидких веществ. Особый интерес представляет сопоставление данных для одного и того же вещества в трех состояниях — твердом кристаллическом, твердом аморфном и жидком.

Этот интерес вызван необходимостью создания моделей структуры и теории аморфного и жидкого состояний вещества.Твердые аморфные и жидкие вещества сходны по наличию в тех и другихближнего порядка и отсутствию дальнего. Тем не менее твердые аморфные вещества резко отличаются от жидких тем, что в них атомы в основном остаютсяна одних и тех же местах (если отвлечься от теплового движения вблизи некоторых положений равновесия) в то время как в жидком они перемещаются, изменяя свое положение и меняясь местами с другими атомами. Эти перемещениянесколько меняют конкретный ближний порядок, но статистически, по всемвозможным конфигурациям, он в среднем сохраняется, если неизменны термодинамические условия существования жидкости: температура и давление.

Приизменении этих внешних условий, при повышении или понижении температурыи давления ближний порядок может измениться.Сопоставление параметров ближнего порядка для элементов и соединений,накопление данных по структуре аморфных и жидких веществ являются необходимой стадией для выявления структурных закономерностей, классификацииэлементов по параметрам упорядоченности, установления зависимости физиче-http://ftemk.mpei.ac.ru/ncsподготовлено В.А.

Воронцовым 20033e-mail: vlad@ftemk.mpei.ac.ruских свойств от структуры и построения теории аморфного и жидкого состояний.Основной вопрос, на который следует обратить внимание, — это получениеэкспериментальной кривой интенсивности по возможности с малыми погрешностями. Если это удается, все остальные ошибки, вводимые при учете фона некогерентного рассеивания, нормировании экспериментальной кривой интенсивности, обрыве ряда, нахождении площади под максимумами ФРРА, как правило,оказываются незначительными.Поскольку интерес к исследованию стеклообразных веществ заметно выросв связи с их возможным использованием, в частности в микроэлектронике и оптике, необходимо накапливать результаты и расширять круг исследуемых веществ, совершенствуя методику.Три метода исследования — рентгеновский, электронографический, нейтронографический - взаимно дополняют друг друга.

Основное различие этих методов состоит в том, что рентгеновские лучи рассеиваются электронной оболочкой атома; электроны же рассеиваются суммарным потенциалом атома, т.е. врассеивании участвуют и электронная оболочка атома, и ядро; нейтроны рассеиваются ядрами атомов. Наиболее развит и наиболее широко употребляется дляизучения жидкого состояния веществ метод дифракции рентгеновских лучей.Однако его применение сопряжено со значительными экспериментальнымитрудностями, связанными, в основном, с большими временами экспозиции, иногда достигающими нескольких дней.

Такое затруднение отпадает в электронографии, где экспозиции измеряются секундами, и, кроме того, количество исследуемого материала может быть весьма малым. Нейтронография, по сравнению срентгеновским и электронографическим методами, выигрывает в том, что факторы рассеивания для нейтронов изотропны, т.е. отсутствует угловая зависимость атомных факторов рассеивания нейтронов. Недостатком методов электронографии и нейтронографии является трудность учета фона.В данной работе основное внимание уделено наиболее «быстрому», изупомянутых методов исследований, – электронографии.Образование электронограммы. Рассеивание электронов веществомПри прохождении электронов через вещество в электронном микроскопе некоторые из них отклоняются от направления главного луча или рассеиваются в различных направлениях и под разными углами.

Чем плотнеевещество образца и больше его толщина, тем большая часть электроновотклоняться на большие углы рассеивания. Это схематически проиллюстрировано на рис.1 на примере аморфных образцов различной плотности итолщины. На этом же рисунке схематически изображены электронограммы, которые будут получены на экране для наблюдения. Таким образом,даже в случае аморфных веществ электронограммы зависят от характераобразца. Однако такие электронограммы размыты и содержат мало информации, которую можно было бы проанализировать количественно.На электронограмме, полученной от кристаллического образца, наблюдаются рефлексы, имеющие форму концентрических окружностей, еслиобразец поликристаллический, или регулярно расположенных дифракционных пятен, если образец является монокристаллом или содержит только4http://ftemk.mpei.ac.ru/ncsподготовлено В.А.

Воронцовым 2003e-mail: vlad@ftemk.mpei.ac.ruнесколько маленьких кристаллов. Эти дифракционные максимумы возникают на фоне диффузного рассеивания вблизи центрального пятна в результате того, что при прохождении электронов через кристаллическийобразец электронные «волны», рассеянные параллельными плоскостямирешетки определенной ориентации, оказываются «в фазе» и взаимодействуют, усиливая друг друга. Электронные «волны», рассеянные плоскостями решетки любой другой ориентации, оказываются «не в фазе» и привзаимодействии ослабляют друг друга. От этих рассеянных электронов никаких дифракционных максимумов не образуется.

На рис.2 схематическиизображены результирующее распределение интенсивности, а также электронограммы с дискретными максимумами интенсивности в виде пятенили колец, наложенных на диффузный фон рассеивания.СхематическоеРис.1.изображение рассеивания электронов иконечных дифракционных изображений отаморфныхобразцовпеременной плотностии толщины (штриховкой обозначена большая плотность).Рис.2. Схематическое изображение рассеивания электронов, распределения интенсивности и конечных дифракционных изображений от монокристалла иполикристаллического образцаhttp://ftemk.mpei.ac.ru/ncsподготовлено В.А. Воронцовым 20035e-mail: vlad@ftemk.mpei.ac.ruОриентация серий плоскостей решетки с межплоскостным расстояниемd, при которой будет происходить дифракция электронов с образованиемдискретного дифракционного рефлекса в виде пятна или кольца, определяется известным законом Брэггаλ = 2d ⋅ sinθι ,(1)где d - межплоскостное расстояние; θi - угол между направлением электронного луча и атомной плоскостью; λ- длина волны падающих электронов.Длина волны падающих электронов зависит от ускоряющего напряжения электронного микроскопа и определяется по следующей формуле:λ=12,26U ⋅ (1 + 0,9788 ⋅ 10 −6 ⋅ U ),(2)где U - ускоряющее напряжение (В).Дискретные дифракционные пятна или кольца образуются только в томслучае, если падающие электроны рассеиваются атомными плоскостями,расположенными по отношению к падающему лучу под углом θ, удовлетворяющем закону Брэгга (рис.3).