Борман В.Д. - Физические основы методов исследования наноструктур и поверхности твёрдого тела (1027497), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Вместе с тем в последние десятилетия былоопубликовано много оригинальных работ, посвященных развитиюи применению физических методов исследования наноструктур. Внастоящей книге делается попытка систематического изложенияобщих основ методов исследования наноструктур, приводятся примеры их использования для изучения геометрии, структуры нанообъектов, атомного состава и химических связей, процессов, проходящих в наносистемах при их формировании. Собранный иобобщенный в книге материал предполагается использовать в качестве учебного пособия для студентов старших курсов, обучающихся по специальностям «Физика кинетических явлений», «Физикаконденсированного состояния», «Физика плазмы» и других специальностей, в которых используются эти физические методы, а также для аспирантов и специалистов организаций, занимающихсяразработкой нанотехнологий.В настоящее время нанотехнологии позволяют создавать наноразмерные объекты, такие как нанопроволоки, нанокристаллы, кластеры (квантовые точки), многослойные пленочные структуры, которые находят применение в разработках нового поколения электронных устройств, оптоэлектроники, фотоники, спинтроники и6создании сверхплотной магнитной памяти, при создании квантового компьютера, катализаторов химических реакций, сенсоров.
Ведутся активные исследования по разработке технологии полученияфуллеренов, углеродных нанотрубок, наноструктурированных органических и полимерных материалов, углеродных волокон, использование которых, в силу высокой удельной прочности, позволит заменить традиционные конструкционные материалы на композитные. Современные методы получения пористых тел с нанометровым размером пор и методы модифицирования поверхностипозволяют создать новые устройства для получения газообразноготоплива, нетрадиционной энергетики, устройств аккумулированияи преобразования механической энергии. Наноматериалы и нанотехнологии открывают новые возможности в механике трения, робототехнике, электромеханике, биотехнологии и медицине.Наноструктурированные материалы, сплавы, пористые тела были известны сравнительно давно.
Как пример можно привестиалюминиевые сплавы для атомной и авиационной техники и пористые фильтры для разделения изотопов. Такие пористые фильтры сразмером пор ~10 нм были использованы в 40–50-х годах прошлогостолетия в крупном промышленном масштабе для изотопного обогащения урана методом газовой диффузии, что обеспечило решение оборонных задач и создание атомной энергетики.Взрывообразное развитие в мире исследований свойств и разработок технологий получения и применения наноструктур и наноструктурированных материалов возникло в настоящее время во многом в силу появления доступной техники контроля структуры игеометрии, атомного и химического состава, необходимых при разработке методов создания объектов, содержащих малое количествоатомов.
Многие из этих методов разрабатывались с середины прошлого века для исследований в области физики поверхности. Переход к широким исследованиям нанообъектов стал возможен послепоявления в 1981 году первого сканирующего туннельного микроскопа (Г. Рорер, Э. Руска и Г. Бинниг, Нобелевская премия 1986 г.)и последующего серийного изготовления таких приборов. Эти приборы позволяют исследовать нанообъекты с разрешением по плоскости поверхности ~0.1 нм и в перпендикулярном к плоскости направлении ~0.01 нм.Книга состоит из введения и пяти основных глав, каждая из которых посвящена одному методу исследования.
Это методы рент-7геновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС), ожеэлектронной спектроскопии (ОЭС), спектроскопии рассеяния медленных ионов (СРМИ), сканирующей зондовой микроскопии(СЗМ) и дифракции медленных электронов (ДМЭ). Как правило, висследованиях и технологических разработках используются одновременно несколько из этих методов.
Дополнительно к ним используют методы просвечивающей и растровой электронной микроскопии, более тонкие спектроскопические методы анализа протяженной тонкой структуры рентгеновского спектра поглощения(EXAFS) и околопороговой структуры рентгеновского спектра поглощения (XANES), а так же масс-спектрометрические методы. Этопозволяет контролировать все необходимые параметры наночастици наноструктур. Например, использование методов РФЭС и СЗМпозволяет контролировать атомный и химический состав при исследовании геометрии нанобъекта, его структуры, дефектов, электронных свойств.Во второй главе обсуждаются физические принципы рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии.
В этом разделе изучаетсяраспределение по кинетическим энергиям электронов, образующихся в результате фотоэффекта, вызванного облучением образцахарактеристическим рентгеновским излучением с энергией кванта~1 кэВ. В силу малой длины пробега фотоэлектронов ( λ ~1 нм дляметаллов и полупроводников) анализируется спектр фотоэлектронов, вышедших из приповерхностной области образца, толщинойd ~ λ . В спектре фотоэлектронов наблюдаются линии, характерные для фотоэлектронной эмиссии из определенных квантовых состояний атомов, что позволяет проводить анализ состава как поверхности, так и приповерхностного слоя.
В тексте подробно анализируются возможности количественного анализа атомного состава, структура спектров, «ложные» линии, сдвиги линий атомов, находящихся в различных химических соединениях. Анализ такихлиний позволяет установить химический состав образца. В текстеприведено также описание основных элементов рентгеновского фотоэлектронного спектрометра.В этой книге приводятся примеры применения метода РФЭС дляисследования механизма послойного роста оксида кремния накремнии и влияния флуктуаций магнитного момента магнетика вокрестности точки Кюри на скорость окисления поверхности магнетика, а также в комбинации с методом атомно-силовой микро-8скопии для исследования наноструктурирования поверхностикремния, индуцированного адсорбцией кислорода, и зависимостиот размера нанокластера энергии связи и асимметрии остовных линий, связанной с рождением электрон-дырочных пар вылетающимиз кластера фотоэлектроном.Необходимо отметить, что метод РФЭС позволяет установитьатомный и химический состав образца с пространственным разрешением по поверхности образца до 100 нм.
Более высокое разрешение по поверхности (до 10 нм) при анализе атомного и химического составов дает оже-электронная спектроскопия (ОЭС), в которой оже-электроны возбуждаются сфокусированным электроннымпучком (глава 3). В этом методе анализируется спектр ожеэлектронов, которые образуются в приповерхностном слое в результате процесса релаксации начального состояния остовной оболочки атомов, ионизованных первичным электронным пучком. Втретьей главе дается описание физических основ оже-электроннойспектроскопии, обсуждаются явления, определяющие форму и тонкую структуру спектров, интенсивность спектральных линий ивозможность количественного анализа, а также дается описаниеоже-электронного спектрометра. Как пример применения ОЭСприведена зависимость соотношения интенсивностей ожеэлектронных линий L3VV и L2VV меди от размера нанокластера меди в области размеров, при которых теряются металлические свойства меди.Отличительной особенностью метода спектроскопии рассеяниямедленных ионов (СРМИ) является его высокая чувствительность катомному слою на поверхности образца (глава 4).
В этом методеисследуется энергетический спектр рассеянных поверхностью ионов малой массы (He+, Ne+) и сравнительно низкой энергии( E = 0.1 ÷ 1.0 кэВ). Энергия попадающих в анализатор ионов зависит от соотношения масс падающего иона и атома поверхности, атакже от атомов, окружающих рассеивающий атом. Это позволяетопределять элементный состав поверхности и, в некоторых случаях, получать информацию о химическом состоянии атомов на поверхности.
Возможность аналитического применения метода дляанализа поверхности связана с эффектом затенения и эффектомнейтрализации падающих ионов, в результате которого до 99% иболее падающих ионов после взаимодействия с поверхностью оказываются в состоянии нейтрального атома и не регистрируются9энергоанализатором. Как примеры применения метода СРМИ обсуждается его использование для определения механизма ростатонких пленок, а также исследования эволюции электронныхсвойств наноразмерного слоя оксида гафния на кремнии при отжиге в вакууме. Приведены также результаты исследования с помощью СРМИ начальной стадии окисления металла на примере никеля, в результате которого установлен эффект «проваливания» адсорбированных атомов кислорода под поверхностный атомныйслой никеля, а также исследование возбуждения электрондырочных пар в процессе рассеяния ионов He+ на поверхности нанокластеров золота.Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) объединяет однимназванием группу методов, включая сканирующую туннельнуюмикроскопию (СТМ), сканирующую туннельную спектроскопию(СТС), атомно-силовую микроскопию (АСМ), электронно-силовуюмикроскопию (ЭСМ), магнитно-силовую микроскопию (МСМ) и ихразновидности (см.
главу 5). В этой главе обсуждаются физическиеосновы СЗМ, в частности, эффект туннелирования электрона между острием иглы зонда и поверхностью образца, зависимости туннельного тока от расстояния между острием и поверхностью, отвеличины и знака потенциала на зонде, локальной плотности электронных состояний для зонда и образца, геометрии острия. Изображение поверхности в методе СЗМ получают при сканированииповерхности образца, используя пьезоэлектрический привод перемещения иглы (или образца), поддерживая при этом с помощьюсистемы обратной связи туннельный ток между иглой и образцом,либо поддерживая постоянным расстояние до поверхности образца.Благодаря экспоненциальной зависимости тока от расстояния методСЗМ широко используется для наблюдения с атомным разрешением наноструктур и дефектов на поверхности.
Работа микроскопа врежиме сканирования напряжения на зонде позволяет исследоватьлокальную электронную структуру наночастиц и поверхности. Вэтой же главе описаны физические основы и аппаратурная реализация АСМ и МСМ.Как примеры приложения методов СЗМ описаны ставшие классическими результаты исследования реконструкции поверхностикремния Si(111), дефектов чистой поверхности Si(100) и поверхности Si(111), покрытой монослоем атомов алюминия, а также исследование нанокластеров золота на поверхности графита и оксида ти-10тана и нанокластеров германия на поверхности Si(100), исследование локальной плотности состояний вблизи дефектов на поверхности графита (0001).
С помощью СТМ можно также исследовать явления упорядочения нанокластеров и определять фрактальную размерность кластеров. С его помощью наблюдались локализованныеэлектронные состояния шероховатых нанокластеров, эффекты делокализации и межэлектронной корреляции в линейных цепочкахатомов золота, переход металл-неметалл при уменьшении размерананокластера. Наблюдалась кулоновская блокада при пропусканиитуннельного тока через нанокластер, изолированный от проводящей подложки туннельно прозрачным слоем диэлектрика.
Объемкниги ограничивает описание известных, интересных с точки зрения авторов, результатов, полученных с помощью СЗМ.Другим методом, позволяющим определить геометрию расположения атомов в поверхностном слое, является метод дифракциимедленных электронов (ДМЭ). Этот метод описан в главе 6. В этойглаве обсуждается кристаллография поверхности, дифракция электронов на кристаллической решетке, структурные эффекты в ДМЭ,а также аппаратура, необходимая для наблюдения дифракции электронов.Собранный в книге материал не исчерпывает все проблемы физических методов, представляющих интерес для исследователейнаноструктур и поверхности. В книге не содержится описание просвечивающей электронной микроскопии, растровой электронноймикроскопии, EXAFS и XANES .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
