Борман В.Д. - Физические основы методов исследования наноструктур и поверхности твёрдого тела (1027497), страница 34
Текст из файла (страница 34)
Chem. 40 (1989) p.531.214вольт-амперные характеристики имеют характерный для полупроводника вид с областью нулевого тока вблизи V=0, отвечающей запрещенной зоне, и резким возрастанием туннельного тока вне данной области. По мере приближения к дефекту вольт-амперные кривые (б, г) сглаживаются, а непосредственно в области точечногодефекта (кривая в) наблюдается экспоненциальный рост туннельного тока выше и ниже нулевого напряжения, отвечающего положению уровня Ферми. Это свидетельствует о высокой плотностиэлектронных состояний в области данного точечного дефекта 61).ТопографическоеРис.5.20.СТМ-изображение поверхности Si(001) с точечными дефектами (а) и туннельныевольт-амперные характеристики, показывающие различиялокальной электронной структуры поверхности (поверхностные состояния в запрещенной зоне) в точках на различном расстоянии от точечногодефекта (б-е) 61)Для исследования локализованных электронных состояний методом СТС обычно используют дифференциальные туннельныевольт-амперные характеристики, качественно отражающие структуру плотности электронных состояний исследуемого объекта.
Локализованные энергетические уровни проявляются в дифференциальных туннельных спектрах в виде отдельных дискретных пиков.Так, методом СТС наблюдались локализованные электронные состояния на поверхностных дефектах графита, сформированныхтравлением поверхности ионами водорода 61).61)Z.
Klusek et al. // Appl. Surf. Sci. 161 (2000) p.508.215Рис. 5.21. СТМ-изображение участка поверхности графита (0001) размером280×280 нм с поверхностными дефектами в виде круглых ямок, образовавшимисяпосле травления ионами водорода (а); схематическое изображение структуры дефекта на поверхности графита (б) 62); расчетные плотности электронных состоянийатомно-гладкой (вверху 62) и ступенчатой (внизу 63) поверхности графита с локализованным состоянием на уровне Ферми (в); экспериментальные дифференциальные туннельные вольт-амперные характеристики поверхности графита скруговыми дефектами, измеренные на различном расстоянии от края дефекта: 2 нм(кривая 1), 1.5 нм (кривая 2), 1.0 нм (кривая 3), 0.5 нм (кривая 4) и непосредственно на краю дефекта (кривая 5) (г).
Максимум вблизи энергии 0.2 эВ выше уровняФерми можно объяснить локализованными состояниями на краю дефекта на поверхности графита 62)На рис.5.21 схематически показана структура дефекта и СТМизображение дефекта поверхности графита, а также полученныеэкспериментально дифференциальные туннельные вольт-амперныехарактеристики, измеренные на различных расстояниях от края дефекта. Видно, что по мере приближения зонда микроскопа к краюдефекта (кривые 1-5 на рис.5.21, г) в дифференциальных ВАХ принапряжении ~0.2 В возникает пик, который можно интерпретировать как появление локализованных на краю дефекта электронныхсостояний с энергией 0.2 эВ выше уровня Ферми графита.
Этот вы62)J.H. Wu, F. Hagelberg, K. Sattler // Phys.Rev.B 72 (2005) 085441216вод качественно подтверждается теоретическими расчетами плотности электронных состояний ступенчатой дефектной поверхностиграфита, которые свидетельствуют о появлении локализованныхэлектронных состояний вблизи энергии Ферми (см. рис.5.21, в) 63).Кодним из наиболее интересных наноразмерных объектов, широкоисследуемых в последние годы, относятся нанокластеры металловна поверхности подложки. Внимание к таким объектам обусловлено их уникальными свойствами, отличающими нанокластеры как отмакроскопического металла, так и от отдельных атомов. МетодСТМ/СТС позволяет проводить исследование атомной структуры иморфологии отдельных нанокластеров, характеризовать структуруансамбля нанокластеров (распределение кластеров по размерам ирасстояниям), исследовать электронные характеристики нанокластеров и их эволюцию с изменением размера кластеров, включаяпереход кластеров металла в неметаллическое состояние.Рис.5.22.
Топографические СТМ-изображения (7×7 нм) с атомным разрешениемнанокластера Au, сформированного на поверхности графита ВОПГ(0001) методомимпульсного лазерного осаждения (а) 65) и нанокластеров Pd, термически осажденных на поверхность диоксида титана TiO2(110) (б) 66)На рис. 5.22, а показано полученное с атомным разрешениемСТМ-изображение нанокластера Au, сформированного на поверхности высокоориентированного пиролитического графита методомимпульсного лазерного осаждения 64). Видна гексагональная кристаллическая решетка поверхности ВОПГ (0001) с расстоянием63)K. Kobayashi // Phys. Rev.
B 48 (1993) p.1757.В.Д. Борман, А.В. Зенкевич, В.Н. Неволин, М.А. Пушкин, В.Н. Тронин, В.И.Троян // ЖЭТФ 130 (2006) с.984.64)217между атомами углерода 2.45 Ǻ и одиночный нанокластер Au размером ~1.5 нм с нерегулярной границей, характерной для кластеров, сформированных в условиях сверхбыстрого осаждения65). Нарис.5.22, б приведено СТМ-изображение поверхности TiO2(110) снанокластерами Pd, полученными термическим осаждением 65).Диагональные дорожки вдоль направления [001] с расстояниеммежду ними 6.49 Ǻ представляют собой атомы кислорода поверхности TiO2(110).
Нанокластеры Pd состоят из двух и четырех атомов Pd, выстроенных вдоль направления [001]. Количество осажденного палладия составляет 0.02 монослоя.На рис.5.23 показано СТМ-изображение и трехмерный вид нанокластера Ge, выращенного на поверхности Si(100) при температуре Т=775 К. При высоте кластера 2.8 нм он представляет собойпирамиду, на гранях которой хорошо заметна кристаллическаяструктура кластера 66).Рис.5.23. Топографическое СТМ-изображение нанокластера Ge на поверхностиSi(100) (а) и построенное на его основе трехмерное изображение кластера (б). Размер изображения 40×40 нм, высота кластера 2.8 нм.
На виде сверху (а) различимакристаллическая структура граней нанокластера и ряды димеров планарного слояGe вокруг нанокластера 67).Метод СТМ позволяет также исследовать структуру целого ансамбля нанокластеров на поверхности подложки. Так, в работах65,67)было показано, что граница шероховатых нанокластеров, сформированных методом импульсного лазерного осаждения в сильнонеравновесных условиях (см. рис.5.22, а), может быть описана в65)C.Xu, X.Lai, G.W.Zajac, D.W.Goodman // Phys.Rev.B 56 (1997) р.13464.M.Zinke-Allmang // Thin Solid Films 346 (1999) p.1-68.67)В.Д. Борман, А.В.
Зенкевич, М.А. Пушкин, В.Н. Тронин, В.И. Троян // Письма вЖЭТФ 73 (2001) с.684.66)218терминах фрактальной геометрии. Зависимость площади S основания нанокластеров Au на поверхности ВОПГ(0001) от их периметраp, построенная в двойном логарифмическом масштабе (см.рис.5.24) позволяет определить фрактальную размерность периметра нанокластеров D f ≈ 1.26 из соотношения S ~ p2 / D f 65)для кла-стеров среднего размера 1.9 нм.Рис.
5.24. Экспериментальная зависимость площади S нанокластеров Au, сформированных импульсным лазерным осаждением на поверхности ВОПГ(0001), от периметра их основания p в двойном логарифмическом масштабе для ансамбля кластеров со средним размером 1.9 нм. Наклон кривой дает значение фрактальнойразмерности границы нанокластеров D f ≈ 1.26 65)Отметим, что с увеличением размера кластеров до 5 нм фрактальная размерность их границы уменьшается до единицы, т.е. кластеры становятся более гладкими, что качественно отличает их отфрактальных кластеров, образующихся в условиях ограниченнойдиффузией агрегации. Физический механизм формирования ансамбля нанокластеров в сильнонеравновесных условиях импульсного лазерного осаждения был предложен в работе 65). При импульсном лазерном осаждении достигаемые плотности адатомовблизки к перколяционному порогу, система находится в областитермодинамически неустойчивых состояний и в пространственнонеоднородном адсорбате формируются области многочастичныхкорреляций, в которых частицы не находятся в минимуме энергиивзаимодействия.
Кластеры на поверхности образуются в результатедискретных прыжков атомов в многочастичной корреляции к аттрактору динамической системы, описывающей движение атома всамосогласованном поле всех остальных атомов многчастичнойкорреляции. Предложенный механизм позволил вычислить фрак-219тальную размерность кластеров, формирующихся на поверхностяхс различной симметрией, ее зависимость от размера кластеров, атакже функции распределения кластеров по размерам.Анализ СТМ-изображений ансамбля нанокластеров на поверхности подложки позволяет получать функции распределения кластеров по размерам и расстояниям до ближайших соседей.
В качестве примера на рис.5.25 показано распределение по размерам нанокластеров Au на поверхности ВОПГ, полученных импульснымлазерным осаждением за N=1 импульс осаждения при количествеосажденного вещества 1.1×1014 см-2. Из анализа распределений нанокластеров были получены значения среднего размера кластеров исреднего расстояния между кластерами, их зависимости от количества осажденного вещества, а также установлено возникновениесамоупорядочения в системе нанокластеров, сформированных наповерхности при большом числе импульсов осаждения 65, 68).Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
