Борман В.Д. - Физические основы методов исследования наноструктур и поверхности твёрдого тела (1027497), страница 36
Текст из файла (страница 36)
соответствует возможному переходу кластеров Auв неметаллическое состояние.Исследование влияния вакуумного отжига на морфологию иэлектрические свойства сверхтонких слоев HfO2 методамиАСМ и СТМОдной из особенностей группы методов СЗМ является возможность одновременного измерения нескольких характеристик поверхностного слоя образца в процессе сканирования. Так, в контактном режиме атомно-силовой микроскопии использование металлизированного зонда позволяет одновременно с морфологиейповерхности измерять туннельный ток, и, таким образом, определять сопротивление растекания. Эта методика была использована висследованиях влияния отжига тонкопленочных слоев HfO2 (толщина ~3 нм) на поверхности кремния в сверхвысоком вакууме наих морфологию и электрические свойства, проведенных в Научнообразовательном центре «Физика твердотельных наноструктур»Нижегородского государственного университета. 77)76)Y.Maeda, M.Okumura, S.Tsubota, M.
Kohyama, M. Haruta // Appl.Surf.Sci. 222(2004) p.409.77)А.В. Зенкевич, Д.А.Антонов. Частное сообщение.227абвгРис. 5.32. Топографические (а, в) и токовые (б, г) АСМ-изображения пленки HfO2толщиной 3 нм на поверхности Si для исходного образца (а, б) и образца, отожженного в вакууме при T = 500 °C в течение 5 мин (в, г). Напряжение междуобразцом и зондом V = −4 В, размер скана 300×300 нм. Отжиг приводит к появлению «токовых каналов» в пленке.
Публикуется с любезного разрешения Д.А.Антонова и А.В. Зенкевича.На рис. 5.32, а представлено АСМ изображение морфологии поверхности исходной пленки (размер скана 300×300 нм). Полученное одновременно токовое изображение того же участка поверхности (см. рис.5.32, б) свидетельствует о том, что исходная пленкаоксида гафния является туннельно непрозрачной при напряженияхмежду зондом и образцом до -6 В.
На рис.5.5.15в показаны топографическое и токовое изображения поверхности пленки после отжига образца в СВВ при T = 500 °C в течение 5 мин. Как видно,отжиг приводит к формированию каналов туннелирования в пленкев некоторых областях по поверхности образца (темные области нарис.5.32, г), расположение которых не коррелирует с морфологиейповерхности.
По-видимому, каналы туннелирования связаны с образованием локальных дефектов в пленке в процессе отжига. Отжигпри более высоких температурах приводит к дальнейшей деградации пленки HfO2.2285.6. Контрольные вопросы к главе 51. Чем определяется туннельная вероятность прохождениябарьера?2. Оцените величину туннельного тока при напряжении междузондом и образцом V = 1 В ( ρ s = 0.5 эВ-1, S = 1 ⋅ 10 −15 см2 иd = 0.4 нм).3.
Почему оптические микроскопы не способны обеспечитьатомное разрешение?4. Чем различаются токовый и топографический режимы работы СТМ?5. Каким образхом можно определить локальную работу выхода образца с помощью СТМ?6. Прокомментируйте СТМ-изображение поверхности ВОПГ(0001).7. На чем основано использованием метода СТС для исследования плотности состояний?229Глава 6. Дифракция медленных электронов6.1. ВведениеМетод дифракции медленных электронов (ДМЭ) дает информацию о структуре поверхностной кристалличексой решетки. Однаков отличие от микроскопических методов (СЗМ, РЭМ), дифракционные методы не позволяют непосредственно наблюдать атомы поверхности.
Во всех методах исследования структуры поверхности,основанных на явлении дифракции, измеряется интенсивность дифрагировавшей волны, в то время как ее фаза остается неизвестной.Для определения положения атомов в ячейке кристаллической решетки необходим расчет, основанный на определенной модели.Поскольку решение такой обратной задачи может быть не единственным, нет полной уверенности в том, что выбранная модель наилучшим образом описывает исследуемый объект.
В силу этого развитие сканирующей зондовой микроскопии отодвинуло дифракционные методы исследования поверхности на второй план.Прежде чем перейти к описанию метода ДМЭ, напомним основные положения кристаллографии поверхности, использующиеся вдифракционных методах.6.2. Кристаллография поверхности6.2.1. Трехмерные кристаллические решеткиОбъемные периодические структуры (кристаллические решеткитвердых тел) описываются в терминах элементарных ячеек (14 решеток Браве), которые определяют трансляционную симметриюкристалла.Решетка Браве – это бесконечная периодическая структура, образованная дискретными точками и имеющая одинаковый пространственный порядок и ориентацию независимо от того, какую ееточку мы приняли за исходную.
Решетка Браве образована всемиточками с радиусами-векторамиG HGGR = αa + βb + γc ,230(6.1)G GGгде a , b и с – любые векторы, не принадлежащие одной плоскости,Gа α , β и γ – целые числа. Вектор R называют вектором транс-G GGляции, а векторы a , b и с – основными векторами решетки Браве. Для примера на рис.6.1, а приведена структура объемноцентрированной кубической (о.ц.к.) решетки Браве.Примитивная (элементарная) ячейка решетки – это объемпространства, который, будучи подвергнут всем трансляциям, образующим решетку Браве, заполняет все пространство, нигде непересекаясь и не оставляя промежутков. Ее определение не является однозначным.Рис.6.1.
Структура объемно-центрированной кубичекой (о.ц.к.) решетки Браве сG GGтройкой основных векторов a , b и c (а); примитивная (темная) и условная кубическая ячейка (б), ячейка Вигнера–Зейтса (в) и первая зона Бриллюэна для о.ц.к.решетки Браве. Объем примитивной ячейки равен половине объема условной кубической ячейки. Ячейка Вигнера–Зейтса представляет собой «усеченный октаэдр», шестиугольные грани которого рассекают пополам отрезки прямых, соединяющих центральную точку с вершинами куба условной о.ц.к. ячейки. Квадратныеграни октаэдра рассекают пополам отрезки прямых, соединяющих центральнуюточку с центральными точками каждой из шести соседних кубических ячеек 78)Отметим, что элементарная ячейка содержит только одну точкурешетки Браве, поэтому объем любой элементарной ячейки независимо от ее определения равен обратной плотности точек в решеткеV0 = 1 / n .Условная элементарная ячейка – область, которая заполняетвсе пространство без перекрытия, будучи подвергнутой трансляциям, принадлежащим некоторому подмножеству всех трансляций,78) Н.
Ашкрофт, Н. Мермин, Физика твердого тела. – М.: Мир, 1979.231образующих решетку Браве. Таким образом, условная ячейка может не совпадать с элементарной и не обязательно содержит однуточку решетки. Обычно условную ячейку выбирают больше элементарной таким образом, чтобы она обладала необходимой симметрией. Так, для о.ц.к.
решетки условной ячейкой является кубическая, в то время как элементарная ячейка имеет более сложнуюструктуру (см. рис.6.1, б). В то же время для простой кубическойрешетки элементарная и условная ячейки совпадают.Величина, определяющая характерный размер условной ячейки,называется постоянной решетки. Таким образом, постоянная решетки может быть больше, чем минимальное расстояние междуатомами в кристаллической решетке.Ячейка Вигнера–Зейтса – это элементарная ячейка с центром внекоторой точке решетки и занимающая область пространства, лежащую ближе к данной точке, чем к остальным.
Для о.ц.к. решеткиБраве ячейка Вигнера–Зейтса представляет собой «усеченный октаэдр», вписанный в куб условной ячейки (см. рис.6.1, в).Для каждой решетки Браве можно построить обратную решетку, образованную множеством точек с радиусами-векторами (векторами трансляции обратной решетки) :GGGHg = ha * + kb * + lc * ,(6.2)где основные векторы обратной решетки определяются соотношениями :G(G ) GG2π G Ga* =b ×c ,VG2π G Gb* =c ×a ,V2π G GKc* =a ×bV(6.3)(6.4)(6.5)и V = a × b ⋅ c . Вектор трансляции обратной решетки имеет разGGмерность волнового вектора и описывает плоскую волну exp(igr ) ,обладающую периодичностью прямой решетки Браве.
Из условияпериодичностиGGG G Gexp(igr ) = exp(ig (r + R))GGследует, что exp(igR) = 1 и232GGgR = 2πm ,(6.6)где т – целое число. Тогда из выражений (6.1) и (6.2) получаем2π (hα + kβ + lγ ) = 2πm .Следовательно, сумма произведений hα + kβ + lγ является целымчислом. Поскольку числа α , β и γ могут быть любыми целымичислами, то и h, k и l также являются целыми числами.Элементарная ячейка Вигнера–Зейтса для обратной решетки называется первой зоной Бриллюэна. В качестве примера на рис.6.1, гпоказана первая зона Бриллюэна для о.ц.к. решетки Браве.6.2.2. Двумерные кристаллические решеткиПоверхность представляет собой разрыв трехмерной периодичности кристалла в одном из направлений. По аналогии с трехмерным случаем кристаллическую решетку поверхности характеризуют двумерным вектором трансляцииGGGR s = αa s + βbs ,(6.7)GGгде векторы a s и bs называются основными векторами поверхностной решетки.
Анализ свойств симметрии двумерных системприводит к пяти различным типам поверхностных решеток Браве:1) квадратная (с осью вращения четвертого порядка), для которой основные векторы равны по модулю ( a s = bs ), а угол междуними составляет ϕ = 90 D ;2) прямоугольная ( a s ≠ bs , ϕ = 90 D );3) прямоугольная центрированная ( a s ≠ bs , ϕ = 90 D );4) гексагональная (с осью вращения шестого порядка,a s = bs , ϕ = 60D );5) косоугольная ( a s ≠ bs , ϕ ∀ ).Изображения ячеек данных решеток приведено на рис.6.2.233Рис.6.2. Пять типов поверхностных решеток Бра-GGве. Векторы a s и b s –основные векторы решеткиБраве, ϕ – угол междуними.
Элементарные поверхностные ячейки закрашены [5]Рис.6.3. Некоторые возможные способывыбора примитивной ячейки для двумерной (поверхностной) решетки Браве 79)Рис.6.4. Ячейка Вигнера–Зейтса для двумерной(поверхностной) решетки Браве. Шесть сторонячейки рассекают пополам отрезки прямых, соединяющих центральную точку с шестью соседними (эти отрезки показаны пунктиром) 79)Аналогично случаю трехмерной кристаллической решетки, длядвумерной (поверхностной) решетки также можно ввести понятияпримитивной или элементарной ячейки, условной элементарнойячейки, ячейки Вигнера–Зейтса и зоны Бриллюэна.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
