Борман В.Д. - Физические основы методов исследования наноструктур и поверхности твёрдого тела (1027497), страница 39
Текст из файла (страница 39)
Тогда приΔX < a общая дифракционная картина будет определяться некогерентным сложением дифракционных картин от отдельных доменов/кластеров, и для поликристаллического образца или наборакластеров с различной кристаллической ориентацией точечныерефлексы от отдельных доменов/кластеров будут «размазаны» собразованием дифракционных колец. Если же кластеры на поверхности имеют одинаковую кристаллическую ориентацию, то ди-248фракционная картина от них не будет отличаться от дифракции насплошной монокристаллической пленки. В случае ΔX > a когерентность лучей, дифрагировавших на доменах/кластерах с различной кристаллической ориентацией, приведет к их интерференции и,таким образом, значительно усложнит общую дифракционную картину.6.4.2. Учет тепловых колебаний атомов решеткиЗависимость интенсивности дифрагировавшего электронногопучка от амплитуды отклонения атомов определяется соотношением:I = I 0 exp( − M ) ,1M = u 2 (Δk )23G G( Δk = k ′ − k = g hk ).где–факторДебая–ВаллераЗдесьu2 =3= 2T[φ (Θ D / T ) + Θ D / 4T ] ,M 0 kΘ 2D(6.20)где M0 – масса атома, Т – температура, k – постоянная Больцмана,Θ D – дебаевская температура, определяемая соотношением=ω = kΘ D ( ω – наибольшая возможная частота фонона в твердомтеле), а φ ( x ) =x1 ydy– функция Дебая.
Теоретическая зависиx ∫0 e y − 1мость среднеквадратичной амплитуды тепловых колебаний атомовкристаллической решетки < u 2 > от температуры Т (сплошнаякривая) представлена на рис 6.17.249Рис.6.17. Теоретическая зависимость среднеквадратичной амплитуды тепловыхколебаний атомов кристаллической решетки< u2 >от температуры Т (сплош-ная кривая) и ее асимптотический вид при температурах T >> Θ D (пунктирнаякривая). При нулевой температуре существуют так называемые «нулевые колебания», среднеквадратичная амплитуда которых составляет 3=2/ 4M k Θ DТаким образом, с увеличением температуры и амплитуды колебания атомов поверхности интенсивность дифракционного пятнабудет экспоненциально уменьшаться.6.5. Использование метода ДМЭ в исследованиинаноструктур и поверхности твердого тела1. Исследование адсорбции In на поверхности Si(111)Структура поверхностной решетки, образуемой адсорбированными атомами на поверхности подложки, отображается в виде дополнительных рефлексов в дифракционной картине.
В ряде случаевсимметрия подложки допускает существование нескольких доменов с различной структурой.250Рис. 6.18. Схематическое изображение дифракционных рефлексов и экспериментальные дифракционные картины, полученные при исследовании адсорбции атомов In на поверхности Si(111). В процессе осаждения образующаяся при комнат-ной температуре исходная структура Si (111) 3 × 3 − R 30° − In (а) переходит вструктуру 2×2 (в). На промежуточной стадии осаждения (б) домены обеих структур сосуществуют [5]Так, при адсорбции In на поверхности Si(111) при комнатнойтемпературе атомы In образуют поверхностную структуру3 × 3 , которая при увеличении степени покрытия переходит вструктуру 2 × 2 .
На промежуточной стадии осаждения обе структуры сосуществуют, что проявляется в дифракционной картине(рис. 6.18) [5].2. Исследование ансамбля нанокластеров на поверхностиМетод ДМЭ может использоваться для исследования ансамблянанокластеров на поверхности подложки. В этом случае анализируют не всю дифракционную картину, а распределение интенсивности электронного сигнала внутри одного точечного рефлекса.Профиль рефлекса ДМЭ несет информацию о таких статистическихпараметрах ансамбля нанокластеров, как распределение кластеровпо размерам и расстояниям, из которых можно найти значениясреднего размера кластеров и среднего расстояния между ними.Схематически процедура анализа профиля рефлекса ДМЭ показанана рис.
6.19.251Рис. 6.19. Схематическаядиаграмма,иллюстрирующая применение метода анализа профилярефлекса ДМЭ для системы кластеров В на подложке А (см. пояснение втексте) 81)Картину распределения интенсивности в дифракционном рефGлексе в пространстве волновых векторов k можно трактовать какфурье-преобразование изображения поверхности в реальном пространстве.
В случае изотропного распределения интенсивности ономожет быть сведено к одномерной зависимости I (k ) , которая соответствует фурье-преобразованию системы одномерных кластеров. В этом случае, зная степень покрытия поверхности островкамии функциональный вид распределения в определенном приближении можно рассчитать зависимость I (k ) . Аппроксимация экспериментальных данных расчетной зависимостью позволяет определитьтакие параметры распределения, как средний размер кластеров исреднее расстояния между ними, а также сделать вывод о степенипространственного упорядочения в ансамбле нанокластеров.На рис.
6.20 представлены трехмерные профили интенсивностирефлексов ДМЭ и СТМ-изображения поверхности Al2O3 с нанокластерами родия, сформированными при температурах 90 К и 300 К.Анизотропное пространственное распределение нанокластеров Rh,декорирующих линейные дефекты поверхности при Т=300 К, отражается в виде широкого профиля интенсивности сигнала ДМЭ, в то81)M.Baumer, H.-J. Freund // Progress Surf. Sci. 61 (1999) p.127.252Рис. 6.20. Профили интенсивности точечного рефлекса ДМЭ(слева) и СТМ-изображения(справа) ансамбля нанокластеров Rh, сформированных наповерхностиAl2O3/NiAl(110)при T=90 K (a, b) и Т=300 К (c,d, вставка просканирована случшим разрешением).
Энергияэлектронов 30 эВ, размер СТМизображений 80×80 нм 82)время как в случае конденсации при низких температурах (Т=90 К)распределение кластеров по расстояниям оказывается более однородным.Рис. 6.21. Распределение интенсивности сигнала рефлекса (00) дифракционнойкартины ансамбля нанокласеров Pd на поверхности Al2O3/NiAl(110), сформированного осаждением палладия с номинальной толщиной 0.2 нм при T = 90 K , приразличных энергиях электронов (а); зависимость среднего размера наноклаастеровPd от номинальной толщины осажденного металла, полученная из анализа профиля рефлекса ДМЭ (б) 82)82)C.T. Campbell // Surf. Sci. Rep.
27 (1997) p.1.253На рис.6.21 приведены профили рефлекса ДМЭ для системы нанокластеровпалладия,сформированныхнаповерхностиAl2O3/NiAl(110), а также полученная из их анализа зависимостьсреднего размера нанокластеров от количества осажденного палладия, выраженного в единицах номинальной толщины. Таким образом, метод ДМЭ позволяет исследовать процессы роста нанокластеров на поверхности подложки.6.6.
Контрольные вопросы к главе 61. Назовите существующие типы поверхностных решеток Браве.2. Почему поверхностная решетка может отличаться от объемной решетки кристалла и какие обозначения используют для поверхностной решетки?3. Что такое угол Брегга?4. В чем состоит описание Лауэ дифракции на кристалличексойрешетке?5. Что такое сфера Эвальда и для чего она используется?6. Чем отличается построение сферы Эвальда для дифракции натрехмерной и двумерной кристаллических решетках?7.
Можно ли наблюдать дифракционную картину при отражении электронов с энергией 200 кэВ от поверхности кристалла?8. Какие явления приводят к размытию рефлексов дифракционной картины при дифракции электронов на кристаллической решетке поверхности?254ЗАДАЧИ1. Определить давление остаточных газов в вакуумной камереэлектронного спектрометра, необходимое для того, чтобы в ходеэксперимента поверхность исследуемого образца оставалась атомно-чистой.2. Определить энергию плазмонных колебаний, возбуждающихся в объемных и поверхностных слоях магния, поверхность которого окислена (диэлектрическая проницаемость оксида магния9.65).3. Найти выражение для энергии иона массой m, претерпевшегодвукратное упругое рассеяние на атомах поверхности с массой M.Начальная энергия иона Е0, угол рассеяния θ.4. Определить энергию кванта рентгеновского излучения hν,необходимую для фотоионизации уровня 2p3/2 металлической меди.5.
Показать, что свободный электрон не может поглотить фотон(нет фотоэффекта на свободных электронах).6. При малых напряжениях и температуре туннельный токI ∝ exp(− 2κd ) . Считая потенциальный барьер между СТМзондом и образцом Δϕ = 4 эВ и точность задания туннельного токаΔI / I = 2 % , определить чувствительность Δd СТМ к расстояниюдо образца d.7. Определить долю туннельного тока I a / I max на расстоянииодного атома a от центра полусферического платинового СТМзонда с радиусом закругления острия R ≈ 100 Å от максимальноготуннельного тока в центре острия Imax при СТМ–поверхности высоколегированного кремния n-типа (работа выхода ϕ = 5 эВ). Приложенное к зонду напряжение V = −1 В.8.
Определить частоту плазмонных колебаний в объеме алюминия зная, что радиус сферы содержащей один валентный электрон,равен rs = 2a B ( a B = 0.529 Å– первый боровский радиус атомаводорода).255Список рекомендуемой литературы1. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры нанотехнологии.– М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007.2. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров,наноструктур и наноматериалов. – М.: КомКнига, 2006.3. Трапезников В.А., Шабанова И.Н. Рентгеноэлектронная спектроскопия сверхтонких поверхностных слоев конденсированныхсистем. – М.: Наука, 1988.4.
Праттон М. Введение в физику поверхности. – Ижевск: НИЦ«Регулярная и хаотическая динамика», 2000.5. Оура К., Лифшиц В.Г., Саранин А.А., Зотов А.В., Катаяма М.Введение в физику поверхности. – М.: Наука, 2006.6. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии.– М.: Техносфера, 2004.7. Методы анализа поверхности / Под ред. Зандерны А. – М.:Мир, 1979.8. Вудраф Д., Делчар Т. Современные методы исследования поверхности.
- М.: Мир, 1989.9. Электронная и ионная спектроскопия твердых тел / Под ред.Л. Фирмэнса, Дж. Вэнника, В. Декейсера. – М.: Мир, 1981.10. Черепин В.Т., Васильев М.А. Методы и приборы для анализаповерхности материалов. – Киев: Наукова думка, 1982.11. Синдо Д., Оикава Т. Аналитическая просвечивающая электронная микроскопия. – М.: Техносфера, 2006.12. Гоулдстейн Дж., Ньюбери Д., Эчлин П., Джой Д., Фиори Ч.,Лифшин Э. Растровая электронная микроскопия и рентгеновскиймикроанализ. – М.: Мир, 1984.13. Нефедов В.И.
Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопияхимических соединений. – М.: Химия, 1984.14. Немошкаленко В.В., Алешин В.Г. Электронная спектроскопия кристаллов. – Киев: Наукова думка, 1976.25615. Бриггс Д., Сих М.П. Анализ поверхности методами ожеэлектронной и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. –М.: Мир, 1987.16. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
