Физические основы методов исследования наноструктур (1027625), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Введение ........................................................................................2306.2. Кристаллография поверхности ....................................................2306.2.1. Трехмерные кристаллические решетки ..................................... 2306.2.2. Двумерные кристаллические решетки....................................... 2336.2.3.
Индексы Миллера для атомных плоскостей ............................. 2356.3. Дифракция на кристаллической решетке ...................................2386.3.1. Дифракция на трехмерной решетке ........................................... 2386.3.2. Дифракция на двумерной решетке............................................. 2416.4. Аппаратура, геометрия и структурные эффекты в ДМЭ...........2446.4.1. Влияние дефектов, доменной структуры и кластеров наповерхности ........................................................................................... 2476.4.2.
Учет тепловых колебаний атомов решетки............................... 2496.5. Использование метода ДМЭ в исследовании наноструктур иповерхности твердого тела..................................................................2506.6. Контрольные вопросы к главе 6 ..................................................254Задачи .............................................................................................................255Список рекомендуемой литературы ............................................................2565ПредисловиеНастоящая книга посвящена изложению физических основ экспериментальных методов, используемых при создании объектовнанометрового размера, наноструктурированных веществ и приизучении их свойств.
Интерес к этим методам связан с тем, что современное развитие техники во многом определяется возможностями нанотехнологий. Под нанотехнологиями понимают методыформирования и использование новых необычных свойств объектов нанометрового размера и веществ, структурированных в нанометровом масштабе (1 нм=10-9 м). Нижняя граница размеров (хотябы в одном измерении) нанообъектов определяется размерами атома, а верхняя граница – размерами <100 нм, при которых свойствананообъектов не совпадают со свойствами массивных тел.В последние два десятилетия в русскоязычной литературе былиопубликованы книги [1-6] по физике поверхности и наноструктур, вкоторых излагаются основы методов исследования наноструктур иповерхности твердых тел, однако в них не содержится систематического изложения этих методов.
Настоящая книга может восполнить этот пробел. 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.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
