Физические основы методов исследования наноструктур (1027625), страница 3
Текст из файла (страница 3)
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 .
Авторы планируют посвятитьэтим методам отдельную книгу. Подчеркнем, что каждый из описываемых в книге методов не дает исчерпывающей информации онанообъектах или поверхности, и лишь использование комбинацииметодов может служить основой для экспериментаторов и разработчиков нанотехнологий для проведения работ в контролируемыхусловиях с контролируемым образцом.Существуют и принципиальные трудности работы с нанообъектами. Сегодня, например, нет надежного метода контроля атомногосостава с разрешением по плоскости лучше 10 нм.
С другой стороны, наночастицы и наноструктурированные тела в силу содержаниямалого количества частиц являются объектами, для которых открытвопрос об их статистических свойствах, в частности, о самоусреднении. Более того, наночастицы, получаются, как правило, в сильнонеравновесных условиях, что приводит к флуктуации их геомет-11рии, структуры, количества дефектов, атомного и химического состояния и электронных свойств.
В связи с этим можно отметить,что вопрос о наборе методик для метрологического обеспечениянанотехнологий является открытым и должен решаться отдельно вкаждом конкретном случае.При написании книги авторы полагали, что читатель знаком скурсами общей физики, квантовой механики, статистической физики, теории поля, электродинамики, физической кинетики, физикитвердого тела, введение в технику физического эксперимента, обязательных для изучения студентов и аспирантов, обучающихся поспециальностям «Физика кинетических явлений», «Физика конденсированного состояния» и «Физика плазмы». Осознавая, что у некоторых читателей могут возникнуть трудности с пониманием физико-математических моделей, использованных при описании экспериментальных методов, в книге приведены также и простые объяснения сложных физических явлений. Авторы отдают себе отчет,что книга далеко не охватывает всех направлений применения изложенных в ней методов исследования.
Набор приведенных примеров отражает лишь научные интересы авторов и, несомненно, ограничен.Настоящее пособие подготовлено на основе материалов лекцийпо курсам «Физические методы исследования поверхности твердого тела», «Физические основы исследования наноструктур и поверхности твердого тела», читаемых профессором Трояном В.И. идоцентом Пушкиным М.А. на кафедре молекулярной физикиМИФИ, а также по материалам работ, опубликованных в зарубежной и отечественной литературе и трудах научных конференций.Исходным материалом для написания книги послужили конспекты лекций профессора В.И.
Трояна, расширенные и значительно дополненные доцентом М.А. Пушкиным, который и подготовилначальный вариант текста с описанием физических основ всех описанных в книге методов исследования наноструктур и поверхноститвердого тела. Этот вариант был переработан ими при участии В.Д.Бормана и В.Н. Тронина. По материалам опубликованных работвсеми автрами были добавлены параграфы 2.8, 3.11, 4.8, 5.5, 6.5, вкоторых приведены примеры применения описанных в книге методов.
Предисловие к книге написано В.Д. Борманом.12Коллектив авторов благодарен А.П. Менушенкову за обсуждение содержания книги и критические замечания. Авторы благодарны также П.В. Борисюку за помощь при подготовке рукописи.13Глава 1. Введение1.1. Классификация методов исследованиянаноструктур и поверхности твердого телаФизические методы, наиболее часто используемые в настоящеевремя для исследования наноструктур и поверхности твердого тела, представлены в табл.
1.1. В основу данной таблицы положенагруппировка методов по способу внешнего воздействия на исследуемый объект и по типу регистрируемого ответного сигнала. Внизу таблицы дана расшифровка сокращенных названий перечисленных в ней методов.В качестве внешнего воздействия на исследуемый объект можетиспользоваться электромагнитное излучение с энергией hv, пучкиускоренных до определенной энергии электронов, ионов или нейтральных атомов, температура, электрические и магнитные поля.Сигнал, регистрируемый прибором и несущий информацию о свойствах исследуемого объекта, определяется характером его взаимодействия с выбранным воздействием и лежащими в его основе физическими явлениями.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
