Физические основы методов исследования наноструктур (1027625), страница 36
Текст из файла (страница 36)
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. 5.25.
Распределения по размерам dнанокластеров Au, сформированных импульсным лазерным осаждением на поверхности ВОПГ(0001). Средний размеркластеров < d >≈ 2.3 нм 69)Для исследования электронной структуры нанокластеров металлов на поверхности подложки широко используется метод СТС.Данным методом наблюдались локализованные электронные состояния в шероховатых нанокластерах Au, сформированных методом импульсного лазерного осаждения на поверхности68)В.Д. Борман, А.В.
Зенкевич, С.Ч. Лай, В.Н. Неволин, М.А. Пушкин, В.Н. Тронин, В.И. Троян, J. Chevallier // Письма в ЖЭТФ 72 (2000) с.216.69)В.Д. Борман, А.В. Зенкевич, В.Н. Неволин, М.А. Пушкин, В.Н. Тронин, В.И.Троян // ЖЭТФ 130 (2006) с.984.220ВОПГ(0001) 70). На рис.5.26 приведено СТМ-изображение и профиль высоты сформированного импульсным лазерным осаждениемнанокластера Au размером ~3 нм на поверхности ВОПГ(0001).Видно, что периметр и профиль нанокластера не являются гладкими. Дифференциальные туннельные вольт-амперные характеристики, измеренные в разных точках неоднородного по высоте нанокластера Au с латеральным размером ~3 нм и различной локальнойвысотой (0.3 нм (кривая 1) и 0.9 нм (кривая 2), а также на кластереAu с размером ~1 нм (кривая 3) представлены на рис.5.26 в.Рис.5.26. СТМ-изображение (7×7 нм) шероховатых нанокластеров Au на поверхности ВОПГ (а), профиль высоты неоднородного нанокластера, показанного вправой верхней части СТМ изображения (б) и дифференциальные туннельныевольт-амперные характеристики, измеренные в разных точках неоднородного повысоте нанокластера Au с латеральным размером ~3 нм и локальной высотойh=0.3 нм (кривая 1) и h=0.9 нм (кривая 2, см.
области на рис. а), а также для кластера Au с размерами d~1 нм, h~0.3 нм (кривая 3) (в) 71)Наблюдаемый максимум ВАХ вблизи V=0 можно интерпретировать как свидетельство существования локализованных электронных состояний в кластере с нерегулярной (шероховатой) структурой. Локализация электронов происходит вследствие рассеянияэлектронов проводимости на случайных неоднородностях шероховатой поверхности нанокластера 71).
В рамках механизма локализации электронов в неупорядоченных системах можно также объяснить наблюдаемое экспериментально уменьшение дифференциаль70)В.Д. Борман, П.В. Борисюк, О.С. Васильев. М.А. Пушкин, В.Н. Тронин, И.В.Тронин, В.И.
Троян, Н.В. Скородумова, B. Johansson // Письма в ЖЭТФ т.86 (2007)с.450.221ной туннельной проводимости нанокластеров золота при уменьшении их объема (рис.5.27) 71).Метод СТМ/СТС также используется для построения и исследования свойств атомных цепочек на поверхностях металлов исплавов, в частности, для исследования электронных состояний вцепочках Au на поверхности NiAl(110) в зависимости от длины цепочки 71).Рис.5.27. Зависимость дифференциальной туннельной проводимости нанокластеров Au, нормированной на отношение тока и напряжения обратной связи( I 0 = 1 нА , V0 = 0.1 В ), от объема кластера v (сплошная линия соответствует рас-четной зависимости, построенной в рамках модели локализации электронов в неупорядоченных системах). Заштрихованная область отвечает наличию локализованных электронных состояний на энергии Ферми, возникающих при достиженииобъема кластеров v c ~ 0.5 нм3 71)На рис.5.28 B,C,D,E,F показано СТМ-изображение участка поверхности NiAl (9.5×9.5 нм) с цепочками Au различной длины иизмеренные их дифференциальные туннельные ВАХ.
Из рисункавидно, что количество хорошо разрешаемых минимумов на дифференциальных туннельных ВАХ при различных длинах цепочкисоответствует числу атомов в цепочке. Видно, что атомная структура определяет ВАХ при небольшом количестве атомов n в цепочке (n<5). При n>5 минимумы, отвечающие отдельным атомам, перестают разрешаться, что может свидетельствовать о преобладающим влиянии на ВАХ коллективизированных электронов. Проведенный авторами анализ показал, что спектр электронов в цепочке71)N.Nilus,M.T.Wallis,W.Ho // Science 297 (2002) p.1853.222в этом случае описывается параболической зависимостью, характерной для свободного электронного газа, но с массой, равной половине массы электрона, что, по-видимому, связано с сильнымимежэлектронными корреляциями в цепочках.Рис.5.28. Смоделированная структура (А) и СТМ-изображение (9.5×9.5 нм) поверхности NiAl(110) с золотыми цепочками, содержащими разное число атомов(B, C, D, E, F) и их дифференциальные туннельные вольт-амперные характеристики 72)Еще одним примером использования метода СТС для исследования эволюции электронных состояний нанообъектов является наблюдение перехода металл-неметалл в нанокластерах металлов наповерхности полупроводников при уменьшении размера кластеров.Работы в этой области проводились группой Гудмана (D.W.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
