Борман В.Д. - Физические основы методов исследования наноструктур и поверхности твердого тела (1040989), страница 2
Текст из файла (страница 2)
гуры и гсомстрии, атомного и химичсского состава, необходимых при разработке методов создания объектов, содержащих малое количества атомов. Многие из этих мстодов разрабатывались с середины прошлого века для исследований в области физики поверхности. 11ереход к широким исследованиям нанообъектов стал возможен послс появлсния в 1981 году первого сканирующсго туннельного микроскопа 1Г. Рорер, Э. Руска и Г. Бинниг, Нобелевская прсмия 1986 г.) и послсдующего ссрийного изготовления таких приборов. Эти приборы позволяют исследовать нанаобъскзы с разрсшснием по плоскости поверхности -0.1 нм и в перпендикулярном к плоскости направлснии -0.01 нм. Книга состоит из введения и пяти основных глав„каждая из которых посвящена одному мстоду исслсдования.
Это мстоды рент- гсновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС), ожеэлсктронной спектроскопии (ОЭС), спектроскопии рассеяния медленных ионов (СРМИ). сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) и дифракции медленных электронов (ДМЭ). Как правило, в исследованиях и технологических разработках используются одноврсмсшю несколько из этих методов. Дополнительно к ннм используют методы просвечива~ощей и растровой электронной микроскопии, более тонкие спектроскопические методы анализа протяженной тонкой струкзуры рензтсновского спектра поглощения (ЕХАГЯ) и околопороговой структуры рентгеновского спектра поглощения (ХАФЕЗ), а так жс масс-спсктромстричсскис методы.
Это позволяет контролировать все необходимые параметры наночастиц и наноструктур. Иапримср, использование методов РФЭС и СЗМ позволяет контролировать атомный и химический состав при исследовании геометрии нанобъскта, его структуры, дефектов, элек- ТРОННЫХ СВОЙСТВ. Во второй главе обсуждаются физические принципы рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. В этом разделе изучается распределение по кинетическим энергиям электронов. образующихся в результате фотоэффекта, вызванного облучением образца характеристическим рентгеновским излучением с энергией кванта -1 кэВ. В силу малой длины пробега фотоэлектронов (Л-1 нм для металлов и полупроводников) анализируется спектр фотоэлектронов, вышедших из приповсрхностной области образца, толщиной д- Л.
В спектре фотоэлсктронов наблюдаются линии, характерные для фотоэлектронной эмиссии из определенных квантовых состояний атомов, что позволяет проводить анализ состава как повсрююсти, так и приповсрхностного слоя. В тексте подробно анализируются возможности количественного анализа атомного состава, структура спектров, «ложные» линии, сдвиги линий атомов, находящихся в различных химических соединениях. Анализ таких линий позволяет установить химический состав образца. В тексте привсдсно также описание основных элементов рспп сновского фотоэлектронного спсктрометра. В этой книге приводятся примеры применения метода РФЭС для исследования механизма послойного роста оксида кремния на кремнии и влияния флуктуаций магнитного момента магнетика в окрестности точки Кюри на скорость окисления поверхности магнетика„а также в комбинации с методом атомно-силовой микро- скопин для исследования нанос> руктурирования поверхности кремния„индуцированного адсорбцисй кислорода, и зависимости от размера нанокластсра энергии связи и асимметрии осговных линий, связанной с рождением электрон-дырочных пар вылетающим из кластера фотоэлектроном.
Необходимо отмстить, что метод РФЭС позволяет уста>ювить атомный и химический состав образца с пространственным разрешением по поверхности обра.ща ло 100 нм. Более высокое разрешение по поверхности (до 10 нм) при анализе атомного и химического составов даст оже-электронная спектроскопия (ОЭС), в которой ожс-электроны возбуждаются сфокусированным электронным пучком (>лава 3). В эгом методе анализируется спектр ожеэлектронов, которые образуются в прнповсрх>юстпом слое в результате процесса релаксации начального состояния остовной оболочки атомов, ионизованных первичным электронным пучком. В третьей главе дастся описание физических основ ожс-электронной спектроскопии, обсуждаются явления, определяющие форму и тонкую структуру спектров, интенсивность спектральных линий и возможность количестве>шого анализа, а также дастся описание оже-электронного спсктромстра.
Как пример применения ОЭС приведена зависимость соотношения интенсивностей ожеэлсктронных линий ЕзП' и Е.1"1' меди от р»зл>сра нанокластера меди в области размеров, нри которых теряются металлические свойства мели. Отличительной особенностью метода спектроскопии рассеяния медленных ионов (СРМИ) является его высокая чувствительность к атомному слою на поверхности образца (г»ава 4).
В этом мсголс исследуется энергетический спектр рассеянных поверхностью ионов малой массы (Не, Ис ) и сравнительно низкой энергии (Е = О.1+1.0 кэВ). Энергия попадающих в анализатор ионов завис>п от сои>ношения масс падающего иона и атома поверхности, а также от атомов, окружа>ощнх рассеивающий атом. Это позволяет определять элементный состав поверхности и„ в некоторых случаях, >юлучать информацию о химическом состоянии атомов на поверхности.
Возможность аналитического применения метода для анализа поверхности связана с эффектом затенения и эффектом нейтрализации падающих ио»ов, в результате которого до 99% и более >»ц~аюпп>х ионов после взаимодействия с поверхностью оказываются в состоянии нейтрального атома и не регистрируются энергоанализатором. Как примеры применения метода СРМИ обсуждается его использование для опредслсния механизма роста тонких пленок, а также исследования эволюции электронных свойств наноразмсрного слоя оксида гафния на кремнии при отжиге в вакуумс. Приведены также рсзультаты исслсдовашгя с помощькз СРМИ начальной стадии окисления металла на примере никеля, в результате которого установлен эффект «провалнвания» адсорбированных атомов кислорода под поверхностный атомный' слой никеля, а также исследование возбуждения электрон- дыро нных пар в процессе рассеяния ионов Нс на поверхности нанокластсров золота.
Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) объединяет одним названием группу методов, включая сканирующую туннельную микроскопию (СТМ), сканирующую туннельную спектроскопию (СТС), атомно-силовую микроскопию (АСМ). электронно-силовую микроскопию (ЭСМ), магнитно-силовую микроскопию (МСМ) и их разновидности (см. главу 5). В этой главе обсуждаются физические основы СЗМ, в частности, эффект туннслирования электрона между острием иглы зонда и поверхностью образца, зависимости туннельного тока от расстояния между острием и поверхностью, от величины и знака потенциала на зонде, локальной плотности электронных состояний для зонда и образца, геометрии острия, Изображение поверхности в методе СЗМ получают при сканировании поверхности образца, иаюльзуя пьезоэлектрический привод перемещения иглы (или образца), поддерживая при этом с помощью системы обратной связи туннсльный ток между иглой и образцом, либо поддерживая посгоя~ным расстояние до поверхности образца.
Благодаря экспонснциальной зависимости тока от расстояния метод СЗМ широко используется для наблюдения с атомным разрешением наноструктур и дефектов на поверхности. Работа микроскопа в режиме сканирования напряжения на зонде позволяет исследовать локальную электронную структуру наночастиц и поверхности. В этой же главе описаны физические основы и аппаратурная реализация АСМ и МСМ. Как примеры приложения мстсдов СЗМ описаны ставшие классическими результаты исследования реконструкции поверхности кремния %(111), дефектов чистой поверхности %(100) и поверхности %(111), покрытой монослосм атолюв алюминия, а также исследование напокластсров золота на поверхности Графита н оксида ти 1О тана и нанокластсров германия на поверхности %(100), исследование локальной плотности состояний вблизи дефектов на поверхности графита !0001).
С помощью СТМ можно также исследовать явления упорядочения нанокластсров и определять фрактальную размерность кластеров. С его помогцью наблюдались локализованные )лсктронныс сОстОяния н)ср!)ХОВатых нанокл!!стсрОВ, .)(~)фскт),! Дслокализации и мсжзлектронной корреляции в линейных цепочках атомов золота, переход металл-нсмсталл при умсщ.шенин размера наиокластсра.
Набзиола)н)сь кулоновская блока;!а гчэи пропуск!Ин)и туннельного тока через нанокластср, изолированный от проводящей подложки туннельно прозрачным слоем диэлектрика. Объем кши.и 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 дифракции мсллснных электронов 1ДМЭ). Этот метод описан в главе 6. В этой главе 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 вес проблемы физических методов, представляющих интерес для исследователей наноструктур и поверхности. В книге нс содержится описание просвечивающей злектрощюй микроскопии, растровой электронной микроскопии, ЕХАГБ и ХАИЕБ . Авторы планируют посвятить этим методам отдельную книгу. Подчеркнем, что каждый из описыв!1смь)х В книге метОдоВ нс даст исчсрпываюцгсй информации О нанообъектах или поверхности„и лишь использование комбинации методов может служить Основой для .)ксперимснтаторов и разработчиков нанотсхнологий для проведения работ в контролируемых условиях с контролируемым образцом.
Сугцсствуют и принципиальныс трудности работы с нанообъсктами. Се!.одня, например, нет надежного метода контроля атомного состава с разрсшснисм по плоскости лучше 10 нм. С другой стороны, наночастицы и наноструктурнрованныс тела в силу содержания малого количества частиц являются объектами, для которых открыт гюпрос об нх статистических свойствах, в !Встности, о самоусрслнснии. Более того, наночастицы, получаются, как правило, в сильнонсрав!ювссных условиях, что приводит к флуктуации их гсомет- 11 рии, структуры, количества дефектов, атомно!.о и химического состояния и электронных свойств. В связи с этим можно отмстить, чта вопрос о наборе методик для метрологического обеспечения нанотехнолоп1й является открытым и должен решагься отдельно в каждом конкретном случае. П1эи панисгц!Ни кни!и авторы пола!али, лгго читатсль Знаком с курсами обшей физики, квантовой механики.
статистической физики, теории поля, злскградипамики, физической кинетики, физики твердого тела. введение в технику физического эксперимента. оаязатсльных для изучения студентов и аспирантов, обучающихся по спсциалыюстям «Физика кпнстичсских явлс1шй», «Физика кондснсированного 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 обьяснения сложных физических явлений.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
