Борман В.Д. - Физические основы методов исследования наноструктур и поверхности твердого тела (1040989), страница 27
Текст из файла (страница 27)
4.б.4. Влияние структуры поверхности па линии спектров РМИ Качество повсрхности твердого тсла оказываст влияпис на вид спсктральных линий РМИ. На поликристалличсских и аморфных образцах пики расссяния ионов обычно ширс, чем на монокристалличсских повсрхностях с малым числом дсфсктов„ поскольку в псрвом случас агомы повсрхности разупорядочсны и могут имсть различную энергию связи. что приводит к различию в кинсматикс соударспия. Фон нсуиругих потерь в спектрах РМИ также несет определенную информацию о состоянии поверхности. 4.7.
Аппаратура СРМИ Источник ионов (ионная пушка) В качестве ионов в методе СРМИ ооычно используют ионы легких благородных газов Нс и Ис . Характсрнос значсннс ионного тока в пучкс составляет ! - ! мкл при диаметрс пучка 1 —:2 мм и энсргии ионов Е = 0.2-: 2.0 кэВ. Разброс по зчюргии ионов в пучке обычно составляет 5 —:10 эВ, а его расходимость !разброс по углам) порядка одного градуса. Важным требованием к ионному пучку является огсугствис в псм ионов разного заряда и разной массы !изотопов), которыс могут привссти к уширсиию и появлению дополнитсльцых линий в спсктрс.
!72 Вакуумная система В виду своей исключгпсльной поверхностной чувствительности метод СРМИ накладывает более высокис требования к вакууму, нсжслн описанные ранее мьгодьг электронной спектроскопии. Желательный вакуум в камере анализатора СРМИ должен быть не хуже 109 Торр. Энергоанализатор ионов В качестве эггсргоанализаторов используют элсктростатическис анализаторы, например, тина сферического конденсатора, работакнцего на пропускание по отношению энергии к заряду.
В комплексной установке для исследования поверхности„ оснащенной рядом аналитических методик, может использоваться один и тот же аналггзатор как для электронной. так и для иошюй спектроскопии с возможностью смены полярности. Для моголов СРМИ также важно наличие прецизионног.о манипулятора образца, дающего возможность получать угловые зависимости интенсивности линий РМИ. Сравнение возможностей методов СРМИ и СРБИ Различие аналитических вазможностей и областей нримснсшгя методов СРМИ и СРБИ основано на зависимости спектров рассеяния от энергии ионов. Так, при переходе к ионам Нс с энергиями от нескольких сотен килоэзгектроггвольт до мегаэлсктронвольт сечение рассеяния становится малым, конус затенения — узким и нейтрализация перестает играть существенную роль [8~.
Поскольку эффективная нейтрализация и большая ширина конусов затенения являются основными причинами поверхностной чувствительности метода СРМИ, то метод СРБИ представляет собой объемный метод исследования и в основном используется для анализа приповерхностных областей з всрдого тела.
Однако ряд эффектов, проявляющихся в спектрах РБИ, позволяет также использовать его для исследования поверхностных слоев. К таким эффектам относится эффект кканалирования» при падении ионов в направлении кристаллических осей кристалла, сопровождающийся появлением острого гшка рассеяния ионов на атомах 173 первого атомного слоя при затенении атомов всех нижележащих слоев. Табяина 4,1. Срависиие осиовигих хвракгерисп1я методов СРМИ и ОРБИ Ха аь"ге иетнк» .. СРМИ Энергия первичных 0.2+2.0 кзВ ионов 0.1=-2.0 МэВ Глубина анализируемо- 1 ь2 М1.: анализ первого слоя го атомного слоя Сотни наиомстров: анализ толщины тон- ких пленок„профили концепт ации Ширина линий 10+50 эВ, упруго рас- сеянные ионы Сотни эВ, существенный вклад исупругого асеев~ив Практически отсутст- в ег Эффект нейтрализации До 99% первичного и чеа с1чвствитсльность 10 —:1О' МЬ 10 =:1О М1.
Элементный сосгав; структура поверхност- ной кристаллической решетки, характер роста конденсата: в ряде сл~ чаев "- хими- ческий состав Толщина тонких пле- нок; профиль концен- трации по глубине; езрук1ура 1аморфи./крист.) Получаемая информа- ция 174 Это позволяет использовать метод СРБИ для исследования поверхностной релаксации (см.
раздел 4.8), а также структуры приповерхностных слосв образца 1аморфная или кристаллическая). Метод СРЬИ с энергиями ионов порядка мегаэлектронвольт называют еще методом обратного рсзерфордовского рассеяния 1ОРР) и широко используют для анализа толщины тонких пленок н распределения концентрации злсменов по глубине. Этсгг метод также может использоваться для определения поверхностной концентрации атомов в напокластсрах на поверхности подложки, однако в этом случае получаемая информация прсдставляег собой интегральную величину и может быть представлена в виде так называемой нмшнальлой толщины, т.е. толщины сплошной пленки„получакнцсйся при равномерном «размазывании» атомов кластеров по поверхности подложки.
Основпыс характеристики методов СРМИ и СРБИ приведены в табл. 4.1. 4.8. Использование метода СРМИ в исследовании наноструктур и поверхности твердого тела 4.8.1. Исследование 1п ябан эволюции электронной струк- туры наноразмерных слоев НЕОН нри отжиге в вакууме Помимо информации об глементном сосгавс и структуре поверхности. в ряде случаев спектры рассеяния медленных ионов содержат информацию оо электронной структуре поверхгюстных слоев. Так, при исследовании мегодалг СРМИ сверхтонких (-5 нм) слоев соединений гафния на поверхности кремния было обнаружсгю, что спектры рассеяния ионов Нс' с энергией в дианааонс 300- 900 эВ на поверхностн НЮ.
качественно отличаются от спекгров рассеяния на поверхности металлического НГ и Наго (рис.4.17) эк~. Рис.447. Спок.григ рассеяния ггоггои Не' с оисргиса Л~,=-500 эБ ни иоисряносги 1К НЬ1, и Н(О при комнигиой ясмпсргг|урс и Г=ВОО 'С. Обеуждсг1ис сонной струк-гурк~ сггсигрои (пггии 4,.4', В гг С) — см. и тексте ' ' -50 -яб 0 ы-амид, еч Пик А в спектре НЮ отвечает упругому рассеянию ионов Нс' на поверхностных атомах Нг. Широкий асимметричный пик С, сдвигающийся влево с увеличением энергии падающих ионов, от- -"' Л, Кспксс1с(х 'г'и. (.сЬег((пав(.
М. Рня1гй1п. Ъ'.14. Иенойп г( Лрр1. Р(гуя. (еи. ср (20061172903. всчаст рассеянию на более глубоких атомных слоях, и может быть описан в рамках теории многократного расссянпя ' '. Узкий пик В, отстоящий на -9 эВ от пика упругого расссяпия, можно объяснить потсрсй энергии на возбуждение валснтных электронов в зону проводимости НЮ.
вслсдствпс перекрытия в процессс расссяния элсктронных оболочек иона (11с') и атома-расссиватсля (Н1) и псрсстройки электронных уровней системы Нс-НГ. В спектрах мсталличсского НГ и!1Ьь вмссто пиков А и В наблюдастся пик А', слегка смсщснный относительна пика упругого рассеяния А, что можно объяснить потсрсй энсргии на возбуждснис валснтных электронов 111 в свободныс состояния вышс уровня Фсрми. Наблюдасмая «тонкая» структура спектров РМИ была использована для исследования элсктрошюй структуры слосв НЮ.
при вакуумном отжигс чо Т = 900'С. Как видно из рис. 4.17, отжиг приводит к уширснию и измснснию соотношения интснсивностсй линий А и В, а также к исчсзновснию провала между ними, что можно объяснить появлснисм линии А', отвсчающсй расссянию на атомах НГ в мсталличсском состоянии. Такая структура спсктров можст свидстельствовггь об зффсктивной «мсталлизации» повсрхности НЮ вслсдствис образования большого числа дсфсктов (вакансий по киаюроду) с электронными состояниями внутри запрсщснной зоны оксида гафния при дссорбции кислорода в процсссс вакуумного отжига.
Отметим, что согласно данным РФЭС, образования объемной фазы мсталличсского НГв слос НЮ. при отжигс нс происходит. 4.8.2. Исследование начальной стадии окисления поверхности никеля Повсрхностная чувствитсльцасть методики СРМИ была успсшно использована при исследовании взаимодсйствия кис'юрода с повсрхностью М "'. При субмонослойных покрытиях повсрхности М атомами кис3юрода ин!снсивность спсктральной линии расссяния ионов на атомах )ч1 пропорциональна поверхностной концентрации расссивающих атомов.
Слсдоватсльно, по измснснию интснсивно- ' 0.13. Р1гаоя, 1='.о. Маа»Еоаа. Ч,Л. Мо1о11апо~ 6 Кайм. 1='1Т. 1Я 119731 р. 257. " 13Д. Г>ормап. 1эп. Гусса, 1О.Ю. ЛСГя:лннскнй. Л.П. Г1онов. В.И. Троян Д ЖЭТФ В511ааа)о 137а 176 сти сигнала СРМИ можно судить о структурных измснсниях в всрхнсм атомном слос повсрхности. Иа рис.4.!8 цриведсны экспсримснтальныс зависимости нормированной на си~пал от чистой подложки % интенсивности ионов Не с энсргией 1 кэв, упруго расссяшгых на поверхностных атомах %, от экспозиции поверхности кислородом я при температурах 300 и 550 К '"". ги ЫО гь Рис.
4да Йнтсисивиосгь ( сисьиральиой линии иолов г)с', расссяииык иа иовсркности М ири зксиозиции в атмосфере кислорода, иормироваииая иа иизсисивиость -6 сигиаза от чистой иоляогкки (з( как фупкция.зксиозиции Е ири р = )О Торр в сяучас У'=550 (.!) и ЗО() К (Е). На всгавкс изобрагксиа атомиая с|руктура ирги|овсрхиостиой области (вия сбоку): / — атомы М. 2 — атомы О "' Нсмонотонное поведение зависимости г(ь') можно объяснгггь фазовым переходом кислорода из хсмосорбированного состояния в островки %0 посрсдством проваливания под повсрхностный слой атомов % с одноврсмсшгой перестройкой провалившсгося кислорода в оксиднукг структуру с рсшсткой типа МаС1. Действительно, всличина г' пропорциональна концснтрации расссивазогцих атомов (т.е. концентрации лт, расноложснных на поверхности атомов %).
Наблгодасмое умсньшснис величины г' (и, следовательно, ггз) при е < 30 Е можно объяснить "затснснием" повсрхностных атомов никеля расгюложсннымгз сверху атомами кислорода в хсмосорбированном состоянии. При с=30-!ООА с ростом экспозиции имеет место возрастанис всличнны г, что свндстсльствуст об увсличении ля. При е >200 Е, когда повсрхность образца представляет собой мо- 177 послойную оксидную пленку„величина 1 стремится к предельному зиа 1снию 1я.,с=0.41. ПРи Т>500 К пРедельнос значение интенсивности равняется Гияс=0.5, что совпадает с характерным значением для объемного оксида никеля со структурой типа ХаС!.
Поэтому можно предполагать, что образующийся на поверхности оксид имеет струк-гуру типа ХаС1. Наличие оксидной фазы %0 также подтвсрждастся данными РФЭС. 4.8.3. Возбуждение электрон-.'~ырочных пар в процессе рассеяния ионов на поверхности нанокластеров Ап Как говорилось в главс 2, внезапное появление положитсльного заряда в ферми-системс приводит к изменению сс основного состояния, сопровождающемуся возбуждением электрон-дырочных пар вблизи поверхности Ферми, спектр которых 1юсит сингулярный характер. Эют эффект, называемый «инфракрасной катастрофой», наблюдается в рентгеновских фотоэлектронных спектрах остовных уровней металлов (см. раздел 2.6.1), а также в спектрах поглощения и эмиссии рент~ еновского излучения ~~~. Индекс сингулярности Андерсона а, описывающий сингулярный спектр электрон-дырочных возбуждений, определяется плотностью электронных состояний и взаимодействием электронов с возбуждающим положительныьч зарядом, что позволяет использовать его при исследовании электронной структуры металлов и нанокластсров металлов.
Так, в разделе 2.8 были приведены экспериментальные зависимости индекса сингулярности от размера нанокластеров Аи и Си, полученные из анализа РФЭ спектров остовных уровней атомов нанокластеров. В качестве возбуждающего потенциала е-Ь пар может быть также испольюван кулоцовский потсшнзал иона Ис, расссивьпощсгося 4О) на поверхности металла при исследовании методом СРМИ . Изменяя кинетическую энергию ионов, можно наблюдать возбуждения коллективных мод в широком диапазоне энергий и импульсов от плазмонов до квазичастиц (е-Ь пар), и выделить область энергий„ в которых возбуждаются лшпь е4 пары, что принципиально невозможно сделать в случае РФЭС.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
