Диссертация (1150477), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Для этого устанавливаетсядва перпендикулярных детектора Мотта , позволяющие одновременно измерять трехмернуюспиновую структуру.2.3Дифракция медленных электроновДифракция медленных электронов широко используется для изучения свойств поверхности кристаллов. Этот метод чувствителен к дальнему порядку периодических структур42на поверхности.
Условие дифракции электронной волны, падающей на поверхность, представляющую собой набор периодически упорядоченных рассеивающих центров, выглядитследующим образом:h21·p ,(2.16)2meE– угол рассеяния электронной волны (по отношению к нормалиd(sinгдеo–угол падения, аsin o ) = n ·=n·поверхности), d – расстояние между рассеивающими центрами на поверхности, n – порядокдифракции (целое число), E – кинетическая энергия электронов, а– длина волны де-Бройля для электронов.(а)(б)Рисунок 2.4: (а) Схематичное изображение установки ДМЭ (б) Экспериментальная картина ДМЭ для поверхности Pb/Ir(111) cо сверхструктурой c(4⇥2), dзято из работы [49].Поскольку поверхность монокристалла – это набор периодически упорядоченных атомов(с периодом в несколько ангстрем), то при упругом рассеянии электронов с энергией в диапазоне 30-200 эВ (большая поверхностная чувствительность, так как средняя длина пробегатаких низкоэнергетических электронов мала и составляет несколько атомных слоев) должнанаблюдаться дифракционная картина.Картина ДМЭ отражает структуру решетки в обратном пространстве.
Полный структурный анализ из данных ДМЭ возможен на основе динамической теории рассеяния. В настоящей работе метод используется для определения простых характеристик поверхности, такихкак упорядоченность поверхности, появление (отсутствие) реконструкции, ориентация, наличие оси симметрии определенного порядка на исследуемой поверхности.43На рисунке 2.4б изображена картина ДМЭ для поверхности Ir(111) с напыленным слоематомов Pb.
Атомы Pb образуют прямоугольную решетку, которая может быть сформирована тремя эквивалентными поворотными доменами. В итоге рефлексы находящиеся внутриIr(111) шестиугольника, отмеченного квадратными символами, образуют сложную структуру, состоящую из трех прямоугольных обратных решеток.2.4Сканирующая туннельная микроскопияОдной из основных методик исследования морфологии и атомной структуры поверхностипроводящих материалов является сканирующая туннельная микроскопия. Принцип работыСТМ состоит в следующем. При приближении двух электродов, в качестве которых могутвыступать образец и зонд (“игла”) их волновые функции начинают перекрываться. Это условие выполняется при величине промежутка между иглой и образцом 5-10 Å.
При приложениинапряжения V между электродами через промежуток потечет туннельный ток. Плотностьтока в упрощенной форме можно представить в виде [98]:j=D(V )Vexp( Ad1B /2d),(2.17)где d – эффективная ширина туннельного промежутка, D(V) отражает плотность электронных состояний, A – константа, иB– высота барьера туннельного перехода.Для получения СТМ изображений высокого разрешения необходима атомарно остраяигла.
В этом случае до 90 % туннельного тока протекает через промежуток между последниматомом иглы и ближайшим атомом поверхности, что позволяет получить горизонтальноеразрешение порядка 1 Å. Вертикальное разрешение оказывается экстремально высоким ('0.01 Å), вследствие сильной зависимости туннельного тока от ширины промежутка.Необходимо отметить что методика СТМ чувствительна больше к локальной плотности состояний чем к положению атомов. Для металлических образцов валентные электронысильно делокализованы и поэтому топография поверхности во многом соответствует плотности состояний. Однако для полупроводников электронная плотность оказывается частозависящей от латеральных координат и СТМ изображения могут не соответствовать реальной топографии.
На взаимосвязи между туннельным током и электронной структуройобразца основан метод сканирующей туннельной спектроскопии.Для СТМ можно выделить два основных режима работы:44Рисунок 2.5: (а) Схематическая иллюстрация установки СТМ (б) ЭкспериментальноеСТМ изображение с атомным разрешением (28 ⇥ 13 нм2 ) для системы графен/Pb/Ir(111)полученное на границе интеркалированного островка и (внизу) профиль сечения поверхности вдоль черной линии вверху. Взято из работы [49].– режим постоянного тока, при котором I и V поддерживаются постоянными а измеряетсяz. Используется наиболее часто, так как позволяет работать не только с атомарно гладкимиповерхностями.– режим постоянной высоты, или токового изображения, при котором z и V поддерживаются постоянными а измеряется I.
Используется чаще для изучения динамических процессовтак как сканирование иглы можно вести со значительно большей скоростью.На рисунке представлено СТМ изображение поверхности системы графен/Pb/Ir(111) полученное на границе интеркалированного Pb островка. На рисунке различима кристаллическая структура графена, и муаровая сверхструктура 9.3x9.3. В интеркалированной области(желтый цвет) также видна дополнительная периодичность, связанная с прямоугольной решеткой Pb.
Вдоль черной линии построен профиль сечения поверхности, представленныйснизу, откуда видно, что высота ступеньки оказывается около 2 Å, что соответствует монослою Pb со сверхструктурой с(4x2).2.5Экспериментальные станцииЭксперименты были проведены с использованием оборудования ресурсного центра СПбГУ “Физические методы исследования поверхности”, а также на российско-немецком RGBL,45U125/2 SGM и U112 SGM каналах вывода синхротронного излучения BESSY-II(Гельмгольццентр, г. Берлин) и BADelPh канале вывода синхротронного излучения Elettra (г.
Триест).Установки “ Nanolab” , “RGBL-2” и “1-squared” на которых проводились измерения, оснащеныполусферическим энергоанализатором Scienta R4000 с энергетическим разрешением около 2мэВ и шестиосевым крио-манипулятором для измерения ФЭСУР карт в k пространстве пригелиевых температурах. Установки “Phoenexs” и “BADelPh” оборудованы полусферическимианализаторами Phoibos 150.
“ Nanolab” , “RGBL-2” и “Phoenexs” также оснащены детекторамиМотта, для измерений спиновой поляризации в разных направлениях. Угловое разрешениеанализатора определяется шириной апертуры на входе и составляло около 0.75 . Фотографияи схема геометрии ФЭСУР эксперимента показаны на рис. 2.6.Рисунок 2.6: (а) Модуль фотоэлектронной спектроскопии комплескной платформы“Nanolab” в ресурсном центре СПбГУ “Физические методы исследования поверхности”, оборудованный полусферическим энергоанализатоо Scienta R4000 с разрешением по спину. (б)Принцип метода ФЭС с угловым и спиновым разрешеними.Все установки состоят из двух вакуумных камер, называемых аналитической и препарационной.
Препарационная камера оснащена оборудованием для подготовки образцов, в томчисле системами нагрева, ионного травления, напуска газов, испарителями металлов для напыления ультратонких пленок и кварцевых микровесов для анализа их толщины. Скол слоистых образцов топологических изоляторов также производился в препарационной камерепри помощи вакуумного скотча либо эпоксидного клея. В аналитической камере установлендифрактометр медленных электронов, ФЭСУР анализатор и манипулятор, позволяющийвращать и передвигать образец с высокой точностью. Базовое давление в аналитической ипрепарационных камерах при проведении эксперимента было на уровне 1-2⇥1010мбар.46(а)(б)МонохроматорФокусирующеезеркалоУстановкаРисунок 2.7: (а) Схематичное изображение расположения магнитов в ондуляторе, используемом для генерации излучения на синхротроне (б) Схема канала вывода синхротронногоизлучения на установке BADelPh, г.
Триест.При измерениях в ресурсном центре в качестве источника электромагнитного излученияиспользовалась газоразрядная гелиевая лампа для ультрафиолетового диапазона и рентгеновские трубки для больших энергий фотонов. Принцип работы гелиевой лампы заключается в возникновении разряда в газе, и испускании характеристического излучения, соответствующего электронным переходам в атоме He. Так, основная линия излучения соответствуетпереходу 2p ! 1s и ее энергия составляет 21.22 эВ.Для изучения остовных уровней используются с рентгеновские трубки с Al и Mg катода-ми, генерирующие излучение с энергией линии K↵ 1486.3 и 1253.5 эВ, соответственно. Однако альтернативным и более эффективным источником излучения является синхротрон.В синхротроне электроны вращаются по кольцевой орбите с околосветовыми скоростями,и излучают фотоны вследствие центростремительного ускорения.
Для генерации высокоинтенсивного излучения используются специальные устройства - ондуляторы, которые припомощи периодически расположенных магнитов заставляют пучок электронов двигаться поволнообразной траектории, см. рис. 2.7а. В этом случае варьируя расстояние и сдвиг междумагнитами можно получать требуемую энергию и поляризацию фотонов. Для выделения узкой линии и фокусировки света на выводе синхротронного излучения ставится монохроматори набор фокусирующих зеркал, рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
