Борман В.Д. - Физические основы методов исследования наноструктур и поверхности твёрдого тела

Федеральное агентство по образованиюМосковский инженерно-физический институт(государственный университет)В.И. Троян, М.А. Пушкин, В.Д. Борман, В.Н. ТронинФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫМЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯНАНОСТРУКТУР И ПОВЕРХНОСТИТВЕРДОГО ТЕЛАПод редакцией В.Д. БорманаРекомендовано УМО «Ядерные физика и технологии»в качестве учебного пособия для студентоввысших учебных заведенийМОСКВА2008УДК 539.2 (075)ББК 22.36я7ф50Троян В.И., Пушкин М.А., Борман В.Д., Тронин В.Н.Физические основы методов исследования наноструктур иповерхности твердого тела / Под ред.

В.Д. Бормана: Учебноепособие. – М.: МИФИ, 2008. – 260 с.В книге представлены физические основы экспериментальных методов, являющихся базовыми в исследованиях наноструктур и поверхноститвердого тела: рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, ожеэлектронная спектроскопия, спектроскопия рассеяния медленных ионов,сканирующая зондовая микроскопия и дифракция медленных эленктронов. Набор этих методов позволяет проводить исследования структурных,электронных и магнитных свойств нанообъектов и поверхности.Для специалистов в области физики поверхности и наноструктур, аспирантов и студентов старших курсов физических специальностей университетов.Пособие подготовлено в рамках Инновационной образовательной программы.Рецензент д-р физ.-мат. наук, проф.

А.П. Менушенков.ISBN 978-5-7262-1020-3© Московский инженерно-физический институт (государственный университет), 2008ОглавлениеПредисловие.......................................................................................................6Глава 1. Введение ............................................................................................141.1. Классификация методов исследования наноструктур иповерхности твердого тела....................................................................141.2. Сверхвысокий вакуум.....................................................................19Глава 2.

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия...........................312.1. Общие замечания ............................................................................312.2. Физические принципы РФЭС ........................................................322.3. Качественный анализ спектров......................................................362.3.1. Спектроскопические обозначения уровней................................. 362.4. Количественный анализ спектров.

Расчет интенсивности..........382.4.1. Характеристика процесса фотоионизации .................................. 392.4.2. Характеристика образца................................................................ 422.4.3. Аппаратный фактор.......................................................................

452.4.4. Интенсивность фотоэлектронной линии ..................................... 472.5. Количественный анализ спектров. Расчет энергии связи ...........502.6. Структура РФЭ спектров................................................................592.6.1. Первичная структура РФЭ спектров............................................

602.6.1.1. Остовные уровни.............................................................. 602.6.1.2. Спин-орбитальное расщепление уровней ...................... 682.6.1.3. Валентные уровни............................................................ 702.6.1.4. Серии оже-переходов, возбуждаемых рентгеновскимизлучением .................................................................................... 732.6.1.5. Сдвиг фотоэлектронных и оже-электронных линий ..... 762.6.2.

Вторичная структура РФЭ спектров ............................................ 862.6.2.1. Ложные пики низкой интенсивности ............................. 862.6.2.2. Истинные пики вторичной структуры РФЭ спектров... 882.6.3. Эффект статической зарядки непроводящих образцов .............. 982.7. Аппаратура для РФЭС..................................................................1002.7.1. Источник рентгеновского излучения ......................................... 1012.7.2. Энергоанализатор ........................................................................

1082.7.3. Детектор электронов ................................................................... 1132.8. Использование метода РФЭС в исследовании наноструктур иповерхности твердого тела..................................................................1142.8.1. Образование наноструктур на поверхности Si (100),индуцированное адсорбцией кислорода.............................................. 1142.8.2. Прямое наблюдения монослойного роста оксидных слоев наповерхности Si(100) на начальной стадии окисления с помощьюРФЭС ......................................................................................................

11732.8.3. Исследование кинетики роста островков оксидной фазы наповерхности Ni в окрестности точки Кюри ........................................ 1182.8.4. Анализ химического состава ПАН-волокна.............................. 1202.8.5. Эволюция электронной структуры нанокластеров благородныхметаллов ................................................................................................. 1222.8.6. Исследование наноразмерных слоев методом РФЭС с угловымразрешением ..........................................................................................

1262.9. Контрольные вопросы к главе 2 ..................................................128Глава 3. Ожэ-электронная спектроскопия.....................................................1293.1. Общие замечания и историческая справка .................................1293.2. Физические основы ОЭС..............................................................1303.3. Общий вид электронного спектра в ОЭС ...................................1333.4. Расчет кинетической энергии оже-электрона.............................1343.5.

Форма оже-электронных спектров ..............................................1363.6. Тонкая структура оже-электронных спектров............................1403.7. Интенсивность спектральных линий оже-электронов...............1413.8. Количественный анализ оже-электронных спектров ................1453.9. Сравнение характеристик ОЭС и РФЭС.....................................1453.10. Аппаратура для ОЭС ..................................................................1473.11. Использование метода ОЭС в исследовании наноструктур иповерхности твердого тела..................................................................1473.12.

Контрольные вопросы к главе 3 ................................................149Глава 4. Спектроскопия рассеяния медленных ионов ...............................1504.1. Общие замечания ..........................................................................1504.2. Физические основы СРМИ ..........................................................1524.3. Общий вид обзорного спектра РМИ ...........................................1544.4. Интенсивность спектральных линий.

Сечение рассеяния ........1574.5. Эффект нейтрализации ионов......................................................1584.6. Структурные эффекты в СРМИ...................................................1634.6.1. Эффект затенения ........................................................................ 1644.6.2. Эффект многократного рассеяния.............................................. 1674.6.3. Применение метода СРМИ для определения степени покрытияповерхности ........................................................................................... 1704.6.4.

Влияние структуры поверхности на линии спектров РМИ ..... 1724.7. Аппаратура СРМИ ........................................................................1724.8. Использование метода СРМИ в исследовании наноструктур иповерхности твердого тела..................................................................1754.8.1. Исследование in situ эволюции электронной структурынаноразмерных слоев HfO2 при отжиге в вакууме .............................

1754.8.2. Исследование начальной стадии окисления поверхностиникеля...................................................................................................... 17644.8.3. Возбуждение электрон-дырочных пар в процессе рассеянияионов на поверхности нанокластеров Au ............................................ 1784.8.4. Исследование релаксации поверхности Ag(111) при нагревеметодом СРБИ ....................................................................................... 1804.9.

Контрольные вопросы к главе 4 ..................................................182Глава 5. Сканирующая зондовая микроскопия...........................................1835.1. Введение ........................................................................................1835.2. Физические основы СТМ .............................................................1875.3. Аппаратура для СТМ....................................................................2035.4.

Физические основы АСМ.............................................................2075.5. Использование методов СЗМ в исследовании наноструктур иповерхности твердого тела..................................................................2125.6. Контрольные вопросы к главе 5 ..................................................229Глава 6.

Дифракция медленных электронов ...............................................2306.1. Введение ........................................................................................2306.2. Кристаллография поверхности ....................................................2306.2.1. Трехмерные кристаллические решетки ..................................... 2306.2.2. Двумерные кристаллические решетки....................................... 2336.2.3. Индексы Миллера для атомных плоскостей ............................. 2356.3.

Дифракция на кристаллической решетке ...................................2386.3.1. Дифракция на трехмерной решетке ........................................... 2386.3.2. Дифракция на двумерной решетке............................................. 2416.4. Аппаратура, геометрия и структурные эффекты в ДМЭ...........2446.4.1. Влияние дефектов, доменной структуры и кластеров наповерхности ........................................................................................... 2476.4.2. Учет тепловых колебаний атомов решетки............................... 2496.5. Использование метода ДМЭ в исследовании наноструктур иповерхности твердого тела..................................................................2506.6. Контрольные вопросы к главе 6 ..................................................254Задачи .............................................................................................................255Список рекомендуемой литературы ............................................................2565ПредисловиеНастоящая книга посвящена изложению физических основ экспериментальных методов, используемых при создании объектовнанометрового размера, наноструктурированных веществ и приизучении их свойств.

Интерес к этим методам связан с тем, что современное развитие техники во многом определяется возможностями нанотехнологий. Под нанотехнологиями понимают методыформирования и использование новых необычных свойств объектов нанометрового размера и веществ, структурированных в нанометровом масштабе (1 нм=10-9 м). Нижняя граница размеров (хотябы в одном измерении) нанообъектов определяется размерами атома, а верхняя граница – размерами <100 нм, при которых свойствананообъектов не совпадают со свойствами массивных тел.В последние два десятилетия в русскоязычной литературе былиопубликованы книги [1-6] по физике поверхности и наноструктур, вкоторых излагаются основы методов исследования наноструктур иповерхности твердых тел, однако в них не содержится систематического изложения этих методов. Настоящая книга может восполнить этот пробел.