Приготовление атомарно-чистых поверхностей

Наилучшим путем для получения информации о фундаментальных свойствах поверхности является исследование атомарно-чистых поверхностей, которые наиболее близки к идеальной, теоретической модели поверхности твердого тела.

Существует несколько методов подготовки атомарно-чистых поверхностей.

1. Продолжительный прогрев в сверхвысоком вакууме.

Прогрев в сверхвысоком вакууме получил широкое применение, особенно для тугоплавких материалов высокой чистоты. Однако результаты, полученные в последние годы, показывают, что он имеет ряд ограничений:

например, примеси из объема могут диффундировать к поверхности и оставаться на ней (равновесная адсорбция из объема);

при нагреве выше определенных критических температур может происходить нежелательное термическое травление некоторых кристаллографических граней на поверхности из-за их малой стабильности по сравнению с другими плоскостями;

необходимо устранить возможность загрязнения от других источников: при нагреве электронной бомбардировкой надо использовать экраны для предотвращения попадания на кристалл материала термокатода; электроны не должны бомбардировать другие поверхности и таким образом создавать новые загрязнения, которые могут попасть на исследуемую поверхность;

термообработка (скорость охлаждения) образца может привести к необратимым изменениям структуры или состава поверхности (например, было обнаружено, что адсорбционные свойства кремния зависят от термообработки).

С подобными случаями можно встретиться при необдуманном применении прогрева в сверхвысоком вакууме. Однако, использование комбинации этого и других методов в подходящем для данного вещества температурном интервале полезно и необходимо.

2. Создание чистой поверхности путем скола монокристалла в сверхвысоком вакууме.

Н екоторые материалы, особенно полупроводниковые монокристаллы можно раскалывать вдоль определенной кристаллографической плоскости, получая гладкие поверхности площадью в несколько квадратных миллиметров (рис. 2.1.). При этом чистая Рис. 2.1. Геометрия образца и раскалывающих клиньев (а) и принципиальная схема скалывающего устройства (б): 1 – подвижный корундовый клин; 2 – образец, пунктиром показан след плоскости скола; 3 – электрические контакты; 4 – подвижный клин; 5 – шток для поступательного перемещения; 6 – медная обойма; 7 – стакан для жидкого азота.

поверхность не нагревается, какая-либо диффузия отсутствует, приготовить образец можно достаточно быстро, но во время раскола образца в нем могут пройти пластические деформации, приводящие к локальным нарушениям структуры вблизи

поверхности. Этот метод применим лишь к монокристаллам, причем сколом можно получить только некоторые кристаллографические грани.

Кристаллография соответствует кристаллу элементарного полупроводника.

3. Удаление загрязнений бомбардировкой ионами инертных газов с последующим отжигом.

Метод ионной бомбардировки был разработан Фарнсворсом. В этом методе поверхность кристалла подвергается обстрелу ионами инертных газов (чаще аргона) с энергией в несколько сотен электронвольт. Обычно применяют напряжения 200–600 В и плотность тока примерно 0,1 мАсм^-2. При такой плотности тока за одну секунду с поверхности удаляется 0,1-1,0 моноатомного слоя. Поток ионов сбивает поверхностные загрязнения, но вместе с тем ионы инертного газа внедряются в кристалл. Для удаления захваченных атомов аргона и «залечивания» созданных бомбардировкой дефектов кристалл прогревают в сверхвысоком вакууме, чередуя циклы ионной очистки и отжига, причем последние циклы – при более низкой температуре.

4. Обработка поверхности в восстановительной атмосфере.

5. Нанесение пленок термическим испарением в вакууме.

На практике можно встретится с комбинациями этих методов в подходящем для данного вещества режимах.

Создание атомарно-чистых гладких поверхностей или резких границ разделов, а также поддержание их в идеальных условиях требует таких усилий, что использование их практически исключено. Почти всегда мы имеем дело с покрытыми поверхностями или с переходными областями. Отсюда следует важный вывод, что основной целью исследования поверхности твердого тела должно быть установление закономерностей, которым подчиняются свойства покрытых поверхностей и переходных областей. Возможность успешного изучения основана на рациональном упрощении реальных систем, изучении возникающих при этом моделей с последующим введением усложняющих элементов до тех пор, пока не будет достигнута требуемая степень приближения к реальной задаче. Другими словами, необходимо понять динамику процессов на поверхности при наименьшем числе важнейших факторов и научиться ими управлять.