Атомная структура поверхности скола (111) кремния

Непосредственно после скола от атомарно-чистой поверхности (111) кремния наблюдали дифракционные картины двух типов. На рис. 7.3 изображены фотография картины ДМЭ первого типа и соответствующая ей обратная решетка. Для дифракционной картины этого типа характерно появление "дробных" ("полуцелых") рефлексов вдоль одного из направлений <111>, которые отсутствуют в случае объемной дифракции и свидетельствуют о реконструкции поверхности (см. картину ДМЭ для нереконструированной поверхности (111) на рис. 7.4). Используя правила, связывающие прямую и обратную решетку, определяли размеры и конфигурацию двухмерной элементарной ячейки на поверх­ности. Ячейка имела вид параллелограмма, образованного отрезками вдоль <110>, вектор трансляции вдоль одной из сторон вдвое больше, чем в объеме, а вдоль другой совпадает с объемным значением. Такая элементарная ячейка соответствует реконструированной структуре (21).

При перемещении первичного пучка электронов вдоль исследуемой поверхности были зафиксированы участки с другим типом дифракционных картин (рис. 7.5). Дифрактограммы этого типа содержат «полуцелые» рефлексы во взаимно пересекающихся лауэвских зонах. Такое чередование «целых» и «дробных» рефлексов по взаимно пересекающимся зонам позволяет предположить, что дифракционная картина формировалась от поверхности, различные участки которой имели сверхструктуру (2x1), т.е. поверхность имела доменную структуру (рис. 7.5).

Появление реконструкции (21) хорошо описывается моделью «поднятых» и «опущенных» атомов. Увеличение периода трансляции поверхностной элементарной ячейки в одном направлении вдвое по сравнению с объемным значением можно объяснить поочередным опусканием и подниманием атомных рядов, рис. 7.6.

При этом атомы поднятого слоя займут промежуточное положение между тетраэдрической и тригонально-пирамидальной конфигурациями, а атомы опущенного ряда – между тригонально-плоской и тертраэдрической конфигурациями.

Элементарные ячейки, обозначенные пунктиром, эквивалентны: базируются на одной системе «поднятых» и «опущенных» атомов. Элементарная ячейка, обозначенная штрих-пунктиром, может базироваться только на другой системе «поднятых» и «опущенных» атомов, не адекватной и зображенной на рис. 7.6.

Кристаллографический анализ показывает, что на поверхности (111) алмазной решетки можно выбрать только две неадекватные ориентировки < 110>, подъем и опускание атомов вдоль которых приводят к двум неэквивалентным ориентациям элементарной ячейки (рис. 7.6 и 7.7).

Природа структуры Si(111)-(21)

Реконструированная структура (21) наблюдается на поверхности скола (111) кремния в вакууме не хуже 10^-7 Па. На поверхностях, полученных методом ионной бомбардировки с последующим отжигом (ИБО), реконструкцию типа (21) не наблюдали. Поскольку все другие методы получения атомарно-чистой поверхности к реконструкции этого типа не приводят и структура (21) является метастабильной, естественно сделать предположение, что появление реконструкции (21) определяется механизмом раскалывания монокристаллов. Обсудим один из возможных механизмов.

Для ковалентных кристаллов со структурой алмаза скалывание происходит по плотноупакованной плоскости спайности (111), а связи разрываются по плотноупакованным атомным рядам <110>. В момент разрыва связей плотно-упакованный атомный ряд <110> вследствие упругих напряжений связей должен быть смещен наружу от решетки кристалла, т.е. приподнят над плоскостью (111). Кооперативное смещение атомов ряда <110> на "линии разрыва связей" приведет к кооперативному смещению атомов предшествующего ряда (с "разорванными связями") в обратном направлении (см. рис. 7.7) внутрь образующейся поверхности (111). Смещение второго ряда вызовет смещение следующего и т.д. В такой модели по поверхности от линии скола распространяется упругая волна "подъема и опускания" рядов <110>. Это упорядочение, по-видимому, сохраняется после скола в виде метастабильной структуры (21), которая при слабых энергетических возмущениях переходит в разупорядоченную структуру "поднятых" и "опущенных" атомов. Таким образом, образование двухмерной структуры (21) должно быть связано с ориентацией проекции раскалывающей силы на плоскости (111) относительно рядов <110>.

Рассмотрим в рамках такой модели процесс образования доменной структуры (21). Из эксперимента и приведенного выше модельного представления следует, что элементарная ячейка (21) своим длинным ребром всегда ориентирована вдоль кристаллографических направлений <110>, по которым идет раскалывание. На поверхности (111) кремния (см. рис. 7.6 и 7.7) можно выделить три типа ориентации плоской элементарной ячейки и, следовательно, три типа доменов с различной ориентацией структуры (21). Из рис. 7.6 и 7.7 видно, что ориентирование элементарной ячейки в двух различных направлениях [ ] и [ ], а значит, и возникновение доменов с такими ориентациями структуры (21) будут соответствовать появлению дифракционной картины, чередование целых и полуцелых рефлексов которой характеризует однородную поверхность со сверхструктурой (21). И, наоборот, при ориентации элементарной ячейки в двух направлениях [ ] и [ ] реальные электронограммы от сколотой поверхности с доменной сверхструктурой (21) могут быть представлены как суперпозиция картин дифракции от участков поверхности с неадекватной ориентацией элементарных ячеек.

Рассмотрим два крайних случая: когда скалывающее усилие приложено перпендикулярно к направлению плотноупакованных атомных рядов или направлено под углом к ним, по кристаллографическим направлениям [ ] и [ ] соответственно, рис. 7.8.

Из рис. 7.8 видно, что при условии реализации предложенной модели, в первом случае будут опускаться и подниматься плотноупакованные атомные ряды [ ], что соответствует образованию однородной поверхности со структурой (21). Во втором случае элементарная ячейка может быть ориентирована в двух направлениях, и на сколотой поверхности образуется доменная сверхструктура (21).

Для подтверждения модели провели следующий эксперимент. Одна группа кристаллов была ориентирована так, что проекция раскалывающей силы на плоскости (111) была направлена вдоль [ ] (поверхность, где проводили надрез соответствовала ( )), т.е. перпендикулярно к [ ] (линия разрыва связей). Вторая группа была ориентирована так, что проекция раскалывающей силы располагалась вдоль [ ], и следовательно, под углом к ряду [ ] (см. рис. 7.8 и 7.9). В первом случае ожидали получить чистую бездоменную структуру (21), во втором – доменную с близким к единице соотношением двух ориентации ячейки (21), чему соответствовал а бы близкая интенсивность полученных рефлексов в пересекающихся зонах на картинах ДМЭ.

Э кспериментально была установлена только качественная корреляция результатов с моделью. Чистую недоменную структуру (21) на поверхности (111) кремния не наблюдали, хотя в той или иной степени доменная структура присутствует всегда. Вероятно, это связано с невозможностью точной ориентации (правда, модель предполагает фокусировку сил вдоль плотных рядов) или расфокусировкой ориентации действующих сил из-за дефектов (ядра дислокаций).

Следует также учесть, что наблюдаемое различие интенсивностей полуцелых рефлексов во взаимно пересекающихся зонах Лауэ, возможно, имеет тривиальное объяснение: различное соотношение площадей, занимаемых разными неадекватными ориентациями ячейки (21) в области электронного пучка.

Для используемых значений энергии первичных электронов когерентная длина электронов составляет 10¹-10² нм, что близко к размерам отдельных доменных участков.