3.3.1. Методи діагностики поверхні за допомогою електронів

3.3.1.1. "Електрон-електрон" /1-1/

ДШЕ – дифракція швидких електронів,

ДПЕ – дифракція повільних електронів

При проходженні через речовину електрони виявляють хвильові властивості, у результаті чого утворюються окремі дифраговані пучки, що є наслідком інтерференції розсіяних електронних хвиль на атомах речовини. Для виникнення дифракції електронів від атомних площин довжина хвилі електрона вибирається близькою до атомних розмірів [7, С.82-84].

, (3.1)

де  – довжина хвилі, нм; V – напруга, В.

Методи дослідження будови речовини, які засновані на дифракції електронів, називаються електронографією [2,3]. Для дослідження поверхні використовуються два методи електронографії: ДШЕ і ДПЕ, які відрізняються діапазоном енергій первинних електронів. Метод ДШЕ використовує прискорюючі напруги від 30-50 до 1000 кВ, а ДПЕ – напруги 10–300 В. Оскільки швидкі електрони проникають у тверде тіло на значну глибину (більше 100 нм), то для дослідження структури поверхні використовують дифракцію швидких електронів під кутом ковзання. Завдяки ковзним кутам падіння (ДШЕ) або малій енергії (ДПЕ) електрони розсіюються в кількох перших атомних шарах поверхні.

Методи ДПЕ і ДШЕ полягають в отриманні дифракційної картини електронів (електронограми) та в її аналізі. Електронограма несе інформацію про атомну структуру й фазовий склад багатокомпонентних матеріалів, природу та щільність дефектів приповерхневого шару, топографію поверхні, структуру й орієнтацію поверхневих плівок (рис.3.2). Розшифрування електронограми починають із вибору осей, їх найменування, тобто індикації електронограми й визначення елементарної комірки. У методі ДПЕ прийнята така схема позначення поверхневих структур:

M (hkl) p/c ab – R – S,

де M – матеріал зразка; p, c – індекси, що відповідають простій або центрованій гратці відповідно; a, b – коефіцієнти, які вказують, у скільки разів постійна плоскої гратки адсорбованої речовини S відрізняється від постійних гратки зразка; R – кут повороту плоскої гратки адсорбованої речовини відносно гратки зразка.

д е

Рис. 3.2. Різні типи дифракційних картин електронів і відповідні їм поверхневі структури для зразка з ГЦК граткою (а-г) [2]: M(100) p 22 – S (а); M(100) c 2×2 – S (б); M(111) p × – 30° – S (в); M(110) p 1×2 – S (г); електронограма структури Si (110) – “16 × 2” (д) та її модель, вид зверху (е) [2]: 1 – адатоми, 2 – частинки нижнього шару, 3 – димери [8].

Дослідження, проведені за допомогою ДПЕ, показали, що для напівпровідників у більшості випадків розміщення атомів на атомарно-чистих гранях не відповідає їх розміщенню в паралельних до них площинах об’єму (слід відмітити, що для дослідження чистих граней пот-рібно забезпечити надвисокий вакуум – краще 10^-9 Тор). Цим напівпровідники суттєво відрізняються від металів, вільні грані яких звичайно ідентичні до нижче розміщених шарів. За даними ДПЕ встановлено, що періоди двомірних трансляцій на поверхні значно більші, ніж в площинах об’єму; визначено симетрію елементарних комірок вільних граней і адсорбційних структур [9]. В той же час розшифрування деталей будови, включаючи кількість атомів в елементарній комірці, їх взаємного розміщення, природи фізико-хімічних взаємодій є складним завданням. Це пояснюється надзвичайною складністю явища ДПЕ, в якому значну роль відіграють багатохвильові ефекти.

Аналіз даних ДПЕ показав, що тонкий поверхневий шар напівпровідників піддається реконструкції [8]. Виникаючу поверхневу структуру іноді називають надструктурою. Цікавою особливістю є взаємозв’язок надструктури з умовами очищення поверхні. Наприклад, грані сколювання (111) германія і кремнія мають однакові гратки типу (2 × 1). Нагрівання зразків викликає незворотні фазові переходи поверхневого шару (порядок – хаос) в структури Ge (111) – 2 × 8 і Si (111) – 7 × 7, при цьому кристалічна будова в об’ємі зберігається. Виявлено, що поверхня в деяких випадках плавиться при більш низьких температурах, ніж об’єм. Присутність поверхневої структури приводить до появи на електронограмі додаткових рефлексів (розміщених між дифракційними плямами, які відповідають вузлам оберненої гратки об’єму) (рис.3.2 д).

Велику кількість видів поверхневих граток виявлено на гранях (110) кремнія, причиною чого є зворотні фазові переходи типу порядок – хаос, а вид поверхневої структури визначається температурою відпалу. Структурні фазові переходи існують й для тонких шарів чужорідних атомів, адсорбованих на поверхні напівпровідників. Розглянемо один з варіантів будови гратки 16 × 2 (рис.3.2 е, верхня частина), яка складається з двох послідовно з’єднаних блоків 8 × 2, обмежених вздовж напряму [ ] стінками з димерів (димер – це два атоми, об’єднані за допомогою валентних електронів) [8]. В іншому випадку (рис.3.2 е, нижня частна) шість димерів у центрі комірки замінюються на чотири адатома. Таким чином, для атомарно-чистих поверхонь спостерігається утворення особливих поверхневих структур, які не існують для „реальних” поверхонь. Складність експериментального дослідження таких структур полягає в тому, що навіть для одного зразка, залежно від способу обробки поверхні та температурних режимів, можливі переходи від одної поверхневої структури до іншої. Для спостереження поверхневих структур їх потрібно „зафіксувати”, тобто забезпечити стабільність у часі вибором певної температури і швидкості охолодження [9].

Для експериментального дослідження поверхні методами дифракції електронів використовуються електронографи, які працюють або на відбивання, або на проходження. Сильна взаємодія електронів із речовиною зумовлює те, що максимальна товщина зразків при роботі на проходження обмежується десятими частками мікрона. У спрощеному вигляді електронограф складається зі схем керування та вакуумної камери, в якій розміщується джерело електронів (електронна гармата), прискорююча й фокусуюча система, досліджуваний зразок і детектор електронів. Точність визначення геометричного положення атомів у методі ДПЕ досягає 510^–3 нм, чутливість методу – близько 1% моношару (на площі 0,01 см²).

Перспективним методом, який заснований на дифракції електронів, є метод Кікучі або ліній каналювання. Напівширина та контраст ліній Кікучі характеризують дефектну будову приповерхневих шарів матеріалу (рис.3.3).

Рис. 3.3. Лінії каналювання або Кікучі лінії, отримані методом дифракції електронів на полірованій поверхні пластини кремнію. Матеріал надано Ткачем В.М. – старшим науковим співробітником лабораторії електронно-растрової мікроскопії Інституту надтвердих матеріалів НАН України