Троян Физические основы методов исследования наноструктур и поверкхности 2014

дование нанокластеров золота на поверхности графита и оксида титана и нанокластеров германия на поверхности Si(100), исследование локальной плотности состояний вблизи дефектов на поверхности графита (0001). С помощью СТМ можно также исследовать явления упорядочения нанокластеров и определять фрактальную размерность кластеров. С его помощью наблюдались локализованные электронные состояния шероховатых нанокластеров, эффекты делокализации и межэлектронной корреляции в линейных цепочках атомов золота, переход металл-неметалл при уменьшении размера нанокластера. Наблюдалась кулоновская блокада при пропускании туннельного тока через нанокластер, изолированный от проводящей подложки туннельно прозрачным слоем диэлектрика. Объем книги ограничивает описание известных, интересных с точки зрения авторов, результатов, полученных с помощью СЗМ.

Другим методом, позволяющим определить геометрию расположения атомов в поверхностном слое, является метод дифракции медленных электронов (ДМЭ). Этот метод описан в главе 6. В этой главе обсуждается кристаллография поверхности, дифракция электронов на кристаллической решетке, структурные эффекты в ДМЭ, а также аппаратура, необходимая для наблюдения дифракции электронов.

Собранный в книге материал не исчерпывает все проблемы физических методов, представляющих интерес для исследователей наноструктур и поверхности. В книге не содержится описание просвечивающей электронной микроскопии, растровой электронной микроскопии, EXAFS и XANES . Авторы планируют посвятить этим методам отдельную книгу. Подчеркнем, что каждый из описываемых в книге методов не дает исчерпывающей информации о нанообъектах или поверхности, и лишь использование комбинации методов может служить основой для экспериментаторов и разработчиков нанотехнологий для проведения работ в контролируемых условиях с контролируемым образцом.

Существуют и принципиальные трудности работы с нанообъектами. Сегодня, например, нет надежного метода контроля атомного состава с разрешением по плоскости лучше 10 нм. С другой стороны, наночастицы и наноструктурированные тела в силу содержания малого количества частиц являются объектами, для которых открыт вопрос об их статистических свойствах, в частности, о самоусреднении. Более того, наночастицы, получаются, как правило, в силь-

11

нонеравновесных условиях, что приводит к флуктуации их геометрии, структуры, количества дефектов, атомного и химического состояния и электронных свойств. В связи с этим можно отметить, что вопрос о наборе методик для метрологического обеспечения нанотехнологий является открытым и должен решаться отдельно в каждом конкретном случае.

При написании книги авторы полагали, что читатель знаком с курсами общей физики, квантовой механики, статистической физики, теории поля, электродинамики, физической кинетики, физики твердого тела, введение в технику физического эксперимента, обязательных для изучения студентов и аспирантов, обучающихся по специальностям «Физика кинетических явлений», «Физика конденсированного состояния» и «Физика плазмы». Осознавая, что у некоторых читателей могут возникнуть трудности с пониманием фи- зико-математических моделей, использованных при описании экспериментальных методов, в книге приведены также и простые объяснения сложных физических явлений. Авторы отдают себе отчет, что книга далеко не охватывает всех направлений применения изложенных в ней методов исследования. Набор приведенных примеров отражает лишь научные интересы авторов и, несомненно, ограничен.

Настоящее пособие подготовлено на основе материалов лекций по курсам «Физические методы изучения поверхности», «Физические основы исследования наноструктур и поверхности твердого тела», «Практическая спектроскопия», читаемых профессором Трояном В.И. и доцентом Борисюком П.В. на кафедрах «Молекулярная физика» и «Физико-технические проблемы метрологии» НИЯУ МИФИ, а также по материалам работ, опубликованных в зарубежной и отечественной литературе и трудах научных конференций.

Исходным материалом для написания книги послужили конспекты лекций профессора В.И. Трояна, расширенные и значительно дополненные доцентом М.А. Пушкиным, который и подготовил начальный вариант текста с описанием физических основ всех описанных в книге методов исследования наноструктур и поверхности твердого тела. Этот вариант был переработан ими при участии В.Д. Бормана, В.Н. Тронина и П.В. Борисюка. По материалам опубликованных работ всеми авторами были добавлены параграфы 2.8, 3.11,

12

4.8, 5.5, 6.5, в которых приведены примеры применения описанных в книге методов. Предисловие к книге написано В.Д. Борманом.

Коллектив авторов благодарен А.П. Менушенкову за обсуждение содержания книги и критические замечания.

Авторы также с благодарностью вспоминают ту кропотливую и

усердную работу, которая была проделана доцентом Пушкиным Михаилом Александровичем (18.10.1977 – 23.04.2012) в стенах

НИЯУ МИФИ при подготовке данного учебного пособия. Результаты его труда легли в основу целого научного направления, посвященного исследованиям структурных и электронных свойств низкоразмерных систем. Коллектив авторов искренне надеется, что данное издание будет служить хорошим фундаментом при подготовке будущих молодых специалистов в области физики наноструктур и физики поверхности и постоянным напоминанием о славном времени совместной работы.

13

Глава 1. Введение

1.1. Классификация методов исследования наноструктур и поверхности твердого тела

Физические методы, наиболее часто используемые в настоящее время для исследования наноструктур и поверхности твердого тела, представлены в табл. 1.1. В основу данной таблицы положена группировка методов по способу внешнего воздействия на исследуемый объект и по типу регистрируемого ответного сигнала. Внизу таблицы дана расшифровка сокращенных названий перечисленных в ней методов.

В качестве внешнего воздействия на исследуемый объект может использоваться электромагнитное излучение с энергией hv, пучки ускоренных до определенной энергии электронов, ионов или нейтральных атомов, температура, электрические и магнитные поля. Сигнал, регистрируемый прибором и несущий информацию о свойствах исследуемого объекта, определяется характером его взаимодействия с выбранным воздействием и лежащими в его основе физическими явлениями. К таким явлениям можно отнести поглощение и эмиссию электромагнитного (в частности, рентгеновского) излучения, фотоэмиссию, эмиссию оже-электронов и ионов, упругое и неупругое рассеяние электронов и ионов, дифракцию рентгеновского излучения и электронов, десорбцию атомов с поверхности, туннелирование электронов через потенциальный барьер между исследуемым объектом и зондом, а также взаимодействие (магнитное, кулоновское, ван-дер-ваальсово) зонда и локального участка поверхности исследуемого объекта.

По способу регистрации ответного сигнала исследуемого объекта на внешнее воздействие физические методы исследования наноструктур и поверхности твердого тела можно разделить на спектроскопические методы, в основе которых лежит регистрация энергетического спектра поглощенного или испущенного электромагнитного излучения (РЭС, РСМА, ПТСРСП, ОСРСП), электронов (РФЭС, УФЭС, ФЭС, РОЭС, ОЭС, ИОЭС, СХПЭЭ, ИНС) или ионов (СРМИ, СРБИ, ОРР); микроскопические методы, в которых наблюдается сформированное определенным образом прямое изо-

14

бражение исследуемого объекта (СТМ, АСМ. МСМ, ПЭМ, РЭМ, СОЭМ, ПИМ, полевая эмиссионная микроскопия); дифракционные методы, анализирующие дифракционные картины, образующиеся при прохождении или рассеянии на образце излучения или пучка частиц (РСА, ДМЭ, ДБЭ, ПЭМ в режиме дифракции); массспектрометрические методы, в которых регистрируется распределение испущенных частиц по массе (ВИМС, МС с бомбардировкой быстрыми атомами, электронно-зондовая МС, ТПД, ЭСД).

Следует отметить, что один и тот же источник воздействия на исследуемый оьъект может использоваться в различных методах в зависимости от вида регистрируемого сигнала. Например, при облучении образца монохроматическим рентгеновским излучением можно регистрировать картину дифракции рентгеновского излучения на кристаллической решетке образца (метод РСА), спектр поглощения рентгеновского излучения, прошедшего через образец (методы РАС, ПТСРСП, ОСРСП), спектр испущенного образцом характеристического рентгеновского излучения (РСМА, РЭС), энергетический спектр испущенных образцом фотоэлектронов (РФЭС) и оже-электронов (РОЭС). Эти спектры несут информацию об элементном и химическом составе образца, его электронной и локальной атомной структуре.

Разные методы позволяют получить различную информацию об исследуемом объекте. Как правило, при анализе наноструктур и поверхности твердого тела наиболее важной является информация об их атомной структуре, элементном составе и электронных свойствах.

Возможности основных методов исследования наноструктур и поверхности с точки зрения получаемой с их помощью информации проиллюстрированы в табл. 1.2. Плюсы означают, что информацию данного типа можно получить путем стандартного анализа экспериментальных данных. Плюсы в скобках указывают, что экспериментальные данные несут информацию указанного типа, однако ее извлечение либо требует специальной методики анализа полученных данных, либо возможно только для ограниченного набора исследуемых объектов. Отметим, что объем и характер информации, получаемой с помощью того или иного метода, может существенно варьироваться.

15

вания к исследуемым образцам. Например, методы СТМ/СТС применимы только для проводящих образцов, МСМ – для исследования магнитных материалов, ПЭМ используется для анализа тонких пленок.

Помимимо сокращенных названий методов на русском языке, для справки в табл. 1.2 также приведены названия, используемые в англоязычной литературе.

Необходимо отметить, что табл. 1.1. и 1.2 не охватывают всего спектра экспериментальных физических методов, применяемых при исследовании наноструктур и поверхности твердого тела.

В силу ограниченного объема настоящей книги в нее вошли только шесть из перечисленных методов, используемых для исследования наноструктур и поверхности: РФЭС, ОЭС, СРМИ, СТМ/СТС, АСМ и ДМЭ. Каждому из данных методов посвящена

отдельная глава. Описание ряда других методик можно найти в ра-

ботах [5-12].

1.2. Сверхвысокий вакуум

Исследование свойств и структуры поверхности требует выполнения двух условий. Во-первых, получения атомарно-чистой поверхности и, во-вторых, поддержания чистоты поверхности в течение всего эксперимента (несколько часов). Выполнение обоих условий подразумевает содержание на поверхности исследуемого образца в процессе эксперимента менее одного монослоя адсорбиро-

ванных атомов (адатомов).

Монослой (ML – monolayer) – это концентрация адатомов в одном молекулярном (атомном) адсорбированном слое на поверхности. Величина 1 ML зависит от типа адатомов и структуры поверхности. Каждая поверхность характеризуется собственным значением поверхностной концентрации активных центров адсорбции n0 для атомов (молекул) определенного типа, которое не всегда совпадает со значением поверхностной концентрации атомов самой поверхности. Для адатомов Au на поверхности NaCl(100) величина n0 составляет n0=5×1014 ат./см2, а для атомов золота на поверхности

высокоориентированного пиролитического графита ВОПГ(0001) n0=6.7×1014 ат./см2.

19

Для оценки величины поверхностной концентрации атомов рассмотрим кристалл с простой кубической решеткой и межатомным расстоянием а=3 Å=3×10-8 см. Тогда объемная концентрация ато-

Количество адсорбированных атомов на поверхности, выраженное в единицах монослоев, называется степенью заполнения (или степенью покрытия) атомами данной поверхности:

где nads – поверхностная концентрация адсорбированных атомов. В случае, когда 0<θ<1, концентрация адатомов меньше 1 ML, т.е. адатомы занимают не все вакантные позиции адсорбции на поверхности (субмонослойное покрытие). В случае θ>1 количество адсорбированных атомов больше одного монослоя. Однако следует иметь в виду, что в последнем случае адатомы не обязательно занимают все вакантные позиции адсорбции на поверхности, а могут объединяться в трехмерные островки (кластеры), оставляя часть поверхности свободной 4).

Доля атомов, адсорбирующихся на поверхности, от общего количества налетающих на поверхность атомов, называется коэффи-

циентом прилипания:

где n j - количество атомов, налетающих на поверхность еди-

ничной площади за время τ при потоке налетающих атомов j [ат./см2с]. Величина С может принимать значения от 0 до 1 и определяется типом адсорбции и способом доставки атомов к поверхности. В зависимости от характера связи адсорбированного атома с

4) Данное замечание относится больше не к адсорбции атомов на поверхности, а к начальным стадиям роста тонких пленок при осаждении на поверхность атомов. В этом случае также принято пользоваться понятием степени заполнения поверхности осажденными атомами.

20