Рецепты
R.G.Musket, W.McLeane, C.A.Colmenares, D.M.Makowiecki, W.J.Siekhaus “Preparation of atomically clean surfaces of selected elements: A review”. Application Surface Sci., 10, 143-207 (1982).
1. “Мягкое” ионное травление |
Удаление примесей, оставшиеся от |
до прогрева образца |
промывок и адсорбированные на атмосфере. |
2.Обезгаживание образца прогревом при температуре, близкой к Tпл,
3.Бомбардировка поверхности ионами газа, например Ar+, пока
анализ состава поверхности не укажет на отсутствие чужеродных атомов.
4.Отжиг при ~2/3 Tпл для залечивания дефектов и восстановления кристаллической структуры,
Полезно определить Т, при которой скорость поступления примесей из объема максимальна
1.2.4. Раскалывание в сверхвысоком вакууме
Преимущество - содержание примесей на образующейся поверхности не отличается от объемного
При раскалывании выделяется газ с трущихся деталей, из объема и с поверхности
Пластическая деформация |
Появление большого |
поверхностных слоев |
количества дефектов. |
количество ступеней и выступов зависит от степени совершенства и |
|
чистоты объема |
|
Только одна чистая поверхность |
Возможна поверхностная диффузия |
Можно получить поверхности только некоторых ориентаций.
|
|
Плоскость |
|
|
раскола |
Кристаллы IV группы (Si, Ge) |
(111) |
|
A3B5, A2B6 |
(GaAs, CdTe) |
(110) |
A4B4, A1B7 |
(PbS, AgBr) |
(100) |
A2B6 (вюрцит) |
(CdS, |
2 |
(1120) |
||
CdSe) |
|
|
1.2.5.Некоторые специфические методы
Испарение в сильных электрических полях |
|
||
Очистка поверхности |
Тепловой удар |
Локальное облучение |
|
приводит к увеличению |
|||
лазерным излучением. |
|||
|
|||
|
концентрации дефектов |
||
|
|
||
|
Очистка небольшого локального участка |
||
Эпитаксия |
ориентированное нарастание |
||
одного вещества на поверхности другого |
|||
|
|||
Автоэпитаксия - на собственной подложке
Гетероэпитаксия или просто эпитаксия - на инородной
Для каждой системы требуется разработка специальной технологии высокого уровня
1.3.Термодинамика поверхности
Cистема в состоянии равновесия может быть полностью охарактеризована величиной полной энергии, которая является однозначной функцией экстенсивных параметров: энтропии S, объема V и числа частиц N.
Экстенсивные параметры - характеристики, обладающие аддитивностью
E=E(S,N,V)
Для любого изменения состояния системы имеем
dE = |
∂E |
|
|
dS + ∂E |
|
|
dV + |
∂E |
|
|
dN |
или |
||||
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
∂S |
|
V,N |
∂V |
|
S,N |
|
|
|
|
∂N |
|
S,V |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
dE=TdS-PdV+μdN |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E=TS-PV+μN |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
при постоянных значениях интенсивных |
||||||||||||
Физически - увеличение весового количества системы без изменения ее природы
SdT-VdP+Ndμ = 0 уравнение Гиббса-Дюгема
При наличии у системы поверхности
E=TS-PV+μN+γA
γ - поверхностное натяжение |
γ > 0 |
Необходимо затратить энергию для разрыва связей между частицами твердого тела при образовании поверхности.
В противном случае существование твердого тела было бы энергетически невыгодно.
Поверхностное натяжение - искусственное понятие
размерность величины свободной энергии, приходящейся на единицу площади – джоуль/м2 - совпадает с размерностью силы, действующей тангенциально поверхности на отрезок единичной длины - н/м.
в ряде задач оказывается удобнее оперировать с силами, действующими на границах раздела Реально поверхностное натяжение представляет собой лишь
математическое понятие, эквивалентное удельной поверхностной энергии
С атомарной точки зрения поверхность представляет собой граничные слои между различными фазами вещества
Поверхность имеет конечную ширину
Ширину однозначно определить нельзя по принципиальным соображениям
Пусть имеем двухфазную систему
Имеется плавный переход физических свойств от значений, соответствующих одной фазе, до значений, характеризующих другую.
Три области. Выберем их так, чтобы две из них представляли собой однородные фазы –
твердое тело (область 1) и газ (область 2).
Распределение плотности вещества в зависимости от координаты по нормали к поверхности
S = S1 + S2 + Ss V = V1 + V2 + Vs N = N1 + N2 + Ns
Выбор поверхностей объемных фаз однозначно определяет и величины, относящиеся к области раздела, которые называют поверхностными избытками
В случае гомогенной системы поверхность раздела отсутствует и все избытки равны нулю.
Выбор положения границ неоднозначен, что приводит к неопределенности поверхностных избытков.
Рассмотрим изменение состояния системы вследствие растяжения
Пусть увеличение размеров мало и процесс может быть адекватно описан линейной теорией упругости
Увеличение поверхности: dA= Aåδij dεij
i, j
εij - компоненты тензора деформации поверхности, δij - символ Кронекера
dE = TdS - PdV + μdN + Aåσij dεij |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
E=TS-PV+μN+γA |
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
i, j |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
σij - компоненты тензора напряжения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Adγ + SdT −VdP + Ndμ + Aå(γδ ij − σ ij )dεij |
= 0 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
Si dT-Vi |
dP+Ni dμ = 0 |
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
i, j |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Adγ + SsdT −VsdP + Nsdμ + Aå(γδ ij − σ ij )dεij = 0 |
уравнение адсорбции Гиббса |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
i, j |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Не все из переменных: γ. T, P, μ, ε - являются независимыми |
|
|
|
|||||||||||||||||||
Для однородных фаз можно ввести плотности si и ρi такие, что |
|
|
|
|||||||||||||||||||
Si = siVi |
и |
|
|
|
|
|
Ni=ρiVi |
|
|
|
|
|
(i=1,2) |
|
|
|
||||||
dμ = |
s1 − s2 |
dT |
|
|
|
dP = |
ρ2s1 − ρ1s2 |
dT |
|
|
|
|||||||||||
ρ |
|
|
- ρ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
ρ |
2 |
- ρ |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|||
ì |
|
|
|
s1ρ2 - s2 ρ1 |
|
s1 - s2 |
|
ü |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Adγ + íSs |
- Vs |
|
|
|
|
|
+ Ns |
|
|
|
|
ýdT + Aå(γδij - σij )dεij |
= 0 |
|
|
|||||||
|
|
ρ |
2 |
- ρ |
ρ |
2 |
- ρ |
|
|
|
||||||||||||
î |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
1 |
|
þ |
|
i, j |
|
|
|
||||||
Выражение в фигурных скобках не зависит от выбора положения границ областей. Его величина функция только полных значений V, S, N.
Реальная система заменяется физически невозможной системой из двух соприкасающихся фаз без переходного слоя
Избытки экстенсивных величин, таких как энергия, энтропия и др. символически приписываются границе раздела.
Vs и, соответственно, Ns равны нулю. |
Ss = − Adγ |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
||||||
dT |
ε |
|
|
||||||
Adγ + SsdT + Aå(γδij − σij )dεij = 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
σij = γδij + |
|
∂γ |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|||||
i, j |
|
|
|
|
|||||
∂εij |
|
T |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Поверхностное напряжение и поверхностное натяжение - разные величины. |
|||||||||
Совпадают, если γ не меняется с деформацией |
|
|
|
|
|
||||
Возможно только тогда, когда система способна свободно перестраиваться, как это имеет место, например, в случае жидкостей.