Электронные свойства границ раздела Cs/Si и Ba/Si при субмонослойных покрытиях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

^Г с) ■ На правах рукописи

со ^

ДАИНЕКА Дмитрий Васильевич

ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА ГРАНИЦ РАЗДЕЛА Сз^ИВа/^ ПРИ СУБМОНОСЛОЙНЫХ ПОКРЫТИЯХ

Специальность 01.04.04 - Физическая электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1998

Работа выполнена в Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе Российской Академии наук.

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат физико-математических наук, профессор

Андронов Александр Николаевич,

кандидат физико-математических наук Бенеманская Галина Вадимовна.

доктор физико-математических наук Митцев Михаил Александрович,

кандидат физико-математических наук Яшин Юрий Петрович.

Российский Государственный

Педагогический Университет им. А.И.Герцена, Санкт-Петербург

Защита состоится " I'' " октября 1998 г. в _ часов на заседании

диссертационного Совета К 063.38.16 при Санкт-Петербургском Государственном Техническом Университете по адресу: 195251 Санкт-Петербург, Политехническая ул. 29.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке СПбГТУ.

Автореферат разослан "__" сентября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета кандидат физико-математических наук, доцент

Подсвиров О.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Исследование процессов формирования границы раздела металл-полупроводник является активно развивающимся в последние годы направлением физики поверхности и инициируется переходом от микро к наноэлектронике. Накопленный экспериментальный и теоретический материал свидетельствует о том, что наиболее сильные изменения свойств поверхности происходят на начальных стадиях формирования границ раздела, при субмонослойпых адсорбированных покрытиях. При адсорбции металлов происходят локальные взаимодействия адатомов с различными типами активных оборванных связей поверхности полупроводника, сопровождающиеся перераспределением электронной плотности и модификацией электронной структуры поверхности. Усиленное внимание исследователей направлено на определение электронной структуры границ раздела, установление корреляции между структурными и электронными свойствами поверхностей и границ раздела, на определение характера адсорбционной связи, на изучение механизмов низкоразмерных фазовых переходов и установление природы поверхностной металлизации. Несмотря на то, что исследованию адсорбции щелочных металлов (ЩМ) на поверхностях кремния посвящено множество экспериментальных и теоретических работ, многие вопросы, касающиеся границ раздела ЩМ/кремний, все еще остаются открытыми. Следует отметить, что изучение электронных свойств границ раздела ЩМ/кремний заметно отстает от изучения структурных свойств. Одна из причин этого заключается в том, что практически единственный экспериментальный метод, позволяющий получить непосредственную информацию об электронной структуре -ультрафиолетовая фотоэмиссионная спектроскопия (УФЭС) - обладает ограниченными возможностями для детального изучения электронной структуры границ раздела в наиболее интересной энергетической области вблизи уровня Ферми и вершины валентной зоны.

Целью работы является экспериментальное определение закономерностей формирования границ раздела Сз/81(111)7x7, Ва/81(111)7x7, Сб^О 00)2x1, и Ва/81(100)2х1 при субмонослойпых покрытиях, определение их электронных свойств и выявление роли подложки и адсорбата. В качестве подложек были выбраны реконструированные поверхности 81(111)7x7 и 81(100)2x1, обладающие качественно различной электронной и кристаллической структурой. Поверхность 81(111)7x7 имеет электронную структуру металлического типа, димерно-реконструированная поверхность 81(100)2x1 полупроводникового типа. Выбор адсорбатов был обусловлен тем, что

атомы Cs и Ва различаются по числу валентных электронов и, кроме того, их адсорбция вызывает значительное понижение работы выхода, что указывает на сильное взаимодействие адатомов с подложкой. Выбор Cs и Ва в качестве адсорбатов позволяет также использовать оптическое излучение для возбуждения фотоэмиссии. Эксперимент проводился в сверхвысоком вакууме in situ. Использовался оригинальный поверхностно-чувствительный метод пороговой фотоэмиссионной спектроскопии (ПФС). Метод обладает высоким энергетическим разрешением (~0.01 эВ) и высокой поверхностной чувствительностью (поверхностный сигнал может более чем на порядок превосходить объемный), что делает его эффективным для изучения электронной структуры в энергетической области вблизи уровня Ферми EF и вершины валентной зоны Ev. К достоинствам метода относится также его неразрушающий характер. Для выполнения поставленной в работе цели для каждой адсорбционной системы предполагалось:

• получение спектров поверхностной и объемной фотоэмиссии при субмонослойных покрытиях;

• определение ионизационной энергии ф (равной сумме электронного сродства х и ширины запрещенной зоны Eg) и работы выхода ср как функций субмонослойного покрытия;

• определение степени покрытия бщт, соответствующего минимальной работе выхода ср^,, ил и минимальной ионизационной энергии ф:ша;

• детальный анализ модификации спектров поверхностной фотоэмиссии при нанесении субмонослойных покрытий и с малым шагом по покрытию;

• поиск поверхностных зон, индуцированных адсорбцией;

• определение характера адсорбционной связи;

• определение условий и природы поверхностной металлизации.

Научная новизна.

1. Метод пороговой фотоэмиссионной спектроскопии впервые применен для исследования электронных свойств границ раздела металл/полупроводник в сверхвысоком вакууме in situ.

2. Впервые обнаружено различие фотоэмиссионных порогов при возбуждении s- и р-поляризованным светом для границ раздела Cs/Si(l 11)7x7, Ba/Si(l 11)7x7, Cs/Si(100)2xl и Ba/Si(100)2xl, получены спектры поверхностной и объемной фотоэмиссии.

3. Для границ раздела Cs/Si(l 11)7x7, Ba/Si(ll 1)7x7, Cs/Si(100)2xl и Ba/Si(100)2xl впервые определена ионизационная энергия как функция субмонослойного покрытия.

4. Впервые наблюдался пиннинг уровня Ферл\ш при адсорбции Cs на поверхности Si(l 11)7x7.

5. Впервые исследована электронная структура границ раздела Ва/81(111)7x7 и В а/Б ¡(100)2x1, обнаружены индуцированные адсорбцией поверхностные зоны.

Научная и практическая значимость.

1. Научная значимость работы состоит в том, что в ней впервые получен ряд экспериментальных результатов, позволяющих определить закономерности формирования границ раздела Ся/81 и Ва/Бь

2. Для исследования электронных свойств границ раздела металл/полупроводник разработан легко реализуемый и не требующий дорогостоящего оборудования метод пороговой фотоэмиссионной спектроскопии (ПФС). ПФС основана на использовании э- и р-поляризованного света для возбуждения объемной и поверхностной фотоэмиссии в пороговой области. Метод позволяет:

• изучать электронную структуру поверхности в энергетической области вблизи уровня Ферми и вершины валентной зоны;

• определять ионизационную энергию, а в случае металлизации и работу выхода, как функцию субмонослойного покрытия;

• проводить экспресс-анализ на наличие конечной плотности заполненных поверхностных состояний в запрещенной зоне;

• определять поверхностную металлизацию.

3. Разработана методика определения степени субмонослойного покрытия 6 в адсорбционных системах металл/полу проводник.

Достоверность и надежность результатов работы обеспечены тщательностью разработки экспериментальных методик, проведением исследований в сверхвысоком вакууме, использованием хорошо апробированных процедур приготовления атомарно-чистых поверхностей и воспроизводимостью результатов измерений.

Положения, выносимые на защиту.

1. Пороговая фотоэмиссионная спектроскопия является эффективным методом для изучения электронных свойств границ раздела металл/полупроводник.

2. Процессы формирования границ раздела на поверхностях 81(100)2x1 и 81(111)7x7 при адсорбции субмонослойных покрытий Сб и Ва являются существенно различными. Электронные свойства границ раздела С5/81(100)2х1 и Ва/81(100)2х1 определяются в основном свойствами подложки. Электронные свойства границ раздела Сб/81(1 11)7x7 и Ва/51(111)7x7 зависят преимущественно от электронной структуры адсорбата.

3. Электронная структура границы раздела Св/Б^ 11)7x7 имеет металлический характер при субмонослойных покрытиях. При покрытиях меньших, чем покрытие, соответствующее минимуму работы выхода, адсорбция Сб приводит к значительному увеличению плотности поверхностных состояний в запрещенной зоне.

4. На начальной стадии адсорбции взаимодействие атомов Ва с оборванными связями поверхности 81(111)7x7 приводит к локализации заряда в связи Ва-81 и к поверхностному переходу типа металл-изолятор. Адсорбционная связь Ва на поверхности 81(111)7x7 носит преимущественно ковалентный характер.

5. Электронная структура границы раздела Сз/81(100)2х1 имеет полупроводниковый характер при субмонослойных покрытиях и обнаруживает две индуцированные поверхностные зоны. Атомы Сэ адсорбируются на два неэквивалентных адсорбционных места. Покрытие, соответствующее минимуму ионизационной энергии, оценено как монослойное. Полученные данные поддерживают модель «двойного слоя». Граница раздела Ва/81( 100)2x1 обладает аналогичными свойствами.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 13-ом Международном вакуумном конгрессе/9-ой Международной конференции по физике твердого тела (1УС-13/1С88-9, Япония, 1995), 2-ой Международной конференции по физике низкоразмерных структур (Р1ЛЭ8-2, Россия, Черноголовка, 1995), 5-ой Международной конференции по структуре поверхности (1С808-5, Франция, 1996), на 16-ой Европейской конференции по физике поверхности (ЕС088-16, Италия, 1996), на 4-ой Северной конференции по физике поверхности (№^8-4, Норвегия, 1996) и на научных семинарах в ФТИ им. А.Ф.Иоффе.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Она содержит 120 страниц машинописного текста, 45 рисунков на 45 страницах и 1 таблицу. Список цитируемой литературы содержит 90 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертации, выбор объекта исследований и экспериментальной методики. Формулируются цели работы, кратко излагается содержание диссертации, и приводятся основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дан обзор современного состояния изучения границ раздела металл/полупроводник. В §1.1 обсуждается кристаллическая и электронная структура реконструированной поверхности кремния 81(111)7x7. Рассмотрена общепринятая в настоящее время модель с димерами, «адатомами» и дефектами упаковки (модель Такаянаги). Сложная реконструкция приводит к снижению числа оборванных связей атомов кремния в ячейке 7x7 до 19, в то время как для нереконструированной поверхности 81(111)1x1 их число составляет 49. В электронной структуре поверхности 81(111)7x7 наблюдаются три заполненных зоны поверхностных состояний и одна пустая. Одна из зон расположена на уровне Ферми, т.е. электронная структура поверхности имеет металлический характер. В §1.2 рассмотрены результаты экспериментальных и теоретических исследований границ раздела ЩМ/81(111)7x7. Результаты структурных исследований указывают на то, что реконструкция 7x7 сохраняется при адсорбции ЩМ. Расчеты показывают, что оборванные связи поверхности 81(111)7x7 существенно различаются по реакционной способности. Нам известна только одна работа, в которой фотоэмиссионными методами (УФЭС и РФЭС) исследовалась электронная структура границ раздела ЩМ/81(111)7x7. При исследовании адсорбции К и Сб на поверхности 81(111)7x7 наблюдался поверхностный переход типа металл-изолятор на ранних стадиях адсорбции, обнаружена металлизация в адсорбированном слое Сб при покрытиях больше наблюдались пустые зоны, индуцированные

адсорбцией К и Сэ [1]. Структура заполненных поверхностных зон детально не изучена. В ряде работ высказано предположение о преимущественно ионном характере адсорбционной связи. Адсорбция Ва на поверхности 81(111)7x7 не изучалась. В §1.3 обсуждается кристаллическая и электронная структура димерно-реконструированной поверхности 81(100)2x1. Рассмотрена модель асимметричных димеров, подтвержденная результатами большинства экспериментальных и теоретических исследований. В рамках этой модели атомы из соседних атомных рядов на идеальной поверхности 81(100)1x1 при реконструкции образуют асимметричные (наклонные) димеры, понижая число оборванных связей на поверхности в два раза. Поверхность 81(100)2x1 обладает электронной структурой полупроводникового типа. Наблюдаются две заполненных зоны поверхностных состояшш ниже

вершины валентной зоны и пустая зона выше уровня Ферми. В § 1.4 дается обзор экспериментальных и теоретических исследований границ раздела ЩМ/Б^ 100)2x1. Приведены результаты исследований работы выхода. Данные ДМЭ показывают, что кристаллическая структура 2x1 сохраняется при адсорбции ЩМ. Рассмотрены возможные адсорбционные места. Результаты экспериментальных работ по исследованию систем ЩМ/81( 100)2x1 поддерживают как модель «одномерных металлических цепочек» [2], предполагающую, что адсорбция осуществляется на адсорбционные места одного типа (либо в долинах между рядами димеров, либо на димерных рядах), так и модель «двойного слоя», предполагающую заполнение адсорбционных мест двух типов [3]. В отличие от подробных фотоэмиссионных исследований электронной структуры границ раздела К/81(100)2х1 и N3/81(100)2x1, аналогичные исследования для границы раздела Сз/81(100)2х1, насколько нам известно, не проводились. В ряде работ обнаружены поверхностные зоны, индуцированные адсорбцией К и Ка на различные адсорбционные места, в некоторых случаях наблюдалась поверхностная металлизация. Большинство экспериментальных результатов свидетельствует в пользу ковалентного характера адсорбционной связи. Всего несколько работ посвящено изучению адсорбции Ва на поверхности 51(100)2x1, при этом электронная структура не изучалась, а полученные данные о кристаллической структуре достаточно противоречивы. В §1.6 изложены принципы, на которых основывается фотоэмиссионная спектроскопия. Показано различие в процессах возбуждения фотоэмиссии из объема и из приповерхностной области. Кратко рассмотрены два основных экспериментальных метода, использующихся для изучения электронной структуры границ раздела: ультрафиолетовая фотоэмиссионная спектроскопия (УФЭС) и рентгеновская фотоэмиссионная спектроскопия (РФЭС).

Вторая глава посвящена описанию методики эксперимента. В §2.1 описывается экспериментальная установка, созданная на базе универсальной сверхвысоковакуумной установки УСУ-4. Рабочее давление в камере не хуже 1хЮ"8 Па. Вакуумная камера оснащена системой прогрева образцов до Т-2600 К. Атомы Сб или Ва наносились на поверхность кремния из стандартных испарителей, увеличение давления при напылении не превышало 1х10"9 Па. Для возбуждения фотоэмиссии использовались гелий-неоновый (^=6328А, Ьу=1.96 эВ) и кадмиевый (/.=4416 А, Ьу=2.81 эВ) лазеры, а также монохроматический свет (ДХ=40 А) от лампы накаливания КГМ-100 в диапазоне 4000 А < X < 8800 А мощностью не более 1мВт. Измерялся интегральный фотоэмиссионный ток в диапазоне 10"5 - 10'13 А, ошибка измерений не превышала 5%. В §2.2 описана методика получения атомарно-чистых поверхностей 81(100)2x1 и

81(111)7x7. Использовались слаболегированные (В, 7.5 Омхсм) образцы р-типа. До их помещения в вакуум образцы подвергались химической обработке с целью удаления загрязнений и создания защитного слоя окисла заданной толщины. Защитное покрытие удалялось прогревом в сверхвысоком вакууме. Получение требуемой реконструкции 7x7 или 2x1 обеспечивалось выбором режима отжига и охлаждения образцов. В §2.3 описан оригинальный поверхностно-чувствительный метод пороговой фотоэмиссионной спектроскопии (ПФС) при возбуждении б- и р-поляризованным светом для изучения границ раздела металл/полупроводник.

8 Р

Рис.1. Фотоэмиссия из полупроводника при возбуждении б- и р-поляризованным светом при наличии поверхностных зон в запрещенной зоне шоке уровня Ферми (а) и на уровне Ферми (б). Еудс - уровень вакуума, Ей - уровень Ферми, Еу -вершина валентной зоны, ф - ионизационная энергия, ср - работа выхода, и -фотоэмиссионные пороги при возбуждении 5- и р-поляризованным светом.

Метод основан на разделении объемной и поверхностной фотоэмиссии, а также на эффекте усиления локального электромагнитного поля на поверхности. В случае s-поляризации фотоэмиссия возбуждается только из объемной валентной зоны полупроводника, при этом фотоэмиссионный порог hvs равен ионизационной энергии ф (рис.1). В случае р-поляризации возможно возбуждение фотоэмиссии из поверхностных электронных зон за счет взаимодействия с нормальной компонентой электрического поля световой волны, отсутствующей для s-поляризованного света. При наличии конечной плотности поверхностных состояний в запрещенной зоне фотоэмиссионные пороги hvs и hvp различаются (hvs > hvp). Когда поверхностная зона расположена ниже EF, порог фотоэмиссии при возбуждении р-поляризованным светом hvP будет соответствовать фотоэмиссии из края поверхностной зоны (рис. 1а). Если поверхностная зона расположена на уровне Ферми EF (случай поверхностной металлизации), то порог hvP равен работе выхода ср (рис. 16). Как видно из рис.1, в диапазоне энергий фотонов hvp < hv < hvs р-поляризованным светом будет возбуждаться фотоэмиссия только из поверхностной зоны. Квадратичная зависимость (закон Фаулера) фототока Ip(hv), возбужденного р-поляризованным светом, в данном диапазоне будет являться критерием поверхностной металлизации. Анализ спектров поверхностной фотоэмиссии Ip(hv)/Is(hv), пропорциональных плотности поверхностных состояний, позволяет определить энергетическое положение поверхностных зон, расположенных ниже вершины валентной зоны, с разрешением ~ 0.01 эВ [4]. В §2.4 описана оригинальная методика определения поверхностной концентрации адсорбата с относительной точностью до 10%, основанная на использовании эталонного образца W(110). Предложена методика экспресс-анализа на наличие заполненных поверхностных зон в запрещенной зоне и вблизи вершины валентной зоны Ev, основанная на регистрации зависимостей фототоков Is и 1Р, возбужденных s- и р-поляризованным лазерным излучением, от времени напыления, т.е. от степени покрытия.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований электронных свойств границ раздела Cs/Si(l 11)7x7 и Ba/Si(l 11)7x7 в субмонослойном диапазоне покрытий. В §3.1 сообщается об исследовании адсорбции Cs на поверхности Si(l 11)7x7 в диапазоне покрытий 0.3 ML < 0Cs < 1-0 ML (для поверхности Si(l 11)7x7 один монослой определяется как 1ML=7.84x10й атомов/см2). Обнаружено различие фотоэмиссионных порогов при возбуждении s- и р-поляризованным светом, определена работа выхода и ионизационная энергия как функции цезиевого покрытия (рис.2а). Оценено покрытие 9mm~ 0.6 ML, соответствующее минимальной работе выхода.

3,0

2.5

■С 2,0

1,5

800

ч: 600

о

С £

400

200

0

0,0

0,4

ш"

II

<

0,2

0,0 0,0

• ■ • 1 1 \ 9,1 Св/Бг^11)7x7 : а) ■ -о иуд = ф I—□—□—□ -

/ . , , , . т--------,-г- --■■ ю4

В) 5 5 §

0,2

0,4 0,6 покрытие(

0,8 >с.(мц

1,0

Рис.2. Модификация электронных свойств границы раздела 05/81(111)7x7 при изменении степени покрытия: (а) - фотоэмиссионные пороги и Ьур, равные ионизационной энергии ф и работе выхода <р, соответственно; (б) - плотность поверхностных состояний р на уровне Ферми, определенная из анализа зависимости фототока 1Р(Ь0 вблизи порога; (в) - положение уровня Ферми относительно вершины валентной зоны Еу, определенное из разности А фотоэмиссионных порогов и 1п<Р, стрелкой показано положение уровня Ферми на чистой поверхности 81(111)7x7 (из работы [1]).

В спектрах поверхностной фотоэмиссии обнаружена индуцированная адсорбцией поверхностная зона. В энергетическом диапазоне Ьур < Ьу <Ьу8, где отсутствует эмиссия из объема, обнаружена квадратичная зависимость фототока 1р(Ъу) (закон Фаулера), указывающая на наличие конечной плотности электронных состояний на уровне Ферми. Поверхностная металлизация наблюдалась в диапазоне покрытий 0.3 МЬ < 9С5 < 1.0 МЬ. Проанализировано изменение плотности электронных состояний на Ер (рис.2б). При 0^ происходит пиннииг уровня Ферми на 0.18 эВ выше вершины валентной зоны (рис.2в). При 0с5 < бтт характер связи С5 на поверхности 81(111)7x7 носит преимущественно ионный характер. При покрытиях больше 0П^„ плотность состояний на ЕР уменьшается, что свидетельствует о взаимодействии между атомами Сэ в адсорбированном слое. В §3.2 изложены результаты исследования электронных свойств границы раздела Ва/81(111)7x7 в диапазоне покрытий 0.3 9,ип < бва < 2.5 0тц1. Оценка степени покрытия 0Ющ не производилась. Обнаружено различие фотоэмиссионных порогов и Ьур. Разность А=Ьу5-Ьур увеличивается с 0.02 эВ при 0Ва =0.3 0т;п до 0.07 эВ при бщш, что свидетельствует об увеличении плотности поверхностных состояний в запрещенной зоне. Определена ионизационная энергия как функция бариевого покрытия, ф^ =1.98+0.01 эВ. Отсутствие квадратичной зависимости фототока 1р(Ьу), малая величина Д, а также малая плотность состояний вблизи вершины валентной зоны (1рЛ5~2 при 0.5 Ршщ, см. рис.3) указывают на отсутствие металлизации в исследованном диапазоне покрытий. Таким образом, при 9Ва < 0.3 0тт происходит поверхностный переход типа металл-изолятор. Обнаружены две индуцированные поверхностные зоны. При покрытии -0.5 0П1Ш в спектре наблюдается индуцированная адсорбцией Ва поверхностная зона Вь расположенная на 0.4 эВ ниже Еу. С увеличением степени покрытия развивается дублетная структура зоны В1 и в спектрах появляется зона В2, расположенная на -0.17 эВ ниже Еу. При покрытии 0^ проявляется слабая дублетная структура зоны В2. Данный характер модификации электронной структуры границы раздела позволяет предположить, что адсорбционная связь носит преимущественно ковалентный характер при субмонослойных покрытиях и поверхностный переход типа металл-изолятор при 0Ва < 0.3 0тп происходит вследствие локализации заряда в связи Ва-81. В §3.3 обсуждаются полученные экспериментальные результаты. Процессы формирования границы раздела при адсорбции Сб и Ва в субмонослойном режиме на поверхности 81(111)7x7 являются существенно различными (рис.3). Электронные свойства границ раздела Св/Б^П 1)7x7 и Ва/81(111)7x7 в основном зависят от электронной структуры адсорбата. Две индуцированные поверхностные

10

0.6 МЬ ■■•.

0.5 М1_ ^ I

Сз/5К111)7х7

+

0.35 ГкИ'

10 -

ВаЩ111)7x7

+

•"1.0 9 .

ГП|

*••», т

0.5 е„

о1—■—

1,5 2,0 2,5 3,0 энергия фотонов Ь\> (эВ)

Рис.3. Спектры поверхностной фотоэмиссии для границ раздела 05/31(111)7x7 и Ъа/§1(\1\)7х7 при различных покрытиях, стрелками указано положение вершины валентной зоны Еу.

зоны, обнаруженные для границы раздела Ва/81(111)7x7, предположительно связаны с адсорбцией на неэквив&тентные адсорбционные места. В электронной структуре границ раздела Св/БЛО 11)7x7 не обнаружено каких-либо особенностей, которые могут интерпретироваться как результат адсорбции на различные

адсорбционные места. Предположения о преимущественно ионном характере адсорбционной связи и о взаимодействии между атомами Се в адсорбированном слое при 0ш„ хорошо согласуются с моделью адсорбции, предложенной Магнуссоном и Рэйлом [1].

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований электронных свойств границ раздела Сй/81(100)2х1 и ВаУ81(100)2x1 в субмонослойном диапазоне покрытий. В §4.1 изложены результаты исследования границы раздела Сб/81(1 00)2x1 в диапазоне покрытий 0.4 МЬ < 0с5 < 1.5 МЬ (1МЬ=6.78x10м атомов/см2 для поверхности 81(100)2x1). Обнаружено различие фотоэмиссионных порогов и 1гур, разность между порогами уменьшается с ростом покрытия. Определена ионизационная энергия как функция покрытия, ф^,, = 1.3210.01 эВ. Оценено покрытие 0^ ~ 1.0 МЬ. Обнаружены две индуцированные зоны ниже вершины валентной зоны (рис.4). При 0с5 ~ 0.5 МЬ наблюдается зона Сь при 0С5 ~ 0.7 МЬ появляется зона С2. С ростом покрытия обе зоны сдвигаются к большим энергиям связи. При покрытии 1МЬ зоны С] и С2 расположены соответственно на 0.45 эВ и на 0.35 эВ ниже Еу Электронная структура границы раздела Сэ/51(100)2x1 имеет полупроводниковый характер во всем исследованном диапазоне покрытий. В §4.2 изложены результаты исследований границы раздела ВаУ81(100)2х1 в диапазоне покрытий 0.2 МЬ < 0 < 1.5 МЬ. Разность фотоэмиссионных порогов увеличивается с ростом покрытия. Минимальная ионизационная энергия фщш =2.15+0.01 эВ. Покрытие 0И1П оценено как 1.0 МЬ. Обнаружены две индуцированные зоны ниже вершины валентной зоны. При 9 ~ 0.3 МЬ наблюдается зона 13[ с энергией -0.3 эВ ниже Еу. Зона Б2 с энергией -0.2 эВ появляется при 9 ~ 0.5 МЬ. С ростом покрытия обе зоны незначительно сдвигаются к меньшим энергиям связи. В диапазоне покрытий 0.2 МЬ < 0 < 1.5 МЬ граница раздела имеет полупроводниковый характер. Результаты исследований границ раздела С$/81(100)2х1 и Ва/81(100)2х1 обсуждаются в §4.3. Процессы формирования границ раздела при адсорбции Сэ и Ва в субмонослойном режиме на поверхности 81(100)2x1 в целом аналогичны и определяются свойствами подложки. Адсорбция и Сб, и Ва приводит к появлению в электронной структуре границ раздела двух поверхностных зон ниже вершины валентной зоны. Существование двух индуцированных зон указывает на то, что адсорбция осуществляется на два неэквивалентных адсорбционных места. Наиболее вероятные адсорбционные места - в долинах между рядами димеров и на димерных рядах. Т.о. полученные результаты поддерживают модель «двойного слоя». Характер модификации индуцированных зон свидетельствует о гибридизации ¿//-орбитадей оборванных связей поверхности 81(100)2x1 и

2,5

2,0

1,5

Ва/31(100)2x1

--о

Сэ/БЦ! 00)2x1

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0

покрытие 9 (М1_)

10

1 1 1 , Сб/Б^ 00)2x1 | С, с2

.-К"' /•!'. /1 / [ \ 1 \ ,К >\

1.0 ........... 1 • *« 1 »

■ 0.7 М1_-........

■ 0.6 ми............ * . 1 1 1 1 1

-2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 энергия относительно Еу (эВ)

Рис.4. Ионизационная энергия ф границ раздела Сб/51( 100)2x1 и ВаУ81(100)2х1 как функция покрытия; спектры поверхностной фотоэмиссии, приведенные к вершине валентной зоны Е\, для границы раздела Са/51(100)2х1 при различных покрытиях, пунктирными линиями показаны сдвиги индуцированных зон С[ и Сг-

&-орбиталей валентных электронов Ся или Ва, т.е. о преимущественно ковалентном характере адсорбционной связи в широком диапазоне субмонослойных покрытий.

и

В Заключении сформулированы основные результаты:

1. Метод ПФС, основанный на использовании е- и р-поляризованного света для возбуждения объемной и поверхностной фотоэмиссии в пороговой области, разработан и впервые применен для исследования электронных свойств границ раздела металл/полупроводник в сверхвысоком вакууме т эИи. Получены детальные спектры поверхностной фотоэмиссии для границ раздела Сб/81(1 11)7x7, Сб/81(100)2х1, В а/8 ¡(100)2x1 и Ва^О 11)7x7 в широком диапазоне субмонослойных покрытий; определены фотоэмиссионные пороги при возбуждении б- и р-поляризованным светом как функции субмонослойного покрытия. Определена ионизационная энергия как функция субмонослойного покрытия и степень покрытия 0^,, соответствующего минимальной ионизационной энергии для границ раздела Сэ/81(111)7x7, Сз/81(100)2х1, В а/81(100)2x1.

2. Граница раздела 0.5/81(111)7x7 исследована в диапазоне покрытий 0.3 МЬ < 0^5 <1.0 МЬ. Определена минимальная ионизационная энергия Фшш =1.63+0.01 эВ и минимальная работа выхода фт„ =1.45+0.01 эВ, оценено покрытие бщщ ~ 0,6 МЬ. Электронная структура границы раздела Сэ/БК 111)7x7 имеет металлический характер во всем исследованном диапазоне покрытий. Обнаружена индуцированная поверхностная зона на уровне Ферми, проанализирована плотность поверхностных состояний на Ей как функция покрытия. Наблюдается пинниг уровня Ферми при покрытии 0,и1г

3. Граница раздела Ва/81(111)7x7 исследована в диапазоне покрытий 0.3

< бва < 2.5 0тщ. Определена фтш =1.98±0.01 эВ. Адсорбционная связь носит преимущественно ковалентный характер. При 0в3 < 0.3 происходит поверхностный переход типа металл-изолятор вследствие локализации заряда в связи Ва-Бь Граница раздела имеет электронную структуру полупроводникового типа во всем исследованном диапазоне покрытий. Обнаружены две индуцированные зоны с дублетной структурой, расположенные ниже вершины валентной зоны Еу

4. Граница раздела Сз/81(100)2х1 исследована в диапазоне покрытий 0.4 МЬ < Всэ < 1.5 МЬ. Определена фтш =1.32±0.01 эВ, оценено покрытие 6щ1п ~ 1-0 МЬ. Электронная структура границы раздела имеет полупроводниковый характер во всем исследованном диапазоне покрытий. Обнаружены две индуцированные зоны ниже вершины валентной зоны Еу, соответствующие адсорбции Сэ на неэквивалентные адсорбционные места на поверхности 81(100)2x1. Разность в энергиях связи индуцированных зон составляет -0.1 эВ при монослойном покрытии.

5. Граница раздела Ba/Si(100)2xl исследована в диапазоне покрытий 0.2 ML < 9Ва < 1.5 ML. Определена фтш =2.15+0.01 эВ, оценено покрытие Qmin ~ 1.0 ML. Электронная структура границы раздела имеет полупроводниковый характер. Обнаружены две индуцированные зоны ниже вершины валентной зоны Ev, соответствующие адсорбции Ва на неэквивалентные адсорбционные места. При 6Ва -1.0 ML разность в энергиях связи индуцированных зон составляет -0.1 эВ.

6. Показано, что процессы формирования границы раздела при адсорбции Cs и Ва в субмонослойном режиме на поверхностях Si(100)2xl и Si(l 11)7x7 являются существенно различными. Электронные свойства границ раздела Cs/Si(l 00)2x1 и Ba/Si(100)2xl определяются в основном свойствами подложки, полученные результаты поддерживают модель «двойного слоя». Электронные свойства границ раздела Cs/Si(l 11)7x7 и Ba/Si(l 11)7x7 зависят преимущественно от электронной структуры адсорбата.

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих

публикациях:

1. Benemanskaya G.V., Daineka D.V., Frank-Kamenetskaya G.E. Near-Fermi Level Surface Structure of the Ba/Si(l 11)7x7 Interface at Submonolayer Coverage // 13th International Vacuum Congress/9th International Conference on Solid Surfaces, Japan, 1995, Abstracts, p.430.

2. Benemanskaya G.V., Daineka D.V., Fraser G.W., Lapushkin M.N. The Nature of Surface Photoemission and Vectorial Photoelectric Effect for the K/Si(l 11)7x7 System // 13th International Vacuum Congress/9th International Conference on Solid Surfaces, Japan, 1995, Abstracts, p.431.

3. Benemanskaya G.V., Daineka D.V., Frank-Kamenetskaya G.E. Electronic Structure of Cs and Ba Overlayers on the Si(l 11)7x7 Surface // 2th International conference "Physics of Low-Dimensional Structures", Dubna, Russia, 1995, Abstracts p.49.

4. Benemanskaya G.V., Daineka D.V., Frank-Kamenetskaya G.E. Electronic Structure of Cs and Ba Overlayers on the Si(l 11)7x7 Surface // Phys.Low-Dim. Struct. 1995, v.10/11, p.233.

5. Benemanskaya G.V., Daineka D.V., Frank-Kamenetskaya G.E. Electronic Structure of the Ultrathin Cs/Si(100)2xl and Cs/Si(l 11)7x7 Interfaces in the Threshold Energy Region // 5th Intern. Conf. on Structure of Surfaces, France, 1996, Abstract Th.069.P6.

6. Benemanskaya G.V., Daineka D.V., Frank-Kamenetskaya G.E. Adsorption of Ba on the Si(l 11)7x7 and Si(100)2xl Surfaces // 16th European Conf. on Surface Science, Genova, Italy, 1996, Abstract TuA15.45.

7. Андронов А.Н., Бенеманская Г.В., Дайнека Д.В., Франк-Каменецкая Г.Е. Электронная структура и адсорбционные свойства системы Cs/0/W(l 10) // ФТТ 1997, т.39, стр.1683-1686.

8. Бенеманская Г.В., Дайнека Д.В., Франк-Каменецкая Г.Е. Электронная структура ультратонких Cs покрытий на поверхности Si(100)2xl // Письма в ЖЭТФ 1997, т.65, вып.9, стр.699-702.

9. Benemanskaya G.V., Daineka D.V., Frank-Kamenetskaya G.E. Effect of Cs Adsorption on the W(110) Surface with a Small Amount of Oxygen // Proc. 4th Nordic Conference on Surface Science, Alesund, Norway, May, 1997, p. 150-151.

10.Benemanskaya G.V., Daineka D.V., Frank-Kamenetskaya G.E. Electronic Structure of the Ultrathin Cs/Si(100)2xl and Cs/Si(l 11)7x7 Interfaces in the Threshold Energy Region // Surf. Rev. Lett. 1998, v.5, Nol.

11 .Бенеманская Г.В., Дайнека Д.В., Франк-Каменецкая Г.Е. Электронная структура и локальные взаимодействия на поверхности Si( 100)2x1 с субмонослойными пленками Ва // ЖЭТФ 1998, будет опубликовано.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Magnusson К.О., Reihl В. Development of the surface electronic structure of К and Cs overlayers on Si(l 11)7x7 // Phys. Rev. В 1990, v.41, p.12071-12075.

2. Soukiassian P. Alkali metal on semiconductor surfaces: electronic, structural and catalytic properties // In Physics and chemistry of alkali metal adsorption edited by Bonzel H.P., Bradshaw A.M:, Ertl G. (Elsevier, Amsterdam, 1989), p.449.

3. Abukawa Т., Kono S. Photoelectron diffraction and Low energy electron diffraction studies of Cs, K7Si(001) surface. // Surf. Sci. 1989, v.214, p.141-148.

4. Бенеманская Г.В., Лапушкин M.H., Урбах М.И. Возможности пороговой фотоэмиссии для изучения поверхностных состояний субмонослойных металлических пленок // ЖЭТФ 1992, т.102, вып. 5(11), стр. 1664-1673.

Лицензия ЛР № 020593 от 9.08.97

Подписано в печать^V.i?.i/.Объем в п.л. 1.0 . Тираж -fOO . Заказ № ЧЪ%> ■

Отпечатано в Издательстве СПбГТУ 195251, Санкт-Петербург,Политехническая ул.. 29