Исследование магнитных поверхностей и напряженных структур методами спектроскопии поляризованных электронов

Галактионов, Михаил Сергеевич

Исследование магнитных поверхностей и напряженных структур методами спектроскопии поляризованных электронов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Галактионов, Михаил Сергеевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2000 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Исследование магнитных поверхностей и напряженных структур методами спектроскопии поляризованных электронов»

Автореферат диссертации на тему "Исследование магнитных поверхностей и напряженных структур методами спектроскопии поляризованных электронов"

На правах рукописи

РГБ

3 О МАЙ 2300

ГАЛАКТИОНОВ Михаил Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ И НАПРЯЖЕННЫХ СТРУКТУР МЕТОДАМИ СПЕКТРОСКОПИИ ПОЛЯРИЗОВАННЫХ ЭЛЕКТРОНОВ

Специальность 01.04.07 - физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2000

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном Техническом Университете

Научные руководители: доктор физико-математических наук,

профессор Ю. А. Мамаев кандидат физико-математических наук, доцент В. Н. Петров

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

доцент В. М. Уздин кандидат физико-математических наук, профессор А. Н. Андронов Ведущая организация: Российский Государственный Педагогический

Университет им. А.И. Герцена

Защита состоится "14" июня 2000 г. в часов на заседании диссертационного Совета К 063.38.13 при Санкт-Петербургском Государственном Техническом Университете по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул. 29, II корпус, ауд. 365.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке СПбГТУ.

Автореферат разослан "12" мая 2000 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета доктор физико-математических наук,

профессор /; Ю.Ф. Титовец

&ЗУУ. 3-/03

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Пучки поляризованных по спину электронов находят широкое применение в различных областях физики, таких как атомная физика, физика высоких энергий, исследование магнетизма поверхностей и тонких пленок. В атомной физике активно развивается область исследований, основанная на экспериментах по спин-зависимому неупругому рассеянию электронов на атомах. В физике высоких энергий источники поляризованных электронов (ИПЭ) используются, в частности, для исследования явления нарушения четности при рассеянии поляризованных электронов, при изучении параметров слабого взаимодействия и нейтральных токов. В физике твердого тела интерес концентрируется в основном на изучении магнитных свойств. Фотоэлектронная спектроскопия с разрешением по энергии, углу и спину, спектроскопия спин-поляризованных электронов наряду со спин-поляризационной инверсной фотоэмиссией являются наиболее Мощными инструментами при исследовании поверхностного магнетизма, ас также магнетизма тонких пленок. С одной стороны, это связано с развитием технологий, позволяющих создавать магнитные системы с: контролируемой точностью и возможностью их практического использования в микроэлектронике, с другой - с открытием новых физических закономерностей, приводящих к иному взгляду на саму природу магнетизма. Данная работа посвящена совершенствованию методов получения и регистрации поляризованных электронов и анализу магнетизма поверхности монокристалла Ре№з-

Целями работы являются: 1) экспериментальное исследование фотокатодов с напряженными слоями ваАз, СаАэР, АПпСаА.ч с различными составами и толщинами рабочего слоя с целью создания высокоэффективных эмиттеров для источника поляризованных электронов; 2) исследование намагниченности поверхности (110) монокристалла Ре№з в широком диапазоне температур методом спектроскопии поляризованных электронов. В связи с этим, в данной работе необходимо было решить следующие задачи:

1. Исследовать спектральные зависимости поляризации и квантового выхода фотоэмитгеров с напряженными гетероструктурами различных типов: СаАБ/СаАБР; ОаАэ^ хРх/ОаАз 1_уРу; ТпОаАз/ваАз; АИпОаАз/АЮаАз с варьируемыми составами и толщинами рабочего слоя.

2. Создать экспериментальную установку, позволяющую в условиях сверхвысокого вакуума: а) обеспечивать и контролировать чистоту поверхности твердотельных образцов; б) исследовать поверхностную намагниченность различных материалов методом электронной спектроскопии с анализом по спину.

3. Разработать и изготовить компактный высоковольтный анализатор поляризации электронов - детектор Мотта, совместимый с серийной сверхвысоковакуумной установкой УСУ-4.

4. Создать теоретическую модель, позволяющую рассчитывать асимметрию, возникающую при многократном рассеянии поляризованных электронов на поликристаллической мишени.

5. Исследовать намагниченность поверхности (110) монокристалла FeNij в широком диапазоне температур методом спин-поляризационной вторично-электронной спектроскопии.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые:

- исследована фотоэмиссия поляризованных электронов из напряженных слоев GaAsP и AlInGaAs. Установлено, что GaAsP структуры позволяют изготавливать фотокатоды с поляризацией электронного пучка до 84% и высоким квантовым выходом при комнатной температуре. Четверные слои AlInGaAs дают уникальную возможность независимо изменять как ширину запрещенной зоны, так и степень напряжения в слое;

разработана теоретическая модель упругого рассеяния поляризованных электронов на поликристаллической мишени (с учетом многократных столкновений), позволяющая рассчитывать возникающую при таком взаимодействии асимметрию рассеяния;

- предложен новый способ самокалибровки высоковольтных анализаторов спиновой поляризации электронов без задерживающего поля, работающих с поверхностно-барьерными детекторами;

- методом вторично-электронной спектроскопии с анализом по спину исследована намагниченность поверхности (110) монокристалла FeNij в широком температурном диапазоне;

- установлено, что намагниченность поверхности в определенном диапазоне температур меняет свое направление и возникает антиферромагнитное упорядочение поверхности относительно объема;

- предложена качественная модель, описывающая магнитные свойства поверхности (110) FeNi3, основанная на ферримагнитном взаимодействии подрешеток Fe и Ni.

Практическое значение работы.

1. Результаты исследования фотоэмиссии поляризованных электронов из напряженных слоев GaAsP позволили создать фотоэмиттеры с поляризацией 84% и высоким квантовым. выходом при комнатной температуре. Четверные соединения AlInGaAs позволяют независимо варьировать степень напряжения в рабочем слое и ширину запрещенной зоны, что дает возможность подстраиваться под длину волны коммерческих лазеров. GaAsP фотокатод, используемый на ускорителе MAMI (Mainz Microtron, Майнц, Германия) в экспериментах по физике высоких энергий, позволил получить электронный пучок с поляризацией 75% и током 20 мкА при времени жизни более 1000 часов.

2. Создана экспериментальная установка, позволяющая выполнять широкий класс исследований методами спектроскопии поляризованных электронов.

3. Разработан, сконструирован и изготовлен высокоэффективный 60 кВ анализатор поляризации электронов без задерживающего поля с высокой стабильностью измеряемой асимметрии рассеяния как во времени, так и по отношению к положению входного анализируемого электронного пучка. Данный поляриметр позволяет в условиях сверхвысокого вакуума проводить экспериментальные исследования твердотельных образцов методами электронной спектроскопии со спин-поляризационным анализом.

4. Предложенная методика самокалибровки детектора Мотта может быть использована в аналогичных высоковольтных детекторах спиновой поляризации электронов без задерживающего поля, работающих с поверхностно-барьерными детекторами.

5. Экспериментальные данные, полученные при исследовании монокристалла FeNi3, имеют важное значение для понимания природы магнетизма поверхности бинарных соединений. Подобная информация, получаемая методом спектроскопии поляризованных электронов, может быть использована для совершенствования технологии изготовления тонких пленок для систем магнитной записи.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Напряженные слои GaAsP и AlInGaAs являются эффективными и стабильными фотокатодами с варьируемыми параметрами.

2. Экспериментальная установка, оснащенная компактным 60 кВ детектором Мотта, позволяющая в условиях сверхвысокого вакуума проводить исследования магнитных свойств поверхности различных образцов методами электронной спектроскопии с анализом по спину.

3. Методика самокалибровки высоковольтного детектора Мотта без задерживающего поля, оснащенного поверхностно-барьерными детекторами, позволяет определять эффективную функцию Шермана подобных поляриметров. С увеличением уровня дискриминации значение измеряемой асимметрии стремится к своему теоретическому значению для данной геометрии и энергии рассеяния.

4. Теоретическая модель упругого взаимодействия поляризованных электронов с неупорядоченной немагнитной мишенью, позволяющая в приближении малоуглового многократного рассеяния рассчитывать возникающую при таком взаимодействии асимметрию рассеяния. Расчет, выполненный для случая упругого рассеяния поляризованных электронов поликристаллическим золотом при энергии 63 кэВ.

5. Экспериментальные данные по магнетизму поверхности (110) FeNi3 в широком температурном диапазоне и качественная модель, описывающая поведение намагниченности поверхности FeNi3.

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Х1-Всесоюзной конференции по физике электронных и атомных столкновений (Чебоксары, 1991), конференции "Оксидные магнитные материалы, элементы, устройства и применение" (С.-Петербург, 1992), I Российской конференции по физике полупроводников (Н. Новгород, 1993), на международных конференциях: "Int. Workshop on Polarized beams and Polarized Gas Targets" (Кельн, Германия, 1995), European Research Conference "Polarization in electron scattering" (Санторин, Греция, 1995), "9th International Vacuum Microelectronics Conference" (Санкт-Петербург, Россия, 1996), "9-th International Conference of Solid Surfaces" (Йокогама, Япония, 1995), "16-th European Conference on Surface Science - ECOSS 16" (Генуя, Италия, 1996), "17-th European Conference on Surface Science -ECOSS 17" (Енхеде, Голландия, 1997), "Low Energy Polarized Electron Workshop LE-98" (С.-Петербург, Россия,1998), "18-th European Conference on Surface Science - ECOSS 18" (Вена, Австрия, 1999).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Полный объем диссертации составляет 133 страницы, включая 38 рисунков и список цитируемой литературы из 118 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы исследования, сформулированы цели и задачи работы, изложены основные результаты, их научная и практическая значимость, приведены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер. В первом параграфе рассмотрено возникновение оптической ориентации в кристаллах GaAs. При облучении таких кристаллов циркулярно поляризованньм светом с энергией фотонов, близкой к порогу поглощения, фотоэлектроны, образовавшиеся в зоне проводимости, оказываются поляризованными. Знак их поляризации определяется направлением круговой поляризации возбуждающего света. Максимум валентной зоны GaAs в Г-точке 4-х кратно вырожден из-за смешивания состояний легких и тяжелых дырок. Правилами отбора определяется максимально возможное теоретическое значение степени поляризации электронов в момент рождения: 50%.

Основным недостатком катодов на основе кристаллов GaAs является небольшая величина поляризации, а достоинством - высокий квантовый выход. Для фотокатодов с отрицательным электронным сродством на основе GaAs типичное значение квантового выхода

составляет 1% при поляризации менее 40%. Поскольку основная причина невысокой степени поляризации электронов, эмиттируемых из полупроводников типа А3В5, заключается в вырождении энергетических уровней максимума валентной зоны, то при снятии вырождения становятся возможными переходы только из подзон тяжелых или легких дырок, что потенциально приводит к росту поляризации эмиттируемых вблизи порога рождения фотоэлектронов до значений, близких к 100%.

Во втором параграфе рассматриваются структуры с напряженными слоями, где за счет рассогласования постоянных решетки между рабочим и буферным слоями в рабочем слое возникает деформация. За счет этого симметрия кубической решетки GaAs понижается до тетрагональной, что приводит к снятию вырождения в Г-точке зоны Бриллюэна. При создании структур с тонкими напряженными слоями постоянная решетки буферного слоя а0 выбирается меньше, чем постоянная решетки рабочего слоя а. Вследствие этого рабочий слой оказывается сжатым в плоскости раздела и растянутым вдоль нормали к поверхности. Деформация приводит к тому, что подзоны тяжелых и легких дырок неодинаково сдвигаются по энергии и между ними возникает расщепление, которое пропорционально приложенному напряжению.

В обзоре приведены результаты исследований фотоэмиссии поляризованных электронов из напряженных слоев InxGai_xAs, выращенных на буферном слое GaAs. Максимальная степень поляризации электронов составляла 71%. Были также созданы и исследованы подобные структуры с использованием тонких пленок InGaAs на GaAs(lOO) (Р=80%), GaAs на GaAsP (Р=90%), AlInGaAs на AlGaAs(lOO) (Р=74%) и GaAsP на GaAsP(lOO) (Р=72%).

Третий параграф посвящен обзору имеющихся в мире детекторов спиновой поляризации электронов, работа которых основана на мотговском рассеянии. В высоковольтных детекторах Morra анализируемый пучок электронов ускоряется до энергии ~ 100+120 кэВ, а рассеянные электроны регистрируются двумя детекторами, расположенными под углами ±120°. В результате взаимодействия спина электрона с его орбитальным моментом эффективное сечение рассеяния для электронов с противоположными спинами оказывается различным. Иными словами, в результате спин-орбитального взаимодействия возникает лево-правая асимметрия рассеяния А, которую можно определить как нормированную разность между сигналами левого Л^ и правого Мц детекторов:

A = (Nl-Nr)/(Nl + Nr) (1)

В этом случае поляризация пучка определяется как

(2)

где - эффективная функция Шермана, т. е. асимметрия, которая должна наблюдаться при 100%-ной поляризации пучка электронов.

Для получения абсолютной величины поляризации необходимо определить Seg путем независимого измерения либо, экстраполируя каким-либо образом значения измеряемой асимметрии к случаю однократного рассеяния, воспользоваться теоретическими расчетами.

В обзоре приведены основные параметры различных типов моттовских поляриметров и даны их сравнительные характеристики. На основании приведенных данных сделан вывод, что одним из наиболее предпочтительных является высоковольтный сферически симметричный поляриметр без задерживающего поля.

Четвертый параграф литобзора посвящен анализу экспериментальных и теоретических работ, посвященных использованию электронной спектроскопии с анализом по спину для изучения поверхностной намагниченности. Показано, что информация о магнетизме поверхности закодирована исключительно в асимметрии рассеяния (или в поляризации эмиттируемых электронов, если первичный пучок не поляризован). Из обзора следует, что в ряде случаев намагниченность поверхности может сильно отличаться от объемной как по абсолютной величине, так и по характеру температурной зависимости.

В процессе настоящей работы измерения производились на двух экспериментальных установках. В первом параграфе второй главы описывается установка М-24 с источником поляризованных электронов и ДМЭ-детектором спиновой поляризации, на которой проводились исследования полупроводниковых фотокатодов, а также калибровка детектора Мотта с использованием электронного пучка известной поляризации.

Второй параграф данной главы посвящен описанию экспериментального комплекса для исследования поверхностного магнетизма методами электронной спектроскопии с анализом по спину, собранного на основе универсальной сверхвысоковакуумной установки УСУ-4. Очистка поверхности исследуемых образцов осуществлялась ионным травлением в атмосфере аргона с последующим отжигом при различных температурах. Для контроля качества поверхности методом электронной Оже-спектроскопии был разработан и изготовлен двухпролетный анализатор типа "цилиндрическое зеркало" с большим фокусным расстоянием (40 мм) и относительным разрешением ~0,8%. Во время измерений поддерживался вакуум не хуже 1-Ю"10 Topp. Давление в камере измерялось вакууметром фирмы Varían с датчиком Баярда-Альперта. Откачка системы осуществлялась в три этапа: форвакуумный механический насос SD-40 фирмы Varían с азотной ловушкой, затем цеолитовые сорбционные насосы и на последнем этапе магниторазрядный насос НМД-0,4-1. Во время ионной очистки образца в атмосфере аргона дополнительно использовался турбомолекулярный насос Turbo-V 150НТ фирмы Varían для обеспечения стабильного уровня давления по аргону, чего невозможно добиться с помощью

магниторазрядного насоса. Для анализа остаточных газов использовался анализатор парциальных давлений масс АПДМ-1.

Исследование магнитных свойств приповерхностной области образца осуществлялся с помощью магнетооптического эффекта Керра. Для анализа по спину рассеянных на намагниченной поверхности электронов использовался специально разработанный и сконструированный 60 кВ компактный сферически симметричный детектор Мотта без задерживающего поля, подробно описанный в четвертой главе данной работы. Большинство узлов установки и вся система измерений автоматизированы.

В третьем параграфе описана методика очистки и контроля качества поверхности монокристалла FeN¡3, а также приведены типичные Оже-спектры, записанные на различных стадиях очистки образца.

В третьей главе представлены результаты исследования фотоэмиссии поляризованных электронов из напряженных слоев GaAs, GaAS]_JPx, Ino,i5Gao,85As и (Alo,3Gao,7)o,85lno,i5As. В первом параграфе подробно описываются структуры фотокатодов, условия выращивания и методы контроля параметров образцов. Все исследованные структуры были выращены методом МОС-гидридной эпитаксии, и для них характерны две важные особенности:

- постоянная решетки подложки (а0) меньше, чем у эпитаксиального слоя {а), таким образом, рабочий слой оказывается сжатым в плоскости, параллельной плоскости раздела и растянутым в направлении нормали к поверхности. Растягивающее напряжение вдоль направления нормали сдвигает зону тяжелых дырок вверх, а зону легких дырок - вниз по энергии, что приводит к расщеплению уровней на величину 5 и возможности селективного возбуждения электронов.

- ширина запрещенной зоны подложки больше, чем в эпитаксиальном слое. Таким образом, вблизи края фотопоглощения эмиттируются электроны только из напряженного слоя.

Исследования AlGalnAs/AlGaAs гетероструктур, проведенные с помощью электронной микроскопии на просвет и рентгеновской дифрактометрии, показали, что релаксация упругих деформаций зависит от начальных условий роста рабочего слоя, которые определяются типом буферного слоя. Полученные данные свидетельствуют о том, что промежуточные слои с согласованной постоянной решетки существенно влияют на процесс эпитаксиального роста. Они значительно уменьшают начальную плотность структурных дефектов и, следовательно, подавляют процессы релаксации упругих деформаций в напряженных структурах.

Во втором параграфе главы представлены спектральные зависимости поляризации и квантового выхода исследованных фотоэмиттеров с напряженными слоями.

На рис. 1 показаны зависимости поляризации и квантового выхода от энергии возбуждающего света для структуры GaAso.gsPo.os/GaAso.esPo^ с

толщиной рабочего слоя 140 нм и промежуточным слоем со сверхрешеткой. Максимальное значение поляризации Ртах=83,8% при /п>0=1,52 эВ и соответствующем квантовом выходе У=2-10~4. Из ¡графика хорошо видны характерные черты кривых .Рфу) и Г (Ьу), т.е. резкое возрастание Р вблизи порога оптического поглощения благодаря деформации растяжения вдоль нормали к поверхности и последующее уменьшение поляризации, когда Ьу >Ег\ + 5. Вид кривых Р(Ьу) и У (Ьу) в основном такой же, как и для ОаАБ напряженных слоев. Основное отличие заключается в том, что эмиссия из буферного слоя (начинается при йу=£К2=1,81 эВ) не оказывает значительного влияния на обе зависимости Р{Ьу) и 7(Ьу). Мы предполагаем, что для этих образцов скорость рекомбинации на границе раздела между рабочим и буферным слоями значительно меньше, чем на поверхности, и инжекция электронов из буферного слоя незначительная.

lgY

-1 -2 -3

-4

-5 -6

а'1*

| \

á о»

J \

р,% 100

80 60

40 20 0

1,2 1,4 1,6 1,8 2.0 2,2

энергия фотонов, эВ

Рис. 1. Поляризация Р (точки) и квантовый выход Г (кружки) как функции энергии фотонов для образца СаАво^Ро.ОБ/СаАво,68^0,32 при комнатной температуре. Ширина запрещенной зоны напряженного слоя £е|=1,52 эВ; буферного слоя Е^ =1,81 эВ.

С точки зрения практического применения GaAso,95Po,o5 фотокатод имеет то преимущество, что у него максимум поляризации совпадает с длиной волны AlGaAs лазера hv0 - 1,53 эВ (X = 808 нм), позволяя использовать такие лазеры в комбинации с GaAsP напряженными слоями. Кроме того, фотоэмиттеры с напряженным GaAsP слоем обладают высокой временной стабильностью.

В данной работе впервые исследованы эмиссионные характеристики слоев /»-типа (А1о,зОа0>7)о,851По,15Аз, выращенных на буферном слое (100) АЬдОаозАэ р-типа. Особенностью гетероструктуры с непрямозонным промежуточным слоем А1о,7Са0>зА5 является то, что можно изучать эмиссию исключительно из слоя. При этом, изменяя количество алюминия и (или) индия в рабочем слое, можно раздельно исследовать влияние ширины запрещенной зоны слоя или внутренних напряжений в нем на поляризацию и квантовый выход. Основной недостаток такого слоя -наличие алюминия и, следовательно, опасность образования его трудноудаляемых окислов. Однако этот минус может быть устранен путем нанесения тонкого (менее 10 нм) защитного слоя арсенида галлия.

Четвертая глава посвящена описанию конструкции, испытаний и калибровки 60 кВ детектора Мотта. Для получения достоверных данных о значении эффективной функции Шермана любого моттовского поляриметра необходимо учитывать многократное упругое рассеяние, а также вклад в асимметрию неупругоотраженных электронов.

В первом параграфе четвертой главы приведен теоретический расчет асимметрии, возникающей при упругом рассеянии поляризованных электронов с энергией 63 кэВ на поверхности поликристаллического золота с учетом кратности столкновений электронов с атомами мишени. Выбор энергии 63 кэВ обусловлен совпадением с рабочим потенциалом детектора Мотта (~60 кВ).

Представленный расчет проводился в приближении малоуглового многократного рассеяния. При этом предполагалось:

1. Акты упругого рассеяния происходят независимо друг от друга на отдельных атомах, входящих в твердое тело, а дифференциальные сечения и возникающие асимметрии рассеяния на концентрированных и изолированных атомах одинаковы. Ввиду отсутствия экспериментальных данных использовались теоретические значения дифференциальных сечений ¿ст(б)/сЮ и асимметрий А (в) упругого рассеяния на свободных атомах золота при энергии первичного электронного пучка 63 кэВ.

2. Интенсивность пучка электронов, не потерявших первичную энергию .Ер, при движении в веществе непрерывно уменьшается и определяется коэффициентом затухания X.

Использование малоуглового приближения оправдано тем, что величина дифференциального сечения очень резко спадает с ростом угла рассеяния. В этом приближении интенсивность электронов, испытавших двукратное рассеяние, равна:

где /0 - начальная интенсивность, 63 - угол рассеяния электронов, ©1 и б2 — большой и малый промежуточные углы рассеяния, р - атомная плотность, а и у - углы падения и выхода электронов относительно нормали к

(3)

мишени. Асимметрия, образующаяся при двукратном рассеянии, вычислялась по формуле:

АЖ)"

с1а(в2) da(et) dQ dQ

Л,(0,)со$&К2:

•'í

da(02) do(0;) dQ. dQ

(4)

где сомножитель са9 учитывает случай промежуточного рассеяния в плоскости, непараллельной плоскости зеркального отражений пучка.

Результаты расчета, выполненного с использованием численного интегрирования на ЭВМ для двукратного (и более - до пятикратного) рассеяния, показали, что увеличение кратности рассеяния при энергии первичных электронов 63 кэВ практически не влияет на значения асимметрии.

Во втором и третьем параграфах четвертой главы описаны конструкция компактного сферически симметричного 60 кВ детектора Мотта спиновой поляризации электронов без задерживающего поля, процедура испытаний и калибровки детектора с использованием электронного пучка с известной поляризацией. Схема поляриметра представлена на рис, 2.

входной пучок входная диафрагма внешняя полусфера внутренняя полусфера 4 ПБД

30 кВ-

60 кВ

-золотая фольга . вакуумный электрический ввод

>я ~ 4 предусилителя

керамические изоляторы

- дюралевый кожух

4 дискриминатора и 'формирователя оптического сигнала

волоконная оптика

Рис. 2. Схема 60 кВ детектора Мотта.

Основными компонентами анализатора являются две металлические полированные полусферы с общим центром. Внешняя полусфера работает при потенциале "земли" или близком к нему. На внутреннюю полусферу подается потенциал около 60 кВ. Электронный пучок, поляризацию

которого требуется определить, направляется в область между полусферами через входную диафрагму с круглым отверстием. Двигаясь в сильном ускоряющем сферическом поле, он попадает во внутреннюю полусферу через 4 мм отверстие с сеткой для исключения провисания силовых линий электрического поля. Расчеты траекторий электронов показывают, что такое поле хорошо фокусирует входящий пучок. Внутри малой полусферы установлены четыре поверхностно-барьерных детектора (ПБД) с большой рабочей поверхностью «1,5 см2 каждый, золотая фольга и направляющие диафрагмы. После рассеяния на фольге электроны проходят через диафрагмы и регистрируются ПБД.

При анализе асимметрии рассеяния необходимо селектировать отраженные электроны по энергии, поскольку максимальная асимметрия возникает при упругом отражении. Для такой селекции в данном поляриметре использовались кремниевые ПБД, амплитуда импульсов на выходе которых пропорциональна энергии падающих электронов. После усиления и дискриминации этих импульсов на определенном уровне частоту их следования можно считать пропорциональной числу упруго отраженных электронов.

Калибровка поляриметра производилась с использованием пучка поляризованных по спину электронов с известной величиной /*=(35+2)%. Асимметрия определялась по формуле (1), где Л\, и Л^-скорости счета в канале при изменении направления поляризации падающего пучка. Вычисленная из формулы (2) эффективная функция Шермана SeS составила величину «0,16.

В данной работе был предложен и проверен новый метод самокалибровки поляриметра, основанный на экстраполяции измеряемой асимметрии рассеяния к высокому уровню дискриминации. Идея метода основывается на том, что при значительном увеличении уровня дискриминации регистрироваться будут преимущественно электроны, испытавшие упругое рассеяние. Т. о., поделив величину асимметрии, измеряемой при высоком уровне дискриминации (при достижении насыщения асимметрии), на теоретическое значение функции Шермана, рассчитанное для случая одноатомного рассеяния при данной энергии, можно вычислить степень поляризации электронного пучка.

Совпадение результатов самокалибровки поляриметра с данными, полученными при калибровке с использованием электронного пучка известной поляризации, показало справедливость данного метода. Предложенная методика самокалибровки детектора Мотта может быть использована в аналогичных высоковольтных детекторах спиновой поляризации электронов без задерживающего поля.

В пятой главе изложены результаты исследований намагниченности поверхности (ПО) монокристалла FeNi3 методом вторично-электронной спектроскопии с анализом по спину. Образец, выполненный в виде рамки со сторонами, параллельными осям легкого намагничивания [111] данного

кристалла, облучался пучком неполяризованных электронов с энергией £р=600 эВ. Известно, что поляризация вторичных электронов, покидающих твердое тело, пропорциональна его намагниченности. А поскольку глубина выхода вторичного пучка при таких энергиях невелика, то можно говорить о поверхностной чувствительности данного метода. Величина поляризации измерялась с помощью высоковольтного детектора Мотта. Магнетооптический эффект Керра, идея которого заключается в повороте плоскости поляризации линейно поляризованного света при отражении от магнитной мишени, использовался для анализа объемных магнитных свойств кристалла Ре№3 в тех же условиях, при которых проводились поляризационные эксперименты. Все измерения проводились в интервале температур 293+900 К и диапазоне магнитных полей ±10 Э.

Основные экспериментальные результаты приведены на рис. 3.

293 К

714 К

751 К

787 К

821К

855 К

821 К

-1,5 0 1,5

ток намагничивания, А

-1,5 -1,0 -0,5 0 0,5 1,0 1,5 ток намагничивания, А

Рис. 3. Зависимости: а) - угла вращения Керра; б) - поляризации вторичных электронов от тока намагничивания (петли гистерезиса), измеренные на кристалле Ге1% при различных температурах. Верхние пять кривых рис. а) сняты при охлаждении образца в магнитном поле. Все зависимости рис. б) измерены после охлаждения образца в магнитном поле.

На рис. 3,а представлены результаты исследования намагниченности объема FeNi3 с помощью эффекта Керра. Измерялись зависимости угла поворота плоскости поляризации света ср от величины приложенного поля (иными словами, снимались петли гистерезиса). Установлено, что после охлаждения образца (предварительно нагретого выше температуры Кюри . Тс) в отсутствие магнитного поля, петля гистерезиса при комнатной температуре имеет вид, типичный для магнитомягкого материала. Остаточная индукция составляла только ~25% от индукции насыщения, что связано со сложной многодоменной структурой данного кристалла. Однако при охлаждении в магнитном поле образец ведет себя практически как монодоменный, о чем говорит наличие прямоугольных петель гистерезиса. Измерения, выполненные с помощью эффекта Керра, позволили определить температуру Кюри (850 К), что явилось дополнительной контрольной точкой для последующих поляризационных экспериментов.

На рис. 3,6 приведены зависимости поляризации вторичных электронов от величины приложенного поля при некоторых значениях температуры. Все зависимости снимались после охлаждения образца в магнитном поле. Первое, на что следует обратить внимание, - это отсутствие гистерезиса практически при всех температурах, что характеризует поверхность FeNi3 как обладающую сложной доменной структурой с чрезвычайно магнитомягкими свойствами. Видно, что при комнатной температуре намагниченность возрастает с ростом поля и достигает насыщения при токе намагничивания ~1 А, что примерно соответствует объемным данным, полученных с помощью эффекта Керра. При температуре, превышающей Тс объема, поляризация оказалась равной нулю во всем диапазоне приложенного магнитного поля. Отсюда следует вывод, что Тс объема совпадает с температурой магнитного фазового перехода на поверхности. Наиболее интересное поведение наблюдается при температурах, близких к температуре Тс. Из рис. 3,6 видно, что существует диапазон температур, внутри которого поляризация вторичных электронов при значении токов намагничивания 0,5-^1,5 А становится отрицательной. Таким образом, при некоторых температурах и в достаточно слабых магнитных полях намагниченность поверхности относительно объема меняет направление и становится антиферромагнитной. Дальнейший рост магнитного поля при этих температурах приводит к изменению направления намагниченности поверхности и к возникновению ферромагнитного упорядочения между поверхностью и объемом. Заметим, что при приближении к Тс антиферромагнитное взаимодействие между поверхностью и объемом не наблюдается ни при каких значениях магнитного поля.

В работе предложена качественная модель, объясняющая магнитные свойства поверхности FeN^. Согласно этой модели, моменты атомов Fe на

поверхности, вследствие отрицательного обмена, направлены навстречу друг другу, а результирующий момент этих поверхностных подрешеток связан слабым антиферромагнитным взаимодействием с объемом кристалла и атомами №. При росте температуры намагниченность подрешетки никеля достаточно быстро уменьшается, что при некоторой Т приводит к намагниченности поверхности, направленной вдоль момента подрешеток железа.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы, полученные в диссертации.

1. Экспериментально исследованы спектральные зависимости поляризации и квантового выхода фотоэмиттеров с напряженными гетероструктурами различных типов: ОаАзЛЗаАзР; ваАз 1-хРх/СаАз 1 _УРУ; ГлваАз/ваАз; АНпОаАэ/АЮаАз с различными составами и толщинами рабочих слоев. Установлено, что СаАяР структуры позволяют получать электронные пучки с поляризацией до 84% и высоком квантовом выходе при комнатной температуре. Использование четверных соединений ЛПпОаАБ позволяет независимо изменять как степень напряжения в слое, так и ширину запрещенной зоны. Это существенно расширяет возможности указанных структур при использовании их в источниках поляризованных электронов.

2. Создана экспериментальная установка, оснащенная компактным сферически симметричным 60 кВ детектором Мотта без задерживающего поля, позволяющая в условиях сверхвысокого вакуума производить контролируемую очистку поверхности исследуемых образцов и исследовать магнитные свойства поверхности методами электронной спектроскопии с анализом по спину.

3. Разработана методика расчета асимметрии, возникающей при упругом рассеянии пучка поляризованных электронов поверхностью немагнитной поликристаллической мишени с учетом многократности столкновений. Выполнен расчет для энергии электронов 63 кэВ. Показано, что при данной энергии многократное упругое рассеяние практически не изменяет величину асимметрии. Данная методика может быть использована для количественной калибровки детекторов поляризации электронов. ■ ■

4. Предложен новый способ самокалибровки высоковольтных анализаторов спиновой поляризации электронов без задерживающего поля, работающих с поверхностно-барьерными детекторами. С увеличением уровня дискриминации значение измеряемой асимметрии стремится к своему теоретическому значению для данной геометрии и энергии рассеяния. Наблюдается хорошее согласие экстраполированного значения асимметрии с результатами измерений с электронным пучком известной поляризации.

5. Методом электронной спектроскопии с анализом по спину проведено исследование температурной зависимости намагниченности

поверхности (110) FeNi3. Установлено, что поляризация вторичных электронов в определенном диапазоне температур и в слабых магнитных полях отрицательна, что говорит о смене направления намагниченности поверхности и об антиферромагнитном взаимодействии поверхности и объема.

6. Предложена качественная модель, основанная на ферримагнитных свойствах поверхностных подрешеток Fe и Ni.

Материалы диссертации опубликованы в следующих печатных материалах журналов и конференций:

1. Ю.А. Мамаев, А.Н. Мишин, В.Н. Петров, С.А. Старовойтов, М.С. Галактионов, В.Н. Яковлев, Ю.П. Яшин, "Спектроскопия поляризованных электронов", Физика элеклронных и атомных столкновений, С.-Пб., 1991, с.40.

2. Ю.А. Мамаев, В.Н. Петров, С.А. Старовойтов, М.С. Галактионов, "Магнетизм поверхности сплавов переходных металлов", Труды ЛГТУ, № 46, изд-во ЛГТУ, С.-Пб., 1991, с.59.

3. Yu.A. Mamaev, J.-C. Grobli, B.S. Yavich, Yu.P. Yashin, F. Meier, A.V. Subashiev, N.N. Faleev, M.S. Galaktionov, D. Guarisco, I.V. Kochnev, S.A. Starovoitov, A. Vaterlaus, E. Reichert, S. Plutzer, "Spin-polarised photoemission from InGaAs, AlGalnAs, GaAs and GaAsP strained layers", Proceedings of the Workshop on Photocathodes for Polarised Electron Sources for Accelerators, SLAC-432,1994, Stanford, p. 157.

4. Ю.А. Мамаев, Ю.П. Яшин, А. В. Субапгаев, C.A. Старовойтов, M.C. Галактионов, Б.С. Явич, И.В. Кочнев, Ф. Мейер, А. Ватерлаус, Ж.-К. Гребли, X. Хепп, "Фотоэмиссия поляризованных электронов из полупроводниковых структур с напряженными слоями", Известия РАН, Сер. физ., 1994, т. 58, №10, с.2.

5. Yu.A. Mamaev, Yu.P. Yashin, A.V. Subashiev, M.S. Galaktionov, B.S.Yavich, O.V. Kovalenkov, D.A. Vinokurov, N.N. Faleev, "High Polarization in Electron Photoemission from Semiconductor Heterostructures", Phys. Low-Dim. Struct., 1994, vol.7, p. 27.

6. Yu. Mamaev, Yu. Yashin, A. Subashiev, M. Galaktionov, F. Meier, J. C. Grobli, D. Oberli, B. Yavich, I. Kochnev, V. Komin, N. Faleev, N. Bert and Yu. Musikhin, "Photocathodes for Spin-Polarised Electron Source with Strained AlGalnAs Layers", Proceedings of Int. Workshop on Polarised beams and Polarised Gas Targets, 1995, Cologne, Germany, World Scientific, 1996, p. 313.

7. P. Drescher, H. G. Andresen, K. Aulenbacher, J. Bermuth, Th. Dombo, H. Euteneuer, N. Faleev, M. Galaktionov, D. V. Harrach, P. Hartmann, J. Hoffmann, P. Jennewein, K.-H. Kaiser, S. Kobis, O. Kovalenkov, H. J. Kreidl, J.Langbein, Yu.A. Mamaev, Ch. Nachtigall, M. Petri, S. Plutzer, E. Reichert, M. Schemies, H.-J. Schope, K.-H. Steffens, M. Steigerwald, A.V.

Subashiev, H. Trauther, D. A. Vinokurov, Yu. P Yashin, B. S. Yavich, "Photoemission of spin-polarised electrons from strained GaAsP", Appl. Phys., A 63,1996, p. 203.

8. V.N. Petrov, M. Landolt, M.S. Galaktionov and B.V. Yushenkov, "A new compact 60 kV Mott polarimeter for spin polarised electron spectroscopy", Rev. Sci. Instr., 68 (12), December 1997, p. 4385.

9. V.N. Petrov, M.S. Galaktionov, M. Landolt, and Yu.A. Mamaev, "New method of calibration of "conventional" Mott polarimeter", Book of Abstracts of the 17-th European Conference on Surface Science, (ECOSS 17), Enshede, the Netherlands, 1997.

10.B.H. Петров, M. Ландольт, M.C. Галактионов, Б.В. Юшенков, Ю.А. Мамаев, "Новый компактный 60 kV детектор Мотта для спин-поляризационной электронной спектроскопии", ЖТФ, 1998, т. 68, №8, с.125.

1 l.V.N. Petrov, М. Landolt, M.S. Galaktionov, Yu.A. Mamaev, "A New 60 kV Mott Polarimeter for Spin Polarised Electron Spectroscopy", Proceedings of Low Energy Polarised Electron Workshop (LE 98), St. Petersburg, Russia, 1998, p. 148.

12.V.N. Petrov, M.S. Galaktionov, K.N. Komlev, Yu.A. Mamaev, "FM - AFM transition on the surface of FeNi3", Book of Abstracts of the 18-th European Conference on Surface Science, (ECOSS 18), Vienna, Austria, 1999.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Галактионов, Михаил Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Источники поляризованных электронов на основе соединений А3В5.

1.2. Фотоэмиттеры с напряженными гетероструктурами.

1.3. Анализаторы спиновой поляризации электронов.

1.4. Исследование магнитных свойств поверхности методами спин-поляризационной электронной спектроскопии.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

2.1. Экспериментальная установка для исследования фотоэмиттеров.

2.2. Экспериментальная установка для исследования магнитных свойств поверхности.

2.3. Контроль качества поверхности образца методом электронной Оже-спектроскопии.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОЭМИТТЕРОВ НА ОСНОВЕ НАПРЯЖЕННЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР.

3.1. Разработка структуры эффективных фотокатодов.

3.2. Спектральные зависимости поляризации и квантового выхода фотоэмиттеров с напряженными слоями.

ГЛАВА 4. ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ДЕТЕКТОР МОТТА.

4.1. Расчет влияния многократности рассеяния на асимметрию упругого рассеяния электронов на поликристаллическом золоте при энергии 63 кэВ.

4.2. Конструкция 60 кэВ детектора Мотта.

4.3. Испытания и калибровка поляриметра.

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ НАМАГНИЧЕННОСТИ

ПОВЕРХНОСТИ (110) МОНОКРИСТАЛЛА Ее№3.

5.1. Описание эксперимента.

5.2. Экспериментальные результаты измерений намагниченности объема и поверхности (110) Ре№3.

5.3. Модель поведения намагниченности поверхности (110) БеМз в широком диапазоне температур.

Введение диссертация по физике, на тему "Исследование магнитных поверхностей и напряженных структур методами спектроскопии поляризованных электронов"

Пучки поляризованных по спину электронов находят широкое применение в различных областях физики, таких как атомная физика, физика высоких энергий, исследование магнетизма поверхностей и тонких пленок. В атомной физике активно развивается область исследований, основанная на экспериментах по спин-зависимому неупругому рассеянию электронов на атомах. В физике высоких энергий источники поляризованных электронов (ИПЭ) используются, в частности, для исследования явления нарушения четности при рассеянии поляризованных электронов, при изучении параметров слабого взаимодействия и нейтральных токов. Эффективные ИПЭ чрезвычайно важны для экспериментов в области ядерной физики и физики элементарных частиц, проводимых на ускорителях электронов высокой энергии. Большинство ныне действующих ускорителей, таких как: MAMI (Mainz Microtron, Mainz, Germany), SLAC или CEBAF (Thomas Jefferson National Laboratory, Newport News, USA) работают с пучками поляризованных электронов. Это же планируется для ускорителей ELSA (Electron Stretcher Accelerator, Bonn, Germany), ELFE (Electron Laboratory For Europe), CLIC (Compact Linear Collider) и NLC (Next Linear Collider). Эффективность работы ускорителей возрастает квадратично с увеличением степени поляризации пучка, поэтому основные усилия при разработке фотоэмиттеров должны быть направлены на улучшение этого параметра, однако, помимо величины поляризации, следует учитывать и другие характеристики фотокатода, такие как высокий квантовый выход в точке максимума поляризации, стабильность параметров получаемого пучка, возможность многократной активации катода и большое время жизни. Еще одним важным фактором является сохранение характеристик электронного пучка при обращении направления вектора поляризации. ИПЭ, использующие фотоэмиссию из полупроводниковых структур при возбуждении циркулярно поляризованным светом, показали себя как наиболее эффективные для подобных экспериментов. Поэтому в настоящий момент велик интерес к новым полупроводниковым структурам, которые могут послужить основой для ИПЭ, обеспечивающих пучки с большой интенсивностью, высокой степенью поляризации эмитируемых электронов и хорошей стабильностью. Этим, в том числе, определяется актуальность настоящей работы, часть которой посвящена исследованию новых типов эмиттеров и оптимизации их параметров.

В физике твердого тела интерес концентрируется в основном на изучении магнитных свойств: фотоэлектронная спектроскопия с разрешением по энергии, углу и спину, спектроскопия спин-поляризованных электронов наряду со спин-поляризационной инверсной фотоэмиссией являются наиболее мощными инструментами при исследовании поверхностного магнетизма, а также магнетизма тонких пленок. С одной стороны, это связано с развитием технологий, позволяющих создавать магнитные системы с контролируемой точностью и возможностью их практического использования в микроэлектронике, с другой - с открытием новых физических закономерностей, приводящих к иному взгляду на саму природу магнетизма.

Многокомпонентные магнитные системы становятся все более важными в поисках материалов со свойствами, смоделированными на заказ для различных специфических приложений. Изучение сплавов и многослойных структур, содержащих ферромагнитные и неферромагнитные материалы, в настоящее время является активной областью исследований в науке о материалах.

В упомянутых выше экспериментах основная информация получается в результате измерения либо зависящей от спина асимметрии эффектов, т.е. малых разностей сигналов, регистрируемых при инверсии направления вектора электронной поляризации Р возбуждающего пучка, либо степени поляризации рассеянных электронов после взаимодействия первично неполяризованного пучка с исследуемой мишенью. Одним из важных стимулов для развития этой области исследований было появление различных анализаторов поляризации. Хотя используемые в настоящее время анализаторы могут различаться по конфигурации, эффективности и удобству эксплуатации в конкретном применении, принцип измерения поляризации электронного пучка у них общий- эффект спин-орбитального взаимодействия. Как известно, большие спин-орбитальные эффекты наблюдаются в мишенях с большим атомным номером Z и при больших энергиях падающих электронов. По традиции в качестве рассеивающей мишени используют золото (7=79). Однако, несмотря на довольно длительное развитие различных анализаторов, измерение спиновой поляризации электронов до сих пор представляет собой непростую задачу. В данной работе описана конструкция нового компактного поляриметра, который может быть использован при проведении экспериментов с анализом по спину в лабораторных условиях в сочетании со стандартным высоковакуумным оборудованием.

Целями работы являются: 1) экспериментальное исследование фотокатодов с напряженными слоями ваАБ, СаАгР, АПпваАг с различным составом и толщиной рабочего слоя с целью создания высокоэффективных эмиттеров для источника поляризованных электронов; 2) исследование намагниченности поверхности (110) монокристалла Бе№з в широком диапазоне температур методом спектроскопии поляризованных электронов. В связи с этим, в данной работе необходимо было решить следующие задачи:

1. Исследовать спектральные и поляризационные зависимости фотоэмиттеров с напряженными гетероструктурами различных типов: ваАзАЗаАзР; ваАэ (хРх/ОаАз I УРУ; 1пОаАз/ОаАз; АНгЮаАз/АЮаАз с варьируемыми составами и толщинами рабочего слоя.

5. Исследовать намагниченность поверхности (110) монокристалла Ре№3 в широком диапазоне температур методом спин-поляризационной вторично-электронной спектроскопии.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые:

- исследована фотоэмиссия поляризованных электронов из напряженных слоев ваАэР и АПпваАБ. Установлено, что ОаАэР структуры позволяют конструировать фотокатоды с поляризацией электронного пучка до 84% и высоким квантовым выходом при комнатной температуре. Четверные слои АПпваАз дают уникальную возможность независимо изменять как ширину запрещенной зоны, так и степень напряжения в слое;

- разработана теоретическая модель упругого рассеяния поляризованных электронов на поликристаллической мишени (с учетом многократных столкновений), позволяющая рассчитывать возникающую при таком взаимодействии асимметрию рассеяния; предложен новый способ самокалибровки высоковольтных анализаторов спиновой поляризации электронов без задерживающего поля, работающих с поверхностно-барьерными детекторами;

- методом вторично-электронной спектроскопии с анализом по спину исследована намагниченность поверхности (110) монокристалла Ре№3 в широком температурном диапазоне;

Практическое значение работы.

1. Результаты исследования фотоэмиссии поляризованных электронов из напряженных слоев GaAsP позволили создать фотоэмиттеры с поляризацией 84% и высоком квантовом выходе при комнатной температуре. Четверные соединения AlInGaAs предоставляют возможность независимо варьировать степень напряжения в рабочем слое и ширину запрещенной зоны, что дает возможность подстраиваться под длину волны коммерческих лазеров. GaAsP фотокатод, используемый на ускорителе MAMI (Mainz Microtron, Майнц, Германия) в экспериментах по физике высоких энергий, позволил получить электронный пучок с поляризацией 75% и током 20 мкА при времени жизни более 1000 часов.

5. Экспериментальные данные, полученные при исследовании монокристалла РеМ3, имеют важное значение для понимания природы магнетизма поверхности бинарных соединений. Подобная информация, получаемая методом спектроскопии поляризованных электронов, может быть использована для совершенствования технологии изготовления тонких пленок для систем магнитной записи.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Напряженные слои ОаАэР и АПпОаАэ являются эффективными и стабильными фотокатодами с варьируемыми параметрами.

2. Экспериментальная установка, оснащенная компактным 60 кВ детектором Мотта, позволяющая в условиях сверхвысокого вакуума проводить экспериментальные исследования магнитных свойств поверхности различных образцов методами электронной спектроскопии с анализом по спину.

5. Экспериментальные данные по магнетизму поверхности (110) Ре№3 в широком температурном диапазоне и качественная модель, описывающая поведение намагниченности поверхности Ре№3.

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Х1-Всесоюзной конференции по физике электронных и атомных столкновений (Чебоксары, 1991), конференции "Оксидные магнитные материалы, элементы, устройства и применение" (С.-Петербург, 1992), I Российской конференции по физике полупроводников (Н. Новгород, 1993), на международных конференциях: "Int. Workshop on Polarized beams and Polarized Gas Targets" (Кельн, Германия, 1995), European Research Conference "Polarization in electron scattering" (Санторин, Греция, 1995), "9th International Vacuum Microelectronics Conference" (Санкт-Петербург, Россия, 1996), "9-th International Conference of Solid Surfaces" (Йокогама, Япония, 1995), "16-th European Conference on Surface Science -ECOSS 16" (Генуя, Италия, 1996), "17-th European Conference on Surface Science - ECOSS 17" (Енхеде, Голландия, 1997), "Low Energy Polarized Electron Workshop LE-98" (С.-Петербург, Россия, 1998), "18-th European Conference on Surface Science - ECOSS 18" (Вена, Австрия, 1999).

Заключение диссертации по теме "Физика конденсированного состояния"

Основные результаты работы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Экспериментально исследованы спектральные зависимости поляризации и квантового выхода фотоэмиттеров с напряженными гетероструктурами различных типов: ОаАзЛлаАзР; СаАБ [ хРх/Оа Аб 1.УРУ; ЫОаАзЛЗаАз; АПпСаАз/АЮаАэ с различными составами и толщинами рабочих слоев. Установлено, что ваАзР структуры позволяют получать электронные пучки с поляризацией до 84% и высоким квантовым выходом при комнатной температуре. Использование четверных соединений АШЮаАз позволяет независимо изменять как степень напряжения в слое, так и ширину запрещенной зоны. Это существенно расширяет возможности указанных структур при использовании их в источниках поляризованных электронов.

5. Методом электронной спектроскопии с анализом по спину проведено исследование температурной зависимости намагниченности поверхности (110) FeNi3. Установлено, что поляризация вторичных электронов в определенном диапазоне температур отрицательна, что говорит о смене направления намагниченности поверхности и об антиферромагнитном упорядочении поверхности и объема.

6. Предложена качественная модель, основанная на ферримагнитном взаимодействии подрешеток Fe и Ni.

В заключение автор выражает глубокую благодарность своим научным руководителям В.Н. Петрову и Ю.А. Мамаеву.

Автор считает своим долгом выразить искреннюю признательность С.А.Старовойтову за помощь в проведении ряда экспериментальных исследований.

Автор искренне благодарит A.B. Маслевцова (каф. физ. электроники, СПбГТУ), В.В. Гребенщикова и Б.Д. Грачева (каф. ядерной физики, СПбГТУ) за исключительно плодотворное сотрудничество при наладке детектора Мотта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Галактионов, Михаил Сергеевич, Санкт-Петербург

1. J.Kessler. Polarized electrons. 2-nd éd., Springer, Berlin, 1987.

2. J.Kirschner. Polarized Electrons at Surfaces. Berlin, 1985.

3. Г.К.Зырянов. Эмиссия поляризованных электронов. Изд-во Ленинградского Университета, 1991.

4. D.T.Pierce, F.Meier, and P.Zurcher. Appl. Phys. Lett., vol.26, №12, 1975, p. 670.

5. D.T.Pierce, F.Meier and P.Zurcher. Phys. Lett. 51A, 1975, p. 465.

6. F.Meier, B.P.Zakharchenya, eds. Optical orientation. North-Holland, Amsterdam, 1984.

7. D.T.Pierce and F.Meier. Phys. Rev. B13, 1976, p. 5484.

8. R.R.Parsons. Phys. Rev. Lett. vol. 23, № 20, 1969, p. 1152.

9. R.L.Bell. Negative electron affinity devices. Clarendon, London, 1973.

10. G.Fishman, G.Lampel. Phys. Rev. B16, № 2, 1977, p. 820.

11. Ю.П.Яшин, А.И.Климин., Ю.А.Мамаев, В.Н.Петров, Г.Б.Стучинский, Е.И.Янюшкин. ФТТ, 1987, т. 29, № 5, с. 1221.

12. Ю.П.Яшин, А.Н.Андронов, А.И.Климин., В.И.Майор, Ю.А.Мамаев,

13. A.Е.Роднянский. ЖТФ, 59, № 6, 1989, с. 59.

14. G. Pikus, G. Bir. Symmetry and strain induced effects in semiconductors. Wiley, Chichester, 1974.

15. P.Zorabedian. SLAC-Report 248, Stanford Linear Accelerator Center, Stanford University, 1982.

16. J.L.Shay, E.Buehler. Phys. Rev. B3, № 8, p. 2598.

17. T.Maruyama, E.L.Garwin, R.Prepost, G.H.Zapalac, J.S.Smith, J.D.Walker. Phys. Rev. Lett. 66, № 18, 1991, p. 2376.

18. F.Meier, A.Vaterlaus, J.C.Grobli, D.Guarisco, H. Hepp, Yu.Mamaev, Yu.Yashin,

19. B.Yavich, I.Kochnev. Proc. NATO Advanced Research Workshop "Ionisation of solids by heavy particles", ed. R.Baragiola, Plenum Press, 1992.

20. F.Meier, J.C.Grobli, D.Guarisco, A.Vaterlaus, Yu.Yashin, Yu.Mamaev, B.Yavich, I.Kochnev. Proc. 13-th General Conference of the Cond. Matt. Div. of the European Phys. Soc., Regensburg, 1993.

21. J.C.Grobli, A.Vaterlaus, D.Guarisco, H. Hepp, F.Meier, Yu.Yashin, Yu.Mamaev, B.Yavich, I.Kochnev. Helv. Phys. Acta, 1993, p. 23.

22. T.Nakanishi, H.Aoyagi, H.Horinaka, Y.Kamiya, T.Kato, S.Nakamura, T.Saka and M.Tsubata. Phys. Lett. A 158, 1991, p. 345.

23. T.Maruyama, E.L.Garwin, R.Prepost and G.H.Zapalac. Phys. Rev. В 46, 1992, p. 4261.

24. H.Aoyagi, H.Horinaka, Y.Kamiya, T.Kato, T.Kosugoh, S.Nakamura, T.Nakanishi, S.Okumi, T.Saka, M.Tawada and M.Tsubata. Phys. Lett. A 167, 1992, p. 415.

25. T.Omori, Y.Kurihara, T.Nakanishi, H.Aoyagi, T.Baba, T.Furuya, K.Itoga, M.Mizuta, S.Nakamura, Y.Takeuchi, M.Tsubata, and M.Yoshioka. Phys. Rev. Lett., 67, 1991, №23, p. 3294.

26. T.Omori, Y.Kurihara, Y.Takeuchi, M.Yoshioka, T.Nakanishi, S.Okumi, M.Tsubata, M.Tawada, K.Togawa, Y.Tanimoto, C.Takahashi, T.Baba, and M.Mizuta. Jpn. J. Appl. Phys., vol.33, 1994, p. 5676.

27. Yu.Mamaev, Yu.Yashin, A.Subashiev, M.Galaktionov, B.Yavich, O.Kovalenkov, D.Vinokurov, N.Faleev. Phys. Low-Dim. Struct., 7, 1994, p. 27.

28. Ю.А.Мамаев, Ю.П.Яшин, А.В.Субашиев, С.А.Старовойтов, М.С.Галактионов, Б.С.Явич, И.В.Кочнев, Ф.Мейер, А.Ватерлаус, Ж.-К. Гребли, Х.Хепп. Известия РАН, серия физическая, т.58, №10, 1994, с. 2.

29. F.Meier, J.C.Groebli, D.Guarisco, A.Vaterlaus, Y.Yashin, Yu.Mamaev, B.Yavich, I.Kochnev. Physica Scripta, T 49, 1993, p. 574.

30. G.Fishman and G.Lampel. Phys. Rev. B 16, 1977, p. 820.

31. J.C.Groebli, D.Oberli, F.Meier, A.Dommann, Yu.Mamaev, A.Subashiev, and Yu.Yashin. Phys. Rev. Lett., 74, № 11, 1995, p. 2106.

32. A.Subashiev. Proceedings of Int. Semicond. Dev. Res. Symp., Charlottesville, USA, December, 1995.

33. F.Ciccacci, J.H.Drouhin, C.Hermann, R.Houdre, G.Lampel. Appl. Phys. Lett., 54, № 5, 1989, p. 632.

34. N.F. Mott. Proc. R. Soc. London, vol. 124, 1929, p. 425.

35. T.J.Gay, M.A.Khakoo, J.A.Brand, J.E.Furst, W.V.Meyer, W.M.K.P. Wijayaranta, F.B.Dunning. Rev. Sei. Instrum., 63 (1), 1992, p. 114.

36. J.Kirschner, R.Feder. Phys. Rev. Lett., vol. 42, 1979, p. 1008.

37. M.R.Scheinfein, J.Unguris, D.T.Pierce et al. Rev. Sei. Instr. 61, 1990, p. 2501.

38. T.J.Gay, F.B.Dunning. Rev. Sei. Instrum., vol 63, № 2, 1992, p. 1635.

39. F.B.Dunning. Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A347, 1994, p. 152.

40. M.Kalisvaart, M.R.O'Neill, T.W.Riddle et al. Phys. Rev. B17, 1978, p. 1570.

41. M.Landolt, R.Allenspach, D.Mauri. J. Appl. Phys., vol. 57, 1985, p. 3626.

42. M. Getzlaff, J. Bansmann, G. Schoenhense. J. Mag. Mag. Mat., vol. 131, 1994, p.304.

43. J.J. McClelland, M.R. Scheifein, and D.T. Pierce. Rev. Sci. Instr. 60 (4), 1989, p.683.

44. Ю.А.Мамаев, Б.С.Макаров, А.Н.Мишин, В.Н.Петров, В.Н.Яковлев, Ю.П.Яшин. Изв. АН СССР, сер. физич., 1986, 50, №2, с. 301.

45. B.J.Stocker. Surf. Sci, 1975, 47, p. 501.

46. J.Matsuda. Rev. Sci. Instr, 1961, 32, No.7, p. 850.

47. M.Kalisvaart, M.R.O'Neil, T.W.Riddle, F.B.Dunning, G.K.Waltres. Phys. Rev. B17, 1978, №4, p. 1570.

48. N.Jasperson, J.Schatterly. Rev. Sci. Instr, 1969, 40, № 6, p. 761.

49. Н.И.Мельников, В.А.Хромцов, Р.А.Житников. ПТЭ, 1973, №1, с. 196.

50. G.Holzwarth and H.J.Meister. Nucl. Phys. 59 (1964), p. 1.

51. А.Р.Шульман, С.А.Фридрихов. Вторично-эмиссионные методы исследования твердого тела. М. Наука, 1972, 552 с.

52. R. Feder. J. Phys, С14, № 15, 1981, p. 2049.

53. H.C. Siegmann, J. Phys.: Cond. Matt, 1992, v.4, p.8395.

54. H.-J. Drouhin, A. J. van der Sluijs, Y. Lassailly, and G. Lampel, J. Appl. Phys, 1996, v.79, p.4734.

55. C. Carbone, and S. Alvarado, Phys. Rev, 1987, B36, p. 2433.

56. J. Ungrius, A. Seiler, R.J. Celotta, D.T. Pierce, P.D. Johnson and N.V. Smith, Phys. Rev. Lett, 1982, v.49, p. 1047.

57. C.Stamm, F.Marty, A.Vaterlaus, V.Weich, S.Egger, U.Maier, U.Ramsperger, H.Fuhrmann, D.Pescia. Science, v.282, 16 October, 1998, p. 449.

58. Ю.А. Мамаев, B.H. Петров, C.A. Старовойтов, Письма в ЖТФ, 1987, т.13, №12, с.642.

59. P. Fuchs, V.N. Petrov, К. Totland, and M. Landolt, Phys. Rev. B, 1996, v.54, p.9304.

60. Анализ поверхности методами Оже- и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Под редакцией Д. Бриггса и М.П. Сиха. Москва, Мир, 1987.

61. Н.С. Siegmann, Phys. Rep., 17, (1975), р.37.

62. М. Campagna, D.T. Pierce et al., Adv. Electron. Electron Phys., 41, (1976), p.113.

63. H.C. Siegmann, F. Meier et al., Adv. Electron, Electron Phys., 62, (1984), p.l.

64. R.Rause, H.Hopster, R. Clauberg, Phys. Rev. Lett., 50, (1983), p. 1623.

65. D. Mauri, M. Landolt, Phys. Rev. Lett., 47, (1981), p. 1322.

66. G. Busch, M. Campagna, H.C. Siegmann, Phys. Rev., B4, (1971), p. 746.

67. W. Eib, B. Reihl, Phys. Rev. Lett, 40, (1978), p. 1674.

68. R. Feder, W. Gudat et al. Solid State Commun, 46, (1983), p. 619.

69. M. Landolt, Ph. Niedermann, D. Mauri, Phys. Rev. Lett, 48, (1982), p. 1632.

70. W. Eib, S.F. Alvarado, Phys. Rev. Lett, 37, (1976), p. 444.

71. W. Gudat, E. Kisker et al, Phys. Rev, B22, (1980), p. 3282.

72. E. Kisker, W. Gudat et al, Phys. Rev. Lett, 45, (1980), p. 2053.

73. D.T. Pierce, C.E. Kuyatt, R.J. Celotta, Rev. Sei. Instr, 50, (1979), p. 1467.

74. E. Kisker, R. Clauberg, W. Gudat, Rev. Sei. Instr, 53, (1982), p. 1137.

75. E. Kisker, К. Schroeder et al, Phys. Rev. Lett, 52, (1984), p. 2285.

76. R. Feder, A. Rodriguez et al. Solid State Commun, 52, (1984), p. 57.

77. S.F. Alvarado, Z. Phys, B33, (1979), p. 51.

78. J. Unguris, A. Seiler et al, Phys. Rev. Lett, 49, (1982), p. 1047.

79. H. Scheidt, M. Gloebl et al, Phys. Rev. Lett, 51, (1983), p. 1688.

80. R. Feder, A.Rodriguez, Solid State Commun, 50, (1984), p.1033.

81. D.M. Edwards, J. Phys, C16, (1983), L327.

82. E. Kisker, W. Gudat, K. Schroeder, Solid State Commun, 44, (1982), p.591.

83. H. Hopster, R. Raue, E. Kisker, G. Guentherodt, M. Campagna, Phys. Rev. Lett. 50, (1983), p. 71.

84. J. Unguris, D.T. Pierce, A. Galejs, R.G. Celotta, Phys. Rev. Lett. 49, (1982), p.72.

85. A. Bringer, М. Campagna, R. Feder, W. Gudat, E. Kisker, E. Kuhlmann, Phys. Rev. Lett., 42, (1979), p. 1705.

86. E. Tamura, R. Feder, Phys. Rev. Lett., 57, (1986), p. 759.

87. D.R. Penn, S.P. Apell, S.M. Girvin, Phys. Rev., B32, (1985), p. 7753.

88. R. Feder, Solid State Commun, 31, (1979), p. 821.

89. P.W. Palmberg, R.E. De Wames, L.A. Vredevoe, Phys. Rev. Lett., 21, (1968), p.682.

90. R.E. De Wames, Phys. Stat. Solidi, 39, (1970), p. 437.

91. М.И. Каганов, H.C. Карпинская, ЖЭТФ, 76, № 6, (1979), с. 2143.

92. G. Allan, Phys. Rev. B19, (1979), p. 4774.

93. В.Д. Борман, Л.А. Максимов, А.П. Попов, ЖЭТФ, 90, № 2, (1986), с. 697.

94. В.Д. Борман, Поверхность, 1986, № 4, с. 149.

95. С. Rau, J. Magn. Magn. Mater., 30, (1982), p. 141.

96. С. Rau, С. Lin, A. Schmalzbauer, G. Xing, Phys. Rev. Lett., 57, (1986), № 18, p.2311.

97. D. Weller, S.F. Alvarado, M. Campagna, W. Gudat, D.D. Sarma, J. Sess.-Comm. Metals, 111, (1985), p.277.

98. W. Gudat, J. Appl. Phys., 57, № 1, (1985), p. 3609.

99. T.J. Gay, M.A. Khakoo, J.A. Brand, J.E. Fürst, W.V. Meyer, W.M.K.P.Wijayratna, F.B. Dunning, Rev. Sei. Instr., 63 (1), 1992, p. 114.

100. J.C. Shilling, M.B. Webb, Phys. Rev. B2, 1970, p. 1665.

101. B.H. Петров, Ю.А. Мамаев, С.А. Старовойтов. ЖЭТФ, т.95, вып.З, 1989, с. 966.

102. C.S. Wang, В.М. Klein, Н. Krauer, Phys. Rev. Lett., 54, 1985, p. 1852.

103. Ю.А. Мамаев, B.H. Петров, C.A. Старовойтов. Письма в ЖТФ, т. 13, вып.24, 1987, с. 1528.

104. R.J. Wakelin, E.L. Yates, Proc. Phys. Soc., В 66, 1953, p. 221.

105. J.W. Cable, E.O. Wollan, Phys. Rev. В 7, 1973, p. 2005.

106. Y.Calvayarac, M. Fayard, Phys. Status Solidi a 17, 1973, p. 407.133

107. J.W. Drijver, F. van der Woude, S. Radelaar, Phys. Rev. Lett. 34, 1975, p 1026

108. Т.Е. Cranshaw, J. Phys. E: Sei. Instr. 17, 1987, p. 967.

109. J.B. Staunton, D.D. Johnson, B.L. Gyorffy, J. Appl. Phys. 61, 1987, p. 3693.

110. J.B. Staunton, D.D. Johnson, B.L. Gyorffy, C. Waiden, Phil. Mag. В 106, 1990, p. 773.

111. J. Reinmuth, F. Passek, V.N. Petrov and M. Donath, Phys. Rev. В 56, 1997, p.12893.

112. J. Reinmuth, M. Donath, F. Passek V.N. Petrov, J. Phys.: Condens. Matter 10, 1998, p. 4027.

113. F. Schedin, L. Hewitt, P. Morrall, V.N. Petrov, G. Thornton, J. Magn. Magn. Mater, 198-199, 1999, p. 555.

114. H.C. Siegmann, J. Phys.: Condens. Matter 4, 1992, p. 8395.

115. V.N. Petrov, M. Landolt, M.S. Galaktionov and B.V. Yushenkov, Rev. Sei. Instrum. 68, 1997, p. 4385.

116. Дж. Смарт. Эффективное поле в теории магнетизма. М, "Мир", 1968.

117. М. Dube, P.R.L. Heron, D.G. Rancourt, J. Magn. Magn. Mater. 147, 1995, p.122.