Исследование макромолекулярных углеродосодержащих тонких пленок методами низкоэнергетической электронной спектроскопии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

РГ 5 ОД

2 1 ДПР

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

на правах рукописи УДК 537.533

Морозов Андрей Олегович

ИССЛЕДОВАНИЕ МАКРОМОЛЕКУЛЯРНЫХ УГЛЕРОДОСОДЕРЖА1ЦИХ ТОНКИХ ПЛЕНОК МЕТОДАМИ НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

Специальность 01.04.07 - физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1997

Работа выполнена в отделе электроники твердого тела НИИ физики Санкт-Пстсрбургского государственного университета.

Научный руководитель:

доктор физ.-мат. наук, профессор Комолов С.А.

Официальные оппоненты:

доктор физ.-мат. наук, профессор Тош-егоде А.Я.

кандидат физ.-мат. наук, доцент Болотов Б.Б.

Ведущая организация:

С.-Псгербургский государственный университет

телекоммуникаций им. проф. A.M. Бонч-Бруевича

Защита диссертации состоится " "_1997г.

в_часов на заседании диссертационного Совета Д.063.57.32 по

защите диссертаций на соискание ученой степени доктора физико-математических наук при С.-Пстербургском государственном университете по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., д. 7/9.

Отзывы просим отправлять по адресу: 198904, С.-Петербург, Ульяновская 1, НИИФ СПбГУ, диссертационный Совет Д.063.57.32.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ.

Автореферат разослан "_"__ 1997г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, доктор физ.-мат. наук

Соловьев В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. На протяжении нескольких последних десятилетий неуклонно возрастал интерес к исследованию различных низкоразмерных систем, обусловленный нуждами современной микроэлектроники, развитее которой оказывает определяющее влияние на ход научно-технического прогресса. Начиная с создания транзистора электронная индустрия шла по пути миниатюризации и интеграции электронных приборов, построенных на основе кремния, германия и, в последнее время, арсешща галлия. Однако в конце 70-х в связи с приближением к пределу возможностей литографической технологии качались интенсивные поиски альтернативных материалов и технологий.

Тонкие пленки, состоящие из больших углеродосодержащих органических и неорганических молекул, связанных между собой относительно слабыми силами межмолекулярного взаимодействия, имеют множество потенциальных возможностей использования в различных областях науки и технологии. Сравнительно недавно синтезированные молекулы Сб0 и корбатина, на основе которых могут различными способами создаваться упорядоченные монослойные и многослойные пленки, являются перспективными для создания в будущем на их основе функциональных элементов микроэлектроники. Успешное использование этих материалов возможно только после проведения комплекса фундаментальных исследований их электронных и электрофизических свойств.

Несмотря на достаточно большое количество работ, посвященных исследованию электронной структуры С60, практически

все они касаются области энергий вблизи уровня Ферми. Диапазон энергий 10 - 30 эВ выше уровня Ферми остается практически неисследованным. По сравнению с традиционными материалами электронная структура органических пленок достаточно мало исследована.

Одним из немногих методов, позволяющих получать информацию о незаполненных состояниях, расположенных выше уровня вакуума, является метод спектроскопии полного тока (СПТ). Кроме того, данная методика позволяет производить исследования электрофизических свойств тонкопленочных объектов, таких как проводимость в направлении поперек пленки, фотопотенциал, а также измерять работу выхода поверхности.

Необходимость получения сведений об электронной структуре, закономерностях формирования, устойчивости к различным воздействиям вышеперечисленных новых макромолекулярных соединений делает актуальным применение к их исследованию методов

электронной спектроскопии. В связи с этим тематика исследований, выполненных в диссертационной работе, является актуальной.

Цель работы. Целью диссертационной работы было исследование с применением комплекса электронно-спектроскопических методик процессов формирования тонких пленок фуллерена С69 на различных подложках и динамики изменения их

электронной структуры при переходе от отдельных адсорбированных на поверхности подложки молекул к монослойному покрытию и далее к трехмерной многослойной пленке, а также электронной структуры и электрофизических свойств органических макромолекулярных пленок корбатина, нанесенных на кремниевую подложку методом Ленгмюра -Блоджетг.

В качестве объектов исследования были выбраны тонкие макромолекулярные пленки двух типов. Тонкие пленки фуллерена С60

наносились in situ на полупроводниковую (CdTe), металлическую (поверхность Cu(lll)) подложки, на поверхность органической Ленгмюр-Блоджетг пленки корбатина, а также на инертную по отношению к С№ поверхность углеродной пленки. Кроме того, объектом исследования являлись Ленгмюр-Блоджетт пленки корбатина различной толщины (2Y и 38Y слоев) на поверхности аморфного кремния. Полное химическое название корбатина и формула: октадециламинометилдегидрокорбатин (C18H37NHCH2C26S2H11).

Научная новизна работы.

1. В работе впервые измерены спектры полного тока С60 и

изучена их эволюция в процессах формирования слоев С60 на ряде

подложек: полупроводниковой (CdTe), металлической (поверхность Cu(l 11)), на поверхности органической Ленгмюр-Блоджетг пленки, а также на инертной по отношению к С60 углеродной пленке.

2. Впервые измерены спектры тока упруго отраженных электронов от поверхности С60, угловые зависимости спектров

полного тока и спектры вторичной электронной эмиссии монослойной пленки С60 на поверхности Cu(l 11). Результаты

совместного анализа полученных экспериментальных данных позволили сделать вывод о том, что тонкая структура спектров полного тока С60 обусловлена изменениями коэффициента упругого отражения электронов на границах энергетических зон, расположенных выше уровня вакуума.

3. Посредством комплекса электронно-спектроскопических методик исследованы процессы напыления и отжига упорядоченных пленок фуллерена С60 на поверхности Cu(l 11). Найдены условия гетероэпитаксиалыюго роста монослойных и многослойных пленок

С60 на данной монокристаллической поверхности. Изучено поведение многослойной пленки С60 на поверхности монокристалла меди в процессе отжига в диапазоне температур 293 - 1125 К.

4. Макромолекулярные органические Ленгмюр-Блоджетг пленки корбатина на поверхности кремния впервые исследовались в вакуумных условиях методами электронной спектроскопии. Установлена стабильность пленок корбатина на поверхности кремния в условиях сверхвысокого вакуума и под воздействием низкоэнергетического электрошюго пучка (Е < 30 эВ, j = 10 3 А/см2). Впервые измерены спектры полного тока Ленгмюр-Блоджетг пленок корбатина и предложена интерпретация общей структуры полученных спектров.

5. Обнаружен и исследован фотовольтаический эффект в системе кремний - ЛБ пленка корбатина. Измерены зависимость величины фотопотенциала от интенсивности освещения, спектральные распределения фотопотенциала, переходные характеристики фотоЭДС. Установлено, что фотоЭДС возникает при поглощении света как в кремнии, так и в пленке корбатина.

Научная и практическая ценность работы состоит в получении данных об электронной структуре, которые могут быть использованы при построении и корректировке теоретических моделей зонной структуры фуллеренов. Практическое значите работы заключается в выработке рекомендаций по режимам формирования тонких слоев С60

на различных подложках, а также обнаружении фотовольтаического эффекта в системе кремний - Ленгмюр-Блоджетт пленка корбатина, что может найти применение в микро-, нано- и опто- электронике.

Основные защищаемые положения:

1. Модифицированная комплексная сверхвысоковакуумная экспериментальная установка, объединяющая электронно-спектроскопические и фотоэлектрические методики, позволяющая производить исследования электронного спектра, процессов формирования тонких пленок, измерять фотоЭДС пленочных систем при помощи низкоэнергетического электрошюго пучка.

2. Результаты исследования эволюции спектров полного тока в процессе напыления пленок С60 на подложки различных типов: CdTe, Cu, углеродная пленка на поверхности меди, угловых зависимостей спектров ПТ С60, и установленная связь тонкой структуры спектра ПТ

С60 со структурой незаполненных электронных состояний, расположештых выше уровня вакуума.

3. Температурные режимы напыления и отжига пленок фуллерена С60 на поверхности Cu(lll), позволяющие получать

монослойные и многослойные упорядоченные пленки С60 на данной

монокристаллической поверхности.

4. Установленная стабильность Ленгмюр-Блоджетт пленок корбатина в вакууме и под воздействием низкоэнергетического электронного пучка, обнаруженный фотовольтаический эффект в системе кремний - ЛБ пленка корбатина и результаты его исследования. Показано, что .фотоЭДС возникает при поглощении света как в кремнии, так и в пленке корбатина.

Апробация работы. Основные результаты работы

докладывались и обсуждались на VI Международной Школе ЮНЕСКО по физике твердого тела (С.-Петербург, 1996).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано и принято в печать 5 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Она содержит 105 страниц основного текста, 49 рисунков на 47 страницах и библиографию из 130 названий на 15 страницах (общий объем диссертации - 167 страниц).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрена актуальность проблемы, поставлены задачи исследования, сформулированы защищаемые положения.

Первая глава "Электронная структура и электрофизические свойства макромолекулярных углеродосодсржащих пленок" является обзором литературы, посвященным исследованиям электронной структуры фуллерена С60, закономерностей формирования топких

пленок Сю на различных подложках, а также электрофизических свойств органических Ленгмюр-Блоджегг пленок методами электронной спектроскопии.

В разделе 1.1 изложены основные сведения о строении молекулы Сб0 и кристаллической структуре твердого Ст, результаты

экспериментального и теоретического изучения электронной структуры чистого С60, а также дан обзор работ, посвященных исследованию закономерностей формирования и электронной структуры тонких слоев С60 на поверхностях ряда полупроводников и металлов. Отмечается, что электронная структура твердого С близка к системе молекулярных

уровней изолированной молекулы. Приведена классификация электронных, состояний С60, основанная на симметрии соответствующих этим состояниям волновых функций. Особое внимание уделено относительно немногочисленным работам, касающимся изучения структуры незаполненных электронных состояний, расположенных выше уровня вакуума.

Одним из наиболее быстро развивающихся направлений в исследовании фуллеренов является изучение закономерностей зарождения и роста тонких пленок С60, а также их структуры на различных подложках. Рассмотрение свойств тонких пленок фуллеренов на различных поверхностях позволяет понять природу взаимодействия фуллереновых молекул с подложкой и между собой. В частности, большой интерес представляют экспериментальные данные о структуре высоко расположенных незаполненных электронных состояний для тонких слоев С60. Имеющиеся в литературе результаты исследования

таких состояний получены методом NEXAFS и касаются структуры сверхтонких слоев С60 на поверхностях Аи(110) и А1(111), а также соединений типа K,C6Q. Отмечается, что изучение сгруктуры высоко

расположенных незаполненных состояний, тесно связанной с геомехрической структурой расположения рассеивающих центров в приповерхностной области твердого тела, дает информацию о возможном искажении структуры молекул С60, адсорбированных на поверхности металла.

В разделе 1.2 приведен обзор работ, посвященных исследованию электрофиз1гческих характеристик (проводимость, фотопотенциал) и электронной структуры тонких органических пленок методами электронной спектроскопии. Показано, что применение в качестве контакта низкоэиергетического электронного пучка в вакууме является перспективным, поскольку такая неразрушающая методика измерений не чувствительна к наличию мелких дефектов в пленке.

В конце главы на основании литературного обзора сформулирована цель диссертационной работы.

Во второй главе "Методика эксперимента" изложена теоретическая модель спектроскопии полного тока (СПТ), рассмотрены различные механизмы формирования гонкой структуры спектров полного тока и возможности их экспериментальной идентификации. Во второй части главы описаны конструкции и режимы работы использованных в ходе исследований экспериментальных установок.

В СПТ измеряется зависимость тока в цепи образца IIrp от энергии падающих электронов Ер при поддержании постоянного тока падающих электронов 1Пад. Выполнение условия баланса токов 1Пад = 1пр + Ioip при условии полного отбора вторичных электронов позволяет говорить об эквивалентности измерений отраженного и проходящего в цепи образца токов. Экспериментально в методе СПТ измеряется первая производная от тока в цепи образца по энергии падающих электронов.

Тонкая структура спектра ПТ в низкоэнергетической области определяется энергетической зависимостью коэффициента упругого отражения. Существуют два различных механизма формирования тогасой структуры этой зависимости. Один из них основан на описании закономерностей упругого отражения с точки зрения "сшивочного" подхода динамической теории дифракции медленных электронов, эквивалентном описанию отражения электронов с учетом зонной структуры исследуемого вещества. При изменении угла падения первичных электронов особенности, отражающие структуру незаполненных состояний выше уровня вакуума, должны смещаться по оси энергий и изменять свою интенсивность в соответствии с дисперсией электронных состояний в кристалле. Второй механизм основан на модуляции интенсивности упругого отражения при изменении вероятности неупругого рассеяния (модуляционный механизм). Максимум модуляционной природы в спектре ПТ возникает, когда энергия первичных электронов соответствует порогу возбуждения межзонного перехода между максимумами плотности заполненных и пустых состояний. Тонкая структура в энергетической зависимости коэффициента упругого отражения, имеющая модуляционную природу, определяется интегральной плотностью состояний и не зависит от угла падения первичных электронов.

Для решения поставленных экспериментальных задач были использованы две сверхвысоковакуумные экспериментальные установки. Их объединяют возможности напыления пленок исследуемых веществ in situ и измерения спектров полного тока в процессе напыления. Обе установки были оборудованы подогревателями образца и ионными пушками для очистки исследуемых поверхностей в вакуумных условиях.

Первая из использованных установок была построена на базе электронной оптики четырехсеточного энергоанализатора и позволяла применить для исследования поверхности целый комплекс электронно-спектроскопических методик: спектроскопию полного тока с дополнительными возможностями измерения угловых зависимостей спектров ПТ и измерения спектров тока упруго отраженных электронов, дифракцию медленных электронов, Оже-спектроскопию, вторично-электронную спектроскопию.

Вторая установка включала в себя кроме электронно-спектроскопической части еще и оптическую схему, позволяющую воздействовать на исследуемую поверхность непрерывным или модулированным освещением в видимой и ближней инфракрасной частях спектра. Возможности исследований методами электронной спектроскопии в этой установке ограничены методом СПТ и связанными с ним методами измерения работы выхода и потенциала поверхности.

В конце главы сформулированы следующие выводы:

1. Метод СПТ может применяться как эффективный неразрушающий метод контроля состояния поверхности твердого тела. Возможность получения информации о структуре и дисперсии высоко расположенных незаполненных электронных состояний, в том числе по несимметричным направлениям зоны Бриллгоэна определяет интерес к применению данного метода для исследования С60 и его взаимодействия с поверхностями различных веществ.

2. Модифицированная комплексная сверхвысоковакуумная экспериментальная установка, объединяющая электронно-спектроскопические и фотоэлектрические методики, позволяет производить исследования электронного спектра, процессов формирования тонких пленок, измерять фотоЭДС, возникающую на границах раздела с участием тонких полупроводниковых и диэлектрических пленок при помощи низкоэнергетического электронного пучка.

В третьей главе "Энергетическая структура незаполненных электронных состояний в слоях С60" представлены и проанализированы

результаты экспериментов, в которых исследовались процессы формирования неупорядоченных слоев С60 на ряде подложек.

Совместный анализ полученных экспериментальных данных позволил установить связь топкой структуры спектров полного тока С60 со

строением энергетических зон, расположенных выше уровня вакуума. Приведено сравнение спектра ПТ С60 с экспериментальными данными

по плотности незаполненных состояний выше уровня вакуума, полученными другими методами, и результатами теоретических расчетов.

В первой части главы подробно рассмотрены процессы формирования пленок С60 на ряде различных подложек. Состояние

поверхности в ходе экспериментов контролировалось посредством комплекса электронно-спектроскопических методик: спектроскопии полного тока, Оже-спектроскопии, дифракции медленных электронов. Основное внимание уделено эволюции спектров ПТ во время напыления пленок С60, начиная от субмонослойных покрытий и

заканчивая многослойными пленками С60, спектры ПТ которых уже не

изменялись при дальнейшем увеличении толщины покрытия. Начальные стадии процессов напыления протекали различным образом для разных подложек, по-видимому, из-за неодинакового характера взаимодействия между поверхностью вещества, на которую производилось напыление, и молекулами С60. Спектры ПТ многослойных пленок С60, сформированных на всех использованных в

наших экспериментах подложках, весьма близки как по энергетическим положениям, так и по амплитудам всех особенностей.

Формирование тонкой структуры спектра ПТ С60 начинается задолго до заполнения первого монослоя молекул С60. Это позволяет сделать вывод о том, что наблюдающаяся весьма контрастная структура спектров ПТ С60 определяется в значительной мере

упорядоченной внутренней структурой молекулы С60.

Вторая часть главы 3 посвящена интерпретации спектра ПТ С60, то есть установлению происхождения тонкой структуры данного спектра. Измерение спектров тока отраженных электронов дает возможность энергоанализа вторичных электронов, что позволяет выделить упругую компоненту отраженного тока, и экспериментально отделить особенности в спектре ПТ, связанные с модуляцией упругого отражения первичных электронов. Спектр тока упруго отраженных электронов, измеренный для пленки С60, содержит все особенности, присущие спектру ПТ пленки С60. Следовательно, все особенности спектра ПТ С(0 связаны с энергетической зависимостью коэффициента

упругого отражения.

Были измерены спектры полного тока монослойных пленок С6д

на поверхности Си(111) при падении первичных электронов не по нормали к поверхности образца. Для этого образец поворачивался на небольшие углы вокруг оси, параллельной его поверхности. Геометрия установки такова, что в пределах одного спектра (при постоянном угле поворота образца) постоянной остается параллельная поверхности образца составляющая волнового вектора падающих электронов. Таким образом, для особенностей спектра, возникающих на границах незаполненных зон выше уровня вакуума, зависимость энергетического положения от угла поворота образца отражает дисперсионные зависимости соответствующих зон.

Обнаружено, что при изменении тангенциальной составляющей скорости падающих на поверхность образца электронов заметно меняется как интенсивность, так и энергетическое положение особенностей в спектре полного тока, причем характер изменения различных особенностей существенно различен. Таким образом, сделан вывод о том, что тонкая структура спектров ПТ С60 обусловлена

изменениями коэффициента упругого отражения электронов на границах энергетических зон, расположенных выше уровня вакуума.

В заключение третьей главы сформулированы следующие выводы:

1. Исследованы процессы формирования неупорядоченных пленок С60 на ряде подложек: полупроводниковой (СсГГе),

металлической (поверхность Си(111)), на поверхности органической

- и -

Ленгмтср-Блоджетт пленки, а также на инертной по отношению к С(0 углеродной пленке.

2. Впервые измерены спектры ПТ С60 и изучена их эволюция в процессах формирования слоев С60 на различных подложках.

3. Проведенные измерения работы выхода позволяют оценить работу выхода поверхности С60 как 4,9+0.1 эВ, считая работу выхода

поверхности Си(111) равной 4,9 эВ. Это значение в пределах погрешности сог ласуется с работой выхода поверхности С , оцененной

по сравнению с работой выхода поверхности СсГГе.

4. Изучено поведение многослойной пленки С60 на поверхности монокристалла меди в процессе отжига в диапазоне температур 293 -1125 К. Первые необратимые изменения в спектрах ПТ, предположительно связанные с термической десорбцией слабо связанных верхних слоев С60, обнаружены при температуре 450К.

Формирование стабильной по отношению к дальнейшему прогреву монослойной пленки С60 на поверхности Си(111) установлено после отжига до температуры 550К. Быстрая деградация спектров ПТ при нагревании образца выше 850К позволяет сделать вывод, что при данной температуре происходит разрушение молекул С60 на поверхности меди.

5. С целью установить механизмы формирования тонкой структуры спектров ПТ С(0 измерены спектры тока упруго отраженных

электронов от поверхности С60, угловые зависимости спектров полного тока и спектры вторичной электронной эмиссии монослойной пленки С60 на поверхности Си(111). Результаты совместного анализа полученных экспериментальных данных позволяют утверждать, что тонкая структура спектров полного тока С60 обусловлена изменениями коэффициента упругого отражения электронов на границах энергетических зон, расположенных выше уровня вакуума.

6. Основные особенности спектра ПТ С60 соответствуют экспериментальным данным по плотности незаполненных состояний выше уровня вакуума, полученным другими методами, и результатам теоретических расчетов.

В четвертой главе "Формирование упорядоченных пленок С60 на поверхности Си(111)" приведены результаты исследования упорядоченных слоев С60 на поверхности Си(111) методами ДМЭ и СПТ. Описываются найденные температурные условия для достижения гетероэпитаксиалыюго роста пленок С60 при напылении и их послойного распыления при отжиге.

Получение и исследование упорядоченных пленок С60 представляет как самостоятельную ценность, связанную с их возможным технологическим применением, так и интересно для сравнения их спектров ПТ со спектрами неупорядоченных пленок и изучения угловых зависимостей спектров ПТ поверхности С60

определенной кристаллической ориентации. Одной из наиболее подходящих для достижения гетороэпитаксиального роста пленки С60

поверхностей является грань (111) монокристалла меди.

Для того, чтобы сформировать упорядоченную пленку С60 на

поверхности Си(111), бьш проведен цикл экспериментов по напылению С60 на подогретую поверхность монокристалла меди. Температура подложки в разных сериях измерений варьировалась в диапазоне от 455К до 550К. При данных условиях дифракционная картина от упорядоченного слоя С60 начинала проявляться еще до полного

затухания рефлексов от подложки. Дифракционная картина от полностью сформированного первого слоя С60 наблюдалась при

энергиях электронов от 10 до 45 эВ. Ориентация формирующейся ГЦК решетки из молекул С60 совпадает с ориентацией кристаллической

решетки монокристалла меди, причем соотношение между размерами элементарных ячеек решеток С60 и меди равно 4:1.

На втором этапе эксперимента при комнатной температуре поверхности образца производилось напыление многослойной пленки С60 на упорядоченную структуру, сформированную при напылении на

подогретую подложку. При этом образовалась упорядоченная относительно толстая пленка чистого С60, характеризуемая

гексагональной дифракционной картиной, идентичной дифракционной картине от монослойной пленки, но наблюдаемой лишь при низких энергиях электронов в диапазоне 5-20 эВ. При больших энергиях электронов дифракция не набтодалась, по-видимому, вследствие большего влияния беспорядочного теплового движения молекул С60 на

когерентность рассеянных электронов с меньшей длиной волны.

Успешное формирование многослойных монокристаллических пленок С60 и измерение для них угловых зависимостей спектров ПТ позволяет получить информацию о дисперсии электронных состояний Си, расположенных выше уровня вакуума. Соответствующие измерения были произведены для многослойной упорядоченной пленки С60. И в данном случае спектры полного тока зависят от угла падения электронов на исследуемую поверхность, но различия в спектрах не настолько значительны, как для монослойной пленки. По-видимому, это объясняется слабым возмущением системы энергетических уровней

молскулы С60, вызванным Ван-дер-Ваальсовским взаимодействием с

соседними молекулами, которое проявляется в небольшой дисперсии электронных состояний. Молекулы первого монослоя С60 на поверхности меди сильно взаимодействуют с подложкой. Это взаимодействие вызывает сильную дисперсшо электронных состояний и, следовательно, ярко выраженную зависимость тонкой структуры спектров полного тока от угла падения первичных электронов. Эта дисперсия связана с электронной структурой отдельных молекул С60, а точнее, с изменением структуры высоко расположенных незаполненных состояний молекулы С60 за счет взаимодействия с подложкой. Наличие дисперсии высоко расположенных электронных состояний свидетельствует об искажении геометрической структуры молекул С60, адсорбированных ка поверхности Си(111).

В заключение сформулированы следующие выводы:

1. Посредством комплекса электронно-спектроскопических методик исследованы процессы напыления и отжига упорядоченных пленок фуллерена С60 на поверхности Си(111). Результаты совместного

анализа спектров ПТ, измеренных в процессах напыления См на подогретую поверхность Си(111) и отжига полученных пленок, позволяют утверждать, что мы имеем дело с гетероэпитаксиалъньш ростом пленок С60 при напылении и с их послойным распылением при отжиге. Найдены условия гетероэпитаксиалыюго роста монослойных и многослойных пленок С60 на данной монокристаллической поверхности.

2. Обнаружено сильное влияние поверхности меди на структуру высоко расположенных электронных состояний в адсорбированных молекулах С60, выражающееся в энергетическом сдвиге таких состояний и появлении их заметной дисперсии. Такие изменения свидетельствуют об искажении геометрической структуры молекул С60, адсорбированных на поверхности Си(111).

3. Обнаруженная зависимость спектров ПТ относительно толстой монокристаллической пленки С69 прямо подтверждает вывод о

том, что тонкая структура спектров полного тока С60 обусловлена изменениями коэффициента упругого отражения электронов на границах энергетических зон, расположенных выше уровня вакуума.

Пятая глава "Исследование электрофизических свойств Ленгмюр-Блоджетт пленок корбатина на поверхности кремния" посвящена исследованию методами электронной спектроскопии макромолекулярных органических пленок корбатина различной толщины (2У и 38У слоев), нанесенных на поверхность кремния методом Ленгмюра-Блоджетг. Макромолекула корбатина состоит из

ароматической группы, включающей в себя 2 атома серы, и углеводородной цепочки, между которыми включена аминогруппа. Молекулы корбатина обладают донорными свойствами, обусловленными присутствием аминогруппы. Присутствие в молекуле корбатина гидрофильной и гидрофобной частей позволяет приготавливать сверхтонкие пленки этого вещества, пользуясь методом Ленгмьора-Блоджетг.

Поскольку органические пленки являются нестандартным объектом для исследований в вакуумных условиях, особое внимание уделено стабильности изучаемых структур в условиях эксперимента. Было установлено, что все регистрируемые в наших экспериментах электрофизические характеристики пленок корбатина, а также спектры полного тока, оставались стабильными при продолжительном воздействии па поверхность низкоэнергетического (Е < 30 эВ)

-8

электронного пучка с плотностью тока порядка 10 А/см2. Можно утверждать, что воздействие электронов с энергией в пределах 30 эВ не приводит к необратимым изменениям в исследованных пленках корбатина.

При использовании обычно применяемого в наших экспериментах тока первичных электронов ~10-8А для исследования 38Y пленки корбатина была зарегистрирована заметная зарядка поверхности проходящим током, проявлявшаяся в характерном уширении первичного пика, увеличивающемся с увеличением тока электронного пучка. При плотности тока 10 6АУсм2 падение напряжения на пленке, толщина которой составляет 76 нм, составляло 0.5 В, что позволило оценить величину удельного сопротивления поперек пленки

как 0.7'10" Ом' см.

Освещение пленки корбатина на кремниевой подложке излучением в видимой и инфракрасной областях спектра сопровождалось фотостимулированньш изменением потенциала поверхности, которое соответствовало уменьшению работы выхода поверхности. Фотопотенциал исследуемой системы характеризуется отчетливой зависимостью от энергии кваш-а возбуждающего света. В спектральных распределениях фотопотеициала прослеживаются два максимума. Первый расположен в диапазоне энергий квантов 1.2 - 1.5 эВ, второй - в диапазоне 1.8 - 2.2 эВ. Следует отметить, что второй (высокоэнергетический) максимум сильно ослабляется при переходе к тонкой (2Y слоя) пленке корбатина. Такое поведение указывает на связь этого максимума с процессами фотовозбуждения непосредственно в пленке корбатина. Низкоэнергетический максимум спектрального распределения фотопотенциала расположен вблизи края фундаментального поглощения в кремнии (1.15 эВ) и соответствует области высокой фотопроводимости и фотопотенциала в образцах

кремния. Следовательно, этот максимум может быть связан с возбуждением носителей в кремнии.

В конце главы сформулированы следующие выводы:

1. Недавно синтезированные макромолекулярные органические Ленгмюр-Блоджетт пленки корбагина на поверхности кремния впервые исследовались в вакуумных условиях методами электронной спектроскопии.

2. Установлена стабильность ЛБ пленок корбатина на поверхности кремния в условиях сверхвысокого вакуума и под воздействием низкоэнергетического электронного пучка (Е < 30 эВ, j = Ю-8 А/см2).

3. Вперчые измерены спектры ПТ Ленгмюр-Блоджетт пленок корбатина и предложена интерпретация общей структуры полученных спектров.

4. Обнаружен и исследован фотовольтаический эффект в системе кремний - ЛБ пленка корбатина. Измерены зависимость величины фотопотенциала от интенсивности освещения, спектральные распределения фотолотенлиала, переходные характеристики фотоЭДС.

5. Установлено, что фотоЭДС возникает при поглощении света как в кремнии, так и в пленке корбатина.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В результате проведения настоящей работы получена новая информация об электронной структуре, закономерностях формирования, устойчивости к различным воздействиям таких новых макромолекулярных соединений, как тонкие пленки С60 на ряде различных подложек и Ленгмюр-Блоджетт пленки корбатина па поверхности кремния. С применением комплекса электронно-спектроскопических методик, основной из которых являлась спектроскопия полного тока, исследованы процессы формирования неупорядоченных и упорядоченных тонких пленок С60 на

полупроводниковой (Сс1Те), металлической (поверхность Си(111)) подложках, на поверхности органической Ленгмюр-Блоджетт пленки, а также на инертной по отношению к С60 углеродной пленке. Недавно синтезированные макромолекулярные органические Ленгмюр-Блоджетт пленки корбатина на поверхности кремния впервые исследовались методами электронной спектроскопии.

Основные результаты работы можно сформулировать следующим образом:

1. Впервые измерены спектры ПТ С60 и изучена их эволюция в процессах формирования слоев С60 на ряде подложек: полупроводниковой (Сс1Те), металлической (поверхность Си(111)), на

поверхности органической Ленгмюр-Блоджетг пленки, а также на инертной по отношению к С60 углеродной пленке.

2. Посредством комплекса электронно-спектроскопических методик исследованы процессы напыления и отжига упорядоченных пленок фуллерена С60 на поверхности Си(111). Найдены условия

гетероэпитаксиалыюго роста монослойных и многослойных пленок С60

на данной монокристаллической поверхности.

3. Изучено поведение многослойной пленки С60 на поверхности монокристалла меди в процессе отжига в диапазоне температур 293 -1125 К. Первые необратимые изменения в спектрах ПТ, предположительно связанные с термической десорбцией слабо связанных верхних слоев С60, обнаружены при температуре 450К. Формирование стабильной по отношению к дальнейшему прогреву монослойной пленки С60 на поверхности Си(111) установлено после

отжига до температуры 550К. Быстрая деградация спектров ПТ при нагревании образца выше 850К свидетельствует о разрушении молекул С60 на поверхности меди при таких температурах.

4. Измерены спектры тока упруго отраженных, электронов от поверхности С60, угловые зависимости спектров полного тока и спектры вторичной электронной эмиссии монослойной пленки С60 на поверхности Си(111). Результаты совместного анализа полученных экспериментальных данных позволяют утверждать, что тонкая структура спектров полного тока С60 обусловлена изменениями коэффициента упругого отражения электронов на границах энергетических зон, расположенных выше уровня вакуума. Полученные методом СПТ данные по плотности незаполненных состояний выше уровня вакуума соответствуют экспериментальным данным, полученным другими методами, и результатам теоретических расчетов.

5. Обнаружено сильное влияние поверхности меди на структуру высоко расположенных электронных состояний в адсорбированных молекулах С60, выражающееся в энергетическом сдвиге таких состояний и появлении их заметной дисперсии. Такие изменения свидетельствуют об искажении геометрической структуры молекул С60,

адсорбированных на поверхности Си(111).

6. Проведенные измерения работы выхода позволяют оценить работу выхода поверхности С60 как 4,9±0.1 эВ, считая работу выхода поверхности Си(111) равной 4,9 эВ. Это значение в пределах погрешности согласуется с работой выхода поверхности С60, оцененной по сравнению с работой выхода поверхности Сс1Те.

7. Макромолекулярные органические Ленгмюр-Блоджетг пленки корбатина на поверхности кремния впервые исследовались в вакуумных условиях методами электронной спектроскопии. Установлена стабильность ЛБ пленок корбатина на поверхности кремния в условиях сверхвысокого вакуума и под воздействием низкоэнергетического электронного пучка (Е < 30 эВ, j = 10 8 А/см2). Впервые измерены спектры ПТ Ленгмюр-Блоджетг пленок корбатина и предложена интерпретация общей структуры полученных спектров.

8. Обнаружен и исследован фотовольтаический эффект в системе кремний - Ленгмюр-Блоджетг пленка корбатина. Измерены зависимость величины фотопотенциала от интенсивности освещения, спектральные распределения фогопотенциала, переходные характеристики фотоЭДС. Установлено, что фотоЭДС возшпсает при поглощении света как в кремнии, так и в пленке корбатина.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В РАБОТАХ:

1. Komolov S.A., Gerasimova N.B., Morozov А.О., Total Current Spectroscopy Study of Thin C60 Layer Formation, Phys. Low-Dim.

Struct., 9, 29-34(1994).

2. Komolov S.A., Gerasimova N.B., Morozov A.O., C60 Layers

Deposition on Cu(l 11) Substrate at Room Temperature: Electron Spectroscopy Study, Phys. Low-Dim. Struct., 11/12, 81-88 (1996).

3. Комолов C.A., Шамбург К., Герасимова Н.Б., Морозов А.О., Фотовольтаический эффект в Ленгмюр-Блоджетг пленках корбатина на поверхности кремния, ЖТФ, 66, 7, 185-189 (1996).