Исследование закономерностей радиационного захвата медленных электронов пленками серебра, напыленными на поверхности вольфрама W(110) и ниобия Nb(110 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

САНКГ-ПЕТЕРБУРГСКИИ ГОСУДАРСТВЕННА УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

КАМАРА Мамаду Боке

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ РАДИАЦИОННОГО ЗАХВАТА МЕДЛЕННЫХ ЭЛЕКТРОНОВ ПЛЕНКАМИ СЕРЕБРА, НАПЫЛЕННЫМИ НА ПОВЕРЖОСга БОЛЫ2РА^1А \>У(П0) и НИОБИЯ ыЬ(ИО)

01.04.07 - физика твердого тела

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1992

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте физики Санкт-Петербургского государственного университета.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник САМАРИН С.Н.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор АГЕКЯН В.Ф. кандидат физико-математических наук ШГАНЬКО A.B.

Ведущая организация - Российский государственный педагогический университет им.А.И.Герцена

Защита диссертации состоится 44- 1992 г.

в час. на заседании специализированного совета

Д 063.57.32 по. защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., д.7/9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского университета.

Автореферат разослан 1992 г.

Ученый секретарь специализированного

совета, доктор физ.-мат. наук СОЛОВЬЕВ В.А.

ОНЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одно из центральных мест в электронике поверхности твердого тела занимает исследование локального состава, физико-химических свойств и электронной структуры поверхности тонкопленочных систем. Работа практически всех твердотельных приборов основана на процессах, происходящих на контактах мевду компонентами этих приборов, т.е. на поверхностях -границах между различными твердыми телами.

Важной задачей физики твердого тела является изучение энергетической электронной структуры тонкопленочних системы. В настоящее время существуют методы, такие как фотоэлектронная спектроскопия, о:те-электронная спектроскопия и спектроскопия характеристических потерь, которые дают в основном информацию об энергетической электронной структуре в области заполненных состояний. В то же время исследователи в последние годы уделяют большее внимание изучению энергетической электронной структуры свободных электронных состояний (незаполненные состояния).

Незаполненные электронные состояния (НЭС) определяют отклик среды на внешнее возмущение как электронами, так и светом - они влияют на транспортные свойства слоистых структур, играют существенную роль в адсорбционных процессах.

Разные методы анализа поверхности можно обозначить в соответствии с видом зондирующих воздействия и типом эмиттируе-мых частиц. Нами использовалась электрон-фотонная спектроскопия (ЭФС). Электрон-фотонная эмиссия - один из процессов, приводящих к возникновению электромагнитного излучения при облучении поверхности твердого тела медленными электронами (с энергией от нуля до нескольких десятков электрон-вольт).

Одним из механизмов возникновения излучения в ЭЗЭ является радиационный захват медленных электронов (РЗЬЮ). Он стал основой весьма .эффективных методов исследования незаполненных электронных состояний в металлах, полупроводниках и диэлектриках. РЗМЭ - это прямой процесс (т.е. без вторичных возбуждений), в результате которого электрон с энергией переходит с начального состояния, на котором он оказался войдя в твердое

тело, на конечное состояние с энергией , При этом излучается квант света с энергией = . Такой переход можно рассматривать как захват электрона из состояния в вакууме на твердотельное состояние с испусканием фотона. Здесь нужно отметить, что такой процесс возможен только при условии, что конечное состояние радиационного перехода является свободным, поэтому в спектрах РЗЫЭ проявляется энергетическая электронная структура исследуемого материала в области незаполненных состояний.

Целью данной диссертационной работы являлось исследование закономерностей РЗЮ пленками серебра, а также влияния оптического плазменного резонанса в серебре на изохроматные спектры РЗЭ. Эти исследования необходимы для выяснения механизмов формирования изохроматных спектров РЗМЭ металлами и развития методик исследования незаполненных электронных состояний в твердом теле.

Научная новизна.

1. впервые получены изохроыатные спектры радиационного захвата медленных электронов пленками серебра на ыЬ(ПО) с регистрацией фотонов в интервале энергий 3-5 эВ.

2. Впервые оценен вклад различных механизмов в излучение, вызванное электронами, входящими в пленку серебра из вакуума

с почти нулевой кинетической энергией.

3. Проанализированы причины появления особенностей в изохроматных спектрах РЗМЭ, идентифицированы особенности в изохроматных спектрах, полученных для пленок серебра на \Х/(ПО) и ыЬ(ИО).

Практическая значимость данной работы заключается в том, что, используя спектроскопию РЗМЭ, можно получить информацию об энергетической электронной структуре в области незаполненных состояний в металлах с помощью параллельных измерений спектров полного тока и изохроматных спектров, а также исследовать изменения электронной структуры незаполненных состояний ниобия и вольфрама в процессе формирования на их поверхности тонких слоев серебра. Даны практические рекомендации по идентификации особенностей в изохроматных спектрах РЗМЭ твердым телом.

Защищаемые положения.

. I. Особенности в изохроматных спектрах электрон-фотонной эмиссии могут быть обусловлены не только радиационный захватом электронов на выделенные конечные состояния, но также возбуждением и излучательным распадом плазмонов и законом вхождения электронов в твердое тело.

2. Установлено, что в случае серебра тонкопленочные и поверхностные плазменные моды могут возбуждаться электронами, входящими в пленку с уровня вакуума.

3. При записи изохроматных спектров пленки серебра на длинах волн 405 и 322 нм в регистрируемом излучении присутствуют, по крайней мере, две компоненты:

- излучение по механизму радиационного захвата электронов;

- излучение, возникающее в результате радиационного распада плазмонов, возбужденных электронами.

Апробация работы и публикации. Результаты диссертации докладывались и обсуждались на XXI Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике (Ленинград, 1990), УП симпозиуме по вторичной электронной, фотоэлектронной эмиссии и спектроскопии поверхности твердого тела (Ташкент, 1990). Они опубликованы в четырех работах, приведенных в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, эаюшчения и списка литературы из 66 наименования. Общий ее объем - 116 страниц машинописного текста, включая 33 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследования поверхности, ее электронной структуры и, в частности, незаполненных электронных состояний. Сформулирована цель диссертационной работы, изложена общая структура диссертации, приведены защищаемые положения.

В первой главе рассмотрены особенности геометрической и электронной структуры, поверхностей \Х/(П0) и ЫЬ(ИО), кото-

рыв использовались в качестве подложек для напыления пленок серебра.

Подчеркнуто, что выбранная для исследования грань (НО) вольфрама и ниобия является наиболее плотно упакованной и не реконструируется в процессе термической очистки. В связи с этим можно ожидать лишь незначительного искажения объемной зонной структуры в приповерхностном слое этих образцов. Блеете с тем отмечается наличие на поверхности этой грани свободных d¿t -орбитал ей.

Во внешней электронной оболочке атомов ниобия на один электрон меньше, чей у атомов вольфрама. Этим может быть обусловлено различие в распределении НХ этих монокристаллов.

Вторая глава представляет собоЯ обзор работ, посвященных исследованию излучения, возникающего при возбуждении пленок серебра электронами или светом. Известно, что частоты плазменных колебаний CaJj, в металлах определяются уравнением ё(Со)=0, где 6(to)- зависящая от частоты диэлектрическая проницаемость. Специфика серебра заключается в том, что СОр , найденная из дисперсионного уравнения, попадает в область ближнего ультрафиолета, и энергия плазмонов "КлОр^З,8 эВ. Это означает, что плазменный резонанс в серебре можно наблюдать традиционными спектроскопическими методами, если только выполнены условия для распада плазмонов с испусканием фотонов. Эти условия определяются законами сохранения энергии и импульса при взаимодействии фотонов с плазмонами.

Показано, что объемные плазмоны в бесконечном кристалле не взаимодействуют с фотонами, так как их дисперсионные кривые не пересекается. Вместе с тем, поверхностные плазменные волны, частота которых определяется уравнением ¿(wj+'l а 0, могут распадаться с испусканием фотонов при условии, что плазмоны распадаются на шероховатостях поверхности, которые забирают на себя избыточный импульс плазмонов и обеспечивают таким образом закон сохранения импульса.

Проанализирована специфика плазменных мод в тонких металлических пленках. Показано, что если толщина пленки не больше, чем глубина проникновения поля внутрь вещества, то две поверх-

постные моды взаимодействуют между собой с образованием двух точкопленочных плазменных мод: нормальной (симметричной) и тангенциальной (антисимметричной). Причем тангенциальная мода с частотой СОр может распадаться с испусканием фотонов.

Экспериментальные исследования спектров излучения пленок серебра, возбуждаемых медленными электронами (Е = 50-300 эВ), показали, что в случае тонкой пленки (с! =. 2-4 монослоя) в спектре излучения присутствует хорошо выраженный максимум на длине волны 230 да (КсОр»3,8 эВ). При достижении толщины пленки 4-6 монослоев в спектре свечения появляется еще один максимум на длине волны 340 км 3,6 эВ). При даль-

нейшем увеличении толщины пленки этот максимум становится превалирующим.

Анализ экспериментальных данных позволяет сделать вывод о том, что максимум на частоте С-Ор в спектре свечения пленки серебра, облучаемой электронами, можно с одинаковым основанием рассматривать как плазменный резонанс переходного излучения тонкой пленки, так и как излучательный распад тонкопленочной моды, возбужденной электронами. В то же время спектральный максимум на частоте СлЛ^ не укладывается в рамки переходного излучения и объясняется излучательным распадом поверхностных плаз-монов.

В третьей главе изложены основы изохроматной спектроскопии радиационного захвата медленных электронов (РЗМЭ) твердым телом. Описано явление РЗЫЭ твердым телом, рассмотрена трехступенчатая модель РЗКЭ. Показано, что один из вариантов разбиения процесса радиационного захвата электрона твердым телом включает в себя следующие ступени: вхождение электрона в твердое тело; оптический переход электрона из начального состояния Е^ , в котором он оказался войдя в твердое тело, на конечное состояние Е^ с испусканием фотона с энергией Е^;; выход фотона в вакуум. Общим моментом во всех моделях радиационного захвата является оптический переход из начального состояния в конечное. Предположив, что оптический переход происходит в объеме твердого тела,которое характеризуется объемной зонной структурой, мы должны учитывать сохранение квазиволново-

е.

го вектора к при оптическом переходе. Тогда вероятность оптического перехода из начального состояния и в конечное пропорциональна следующему интегралу:

А

где первая £ -функция под интегралом связывает между собой начальное и конечное состояния оптического перехода, а вторая -"выбирает" начальное состояние в соответствии с энергией падающего электрона Е . Чтобы получить полную эмиссию фотонов на один электрон, необходимо просуммировать полученную вероятность по всем конечным и начальным состояниям и нормировать на число начальных состояний.

Дальнейшие анализ аналитического выражения для интенсивности излучения сводится к выбору области интегрирования £2. , которая определяется геометрией эксперимента и характером рассеяния электронов, а также к обсуждению зависимости матричного элемента от энергии и условия сохранения волнового вектора К . Если предположить, что при оптическом переходе вектор к не сохраняется, а матричный элемент считать постоянным и распространить область интегрирования на всю зону Бриллюэна, то интенсивность излучения, вызванного электронами с энергией Е , пропорциональна интегральной плотности состояний Ы ( Е - ^ и)) : £>(Б)л' М(Е—^Со) , где "1Си> - энергия регистрируемых фотонов. В таком приближении спектр излучения отражает распределение интегральной плотности незаполненных электронных состояний.

Очевидно, что адекватную модель процесса РЗМЭ можно получить только путем сравнения расчета, выполненного по конкретной модели, с соответствующим экспериментальным результатом. Пример такого сравнения будет приведен ниже.

На основе явления радиационного захвата медленных электронов построены методики исследования незаполненных электронных состояний в объеме и на поверхности твердого тела.

В исследовании незаполненных состояний с использованием

РЗЫЭ возможны, по крайней мере, три экспериментальные модификации:

1) энергия падающих электронов фиксирована, записывается спектр излучения, который несет информацию о конечных состояниях оптических переходов;

2) согласованным образом энергия падающих на образец электронов и энергия регистрируемых фотонов изменяются, а энергия конечного состояния фиксирована;

3) энергия регистрируемых фотонов постоянна, а энергия возбужденных электронов изменяется - эта модификация называется изохроматной спектроскопией Р311Э.

Наиболее распространенной и простой в техническом отношении экспериментальной модификацией спектроскопии радиационного захвата медленных электроном твердым телом является изо-хроматная спектроскопия.

Изохроматная спектроскопия РЗЭ может быть реализована как в рентгеновской области спектра, так и в области вакуумного УЗ, в ближне!* У5 области и в вакуумной части спектра. Регистрация излучения в той или иной области "спектра требует использования электронов соответствующей энергии. Перевод экспериментов по РЗЭ в область малых энергий электронов сделал возможным исследовать не только распределение интегральной плотности НХ, но и:

- дисперсию энергетических зон в области НЭС;

- локализацию по энергии незаполненных орбиталей адсорбированных молекул;

- поверхностный магнетизм;

- спектр состояний потенциала изображения;

- энергетическое распределение поверхностных состояний;

- связь меэду геометрической структурой поверхности и энергетической структурой НЭС.

В третьей же главе представлен обзор экспериментальных результатов по исследованию поверхностных и объемных незаполненных электронных состояний на грани (III) серебра. Проанализирована модель состояний потенциала изображения.

Однако все рассмотренные работы выполнены с регистрацией

излучения в рентгеновской области спектра или в области вакуумного.И, Поэтому в них не затрагивалась проблема влияния оптического плазменного резонанса на спектр РЗЭ. Кроме того, не рассматривалось влияние энергетической зависимости коэффициента упругого отражения электронов на формирование изохроматных спектров.

Анализ возможных причин появления особенностей в изохроматных спектрах позволил сформулировать критерии для идентификации в изохроматных спектрах РЗМЭ особенностей, обусловленных энергетическим распределением незаполненных электронных состояний.

В четвертой главе описана экспериментальная установка и методика измерений.

Приведенные в работе экспериментальные результаты получены на установке, вакуумная камера которой изготовлена из нержавеющей стали, а выходное окно - из фтористого магния. В качестве подложек для напыления пленок серебра использовались диски, вырезанные из монокристаллов вольфрама и ниобия. Диаметр дисков 10 мм, толщина I мм. Кристаллографическая ориентация дисков такова, что направление (НО) перпендикулярно плоскости диска. Напыление серебра производилось путем испарения его из молибденового стакана, разогреваемого электронной бомбардировкой. Толщина напьияемого слоя контролировалась* по изменению работы выхода поверхности.

Образцы закреплялись на штоке поворотного манипулятора и при измерении спектров РЗМЭ помещались в первый фокус эллиптического зеркала, второй фокус которого расположен в плоскости выходного окна. Применение эллиптического зеркала позволяло собирать излучение с образца в телесном угле 1,4 стерадиан. Электронная пушка формировала параксиальный пучок электронов, которые сквозь дрейфовую трубку через отверстие в вершине зеркала падали перпендикулярно на поверхность образца. Измерения выполнены в условиях вакуума ЗЛО" -10"® Topp.

Для записи изохроматных спектров РЗМЭ использовалась модуляционная методика, позволявшая получать зависимость dS/dE как функцию энергии электронов. Ввделение узкого спектрального

интервала осуществлялось с помощью интерференционного светофильтра. Запись спектрального распределения излучения производилась с помощью спектрально-вычислительного комплекса КСЕУ-23 с монохроматором ВДР-23.

В качестве вспомогательной методики использовалась спектроскопия полного тока (СПТ). С ее помощью контролировалось изменение работы выхода поверхности, воспроизводимость исходной поверхности при ее очистке. Кроме того, спектры полного тока позволили идентифицировать в изохроыатных спектрах РЗМЭ особенности, обусловленные энергетической зависимостью коэффициента упругого отражения электронов.

В пятой главе представлены экспериментальные результаты и их интерпретация.

С целью выяснения роли подлокки в формировании изохроиат-ных спектров РЗМЭ пленками серебра были записаны соответствующие спектры чистых поверхностей \Х/(П0) и ыЬ(ПО). Их различие связывается с различной структурой и заполнением внешних электронных оболочек атомов вольфрама и ниобия.

При напылении пленок серебра на XV (110) и мЬ(ПО) были записаны иэохроматные спектры, соответствующие различны.! толщинам пленок, на длинах волн '¡Ц = 405 нм, Я3. = 322 нм,

¡Ц = 254 нм ( = 3,05 эВДсо^ = 3,8 эВ, = 4,8 эВ). В случае использования светофильтра с Я = 322 нм более 40? интенсивности излучения плазменного резонанса попадает в полосу пропускания светофильтра. При этом первый максимум в иэохро-матном спектре, обусловленный электронами, входящими в твердое тело с уровня вакуума, существенно возрастает при напылении серебра. Для выяснения соотношения между вкладами в первый максимум излучения по механизму радиационного захвата электронов и излучения распадающихся плазмонов были сравнены иэохроматные спектры на 322 км и А_з ■ 254 нм. Полоса пропускания по-

следнего фильтра лежит вне плазменного резонанса.

Кроме того, были записаны спектры излучения, возбуждаемые электронами с почти нулевой кинетической энергией в пленках серебра различной толщины. Эти спектры показали, что электрона, входящие в пленку с уровня вакуума, возбуздают в ней как тонко-

пленочные, так и поверхностные, моды плазмонов.

При увеличении толщины пленки серебра амплитуда первого максимума в изохроматном спектре возрастает. Это возрастание связывается с увеличением времени пробега электрона, входящего с уровня вакуума в пленку серебра. При определенной толщине пленки этот рост прекращается. Эта толщина, по-видимому, равна длине пробега электрона с данной энергией в серебре. Таким образом можно оценить длину свободного пробега электрона с почти нулевой кинетической энергией в серебре.

Анализ изохроматних спектров РЗМЭ, записанных на разных длинах волн, и спектров полного тока показал, что особенности в изохроматных спектрах, записанных на длинах волн 405 и 322 нм в области энергий электронов 9-17 эВ, обусловлены упругим отражением электронов.

Рассмотрена модель РЗЮ, в которой электрон, входящий в твердое тело, квазиупруго рассеивается, заполняя равновероятно состояния с разнили К , но с данной энергией, а затем совершает оптический переход с испусканием фотона. Расчет, выполненный по такой модели, достаточно хорошо согласуется с экспериментальными результатами.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Особенности в изохроматных спектрах радиационного захвата электронов пленками серебра на V/ (НО) и ыЬ(ПО) обусловлены следующими механизмами:

- возбуждением и иэлучательным распадом плазменных колебаний в пленках серебра;

- энергетической зависимостью коэффициента упругого отражения электронов от поверхности монокристаллических пленок серебра;

- преимущественным радиационным захватом электронов на ввделенные незаполненные электронные состояния в серебре.

2. В случае пленок серебра на \Х^(Н0) и ыЬ( 110) плазменные колебания в них могут возбуждаться электронами, кинетическая энергия которых близка к нулю. Это означает, что элект-

роны, входящие в пленку серебра с уровня вакуума, могут возбуждать плазмоны, распадающиеся с некоторой вероятностью с испусканием фотонов.

3. Спектр излучения, возбуждаемого электронами с кинетической энергией, близкой к нулю, в пленках серебра на W(IIO) и Nb(IIO) зависит от толщины пленки:

- при толщине 2-4 монослоя в спектре наблюдается один максимум при = 330 нм;

- при толщине 6-8 монослоев в спектре появляется второй максимум при длине волны = 340 нм.

При увеличении энергии электронов от 0 до 300 эВ положение максимумов не меняется заметным образом. При этом относительная величина максимума на длине волны = 340 нм увеличивается, что свидетельствует об относительном увеличении сечения возбуждения поверхностных плазмонов в этом энергетическом интервале.

4. В электронной структуре исследуемых пленок серебра обнаружены максимумы распределения незаполненных электронных состояний при анергиях Ej = (0,5+0,2) эВ и Eg = (4,2+0,2) эВ относительно уровня Ферми для А^/^ (ПО) и A<j/Mk(II0).

5. Особенности в изохроматных спектрах ( = 322 и 405 нм) пленок серебра расположены в интервале энергий от

10 до 17 эВ и обусловлены энергетической зависимостью коэффициента упругого отражения электронов от поверхности монокристаллической пленки А^ (III) на W(IIO) и ыЬ(ПО).

6. Сравнение полученного изохроматного спектра ( Я =

= 405 нм) для пленки серебра на W(IIO) с модельным расчетом показывает, что использование для расчета предположения о квазиупругом рассеянии медленных электронов, предшествующем их радиационным переходам, оправдано.

Материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

I. Изменение структуры незаполненных электронных состояний граней W(II0) и Nb(IIO) в процессе адсорбции серебра / Тез. докл. УП симп. по вторичной электронной, фотоэлектронной эмиссии и спектроскопии поверхности твердого тела. Ташкент,

1990 (Соавт. С.Н.Саыарин, О.Г.Дмитриева).

2. Применение спектроскопии радиационного захвата медленных электронов для исследования незаполненных электронных состояний граней \Х/(И0), Ыо (НО), N¿(110) // Тез. докл.

УП симп. по вторичной электронной, фотоэлектронной эмиссии и спектроскопии поверхности твердого тела. Ташкент, 1990 (Соавт. С.Н.Самарин, О.Г.Дмитриева).

3. Влияние адсорбции кислорода на спектр незаполненных электронных состояний №Ь(110) // Тез. докл. XXI Всесоюзной конф. по эмиссионной электронике. Л., 1991 (Соавт. С.Н.Самарин, О.Г.Дмитриева).

4. Спектроскопия полного тока грани (ПО) монокристалла вольфрама // Поверхность: Тез. докл. Всесоюз. конф. Черноголовка, 1989 (Соавт. С.Н.Самарин, О.Г.Дмитриева, И.И.Яковлев).