Микроскопика поверхности проводящих кристаллов в сильном электрическом поле тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ



ГУ -

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А.Ф.ИОФФЕ

На правах рукописи

Г

Президиум ВАК России ■■

УДК 537." 533. 2+537. 534: 537. 212: 35

решение от " " ¿О !<

■присудил ученую степень ДОКТОРА

Голубев Олег Лазаревич

МИКРОСКОПИКА ПОВЕРХНОСТИ ПРОВОДЯЩИХ КРИСТАЛЛОВ В СИЛЬНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

( специальность 01.04.04 - физическая электроника )

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Санкт-Петербург 1999 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ...................:.......................................................................... 10

ГЛАВА I. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ, МЕТОДИКА И ТЕХНИКА

ПОЛЕВОЙ ЭМИССИОННОЙ МИКРОСКОПИИ............. 18

§1. Полевые эмиссионные методы изучения поверхности.....18

§2. Полевая эмиссионная микроскопия.....................................18

2.1. Общий принцип действия полевых эмиссионных микроскопов............................................................................18

2.2. Автоэлектронная эмиссия и полевая электронная микроскопия............................................................................21

2.3. Полевая ионизация и полевая ионная микроскопия..........29

2.4. Полевая десорбционная микроскопия.................................36

2.5. Полевое испарение и полевая испарительная микроскопия............................................................................39

§3. Приборы и техника эксперимента........................................52

3.1. Установка комбинированного полевого эмиссионного микроскопа..............................................................................52

3.2. Полевой электронный микроскоп отпаянного типа...........58

3.3. Технология изготовления острий.........................................59

3.4. Технология изготовления источников адсорбата...............61

3.5. Измерение температуры........................................................67

3.5.1. Оптическая пирометрия........................................................67

3.5.2. Измерение температуры по изменению сопротивления. ..68

3.5.3. Учет нагревающего действия источника адсорбата..........69

3.6. Техника электрических измерений......................................70

3.7. Техника регистрации изображений.....................................73

3.8. Усиление яркости изображений...........................................74

§4. Методы экспериментального определения некоторых

физических величин...............................................................75

4.1. Определение работы выхода.................................................75

4.2. Определение напряженности электрического поля...........80

4.3. Определение радиуса кривизны острия...............................82

4.4. Индексация полевых эмиссионных изображений..............84

4.5. Математическая обработка результатов..............................85

ГЛАВА II. ИЗУЧЕНИЕ ТЕРМОПОЛЕВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА

НЕОДНОКОМПОНЕНТНЫЕ СИСТЕМЫ..........................87

§1. Введение..................................................................................87

§2. Обзор литературы...................................................................88

2.1. Взаимодействие атомов кремния с некоторыми переходными металлами.......................................................88

2.2. Адсорбция и конденсация никеля на вольфраме...............96

2.3. Адсорбция и конденсация бериллия на вольфраме...........98

2.4. Взаимодействие атомов углерода с вольфрамом.............103

2.5. Выводы и постановка задачи..............................................113

§3. Конденсация и кристаллический рост слоев кремния

на вольфраме и воздействие на них сильных

электрических полей и высоких температур....................114

3.1. Введение................................................................................114

3.2. Монослойные покрытия кремния на вольфраме

и их роль в формировании структур конденсата..............115

3.3. Термополевое воздействие на моноатомные слои кремния на вольфраме. Явление полевой реконструкции поверхности...............................................138

3.4. Термополевое воздействие на «толстые» слои

кремния на вольфраме........................................................150

3.5. Воздействие отбираемого эмиссионного тока на

слои кремния на вольфраме................................................159

§4. Взаимодействие атомов кремния с иридием при

термополевом воздействии.................................................165

§5. Влияние атомов кремния на теромоплевые

формоизменения рения.......................................................178

§6. Влияние бериллия на термополевые

формоизменения вольфрама...............................................186

§7. Термополевые формоизменения слоев никеля

на вольфраме.........................................................................188

§8. Изучение полевого испарения карбидов вольфрама........200

8.1. Введение................................................................................200

8.2. Карбид, ориентированный гранью {0001}........................201

8.3. Карбид, ориентированный гранью {1120}........................204

8.4. Структура «ребристого кристалла»....................................206

8.5. Попытки получения упорядоченного полевого

ионного изображения поверхности карбида....................210

8.6. Определение испаряющих полей для карбидов...............214

8.7. О характере процесса полевого испарения карбидов и механизм испарения примесных атомов

с большими потенциалами ионизации..............................217

§9. Изучение процесса полевого испарения некоторых

материалов ВТСП.................................................................224

9.1. Введение................................................................................224

9.2. Определение работы выхода монокристаллов ВТСП......227

9.3. Оценка энергий связи в решетке ВТСП-монокристалла, механизм полевого испарения подобных соединений. ...233

§10. Выводы..................................................................................238

ГЛАВА III ИЗУЧЕНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО

ПОЛЕВОГО ИСПАРЕНИЯ МЕТАЛЛОВ....................241

§1. Введение................................................................................241

§2. Обзор литературы.................................................................242

2.1. Изучение полевого испарения металлов при высоких температурах.........................................................................242

2.2. Выводы и постановка задачи..............................................248

§3. Полевое испарение иридия и платины при высоких

температурах........................................................................249

3.1. Введение.............................................................................................249

3.2. Визуализация формоизменения острий в процессе термополевого воздействия, эффект схлопывания

колец.....................................................................................250

3.3. Величины испаряющих полей при различных температурах острия............................................................259

3.4. Определение кинетических параметров высокотемпературного полевого испарения.

Общий характер явления.....................................................270

§4. Выводы.................................................................................282

ГЛАВА IV. ИЗУЧЕНИЕ ФОРМОИЗМЕНЕНИЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛОВ, ВЫЗВАННЫХ КОНДЕНСАЦИЕЙ

СОБСТВЕННОГО МАТЕРИАЛА.....................................284

§1. Введение................................................................................284

§2. Обзор литературы................................................................285

2.1. Изучение процессов конденсации с помощью полевых эмиссионных методов..........................................................285

2.2. Изучение процессов зародышеобразования.....................287

2.3. Изучение эпитаксиального роста.......................................289

2.4. Изучение элементарного акта конденсации.....................292

2.5. Выводы и постановка задачи..............................................293

§3. Формы роста некоторых тугоплавких металлов при

вакуумной конденсации собственного материала............294

3.1. Введение................................................................................294

3.2. Автоэпитаксиальный рост тантала.....................................295

3.3. Механизмы перемещений атомов, приводящие

к различным стадиям формоизменения острий................300

3.4. Автоэпитаксиальный рост рения........................................302

3.5. Автоэпитаксиальный рост вольфрама и молибдена........307

§4. Новые методы определения энергии межатомного

взаимодействия на поверхности....................................... 311

4.1. Метод оценки энергий латерального взаимодействия

адсорбированных атомов....................................................313

4.2. Метод оценки энергий перемещения атомов

на поверхности.....................................................................316

§5. Конденсационные формоизменения острий,

подвергнутых термополевому воздействию.....................317

§6. О сходстве и различии конденсационных и

термополевых видов формоизменения острий.................325

§7. Эмиссионные свойства эмиттеров, полученных

конденсацией собственного материала острия.................327

§8. Выводы..................................................................................333

ГЛАВА V. ИЗУЧЕНИЕ УСЛОВИЙ ОБРАЗОВАНИЯ И СВОЙСТВ ТЕРМОПОЛЕВЫХ МИКРОВЫСТУПОВ НА ТАНТАЛЕ,

РЕНИЕ,ИРИДИЕ И ПЛАТИНЕ.........................................335

§1. Введение................................................................................335

§2. Обзор литературы.................................................................336

2.1. Перестройка острий в электрическом поле.......................336

2.2. Влияние электрического поля на поверхностную самодиффузию и формоизменения острий.......................338

2.3. Определение величин коэффициента поверхностного натяжения..............................................................................340

2.4. Термополевые микровыступы............................................341

2.5. Термополевые макронаросты.............................................342

2.6. Общий характер формоизменения острий при термополевом воздействии............................................... 343

2.7. Модель формоизменения острий при конкуренции электростатических и лапласовых сил..............................345

2.8. Выводы и постановка задачи...............................................349

§3. Экспериментальная проверка модели равновесия

электростатических и лапласовых сил...............................350

§4. Экспериментальное получение равновесных

микровыступов......................................................................351

§5. Определение коэффициента поверхностного натяжения

перестроенного острия.........................................................353

§6. Заострение, затупление микровыступов, управление

количеством микровыступов на поверхности...................358

§7. Новый экспериментальный метод определения испаряющих полей. Величины испаряющих полей

для микровыступов...............................................................361

§8. Микровыступы как центры зарождения макронаростов. .371 §9. Микровыступы как точечные источники электронов

и ионов....................................................................................373

§10. Термополевые формоизменения иридия, платины, тантала и рения в широком интервале изменения электрических полей и температур....................................376

10.1. Введение................................................................................376

10.2. Термополевые формоизменения иридия...........................376

10.3. Термополевые формоизменения платины.........................384

10.4. Термополевые формоизменения тантала..........................385

10.5. Термополевые формоизменения рения.............................396

§11. Выводы..................................................................................403

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................405

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................413

Введение

Современный этап развития физики характеризуется бурным прогрессом в области физики поверхности. Это связано в основном с двумя обстоятельствами. Во-первых, подобный процесс развития определяется потребностями таких современных областей науки и техники как нанотехнология, . рост кристаллов, физическая электроника, гетерогенный катализ. Во-вторых, в настоящее время в распоряжении исследователей имеется мощный арсенал разнообразных и эффективных методов изучения явлений на поверхности твердого тела. Среди них особый интерес представляют методики изучения поверхности в атомном масштабе, позволяющие визуализировать элементарные процессы на поверхности. Такие методики, как правило, связаны с применением весьма сильных электрических полей напряженностью от нескольких долей до нескольких единиц вольт на ангстрем, к данным методикам относятся полевая эмиссионная микроскопия и сканирующая туннельная микроскопия. В связи с развитием этих методик, а также необходимостью решения многих практически важных задач, связанных в основном с нанотехнологией и техникой точечных источников электронов и ионов высокой яркости особую актуальность приобретает изучение одновременного воздействия сильных электрических полей и температур на поверхности проводящих кристаллов. Помимо практического аспекта физический интерес к данной проблеме несомненен, поскольку воздействие электрических полей, сравнимых с внутриатомными полями в кристаллической решетке и при температурах, обеспечивающих заметную подвижность

атомов на поверхности, может дать новую информацию о состоянии поверхности кристалла. Весьма эффективной для такого рода исследований может быть полевая эмиссионная микроскопия, которая визуализирует поверхность с пространственным разрешением от 2-3 до десятков ангстрем, имеет дело как правило с идеальными монокристаллами при весьма чистых вакуумных условиях и может наблюдать состояние поверхности при любых темепературах от криогенных до температур плавления.

С помощью полевых эмиссионных методов было выполнено значительное количество работ, посвященных изучению т. наз. термополевого воздействия, т.е. одновременного воздействия сильных электрических полей и температур на кристаллические обьекты-эмиттеры. Однако в этой области оставался ряд важных нессследованных разделов-белых пятен. Во-первых, термополевое воздействие было изучено лишь для некоторых чистых металлов, практически полностью отсутствовали работы по изучению подобного воздействия на неоднокомпонентные объекты, такие как химические соединения, сплавы, слои постороннего адсорбата на поверхности, неизвестен до конца был и механизм полевого испарения подобных обьектов. Во-вторых, термополевое воздействие связано, как правило, с явлением высокотемпературного полевого испарения. Явление это, лежащее в промежуточной области между классическим полевым испарением при криогенных температурах и поверхностной ионизацией в сильном электрическом поле, было совершенно не исследовано к началу данной работы. Формоизменения острийных монокристаллов могут происходить не только при термополевом , но и при конденсационном воздействии, т.е. за счет конденсации

собственного материала на поверхность эмиттера в отсутствии внешнего электрического поля. Изучение подобных формоизменений и их связь с термополевыми формоизменениями также являлось одной из основных задач работы. Наконец, не было проведено детального изучения условий образования и эмиссионных свойств термополевых микровыступов на металлах, особенно интересных для целей нанотехнологии - Р1:, 1г, Яе и Та. Именно термополевые микровыступы, объекты предельно малой кривизны, могут стать основой для создания точечных источников электронов и ионов в первую очередь для нанотехнологии. Для изучения подобных микровыступов необходимо было создать некоторые новые методы их исследования

Таким образом, работа посвящена изучению четырех основных проблем, связанных с поверхностью кристалла: термополевого воздействия на неоднокомпонентные объекты, высокотемпературного полевого испарения, конденсационного воздействия на поверхность кристалла и условий образования и свойств термополевых микровыступов на Р1:, 1г, Ые и Та. В соответствии с этим и построена диссертация. Она состоит из введения, пяти глав и заключения.

Во введении излагаются общие цели и задачи работы, структура и краткое содержание диссертации.

Первая глава - методическая и посвящена общим принципам полевой эмиссионной микроскопии, вопросам эмиссии электронов и ионов в сильных электрических полях, процессу формирования изображения, разрешающей способности приборов, а также и описанию конкретных установок и приборов, использованных в экспериментах, технологии приготовления образцов. Обсуждены также методы измерения температуры, количества конденсата, а также

методы определения ряда физических величин, таких как работа выхода, напряженность электрического поля, радиус кривизны острия-эмиттера.

Диссертация не содержит одного общего обзора литературы, в каждой из четырех глав II - V, посвященных одной из поставленных задач, имеется собственный обзор литературы, в котором рассматриваются работы, относящиеся к теме данной главы.

Глава II посвящена изучению термополевого воздействия на неоднокомпонентные эмиттеры. В качнстве таковых изучены эмиттеры, полученные конденсацией адсорбата на чужеродную подложку, а также и объемно неоднокомпонентные материалы. В качестве основного адсорбата использовался 81, а в качестве подложек использовались 1г, Яе, кроме того были изучены системы и

Прежде чем изучать термополевое воздействие, предварительно были на атомном и близком к нему уровне изучены закономерности начальных стадий конденсации и кристаллического роста для этих систем.

В качестве неоднокомпонентных объемных соединений изучены карбиды и монокристаллы ВТСП типа МеВа2Сиз07.х ( Ме: У, Ей, ТЬ, Бу ). В этом случае основное внимание было уделено изучению полевого испарения подобных систем, установлению механизма испарения, непонятного к началу выполнения данной работы. В главе подробно описаны закономерности формирования адсорбированных слоев на поверхности, термополевое формоизменение в таких системах, детально рассматривается обнаруженное явление полевой реконструкции поверхности кристалла. Описаны эмиссионные свойства таких эмиттеров.

Подробно описаны эксперименты по полевому испарению карбидов и материалов ВТСП.

В главе III описываются результаты экспериментов по высокотемпературному полевому испарению, т.е. испарению собственных ионов эмиттера при