Спектроскопия радиационного захвата медленных электронов твердым телом тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

|кт-и1пт:рпу|>га.ни государственный униннрситгт

СЛМАРИН Сергии Николаевич

сш-и-пюсиоиия радиационного зл/клгл мгллгшшх гккжтроноп тпкрдым тглом

01.04.07 - физика твердого тела

ДИТОРКФГРЛТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

«, 5 > Г;

На правах рукописи

Санкт-Петербург 1005 год

Работа выполнена в отделе Электроники твердого тела Научн Исследовательского института физики Санкт-Петербургско государственного университета.

Официальные оппоненты: Доктор физико-математических Доктор физико-математических Доктор физико-математических

наук - Б.В.Новиков, наук - Ю.А.Гороховатский. нзуис - в.В.Кораблеь.

Ведущая организация: Московский государственный университет им,М.В.Ломоносова.

Защита состойся 22 июня 1995 г. в 15 ч.ЗО мин. на заседа» Диссертационного Совета Д.063.Г7.32 по защитам диссертаций соискание ученой степени доктора физико-математических наук I Санкт-Петербургском государственном университете по адре< 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ.

Автореферат разослан "_" мая 1995 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, доктор физико-математических наук

Соловьев В.

оьиля характеристика работы.;.____________________________________

-----Лктуальностьтеш.

Незаполненные электронные состояния (НЭС) играют существенную роль во многих физических процессах на поверхности и з объеме твердого тела. Они определяют отклик среды на внешнее возмущение . и транспортные . свойства слоистых структур, зодородопроницаемость металлов и адсорбционные свойства поверхности. Их распределение влияет. аа геометрическую и электронную структуру межфазовых границ» магнитные свойства поверхности. Структура НЭС вблизи уровня. Ферми в значительной степени определяет сверхпроводящие свойства высокотемпературных сверхпроводников, НЭС играют важную роль в реконструкции и релаксации поверхности твердого тела.

В связи с этим весьма актуальным является развитие методов и методик получения информации об электронной"структуре обЪема и поверхности твердого тела в области незаполненных состояний. .

В настоящее время для исследования НЭС наиболее эффективными являются методики, основанные на явлении радиационного захвата электронов (РЗЭ) твердым телом. Суть этого явления заключается в том, что электрон, входящий из вакуума в твердое тело и заполняющий в нем состояние с энергией е^, может в результате спонтанного перехода на состояние е{ испустить фотон с энергией г»ш = - е£. Характеристики такого излучения несут информацию о незаполненных электронных состояниях, на которые происходит радиационный г-эхват электрона.

Исторически сложилось так,, что впервые РЗЭ эксгэриментально наблюдался в рентгеновской области спектра* Именно поэтому первой во времени методикой для исследований НЭС стала изохроматная спектроскопия тормозного излучения, использующая, электроны с, энергией, примерно "1,5 КэВ. Эта методика позволяет последовать энергетическое распределение . интегральной плотности НЭС, а получаемая информация относится при этом к объему твердого тела. Продвижение в область меньших энергий электронов ь регистрируемых фотонов (-100 эВ) позволило создать методику, дающую инфО|Л:.чиию о НЭС поверхностного сло'я вещества. И лишь в начале 80.-х годов были выполнены эксперимента по КЗЭ в области вакуумного :уФ. При этом оказалось возможным исследовать дисперсию энергетических зон в

области НЭС, а получаемую информацию относить к самому верхш слою вещества толщиной (5 + 10) 8, поскольку энергия электро! применяемых в этих экспериментах, составляет величину порядка эВ. Энергетический диапазон от 0 до 5 + 6 эВ остава. неизученным. Вместе с тем в этом энергетическом диапазоне мо; ожидать ппоявление новых закономерностей РЗЭ твердым тел! связанных с изменением характера рассеяния электронов при э-энергиях, с энергетической зависимостью сечения РЗЭ на состоя с определенной орбитальной симметрией (э-, р- .а-, г-состояни с тем, что . медленные электроды чувствительны к фо потенциального барьера на границе вакуум - твердое тело. Э энергетический диапазон интересен и тем, что одним из немно (если не единственным) каналом получения информации о дальней "судьбе" электрона, вошедшего в твердое тело с почти нуле кинетической энергией,, является излучение, возникающее релаксации этого неравновесного электрона.

Целью нустоящей _уаботы являлось исследование закономерно радиационного захвата электронов твердым телом в диапаз энергеий от 0 - до о * 6 эВ и разработка на основе от исследований методики получения информации о НЭС твердого тел о динамике рассеяния столь медленных электронов.

Исследования выполнены на наборе материалов, включающе: себя монокристаллы и(ио), ль(ио), но(по), поликристалличес вольфрам, пленки металлов: Ад, ьа, ва, ш, ли, си, полупроводники (100). 81(110), 81(111), РЬЗ(ЮО), СаАя(ЮО) диэлектрик бю2. Столь широкий набор образцов, использованных исследования РЗЭ в области малых энергий электронов, при/ несомненную общность полученном в работе закономерностям К исследованном энергетическом диапазоне.

Научная_новизна_рабохы состоит в получении новых знани закономерностях радиационного захвата электронов твердым теле области малых энергий, в определении вклада различных механи: в формирование изохроматного . спектра в ис;.ледова) энергетическом диапазоне, в выяснении новых закономерно* возбуждения и радиационного распьда плазменных колзбани!

шках серебра, в разработке методических приемов _ получения-формации о НХ в тшрдом'телеГ ио динамике рассеяния медленных ектронов.

Зщищаемые_пдлджения.

Структура изохроматного спектра, в общем случае, определяется ергетической зависимостью вероятности радиационного захвата дленных электроноо, порогами возбуждения катодолюминесценции, диаиионным распадом плазменных колебаний, а также ергетической зависимостью коэффициента упругого отражения ектронов от поверхности образца. Разработай алгоритм аначиза, зволяющий выделить в изохроматном спектре осоСзнности, условленные различными механизмами взаимодействия электронов с ердым телом.

Минимальная энергия Еьпадаюших на поверхность твердого тела зктронов, вызывающих эмиссию фотонов с энергией ьш, ределяется соотношением между частотой излучения и и величиной одства к электрону поверхности е*: = Г)Ы - е*. Даже

зктроны с нулевой кинетической энергией, входящие в твердое ло, вызывают излучение с энергией фотонов ьи * е*. Определяющим ханизмом излучения при этом является радиационный захват зктронов (РЗЭ) на незаполненные состояния твердого тела.

Модель радиационного захвата медленных (е < 5 эВ) электронов ЗМЭ), позволяющая объяснить основные особенности зперимонтально полученных изохроматных спектров.

Оригинальный прибор для исследования закономерностей ИЗМЗ, кишенный патентом. Полученная с помощью этого прибора формация о распределении незаполненных электронных состояний здующих материалов: И(ио), ыь(ио), но(по),

иикристалличсского вольфрама, Ад, Ш, Ва, Си, Яп, Аи, Ьа, 1100), 31(110), 31(111), РЬЗ(ЮО). СаАз(ЮО), Изморзнныэ

точины сродлва к электрону поверхностей: ицю), Ад(1П), ьа, , рьэиоо).

Б. Экспериментальное определение энергетического порога возбуждения плазменных мод в пленке серебра, который оказался равен Ер = 0, гдв Ер - кинетическая энергия электронов в вакууме. Соотношение между вкладами в излучение тонг.опленочной и поверхностной мод зависит как от толщины пленки, так и от энергии электронов.

6. Возможность обнаружения с помощью спектроскопии РЗМЭ изменен структуры незаполненных электронных состояний систем Ад - 81 и'; - в! при их прогреве, которое свидетельствует об образовав силицидоподобных соединений сервера и золота в этих условиях.

7. Методика наблюдения с помошыо спектроскопии РЗМЭ образован! на поверхности металла новой фа.ги вещества, обладайте! неметаллическими свойствами, которые проявляются в налит запрещенной зоны в спектре электронных; состояний поверхностно! слоя. ' : '

8. Вероятность радиационного захвата медленных электронов тверд телом существенно меняется при изменении орбитальной симметр; конечных состояний. В частности, интенсивность радиационно захвата электронов с энергией € эВ на гззаполненные состоян: лантана возрастает примерно на два пррядка при гибридизации эт состояний с 2р-состояниями кислорода в процессе окислен лантана. '

Э. Методика измерения сродства к электрону поверхности твердо тела с . помощью спектроскопии РЗМЭ. Способ измерения дли свободного пробега электронов с нулевой кинетической энергией.

' Научная_и-праетическая_значимость ' раооты заключается следующем:

1. Создана, м-даль . радиационного захвата электронов энергетическом диапазоне О - 6 эВ и тем самым завершена оба картина радиационного захвата электронов твердым телом.

2. Разработан алгоритм анализа низкоэнергетических изохромать спектров, позволяющий выделить в "них особенности; обусловлю

|ЗлиЧными механизмами взаимодействия электронов с твердым телом___________

--Предложен-способ измарения сродства к электрону поверхности ердого тела, рэзоаботан методический прием, позволяющий >наруживать на поверхнос т и металла образование новой фазы ¡щества, характеризуемого наличием запрещенной зоны в спектре о электронных состояний. Все это может найти свое применение в »хнологии полупроводниковых приборов.

Исследованы закономерности излучательного распада плазменных шебаний, возбужденных электронами с почти нулевой кинетической 1ергивй. Результаты этих исследований могут найти применение при 1зработке и создании новых приборов твердотельной ггоэлектроники.

Создан оригинальный универсальный прибор для исследования шучательного взаимодействия медленных электронов с твердым ¡лом, защищенный патентом (патент N1705914).

Апробация_работы. Материалы диссертации были представлены в ) докладах на Всесоюзных и 5 Международных конференциях, на ¡минарах и школах по физике твердого тела, в том числе; г Всесоюзном симпозиуме "Современные проблемы физики вторичной и ггоэлектронной эмиссии" (Ленинград, 1981); хуш Всесоюзной жференции по эмиссионной электронике (Ташкент, 1981); V и VI ;есоюзных симпозиумах "Фотоэлектрсиная эмиссия, вторично-юктронная эмиссия и вторичная ионно-электронная эмиссия" Зязань, 1983, 1986); Международной конференции "Электродинамика жфазовой границы. Квантовые эффекты в адсорбированных слоях и юнгах" (Тбилиси, 1986); Всесоюзной конференции "Диагностика >верхности" (Каунас, 1986); XX Всесоюзной конференции по мссионной электронике (Киев, !9о7); Европейских конференциях по 1зике поверхности (Есоэз-гг, Стогкольм (Швеция), 1991; Есоээ-гз зрвик (Англия) 1993); X Международной конференции по физике экуумного ультрафиолетового излучения (Париж, 1902).

Основные результаты работы опубликованы ч 29 печатных йотах, список которых приведен в коние автореферата.

СТРУ!П'Ура_и_об^,15_дисседгауии. Диссертация состоит из ~лавления, введения, б глав, заключения и списка цитируемой

литературы из 157 наименований. Основной материал диссерташ изложен на 187 страницах машинописного текст; проиллюстрированного 98 рисунками и 3 таблицами.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ диссертации

Во введении обосновывается актуальность темы. рассмотре1 основные методики исследования незаполненных электронт состояний (НЭС) в тьардом теле, основанные на явлен радиационного захвата электронов (РЗЭ) твердым телом, возможнсти и ограничения. Сформулированы: цель и задачи работ научная новизна, и практическая значимость работы, основн положения, выносимые на защиту.

Первая_глава диссертации посвящена обзору различи механизмов излучат ельно го взаимодействия электронов с тверд; телом Показано, что в случле нелюминесиирующих объекте основыми механизмами дающими вклад в излучение, возникающее г взаимодействии медленных электронов с твердым телом, являют радиационный захват электронов и излучательныи распад плазмень колебании, возбужденных электронным ударом. Рассмотрены раапичь модели радиационного захвата электронов твердым телом. Показанс что общим моментом всех моделей является оптический переход начального состояния I в конечное состояние г, вероятное которого пропорциональна интегралу:

р1? -сНг

П

А

|<£>| 1 - ЕГ(Й) - Ьи|

(X, ¡)) - оператор взаимодействия электрона с электромагнит полем. Дельта-функция связывает между собой начальное и конеч состояния оптического перехода. При этом допрос; о споо заполнения начального состояния остается открытым, и выбирается в соответствии с рассматриваемой моделью. Дальней

пользование__этого....выражения—требует вычисления - матричного"

емента и определения области интегрирования о, которая зависит к от модели процесса КЗЭ, так и от условий эксперимента, казано, что способ заполнения начального состояния оптического рехода существенно зависит от эффективности квазиупругого ссеян.ш электрона в твердом теле. Проанализирована конкуренция зличных каналов релаксации неравновесного электрона.

Общий вывод лз рассмотрения моделей РЗЭ твердым телом ключается в следующем. При наблюдении РЗЗ в рентгеновской ласти спектра (ьи > 1 КэВ) сохранение квазиволнового вектора 5« оптическом переходе не является строгим правилом отбора. При ом спектры РЗЭ отражают распределение интегральной плотности С. При уменьшении энергии регистрируемых фотонов до, примерно, эВ (обратная фотоэмиссия) сохранение квазиволнового вектора Й ановится обязательным в оптическом переходе. Заполнение чального состояния в твердом теле определяется условиями сшивки лновой функции этого состояния с волновой функцией электрона в кууме. При этом становится возможным исследование дисперсии зргетических зон в области НЭС. При уменьшении кинетической зргии электронов до 5 эВ и ниже (и соответствующем уменьшении зргии регистрируемых фотонов) времена жизни неравновесного зктрона по отношению к оптическому переходу и квазиупругому ссеянию становятся сравнимыми по величине. Это означает, что в ласти малых энергий электронов, заполнение начального состояния процессе Р°>Э может происходить в результате квазиупругого осеяния электрона на фононах. При этом будут заполняться зтояьия с примерно одной и той же энергией, но существенно зличными векторами Й*.

При рассмотрении излучательного распада плазменных лебаний в твердом теле основное внимание уделено тонкопленочным

поверхностным модам. Частота объемных плазмонов в твердом толп, растеризуемом диэлектрической проницаемостью с (и), определяется звнением:

с(и) = О,

я большинства металлов плазменная шстота лежит в области «уумного ультрафиолета (гш > 10 эВ). Однако, для щелочных

металлов и серебра она попадает в область ближнего ультрафиоле' (•л>р < 5 эВ). Объемные плазменные волны являются продольными имеют дисперсионную зависимость, которая не пересекается дисперсионной линией света. В связи с этим объемные плазмоны взаимодействуют с фотонами и поэтому не мс-ут возбуждаться свет или распадаться с испусканием фотонов.

Частота поверхностных плазмонов (на границе твердое тело вакуум) определяется уравнением:

с(и) +1=0.

Поверхностные плазмоны также не взаигодействуют с фотонами, т. при таком взаимодействии не могут выполниться одновременно зако сохранения энергии и импульса. Однако, при участии третьего тел роль которого могут играть шероховатости на поверхност становится возможным взаимодействуй фотонов с этими поверхностными модами. В этом случае при взаимодействии Фотон с плазмонами избыточный импульс последних забирает твердое тел участвуя во взаимодействии через шеро"оватости..

В достаточно тонких пленках вещества две поверхностные мо на противоположных границах пленки взаимодействуют между собо порождая две тонкопленочные плазменные моды: симметричи (нормальную) и антисимметричную (тангенциальную). Вторая из эт мод может рассматриваться ке:с набор колеблющихся в плеь диполей, ориентированных . перпендикулярно ее плооткости излучающих электромагнитные волны. Поверхностные и тонкопленоч!^ плазменные моды исследовались как при возбуждении их светом, т и электронами. Однако, вопрос об энергетическом пороге возбуждения оставался до недавнего времени открытым.

§о_§1оК>2_!ЖВ8 диссертации' рассмотрена прирс незаполненных электронных состояний твердого Тела, их роль физических процессах в объеме и на поверхности твердого те. Особое внимание уделено" поверхностным НЭС. Показано, что в слу металлов дисперсия энергетических зон в области НЭС определи процессы реконструкции на поверхности, играет существенную рол) поверхностном магнетизме. Рассмотрена специфика НЭС поверхности полупроводников. Показано, что при формирова! межфазовой границы полупроводник-моталл 'поверхностные

феделяют'--совершенство такой структур;;. Кроме" того, при ¡пылении одного вещества на поверхность другого возможно 1зникн0вение специфических интерфейсных незаполненных состояний, 1Торые определяют транспортные свойства слоистых систем, ¡тально рассмотрены состояния потенциала изображения, которые не [еют аналога среди заполненных поверностных состояний, и которые -рают важную роль в процессах взаимодействия электронов с верхностью твердого тела.

1ретья_глава диссертации посвящена использованию явления РЗЭ я исследования незаполненных электронных состояний твердого ла. Рассмотрены различные спектроскопические методики, ниванные на явлении РЗЭ твердым телом. Проанализированы облемы получения информации о НХ из спектров РЗЭ твердым телом, тально рассмотрен алгоритм .анализа спектров обратной тоэмиссии с угловым разрешением для получения информации о сперсии энергетических зон в области незаполненных электронных стояний. Показано применение спектроскопии РЗЭ твердым телом я исследования адсорбционных процессов на поверхности твердого ла.

§„четвертой,главе диссертации описаны результата следований радиационного захвата электронов металли«есикими но- и поликристаллами в диапазоне энергий от 0 до 15 эВ. зперименты выполнены на оригинальной установке, онстсруированной для наблюдения излучения, возникающего при лучении образца электронами в широком диапазоне энергий, гическая схема установки позволяла собирать излучение в лесном угле 1,4л стерадиан и давала возможность регистрировать знализирвать слабые световые потоки, соответствующие квантовому коду Ю-8 + 10"10 фотон/электрон. Большинство зперимент-иьных результатов получено в изохроматном варианте тиси спектров. Это означает, что измерялась интенсивность лучения в узком спектральном диапазоне, выделяемом о помощью гер1еренш энного фильтра или монхроматора МДР-23, как функция зргии падающих на образец электронов. Для выделения Ценностей на этой зависимости применялась модуляционная

методика. Спектроскопия полного тока использовалась ка вспомогательная методика для контроля за состоянием поверхности определения положения уровня энергии вакуума на шкале разност потенциалов между образцом и катодом.

Получено аналитическое выражение, описывающее обиц структуру изохроматного спектра. Показано, что универсальнс особенностью низкоэнергетических изохроматных спектров являете наличие в них максимума, расположенного на уровне вакуума в тс случае, когда энергия регистрируемых фотонов меньше сродства электрону исследу^ой поверхности. Если же энергия регистрируемь фотонов hu больше, чем .сродство к электрону исследуем! поверх.юсти ех, то энергетический порог Et появления излучения регистрирумой полосе частот расположен при энергии, определяем! соотношением.

» hu - еХ. (1)

Полученное соотношение соответствует требованию закона сохранен энергии и не учитывает требования закона сохранения имульс Подтверждение такого соотношения экспериментально На достаточ широком наборе материалов' означало бы, что электрон, входящий твердое тело с.малой энергией,эффективно квазиупруго рассеиваем и заполняет состояния с различными волновыми лекторами, а зат уже "находит" для себя конечное состояние для оптическо перехода с сохранением квазиволнового вектора. Проведен обоснование выбора исследованных материалов.- Три тугоплавк металла «(но), мс(ио), Nb(iio) выбраны для того, чтобы выясни роль электронной структуры в РЗЭ при неизменной кристаллографической ориентации.

Исследование РЗЭ поликристаллическим вольфрамом наряду монокристаллом.позволило оценить вклад йриентационных эффектоЕ изохроматные спектры. Лантан в своей электронной структ; содержт\ гигантский максимум незаполненных 4f состояний. п| энергии 2,5 эВ относительно, уровня вакуума. И задачей наше исследования РЗЭ на нем являлось выяснение влияния орбиталы симметрии конечных; состояний на вероятность данного npoueci Пленка серебраобладает хорошо выраженным плазменным резонам на частотах в области ближнего ультрафиолета. И в связи создает. возможность исследовать роль этого резонанса в формироза

зкоэнергетического изохроматного спектра. Ряд других металлов, пользованных в качестве образцов, не содержит ""ярковыражвнной руктурьГв области НЭС, но характеризуется различной работой хода и, возможно, различной формой барьера на границе с куумом. Это обстоятельство использовалось для выяснения кономерностей РЗЭ самых малых энергий.

Изохроматные спектры, приведенные в этой главе, записывались использованием интерференционных фильтров, полосы пропускания торых центрированы на энергиях фотонов 3,06 зВ, 3,83 эВ й 4,88 . Набор спектров, записанных при регистрации фотонов различных зргий позволяет выделить в этих спектрах особенности, условленные захватом электронов на выделенные конечные стояния. Математическая обработка экспериментально полученных ектров включала в себя интегрирование, вычитание монотонного на, нормирование на ток в иепи образца. Сравнение изохроматнных зктров (ИС) и(ио), мо(1ю) и ыь(ио) показало,, что они весьма ожи для и и мо и существенно отличаются от спектра, записанного я нь. Это связано с тем, что и и мо имеют сходные электронные нфигурации внешних оболочек в атомах, одинаковую исталлическую структуру и в связи с этим сходную структуру зон области НЭС. Во внешней оболочке атома ыь на один электрон ныне, чем в и и мо. Этим и обусловлено различие их электронных руктур в области НЭС. Обшей особенностью изохроматных спектров их металлов является хорошо выраженный максимум, совпадающий по эргии с уровнем вакуума. Забегая вперед, можно отметить, что я всех исследованных материалов в изохроматных спектрах, для горых выполняется .неравенство: ьы < ех, присутствует максимум, ^положенный при энергии уровня вакуума. Это, как было отмечено не, свидетельствует об эффективном квазиупругом рассеянии, столь дленных электронов и заполнении начальных состояний оптических эеходов с различными векторами Й. Попытка объяснить особенности ароматного спектра и(ио) сравнением его с одномерной угностыо состояний в направлении ги зоны Бриллкпна не привела успеху. Сравнение его с интегральной плотностью НЭС вольфрама эт удовлетворительное объяснение лишь высокоэнергетического зокого максимума. Предположив, что эффективное ква^иупругое зсеянио определяет характер заполнения начальных состояний в

диапазона энергий от О до 5 эВ, мы выполнили расчет изохроматног спектра по модели, в которой оптическому переходу предшествуе эффективное квазиупругое ■ рассеяние медленного электрона приводящее к равновероятному по вектору (Й) заполнению начальны состояний. После этого электрон из состояний е1(Й) участвует оптическом пареходе с испусканием фотона с энергией ш, если ¡и него найдется состояние ег, удовлетворяющее соотношению:

- Ег(к) = Ы>

Изохроматный спектр вычислялся в соответствии с выражением:

1 | сгё |МГ1|2 5 Ее - Ъи>) а(Е1 - Е) 8{Е,и) . ------------------------------

£ | ай 5(Еа - Е)

х п

При этом матричный элемент считался постоянным, а облает интегрирования распространялась на всю зону Бриллюэна. знаменателе стоит плотность начальных состояний, котор осуществляет нормировку функции б(е,ы) на один падающий электро Результата такого расчета удовлетворительно объясняют особенно-экспериментально полученного изохроматного спектра для испо) области энергий электронов от 0 до Ь эВ. Сравнение расчета экспериментом подтверждает предположение об эффективн квазиуругом электронном рассеянии, предшествующем оптическс переходу в РЗЭ. с другой стороны, это означает, что в облас малых энергий электронов (О +5 эВ) изохроматный спектр чувствителен к кристаллографической ориентации образца, и спе( для поликристалла должен быть похож на спектр монокристалла, г подтверждается сравнением изохроматного спек-

монокристаллического и(ио> со спектром пол'/:сриоталлическ< вольфрама. Оказалось, что в диапазоне энергий электронов 0+5 спектры обоих образцов сходны между собой.

Особый интерес из исследованных металлов представляет Предыдущие работы по исследованию ННС в ьа с помо! спектроскопии РЗЭ показал!, что доминирующая особенность спектрах, записанных при использовании электронов с энергизй 1,5'КэВ до 30 эВ, определяется захвгтом электронов на макси

незаполненных 4f состояний. При этом было показано, что__сечение радиационного-захвата электрона"на"" эти "состояния, уменьшаются с уменьшением энергии электронов. Эта тенденция продолжается вплоть до энергии электронов 6 эВ. В низкоэнергетическом изохроматном спектре La, записанном при регистрации фотонов с энергией 3,83 эВ, эта особенность едва выражена. Однако, при окислении La (экспозиция в кислороде 5L, прогрев до 400°С) она возрастает примерно на два порядка. Такое возрастание обусловлено гибридизацией 4£ состояний лантана с 2р состояниями кислорда. Гибридизированные состояния с примесью р состояний эффективно захватывают медленные электроны с излучением фотонов. Таким образом экспериментально продемонстрировано влияние орбитальной симметрии конечных состояний на вероятность радиационного захвата медленных электронов твердым телом.

Существование низкоэнергетического плазменного резонанса в пленке серебра позволяет предположить, что при записи на Ад изохроматного спектра , его структура определяется как минимум двумя компонентами: радиационным захватом электронов на выделенные конечные состояния (с вероятностью р <е>) и радиационным распадом плазмонов, возбужденных электронами (с вероятностью р (Е)). Тогда изохроматыный спектр можно представить как сумму вкладов:

S(E) = £ РС(Е) + Pp(E)j J(E), ГДе

J(E) - ток в цепи образца. Поскольку записывалась производная от s ( е) , то

ар (Е) dJ(E)

(dS/dE) - —'^----J(E). + (i (Е) --------------(А)

dE dE

d/3 (Е) dJ(E) (dS/dE) = — E----j(E) + f}_(e) --------------(b)

P dE P dE

Очевидно, чго соли u излучении превалирует плазменная компонента, то изохроматкый спектр, определяется выражением (В). £

случае, когда превалирующим является механизм РЗЭ, изохроматный спектр определяется выражением (а) . Эти два случая реализуются при записи изохроматыных спектров с использованием двух различных интерференционных фильтров, один из которых пропускает частоту плазменного резонанса, а другой не пропускает. Эксперимент показал, что в случае, когда плазменный резонанс попадает в полосу пропускания фильтра, общая интенсивность изохроматного спектра примерно в 300 раз больше, чем в том случае, когда <ор остается вне полосы пропускания фильтра. Удалось даже измерить спектральное распределение излучения, генерируемого в пленке серебра электронами, входящими в нее с уровня вакуума. Оказалось, что спектр излучения в этом случае определяется радиационным распадом тонкоплвночной плазменной моды, возбужденной столь медленными электронами, ускоряющимися внутренним потенциалом образца. Таким образом, в этом случае захват электрона твердым телом сопровождается генерацией плазмона, который затем распадается с эмиссией фотона ьи = 3,78 эВ. Этот результат показывает, что энергетический порог ■ возбуждения плазмонов электронами в пленке серебра расположен при нуле кинетической энергии электронов. Следует подчеркнуть, что этот порог невозможно было бы определить другими методами, например, с помощью спектроскопии характеристических потерь энергии электронов..

Итак, в случав, когда превалирующим механизмом излучения является генерация и распад плазмонов, структура изохроматного спектра определяется выражением (в>. Учитывая, что вероятность возОуадения плазмонов электронами (эр(е)) является монотонной функцией . от энергии последних, структурные. .особенносту изохроматного спектра определяются вторым слагаемым выражения

.¿и (е)

(в), т.е. члэном (е) —-----. В то же время производная от ток£

р <1е

по энергии электронов отражает, в основном, энергетическук зависимость коэффициента отражения электронов от поверхность образца. Эта зависимость "усиливается" возрастающим с энергиеР множителем (е). Из сказанного следует, что ярковыраженные особенности при энергиях 16 эВ и 20 эВ в описываемом изохроматноь спектре обусловлены энергетической зависимостью коэффициенте упругого, отражения электронов от поверхности образца. Этот вывод

подтверждается также и тем, что: 1} эти особенности не сдвигаются ------

при изменении энергии регистрируемых фотонов в пределах регистрации плазменного резонанса, 2) они совпадают по энергии и форме с особенностями спектра полного тока, 3) структура энергетических зон в направлении гь зоны Бриллюэна серебра позволяет предсказать при данных энергиях увеличение коэффициента отражения электронов, 4) эти особенности исчезают при записи изохроматного спектра с помощью фильтра (ьы = 4,88 эВ), не пропускающего излучение на частоте плазменного резонанса. В этом изохроматном спетгре хорошо выражена особенность при энергии электронов 3,5 эВ. Она смещается при изменении энергии регистрируемых фотонов так, что конечное состояние оптического перехода остается фиксированным при энергии -0,4 эВ относительно уровня вакуума. Это означает, что эта особенность, обусловлена преимущественным радиационным захватом электронов на выделенные конечные состояния. Таким . образом, на примере серебра продемонстрирована роль двух факторов, определяющих структуру изохроматного спектра: энергетической зависимости коэффициента отражения электронов от поверхности образца и зависимости от энергии электронов вероятности НЗМЭ на незаполненные состояния в электронной структуре серебра. Изохроматный спектр для Ад, рассчитанный в соответствии с той же моделью, что и для я, удовлетворительно объясняет максимум при энергии 3,5 эВ в экспериментально полученном спектре и, таким образом, еще раз подтверждает предположение об эффективном квазиупругом рассеянии электрона, предшествующем оптическому переходу.

Исследование и-шнения структуры незаполненных электронных состояний поверхностной области твердого тела при адсорбции атомов или молекул направлено обычно На получение информации о перераспределении. электронов между - связывающими и антисвязывающими орби+алями молекул, о возникновении новых незаполненных состояний нз поверхности, о влиянии адсорбции на структуру незаполненных,' состояний твердого тела, а также на выявление вклада поверхности, в спектры.-■ РЗЭ. Мы- исследовали возможность применения низкоэнергетической изохроматной спектроскопии РЗЭ для^ наблюдения изменения структуры 11ЭС поверхностногй слоя вещества.при-адсорбции-кислорода. Оказалось, .

что адсорбция кислорода на поверхностях и(ио), мо(ио), нь<ио приводит, в основном, к уменьшению низкоснергетически! особенностей в изохроматном спектре. Это может быть связано как < уменьшением количества незаполненных электронных состояний в это! диапазоне энергий из-за заполнения их электронами кислорода, та1 и с изменением характера рассеяния электронов в поверхностно» слое вещества.

Пятая_глава диссертации посвящена исследовании закономерностей РЗМЭ полупроводниками и диэлектриком (зЮ2) Исследования, выполненные на трех гранях кремния: э^юо), 31(110), 81(111), - имели главной задачей выяснение влиянш кристаллографической ориентации полупроводника на ИС РЗМЭ Результаты экспериментов показали, что изохроматные спектры тре) граней кремния в диапазоне энергий от 0 до 5 эВ сходны межд] собой. В этом диапазоне энергий различия между спектрами разньн граней заключаются в разной относительной интенсивное™ особенностей. Этот результат позволяет предположить, что, как и I случае металлов, в этом энергетическом диапазоне, электрон! эффективно' квазиупруго рассеиваются в полупроводнике I равновероятно по вектору Й заполняют начальные состоянш оптических переходов. Так же, как и для вольфрама, для кремнш был выполнен расчет изохроматного спектра по модели, предполагающей эффективное • квазиупругое рассеяние электронов, предшествующее оптическому переходу. Результаты расчет* удовлетворительно объясняют низкоэнергетические особенносп изохроматных спектров кремния.

Специфика исследования диэлектрической пленки бю2 (250 А на кремнии заключается в необходимости исключить зарядку образш электронным пучком. В наших экспериментах эта проблема решаласI путем напыления на исследуемую поверхность тонкого слоя серебр; для стока заряда. Слой серебра был достаточно тонким для того, чтобы исключить его влияние на изохроматные спектры. Эффективна! толщина слоя серебра составльла величину меньше монослоя. Стол| тонкий слой серебра не влиял на спектр катодолюминесиенции зю2, записанный при возбуждении его электронами с энергией 100 эВ, Кроме того, спектр полного тока образца бю2 практически не

«нялсл при покрытии его субмонослойной1 пленкой-серебра.-В связи"" з_ этим-можно-предположить,""что наличие такого слоя серебра на з1о2 не вносит существенного вклада в изохроматный спектр РЗМЭ диэлектриком. Основной результат исследования РЗМЗ пленкой з1о2 заключался в том, что, как и в случае металлов и полупроводников, юроговое значение энергии электронов, при котором возникает 1злучение на частоте и, определяется соотношением Ег = ьы - ех. {роме того, в спектре НЭС пленки э1о2 обнаружены максимумы-эаспределения НЭС при энергиях О эВ, 6 эВ. 8 эВ относительно уровня вакуума.

В_Ш§5Той_главе диссертации представлены результаты по газвитию методики спектроскопии радиационного захвата медленных »лектронов твердым телом для получения информации об электронной ;труктуре твердого тела в области НЭС и о динамике рассеяния юдленных электронов твердым телом.

Предложен и экспериментально реализован способ измерения :родства к электрону поверхности твердого тела. Он заключается в •ом, что определяется пороговое значение энергии е^ при котором юзникает излучение на частоте и. Тогда сродство к электрону ;авно:

еХ = Ш - Е^.

: случае, если = о, уровень вакуума исследуемой поверхности юнижается путем адсорбции на ней электроотрицательного адсорбатр 'а величину д, гак, чтобы получить строгое неравенство е1. > о. 1ри этом идентифицируется наинизшее, незаполненное состояние и родство к электрону новой поверхности определяется как:

еХ1 = Ьи - Е^..

огда для исходной поверхности:

еХ = еХх + й.

становленный факт участия эффективного квазиупругого рассеяния лектрона в заполнении им начальных состояний оптических ёреходов при РЗМЭ твердым телом означает возможность дентифицировать наинизшее незаполненное состояние твердого тела случае, когда ьи > ех. Очевидно, что это позволяет егиотрировать перемещение наинизшего незаполненного состояния по кале энергий, происходящее в результате изменения электронной

структуры поверхностного слон вещества (изменение ширины запрещенной зоны полупроводника, образование на поверхности металла новой фазы вещества, характеризуемого наличием в спектре его электронных состояний зарещенной зоны и т.д.)- В качестве примера использования спектроскопии РЗМЭ твердым телом для наблюдения таких изменений в диссертации приведен пример образования на поверхности ьа новой фазы вещества в, результате адсорбции кислорода на его поверхности. При записи изохроматного спектра для ьа с регистрацией фотонов с энергией 3,83 эВ первый (пороговый) максимум в ИС расположен при энергии 0,8 эЕ относительно уровня вакуума. Экспозиция образца в кислороде (5Ь) приводит к понижению уровня вакуума, с одной стороны, и к смешению первого максимума ИС в сторону больших энергий (на 0,£ эВ), с другой стороны. Это означает, что наинизшее незаполненное состояние в энергетической структуре поверхностного слоя сместилось вверх по энергии на величину 0,9 эВ. Единственной причиной такого смещения может быть образование запрещенной зонь в спектре электронных состояний зондируемого слоя вещества.

Специфический характер свечения пленки серебра пр* возбуждении электронами, входящими в нее с уровня вакуума, позволяет предложить способ измерения длины прЬега столь медленных электронов в серебре. Для этого измеряется зависимость величины первого максимума в ИС от толщины пленки серебра. Предполагая, что интенсивность свечения в полосе частот, содержащей плазменный резонанс, пропорциональна пробегу электрона в серебре, мы считаем, что насыщение на этой зависимости достигается при толщине пленки, равной длине пробега электрона £ серебре. Численно эта величина оказалась равной БоД. Следует отметить, 'что эта величина характеризует длину пробега электронг до потери им энергии, равной разности между сродством к электрон! поверхности серебра и энергией плазмонов.

Теоретически обоснована возможность наблюденш индуцированного радиационного захвата электронов твердым телом, При этом вероятность такого процесса превышает вероятности спонтанного радиационного перехода на несколько порядков пр1 вполне -эстижимых уровнях индуцирующего излучения. Это открывает, в принципа, совершенно новые возможности в спектроскопа

радиационного захвата электронов твердым.телом.

осшжиыг. •

Основные результаты работы заключаются в экспериментальном «следовании явления радиационного захвата медленных электронов ш широком наборе материалов, установлении закономерностей этого 1влеиия в области энергий электронов О + 6 эВ, в развитии на зснове этих исследований методик получения информации об электронной структуре твердого тела в области незаполненных электронных состояний.

1. Разработан и создан оригинальный универсальный прибор для ^следования излучательного взаимодействия электронов с твердым "влом, позволяющий регистрировать и анализировать слабые световые ютоки, соответствующие квантовому выходу 10~8 - 10"10 Ютон/электрон. защищенный патентом.

'¿. Впервые экспериментально наблюдался радиационный захват 1Лектронов с нулевой кинетической энергией твердым телом, 'станов гею, чго энергетический порог появления излучения с 1эсготой и определяется соотношении между энергией регистрируемых стонов и сродством к электрону поверхности твердого тела е* :

Е^ = Ьи - е*.

3. Экспериментально получена информация о распределении ;езаполненных электронных состояний в следующих материалах: '(по), мо(ло), шэ(ио), поликристаллическом вольфраме, пленках .д, ли, т, эг>, вп, ъа, монокристаллических полупрводниках ! 1 (юо), 61(110), 31(111), рья(юо), саАв(юо) и аморфном .иэлектрике

4. Вп^^чч.к1 икслоркшнтляьно обнаружен порог возбуждения

ло^тропмми тоикотсночных и подархноотиых пл.имонов ь плчккн

ерз^ра. чю йдш этжтрони, входящиа и ;иснку сортира

уровня вакуума и ускоряющиеся на внутреннем потенциале твердого

тела, возбуадают плазменные мода, которые, затем могут распадатьс с испусканием фотонов.

5. Показано, что при исследовании электронной структурой г в области НЭС с помощью спектроскопии РЗЭ, следует учитыват возбуждение и радиационный распад плазмонов. При регистрам излучения в полосе частот, включающей в себя плазменный резонанс механизм радиационного распада плазмонов, возбужденнь электронами, становится превалирующим, а структура изохроматног спектра в значительной степени определяется энергетическс зависимостью коэффициента отражения электронов от поверхност образца.

6. На основании экспериментальных результатов исследовав РЗЭ твердым телом, полученных на широком наборе материалоЕ сделан вывод о том, что в диапазона энергий электронов от О до эВ заполнение начальных состояний оптических переходов происходу в результате эффективного квазиупругого рассеяния электронов I фононах и дефектах кристаллов.

7. Возможность идентифицировать с помощью спектроскопии га наинизшее незаполненное состояние в электронной структу} поверхностного слоя вещества, позволяет измерить велтт сродства к электрону поверхности твердого тела, а также наблюда1 изменение электронной структуры поверхности, приводящее к сдвш энергетического положения этого наинизшего незаполненно| состояния (изменение ширины запрещенной зоны полупроводник; возникновение на поверхности металла новой фазы веществ; характеризуемого наличием запрещенной зоны в его электронш структуре).

8. Исследование влияния адсорбции кислорода на эффективное РЗМЭ и(ио), Мо(ио), кь(ио) показало, что вероятное радиационного захвата на НЭС в диапазоне энергий от -2 эВ до 2 : (относительно уровня вакуума) существенно уменьшается п] адсорби/и. Это связано как с заполнением этих состояв электронами атомов кислорода, так и с изменением ::аракто;

рассеяния медленных электронов в поверхностном слое вещества.

9. Впервые экспериметально показано влияние изменения орбитальной . симметрии конечных состояний на вероятность радиационного захвата медленных электронов твердым телом. Так адсорбция кислорода на ьа с последующим прогревом до 400°С приводит к резкому возрастанию максимума в изохроматном спектре, соответствующего радиационному захвату электронов на состояния, энергетическое положение . которых определяется максимумом незаполненных « состояний лантана. Этот эффект обусловлен гибридизацией ьа состояний и о гр- состояний. Появление р-компоненты в гибридизированных р-г-состояниях резко увеличивает вероятность захвата медленного электрона на эти состояния с излучением фотона.

10. Спектроскопия РЗМЭ может использоваться для исследования электронной' структуры межфазовой границы Ад-й1 и Аи-з1. Обнаружено, что при прогреве таких систем в' спектре их

незаполненных состояний появляются хорошо выраженные новые особенности, энергетическое положение которых не зависит от толщины слоя металла в диапазоне толшин от субмонослойного, до нескольких монослоев, и которые практически не меняются при адсорбции кислорода на поверхность. Это свидетельствует об образовании силицидоподобного соединения золота и серебра в данных условиях.

11. Экспериментально показано, что спектроскопию РЗМЭ можно использовать и для исследования структуры НЭС диэлектриков. При

этом основной проблемой является исключение зарядки образна электронным пучком. Одним из способов отвода заряда с поверхности является напыление на Нее тонкого слоя метала. Критерием того, что этот слой (в случае' Ад) не вносит существенного вклада в изохроматный спектр исследуемого диэлектрика, является огоуютиио в спектре катодо томинооиштии образна хчрапериого максимум, 1 плазменного резонанса и соответствие спектра полного тока диэлектрики спектру полного токи того же ооразиа при наличии и« его.поверхности субмонослойного. покрытии Ад .

Основные __результаты опубликованы в следующих печатны работах:

1. Артамонов О.М., Самарин С.Н., Свечение грани (111 монокристалла та при облучении медленными электронами. Оптика спектроскопия, т.40, 1976, с.316-318.

2. Artamonov О.M., Samarin S.N., Radiative interaction о slow électrons with métal surface. Radiation Effects, Vol.40, N4 1979,pp.201-208.

3. Артамонов O.M., Самарин С.H..Излучательное взаимодействи медленных электронов с поверхностью та(ш). Вестник ЛГУ, сери Фзика, Хмия, вып 4, 1977, с.50-53.

4. Артамонов О.М., Самрин С.Н., Яковлев И.И., Спектрально распределение свечения слоев Ад на w(iio) при возбуждени медленными электронами. Письма ЖТФ, т.6, вып.6, 1980,с.321-323.

5.Артамонов О.М.Самарин С.Н., Яковлев И.П., Исследовани адсорбционных процессов на поверхности- монокристаллическог вольфрама катодолюминесиентным методом. Известия АН СССР, сери Физика, т.43, N3, 1979,с.450-455. ^

6. Артамонов О.М., Самарин С.Н., Кучма А.Е., Димакова Е.Б. Яковлев И.И., Температурная зависимость эмиссии фотонов пр облучении тонкой пленки серебра медленными электронами. Оптика спектроскопия, т. 50, вып. 5, 1981, с.911-815.

7. Артамонов О.М., Самарин С.Н., Криикий В.А., Поп С.С. Электрон-фотонная эмиссия слоев и массивных образцов серебра Сборник "Электроника поверхности", Ленинград, 1982, с.73-98

8. Артамонов О.М., Самарин С.Н., Яковлев И. И. Характеристики низковольтной ка'тодолюминесценции пленок вао н вольфраме и серебре. Оптика и спектроскопия, т.54, вып.З, 1983 с.459-464.

9. Артамонов О.М., Самарин С.Н., Калиненко Н.А.,.Яковле И.И..Исследование электрон-фотонной эмиссии слоя La при адсорбци кислорода. Труды v Всесоюзного Симпозиума по ФЭЭ, ВЭЭ и ВИЗ Рязань 1983, с.120-121.

10. Артамонов О.М., Дмитриева О.Г., Самарин С.Н., Яковле И.И., Исследование энергетической электронной структуры si(m методом электрон-фотонной спектроскопии. Труда Всесоюзно

конференции "Диагностика поверхности", Каунас 1986, с.59. __

11. Артамонов О.М., Дмитриева О.Г., Самарин С.Н., Яковлев И.П., Пороговые характеристики электон-фотонной эмиссии серебра и кремния. Труда Всесоюзной ' школы по физике поверхности, Черноголовка 1986, с. 104.

12. Самарин С.Н., Радиационный захват медленных электронов поверхностью металла. Труда Всесоюзной школы по физике поверхности Ужгород, 1Э87, с.67.

13. Артамонов O.M., Самарин С.Н., Белкина Г.М., Яковлев И. И., Радиацио!.1!Ый захват медленных электронов поверхностью вольфрама. ФТТ, т.29, вып.З, 1987, с. 753-755.

14. Артамонов O.M., Дмитриева О.Г., Овсянникова Т.Д., Самарин С.Н., Исследование спектральных зависимостей электрон-фотонной эмиссии системы si-siOg. Вестник 71 ГУ, серия Физика, Химия, вып.З, 1987, С.105-107.

15. Артамонов О.М., Самарин С.Н., Радиационный захват электронов с энергией 0 - 5 эВ поверхностью некоторых металлов и кремния. Труда XX Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике, Киев, 1Э87, с.78.

16. Артамонов О.М., Дмитриева О.Г., Самарин С.Н., Яковлев А.И..Низкоэнергетические изохроматные спектры кремния. Физика и техника полупроводников, т.22, вып.4, 1988, с.638-641.

17. Артамонов О.М., Самарин С.Н., Радиационный захват медленных электронов поверхностью твердого тела. Сб. Проблемы физической электроники, Ленинград, 1989, с.119-137.

18. Артамонов О.М., Самарин С.Н., Яковлев И.И., Устройство гля измерения электрофизических параметров материалов. 1989 г., 1атект N 1705914.

19. Artamonov О.M., Samarin S.N., Inverse Photoemission and Measurements of Electron Affinity of Solids. J. of Electron Spectroscopy and Related Phenomena, v53, 1990, 115-118.

20. Artamonov O.M., Samarin S.N., Yakovlev I.T., Energy Threshold Characteristics of Electron-Induced Photon Emission from Ag. Radiation Eff. and Def. in Solids, Vol 114, 1990, 191-198.

21.' Артамонов O.M., Дмитриева О.Г., Самарии, C.II.. 1оследование незаполненных электронных состояний sio2. Известия

ВУЗов. Физика, Nil, 1990', 26-29.

22. Артамонов О.М., Дмитриева О.Г., Самарин С.Н, Исследование энергетической структуры незаполненных электрант состояний системы Ag-si(iii) и Ag-si(ixo) с помошью спектроскоп! радиационного захвата электронов. Поверхность. : Физика, хими: механика, т.7, 1991, с.70-74.

23.Artamonov -O.M., Molodtsov S.L., Samarin S.N Bremsstrahlung-Emission Spectrum and Optical Properties of Al the Plasmon-Resonance Region, Tenth International Conference Vacuum Ultraviolet Radiation Physics, Abstracts Mol4, Paris, 19

24. Samarin S.U., Radiative Decay of Plasmons Excited Near Zero Kinetic Energy Electrons. Tenth Internation conference on Vacuum Ultraviolet Radiation Physics, Abstrac Mo26, Paris, 1992

25. Dmitriev V.J., Artamonov Ö.M., Dmitrieva O.G., Samari S.U., Light-Induced Inverse Photoemission. Surf.Sei., v 269/21 1992, 563-565.

26. Samarin S.U., Radiative Capture of Near Zero Kinet energy Electrons by Solids. Surf.Sei., v 269/270, 1992, 573-57*

27. Артамонов Q.M., Дмитриева о.Г., Самарин С.Н., Якоа И.И., Исследование незаполненных электронных состояний определение сродства к электрону Pbs(ioo) с помощью спектроско! обратной фотозмиссии. ФТП, том 27, вып. 12, 1993,-N1730-1735,

28. Samarin S.N., Dmitrieva O.G., Yakovlev I.I., Ahmat A., Artamonov O.M., Inverse Photoemission Spectra of W(llO), Nb(l and Mo(llQ) in the Low Energy Photon Range. Surf.Sei., v 307/3 1994, 969-972,

29. Artamonov O.M., Dmitrieva 0;G., Samarin S.N. Fedotova K.V., Inverse Photoemission Study of W Single Crystal Near Zero Electron Energy Range. Physics of Low-Dimensio Structures, Vol.7, 1994, 71-78.

Подписано к печати J 1.05.95. Заказ 838. Формат 60x84/16. Объем 1,3.п. л. Тираж 100.

, Ломоносовская типография. .' 169510. г:. Ломоносов, пр. Юного пекияда, 9.