Структурный анализ поверности методом дифракции квазиупругорассеянных электронов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

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

На правах рукописи

УДК 537.533.73

РГБ ОД

ФАРАДЖЕВ 3 ^¿И ¿-'53

Надир Сабирович

СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ ПОВЕРХНОСТИ МЕТОДОМ ДИФРАКЦИИ КВАЗИУПРУГО РАССЕЯННЫХ ЭЛЕКТРОНОВ

(специальность 01.04.04-физическая электроника)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 2000

Работа выполнена в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе Российской Академии Наук

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук И.И. ПРОНИН

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Л.М. СОРОКИН

кандидат физико-математических наук С. А. КНЯЗЕВ

Ведущая организация:

Санкт-Петербургский Государственный Технический Университет (СПбГТУ)

Защита состоится " " _ 2000 г. в /5

-ЗО

часов на

заседании диссертационного совета Д 003.23.01 Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН, 194021, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 26

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе РАН.

Отзывы о реферате в двух экземплярах, заверенные печатью, просим высылать по указанному адресу секретарю диссертационного совета.

Автореферат разослан

« /4 "

2000 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 003.23.01 кандидат физико-математических наук

А.Л.ОРБЕЛИ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Структурный анализ поверхности твердого тела имеет фундаментальное значение для развития многих приоритетных направлений современной науки и техники, включающих материаловедение, микро- и наноэлектронику, гетерогенный катализ и др. Разработке и совершенствованию методов диагностики поверхности уже на протяжении многих лет уделяется исключительно большое внимание, в результате чего создан целый арсенал мощных средств. Одними из основных среди них являются дифракция медленных и быстрых электронов. В то же время дифракция электронов промежуточного диапазона энергий (порядка 1 кэВ) оказалась на редкость непопулярной в структурных исследованиях поверхности. Одной из главных причин такого положения дел явилась слабая изученность механизма формирования этих картин, называемых также кикучи-картинами. До недавнего времени они не поддавались количественному описанию и анализировались преимущественно на качественном уровне, опираясь на основные выводы динамической теории дифракции электронов.

Ситуация стала меняться на рубеже 80-х и 90-х годов, когда стремительное развитие методов дифракции рентгеновских фото- и оже-электронов привело к появлению новых представлений о механизме формирования картин дифракции электронов, генерируемых внутренними источниками. Было установлено, что при энергиях выше нескольких сотен эВ ключевую роль играет эффект фокусировки фото- и оже-электронов, приводящий к их концентрированию вдоль плотноупакованных атомных рядов кристалла. В связи с этим встал вопрос: работает ли сходный механизм и в случае дифракции неупруго рассеянных электронов? Ответа на него не было к моменту начала работы над диссертацией. Между тем, он имеет принципиальное значение, поскольку в случае положительного решения вопроса существенно упрощается интерпретация рассматриваемых картин и открываются широкие перспективы их практического использования в структурном анализе поверхности. При этом наиболее интересным представляется изучение механизма формирования картин дифракции квазиупруго рассеянных электронов (КУЮ), которые создаются электронами, испытывающими при отражении от кристалла потери энергии лишь на возбуждение фононов. Такие картины должны быть особенно чувствительными к состоянию поверхности образца и допускать наиболее простую интерпретацию.

Цель работы состояла в систематическом исследовании картин дифракции квазиупруго рассеянных электронов средней энергии и разработке на этой

основе нового метода структурного анализа поверхности твердого тела.

Решение данной проблемы предполагало выполнение следующих задач:

• Разработку эффективного метода регистрации указанных картин, позволяющего проводить прецизионные измерения во всей полусфере отражения электронов.

• Получение комплекса экспериментальных данных для ряда модельных объектов с различными физико-химическими свойствами, например, для низкоиндексных граней монокристаллов с известной

, геометрической структурой поверхности.

• Создание теоретических моделей формирования рассматриваемых , картин на основе эффекта фокусировки электронов; проведение

соответствующих расчетов и сопоставление их результатов с ,. , экспериментом для проверки адекватности описания явления этими моделями.

• Исследование трансформации дифракционных картин в процессе нанесения ультратонких пленок чужеродных атомов на поверхность кристалла; апробация разработанного метода на примерах исследования атомного строения тонкого приповерхностного слоя в адсорбционных системах с резкой межфазовой границей.

Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:

• Детально изучена дифракционная структура пространственных распределений электронов средней энергии, квазиупруго отраженных от ряда монокристаллов с атомно-чистой поверхностью, и показано, что доминирующим механизмом формирования структуры этих распределений является эффект фокусировки электронов при их движении вдоль цепочек атомов кристалла.

• Проведено исследование закономерностей фокусировки электронов в кристаллах и установлены зависимости ее эффективности от энергии электронов, а также различных параметров атомных цепочек, вдоль которых распространяются электроны.

• Развиты оригинальные кластерные модели, достаточно хорошо описывающие картины дифракции квазиупруго рассеянных электронов.

• Обнаружена трансформация указанных картин при нанесении на поверхность кристалла ультратонких пленок чужеродных атомов. Выявлена высокая чувствительность картин к состоянию поверхности исследуемого объекта, и предложено использовать данный эффект в структурном анализе поверхности.

• Выявлен термоактивированный структурный фазовый переход в системе А^О 11) 7x7.

Научная и практическая значимость работы.

Научная значимость работы состоит в том, что в ней установлены основные закономерности формирования картин дифракции квазиупруго рассеянных электронов монокристаллическим твердым телом, проанализирована динамика изменения картин с энергией в диапазоне 0,6 -2 кэВ и выявлена ключевая роль в механизме явления эффекта фокусировки электронов. Практическая важность проведенного исследования состоит в разработке нового метода структурного анализа поверхности. Метод позволяет изучать локальное атомное строение приповерхностной области твердого тела толщиной порядка 1 нм и отображает кристаллическую структуру объекта в реальном пространстве. Он особенно перспективен при исследовании начальных стадий формирования межфазовых границ, процессов эпитаксиального роста пленок, образования сплавов на поверхности кристаллов и различных фазовых переходов, протекающих в приповерхностной области.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Основным механизмом формирования дифракционных картин квазиупруго рассеянных электронов с энергией 1-2 кэВ является фокусировка отраженных электронов при их движении вдоль атомных рядов кристалла. Возникающие при таких ориентациях пики доминируют в наблюдаемых картинах, в то время как тонкая дифракционная структура обусловлена интерференционными особенностями более высоких порядков.

2. Эффективность фокусировки электронов зависит от энергии частиц, порядкового номера элемента кристалла, плотности упаковки атомных цепочек и их внутренней структуры.

3. В диапазоне энергий 1-2 кэВ картины дифракции квазиупруго рассеянных электронов достаточно хорошо описываются кластерной моделью однократного рассеяния, а также кластерной моделью, феноменологически учитывающей фокусировку электронов.

4. Указанные картины чувствительны к нанесению ультратонких пленок на поверхность кристаллов и отображают их кристаллическое строение в реальном пространстве. Регистрация картин может быть использована для визуализации атомной структуры приповерхностного слоя образца толщиной около 1 нм.

5. Компьютерное моделирование наблюдаемых картин позволяет получать количественную информацию о кристаллическом строении анализируемого слоя, а также о его фазовом составе. Таким методом, в частности, определено, что нанометровая пленка серебра, формирующаяся на поверхности S¡(111) 7x7 при комнатной температуре, состоит из доменов Ag(l 11) А- и В-типа, занимающих примерно равную площадь. Отжиг пленки

при температуре около 650 К приводит к ее структурной перестройке, проявляющейся в исчезновении А-доменов.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 15-й Европейской конференции по физике поверхности (Лиль, Франция, 1995), 13-м Международном вакуумном конгрессе (Иокогама, Япония, 1995), Международной школе по электронной дифракции и визуализации поверхности (Скотсдейл, США, 1996), XXVI-XXVIII Международных конференциях по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 1996-1998), Всероссийском симпозиуме по эмиссионной электронике (Рязань, 1996), IX Европейской школе по молекулярно-лучевой эпитаксии (Оксфорд, Англия, 1997), 4-й Конференции северных стран по физике поверхности (Олесун, Норвегия, 1997), 7-й Европейской конференции по приложениям анализа поверхности и границ раздела (Гетеборг, Швеция, 1997), Международной конференции «Эмиссионная электроника, новые методы и технологии» (Ташкент, Узбекистан, 1997), Конкурсе научных работ ФТИ (С.-Петербург, 1997), I-ом Международном совещании по зародышеобразованию и нелинейным проблемам в фазовых переходах первого рода (С.-Петербург, 1998), 9-ой Международной конференции по тонким пленкам и поверхности (Копенгаген, Дания, 1998).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 30 печатных работ, включающих 14 статей в научных журналах и тезисы 15 докладов на международных конференциях и симпозиумах. Перечень публикаций имеется в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и четырех приложений. В ней 264 страниц, в том числе 150 страниц машинописного текста, 92 рисунка, 4 таблицы и список литературы, включающий 135 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сформулирована цель и определены задачи исследования, отмечена научная новизна и практическая значимость результатов работы, сформулированы основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации содержится обзор экспериментальных и теоретических работ, посвященных исследованию взаимодействия электронов средней энергии с монокристаллами. В первом разделе главы кратко рассмотрены особенности картин дифракции электронов в диапазоне низких (до нескольких сотен эВ) и средних (~1 кэВ) энергий. При этом отмечается, что если проблемам дифракции медленных электронов посвящены тысячи публикаций, то картины дифракции электронов средних энергий изучались лишь в считанных работах. Заметное число среди них составляют исследования, выполненные в 60-е годы, когда было обнаружено, что в данном диапазоне энергий на смену затухающим рефлексам приходят особенности, сходные с наблюдаемыми в кикучи-картинах при высоких энергиях электронов. Последующие экспериментальные исследования были направлены главным образом на выявление вклада электронов, отраженных с различными потерями энергии, в формирование этих особенностей.

Во втором параграфе главы рассматриваются ориентационные эффекты вторичной электронной эмиссии, наблюдаемые при изменении угла падения электронов на кристалл. Они отчетливо проявляются в рассматриваемом диапазоне энергий и обусловлены тем же механизмом, что и рассмотренные выше дифракционные картины. Это, в частности, вытекает из принципа взаимности (теоремы обратимости), экспериментальные доказательства выполнимости которого приводятся в данном разделе для случая неупругого отражения электронов.

Далее изложены теории формирования дифракционных картин, имевшиеся к началу настоящей работы. Возникновение кикучи-полос было объяснено в рамках трехступенчатой феноменологической модели. В соответствии с ней на первом этапе происходит проникновение первичных электронов в кристалл, затем их неупругое рассеяние на большие углы (> 90°) и, наконец, на последнем этапе - дифракция этих рассеянных электронов при выходе из кристалла. Основную роль играет именно третья стадия, которая рассматривалась в рамках двухволнового приближения динамической теории дифракции. Были развиты и более сложные теории, среди которых следует выделить метод квантового кинетического уравнения, позволяющего описывать диссипативные дифракционные процессы в многоволновом приближении.

В четвертом разделе главы анализируются экспериментальные и теоретические работы, посвященные дифракции рентгеновских фото- и оже-электронов с энергиями порядка 1 кэВ. Кратко описаны физические основы метода. Особое внимание уделено эффекту фокусировки эмитируемых электронов, приводящему к их концентрированию вдоль плотноупакованных атомных рядов кристалла. Проведено сопоставление дифракционной структуры угловых распределений фото- и оже-электронов с картинами дифракции неупруго рассеянных электронов тех же энергий и отмечено сходство их основных особенностей. В заключении главы сформулированы цель и основные задачи диссертационной работы. Во второй главе описана созданная автором автоматизированная система регистрации полных пространственных распределений отраженных электронов. Она разработана на основе оригинального вторично-электронного спектрометра, оснащенного подвижным электростатическим энергоанализатором с входной апертурой 1°. Разрешение прибора по энергиям ДЕ/Е составляет 0,4%. В процессе измерений пучок первичных электронов падает по нормали к поверхности образца, и регистрируется интенсивность квазиупругого рассеяния электронов как функция угла вылета электронов. При этом амплитуда пика измеряется методом модуляции тока первичных электронов. Изменение азимутального угла ф регистрации электронов осуществляется с помощью синхронного двигателя, поворачивающего кристалл вокруг оси, перпендикулярной его поверхности. Полярный угол 9 регистрации меняется вращением анализатора вокруг оси, лежащей в плоскости поверхности образца. Система управляется с помощью персонального компьютера и обеспечивает сбор, хранение и обработку данных в цифровом формате, а также их графическое представление на экране монитора. Листинг программы управления спектрометром приведен в приложении 1.

Применение автоматизированной системы регистрации сделало возможным проведение прецизионных измерений исследуемых дифракционных картин. Высокая точность измерения угловых координат детектируемых электронов обеспечивается тщательной настройкой спектрометра, для чего разработаны процедуры позиционирования образца и пучка первичных электронов относительно оси вращения энергоанализатора, а также компенсации внешних магнитных полей, способных исказить траектории электронов.

Измерения проводятся в условиях сверхвысокого вакуума при давлении остаточных газов менее 5-10'0 Topp. Очистка поверхности образцов осуществляется посредством прогрева кристаллов с помощью электронной бомбардировки. Атомная структура поверхности и ее элементный состав контролируются методами дифракции медленных

электронов и" электронной оже-спектроскопии. Эти же методы используются и для калибровки адсорбционных покрытий, наносимых на поверхность кристаллов in situ.

В третьей главе приводятся результаты экспериментального исследования пространственных распределений электронов, квазиупруго рассеянных монокристаллами с атомно-чистой поверхностью.

На первом этапе работы с целью проверки надежности получаемых результатов была измерена полная дифракционная картина, наблюдаемая при отражении электронов с энергией Е = 2 кэВ от монокристалла Мо(100), данные для которого уже имелись в литературе. Результаты измерений были представлены в виде двумерной карты распределения интенсивности отражения электронов по полярному и азимутальному углам вылета, построенной в стереографической проекции. Используемая для этого компьютерная программа описана в приложении 2.

Далее было изучено влияние на вид картин типа кристаллической решетки образца и порядкового номера Z элемента, из которого состоит кристалл. Для этого аналогичные дифракционные картины при Е = 2 кэВ были получены для граней W(100) и Si(100). Указанные кристаллы относятся к кубической сингонии и имеют соответственно ОЦК решетку и решетку типа алмаза. Данные для кристалла с ГЦК структурой были получены с использованием достаточно толстой (~ 25 А) эпитаксиальной пленки серебра, на поверхность которой выходила грань (100). Анализ полученных результатов показал, что во всех случаях наблюдаются отчетливые дифракционные картины, обладающие зеркально-поворотной симметрией 4-го порядка, свойственной грани (100) кубических кристаллов. Картины имеют вид сложной системы максимумов и специфичны для каждого из кристаллов. Сопоставление ориентации наиболее сильных пиков с проекциями основных кристаллографических направлений показало, что все они соответствуют самым плотноупакованным рядам атомов рассматриваемых кристаллов. Кроме того в картинах имеется и множество менее интенсивных пиков, угловые положения которых совпадают с более "редкими" кристаллографическими направлениями. Как правило, эти особенности группируются вдоль проекций 2-3 наиболее плотноупакованных для каждого из кристаллов систем плоскостей, образуя кикучи-полосы, в ряде случаев окаймленные дефицитными кикучи-линиями. Степень выраженности кикучи-полос и линий тем выше, чем ниже атомный номер элемента кристалла.

Следующий раздел главы посвящен сравнительному анализу дифракционных картин, наблюдаемых для разных граней одного и того же кристалла. С этой целью рассмотренные выше результаты дополнены данными, полученными для монокристаллов Мо(110) и Si(l 11) при той же

энергии. Показано, что как и в предыдущем случае наблюдаемые картины обладают симметрией, свойственной грани кристалла, а именно, зеркально-поворотной симметрией с осью вращения 2-го порядка для Мо(110) и осью 3-го порядка для Si(l 11). Причем, ориентации главных максимумов картин также совпадают с направлениями плотной упаковки. Все это свидетельствует в пользу того, что доминирующие особенности картин жестко связаны с межатомными направлениями кристалла, и при повороте образца вся дифракционная картина поворачивается вместе с ним. Для проверки этого вывода из полученных данных были реконструированы дифракционные картины граней (100) монокристаллов молибдена и кремния. Процедура состояла в пространственном повороте всего массива экспериментальных точек, что осуществлялось с помощью специальной компьютерной программы. Показано, что дифракционные картины, полученные путем такой обработки, с высокой степенью точности совпадают с картинами, измеренными непосредственно для граней Мо(ЮО) и Si(100). Отсюда вытекает вывод, что ориентация пучка падающих электронов относительно кристалла не оказывает существенного влияния на вид рассматриваемых картин, и, следовательно, при их теоретическом описании данный эффект можно не учитывать.

В третьем разделе главы изложены результаты исследования динамики изменения дифракционных картин при переходе от низких энергий к средним. В частности, описываются экспериментальные данные, полученные для монокристаллов Si(100), Si(lll) и Мо(ПО) в диапазоне энергий от 0,6 кэВ до 2 кэВ. Показано, что в указанном интервале Е для каждого из объектов наблюдаются отчетливые дифракционные картины, которые претерпевают качественные изменения с ростом энергии. В них постепенно затухают брэгговские рефлексы, и на смену им приходят максимумы иной природы, пространственная ориентация которых не зависит от энергии электронов. Подобно максимумам фокусировки, наблюдаемым в картинах дифракции быстрых оже- и фотоэлектронов, эти особенности возникают вдоль наиболее плотноупакованных направлений кристаллов. С ростом энергии их угловая ширина уменьшается, а амплитуда, наоборот, возрастает. Кроме того, постепенно появляются новые максимумы (соответствующие рядам атомов с меньшей плотностью упаковки), из которых возникают кикучи-полосы. Анализ всего комплекса полученных данных позволил заключить, что именно эти пики, обусловленные фокусировкой электронов вдоль атомных цепочек, доминируют в рассматриваемых картинах при энергиях 1-2 кэВ.

В заключительной части данного раздела подробно проанализированы зависимости интенсивности всех основных максимумов картин от энергии электронов, порядкового номера Z элемента кристалла, величины межатомного расстояния в рядах атомов, вдоль которых

эмитируются электроны, внутренней структуры соответствующих цепочек атомов и их ориентации относительно поверхности образца. При этом для количественной оценки эффекта использовался параметр определяемый превышением интенсивности сигнала в максимуме картины над ее фоном. Кроме того, в приближении, рассматривающем процесс отражения электронов от кристалла как однократный акт квазиупругого рассеяния на большой угол, проведен анализ зависимости амплитуд этих максимумов от среднего числа п атомов, встречаемых рассеянными электронами на пути к поверхности. Он показал, что точки, полученные для разных кристаллов, укладываются на одну и ту же монотонно возрастающую кривую графика Х(п). Это означает, что определяющую роль в формировании пиков картин играет количество атомов в указанных цепочках. Установлено, что интенсивность максимумов возрастает с увеличением длины цепочек до значений, соответствующих, по крайней мере, шести атомам.

В четвертой главе рассматриваются теоретические модели, описывающие формирование дифракционных картин на основе эффекта фокусировки отраженных электронов. В ней приводятся результаты компьютерного моделирования картин и проводится их сопоставление с экспериментом.

В начале главы описывается кластерная модель однократного рассеяния, в рамках которой предполагается, что в результате актов квазиупругого рассеяния электронов в приповерхностном слое кристалла генерируются источники рассеянных электронных волн, локализованные на узлах решетки. Вероятность возбуждения таких источников затухает с глубиной их залегания по экспоненциальному закону. Интерференция испускаемой источником сферической волны фо и волн возникших при ее упругом однократном рассеянии на окружающих атомах, рассматривается в приближении плоских волн. Расчет вкладов 1.(0,ф) от отдельных источников в общую интенсивность картины выполняется суммированием амплитуд прямой и рассеянных волн:

! 2

1;(в>Я')ос!фо +

\

Общая интенсивность 1(0,ф) моделируемой картины определяется некогерентным суммированием парциальных вкладов от отдельных источников: т.„ . .

I

В модели учитывается также диффузное рассеяние электронов, связанное с тепловыми колебаниями узлов решетки кристалла; затухание потока электронов из-за неупругих процессов; фазовые сдвиги электронных волн при рассеянии и их преломление на потенциальном барьере твердое

тело - вакуум. Алгоритм расчета полных картин в данной модели реализован в компьютерной программе, листинг которой приводится в приложении 3.

В следующем разделе приводятся данные, показывающие как влияет на результаты расчетов варьирование таких параметров модели, как размеры и форма кластера, моделирующего кристалл, длина А, свободного пробега электронов до неупругого рассеяния, величина потенциального барьера на границе твердого тела, амплитуды ("(в) и фазовые сдвиги рассеянных волн. В частности, на примере расчетов, проведенных для монокристалла \¥(100) проанализирован вопрос о минимальных размерах кластера, необходимых для получения сходящегося результата. Рассмотрена специфика вкладов в картину от источников, локализованных на разной глубине. Обнаружено, что при энергии 2 кэВ кластеры должны включать не менее нескольких сотен атомов, что существенно больше, чем учитывается в кластерных моделях, используемых для описания картин дифракции фото- и оже-электронов.

В третьем разделе главы рассмотрены результаты численного моделирования всех дифракционных картин, описанных в предыдущей главе. Данные расчетов, представленные в том же виде, что и результаты измерений, обнаружили хорошее согласие с экспериментом. Для получения более объективной оценки сходства картин (независимой от визуального восприятия) разработана методика, которая основана на использовании факторов надежности (11-факторов). Алгоритм нормировки и сопоставления картин реализован в компьютерной программе, листинг которой приводится в приложении 4. Установлено, что в диапазоне энергий 0,6-2 кэВ кластерная модель однократного рассеяния корректно описывает характерные особенности картин и воспроизводит динамику их изменения с энергией. В частности, на расчетных картинах с ростом энергии наблюдается описанное выше сужение максимумов фокусировки, усиление их интенсивности и постепенное формирование кикучи-полос в картинах кремния. Показано также, что расчеты воспроизводят и особенности тонкой структуры картин, как, например, характерное расщепление максимума фокусировки электронов в направлении <110> для 81(100) и 81(111). Атомные цепочки, ориентированные вдоль этого направления, представляют собой сдвоенные ряды атомов. Расчеты, проведенные для кластеров, составленных из различных цепочек, показали, что причиной необычной формы максимумов является интерференция электронных волн между двойными рядами атомов кремния.

В последнем разделе главы рассматривается простейшая кластерная модель, описывающая эффект фокусировки отраженных электронов на феноменологическом уровне. В ней, в отличие от рассмотренной выше

модели, дифракционная картина рассматривается как некогерентная сумма максимумов, возникающих вдоль направлений, связывающих эмитирующий атом со всеми другими атомами кластера. Причем, интенсивность этих максимумов полагается спадающей с величиной межатомного расстояния между эмиттером и рассеивателем. Угловое распределение интенсивности в пределах каждого максимума следует нормальному распределению с дисперсией соответствующей полуширине пика при нулевом угле рассеяния в зависимости |f(S)p. Принимается во внимание также поглощение как проникающих в твердое тело первичных электронов, так и квазиупруго рассеянных, учитываемое обычными экспоненциальными факторами типа ехр(-1А,). Главным достоинством предложенной модели является ее простота, позволяющая проводить вычисление полного пространственного распределения электронов за время порядка десятка секунд даже для достаточно больших кластеров. Это обстоятельство, как показали дальнейшие исследования, весьма существенно при моделировании дифракционных картин более сложных объектов, проводимом с варьированием структурных параметров.

Модельные расчеты, проведенные в описанном приближении для монокристаллов W(100), Mo(lOO), Mo(llO), Si(100) и Si(lll), правильно воспроизвели положения основных максимумов наблюдаемых картин и их относительные амплитуды. Отмеченное согласие теории и эксперимента является прямым доказательством того, что главным механизмом формирования картин дифракции квазиупруго рассеянных электронов с энергией 1-2 кэВ является фокусировка электронов плотноупакованными рядами атомов. По сути, такие картины представляют собой центральные проекции направлений, связывающих атомы, вблизи которых происходят акты электрон-фононного рассеяния, с атомами, расположенными ближе к поверхности. Такой простой механизм формирования картин позволяет их использовать в качестве нового метода визуализации кристаллического строения тонкой приповерхностной области твердого тела. В пятой главе рассматриваются приложения метода к исследованию некоторых систем с резкой межфазовой границей. В первом параграфе главы представлены результаты исследования кристаллического строения ультратонких пленок серебра (толщиной до 10 монослоев), формирующихся на поверхности Мо(ПО) при комнатной температуре. Выбор данной системы для апробации метода был обусловлен тем, что в ней происходит послойный рост пленки. Эксперименты, проведенные in situ, показали, что нанесение лишь нескольких монослоев Ag на поверхность кристалла приводит к качественному изменению вида дифракционных картин, измеряемых при энергии 2 кэВ. С ростом толщины пленки особенности, характерные для подложки, постепенно вытесняются новыми пиками,

вследствие чего в картинах появляются и нарастают элементы зеркально-поворотной симметрии 6-го порядка. Формирование новой картины практически завершается после напыления 18 Á серебра. Этот результат наглядно показывает, что толщина приповерхностного слоя образца, зондируемого электронами, не превышает указанной величины.

Далее описываются результаты структурного анализа относительно толстой напыленной пленки толщиной 8 монослоев. Для этого соответствующая дифракционная картина была проанализирована с помощью кластерной модели, феноменологически учитывающей эффект фокусировки электронов. Численные расчеты, проведенные для ряда структурных моделей анализируемого слоя, показали, что пленка состоит из доменов А- и В-типа с ГЦК-структурой, свойственной объему серебра. Указанные домены различаются лишь последовательностью упаковки слоев (АБСА... и АСВА...). Установлено также, что ориентация этих доменов относительно подложки удовлетворяет эпитаксиальному соотношению Курдюмова-Захса: поверхность доменов образована плоскостью Ag(lll), а принадлежащие ей направления <110> ориентированы вдоль направлений <111> поверхности кристалла молибдена.

В следующем разделе главы рассмотрены результаты исследования пленок серебра, формирующихся на поверхности Si(l 11) 7x7. Эта система является модельной для изучения формирования контакта металл-полупроводник и подробно изучена многими методами. При нанесении серебра на подложку, находящуюся при комнатной температуре, наблюдается особый режим послойного роста пленки, характеризуемый большим числом плоских островков Ag(l 11). Этот процесс отчетливо наблюдается и в картинах дифракции КУРЭ, которые существенно трансформируются в диапазоне толщин до ~15 Á. Картины, соответствующие таким сравнительно толстым пленкам, обладают 6-кратной симметрией, отличной от симметрии исходной грани кремния. Их моделирование показало, что пленка серебра состоит из доменов Ag(l 11) двух типов (А и В), для которых направления <112> параллельны, либо антипараллельны направлению <112>, лежащему в плоскости Si(lll). Показано также, что доли поверхности подложки, занимаемые доменами разного типа, можно определить путем компьютерного моделирования наблюдаемых картин, проводимого с использованием реперных данных для однодоменных эпитаксиальных пленок Ag(l 11), формирующихся при повышенных температурах. Например, для пленки толщиной 18 Á наилучшее согласие таких расчетов с экспериментом обнаруживается, когда домены А- и В-типа занимают примерно равную площадь (52% и 48% соответственно).

Не менее разительные изменения дифракционных картин обнаруживаются и при отжиге напыленных пленок. Так, нагрев образца до температуры Т = 650 К приводит к появлению новой картины с 3-кратной симметрией, свойственной грани (111) монокристалла серебра. Сопоставление этой картины с результатами расчетов, выполненных в кластерной модели однократного рассеяния для монокристалла Ag(l 11), обнаружило хорошее согласие теории и эксперимента. Это позволило сделать вывод о рекристаллизации в отмеченных условиях исследуемой пленки, проявляющейся в исчезновении А-доменов. Этот результат наглядно показывает, что развитый метод может использоваться для визуализации структурных перестроек в приповерхностных слоях твердого тела.

Последующий отжиг образца до более высоких температур также сопровождается значительной трансформацией дифракционных картин, которые помимо особенностей, типичных для кристалла серебра начинают демонстрировать некоторые особенности исходной картины от монокристалла Si(l 11). Так, например, результаты численного моделирования картины, измеренной после трехминутного отжига образца при температуре ~700 К, показали, что она является суперпозицией картин от островков серебра и подложки, покрытой двумерной фазой Причем, эти островки занимают около 10% поверхности кремния и имеют фиксированную ориентацию относительно подложки. Эти данные показывают, что предложенный метод может использоваться для исследования атомного строения островковых пленок.

В последней части главы рассмотрены результаты исследования атомной структуры кластеров Ag, формирующихся на другой грани кремния - (100). Рост пленок в данной системе подчиняется механизму Странского-Крастанова, а их кристаллическое строение очень сильно зависит от температуры подложки. Так, например, нанесение нескольких монослоев Ag на поверхность Si(100) 2x1, находящуюся при комнатной температуре, приводит к росту разупорядоченной островковой пленки серебра, для которой характерна диффузная картина, обладающая крайне слабой дифракционной структурой. В то же время повышение температуры подложки лишь на ~50° позволяет сформировать на поверхности кремния эпитаксиальную пленку Ag(100), для которой наблюдается четкая дифракционная картина с зеркально-поворотной симметрией 4-го порядка. Отжиг таких пленок до достаточно высоких температур приводит к формированию на поверхности кремния ансамбля островков Ag с единообразной ориентацией относительно подложки. Однако огранка кристаллитов оказывается иной, чем для системы Ag/Si(l 11). Как следует из анализа дифракционных картин, в данном случае на поверхность

кластеров выходит плоскость Ag(100). Показано также, что численное моделирование измеренных картин, проводимое с варьированием доли поверхности, занятой кластерами Ag> позволяет определять фазовый состав образующихся островковых пленок. Полученные данные наглядно демонстрируют, что кристаллография поверхности монокристалла кремния оказывает существенное влияние на характер эпитаксиального роста пленок серебра и структуру кластеров, формируемых в результате отжига.

Основные результаты работы:

1. Создана оригинальная экспериментальная установка для автоматической регистрации пространственных распределений КУРЭ путем прецизионного сканирования почти всей полусферы отражения электронов узкоапертурным энергоанализатором. Система управляется с помощью персонального компьютера и обеспечивает сбор, хранение и обработку данных в цифровом формате, а также их вывод на дисплей и печать в графическом виде. Создание системы позволило существенно повысить точность измерений и сделать возможной работу с большими массивами данных.

2. Для ряда монокристаллов с атомно-чистой поверхностью (\У(100), Мо(ЮО), Мо(110), 81(100) 2x1, 81(111) 7x7) систематически изучены пространственные распределения квазиупруго рассеянных электронов с энергией 2 кэВ. Измерения, проведенные с высоким угловым разрешением, выявили существование четких дифракционных картин.

3. Изучена динамика изменения указанных картин в диапазоне энергий 0,6-2 кэВ. Показано, что в этом интервале энергий на смену затухающим рефлексам, отображающим строение приповерхностной области кристаллов в обратном пространстве, приходят кикучи-картины, основными особенностями которых являются максимумы, ориентированные вдоль наиболее плотноупакованных рядов атомов кристалла, и кикучи-полосы, наблюдаемые вдоль плотноупакованных плоскостей.

4. Установлено, что основным механизмом формирования картин дифракции КУРЭ в области энергий 1-2 кэВ, является эффект фокусировки электронов, приводящий к тому, что при вылете из кристалла они концентрируются вдоль межатомных направлений. Картины фактически представляют собой центральные проекции таких направлений, содержащихся в приповерхностном слое. Кикучи-полосы возникают вследствие наложения максимумов фокусировки, связанных с многочисленными цепочками атомов, лежащими в наиболее плотноупакованных плоскостях. Отмеченные особенности картин позволяют их использовать для визуализации кристаллического строения тонкой приповерхностной области твердого тела.

5. Изучены закономерности фокусировки электронов средней энергии в указанных выше кристаллах. Выявлены зависимости ее эффективности от энергии частиц, порядкового номера элемента кристалла, плотности упаковки атомных цепочек, их внутренней структуры и пространственной ориентации. Для наиболее плотноупакованных направлений эффект усиливается с возрастанием средней длины пути электронов до примерно пяти межатомных расстояний.

6. Для описания наблюдаемых дифракционных картин разработаны оригинальные кластерные модели. Первая из них - кластерная модель однократного рассеяния - позволяет получать количественную структурную информацию путем сопоставления (с помощью R-факторов) эксперимента и результатов численных расчетов, проводимых с варьированием искомых структурных, параметров. Вторая, более простая модель учитывает эффект фокусировки феноменологически, что позволяет существенно уменьшить длительность расчетов.

7. Изучены начальные стадии роста пленок серебра на поверхности монокристалла Мо(110). Обнаружено, что нанесение лишь нескольких монослоев Ag на поверхность образца, находящегося при комнатной температуре, приводит к качественному изменению вида дифракционных картин. Анализ полученных данных показал, что растущая пленка серебра состоит из доменов Ag(l 11) А- и В-типа, а их ориентация относительно подложки соответствует эпитаксиальному соотношению Курдюмова-Захса.

8. Исследовано атомное строение ультратонких пленок серебра, формирующихся на поверхности Si(lll) 7x7 при комнатной температуре. Показано, что при этом также образуется пленка, состоящая из двух типов доменов Ag(l 11). С помощью компьютерного моделирования наблюдаемых картин установлено, что доли поверхности занимаемые этими доменами примерно одинаковы и составляют соответственно 48% и 52%.

9. Изучена трансформация строения пленок серебра на кремнии в процессе их отжига. Обнаружено, что при температуре около 650 К происходит рекристаллизация пленки, в результате которой домены А-типа исчезают. При дальнейшем повышении температуры на поверхности кремния образуются островки серебра, имеющие фиксированную азимутальную ориентацию относительно подложки и ограниченные сверху плоскостью (111).

10. Исследован процесс формирования эпитаксиальных пленок серебра на поверхности Si(100) 2x1. Показано, что рост пленок подчиняется механизму Странского-Крастанова. Установлено, что конденсируемая пленка серебра может иметь разное кристаллическое строение в

зависимости от температуры подложки. Отжиг пленок до температур Т > 800 К приводит к формированию островков Ag(l 00) с определенной азимутальной ориентацией относительно подложки. Показано, что численное моделирование наблюдаемых картин позволяет определять фазовый состав островковых пленок.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Главным итогом диссертации явилась разработка физических основ нового метода анализа атомной структуры поверхности твердого тела -дифракции квазиупруго рассеянных электронов средней энергии. В то время, как основные методы изучения поверхности с атомным разрешением (например, СТМ) дают информацию о строении ее верхнего слоя, данный метод позволяет визуализовать взаимное положение атомов в более глубокой зоне, толщиной около 1 нм, и поэтому удачно их дополняет. Он сравнительно прост в реализации, а благодаря высокому отношению полезного сигнала к шуму регистрация дифракционных картин может осуществляться с достаточно высокой скоростью. Поэтому метод представляется особенно перспективным для изучения быстропро-текающих атомных процессов в приповерхностной области твердого тела.

Результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Farajev N.S., Gomoyunova M.V., Pronin 1,1. Medium-Energy Backscattered Electron Diffraction Patterns from W(100) // Phys. Low-Dim. Struct. -1994. - V.9, -p. 11-20.

2. Farajev N.S., Gomoyunova M.V., Pronin I.I. Medium-energy Kikuchi patterns from Ag adlayers //15th European Conference on Surface Science, Lille, - 4-8 Sept., 1995, - Abstracts, V.19E, Th Pe 14.

3. Farajev N.S., Gomoyunova M.V., Pronin I.I. Electron forward scattering along atomic chains // 13th International Vacuum Congress, 9th International Conference on Solid Surface, Yokohama, - Sept. 1995, - Abstracts, p.335.

4. Гомоюнова M.B., Пронин И.И., Фараджев Н.С. Фокусировка электронов средней энергии при квазиупругом отражении от кристалла II ЖЭТФ.- 1996.-Т. 110.-В. 1. - № 7. - С. 311-321.

5. Farajev N.S., Gomoyunova M.V., Pronin I.I. The Initial Growth of Ag Layers on Mo(l 10) Studied by MEED // Phys.Low-Dim.Struct. -1996. -V. 7/8. -P.l03-114

6. Farajev N.S., Gomoyunova M.V., Pronin I.I. Medium-energy Kikuchi patterns and real-space imaging of the near-surface layers // Arizona State University Winter Workshop on Electron Diffraction and Imaging at Surfaces, Scottsdale, Arizona. -Jan. 3-6, 1996. - Abstracts, P6.

7. Гомоюнова M.B., Пронин И.И., Фараджев Н.С. Визуализация строения поверхностных слоев на основе фокусировки отраженных электронов II XXVI Международная конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, Москва, - 27-29 мая 1996 г., - Тез.докл. Изд. МГУ, с. 122.

8. Гомоюнова М.В., Пронин И.И., Фараджев Н.С. Кикучи-картины как средство визуализации строения поверхностных слоев твердого тела // Всероссийский симпозиум по эмиссионной электронике, Рязань, - 17-19 сентября 1996 г., - Материалы симп., с.57.

9. Гомоюнова М.В., Пронин И.И., Фараджев Н.С. Визуализация строения поверхностных слоев на основе фокусировки отраженных электронов // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. - 1997. - №6. - с. 117-121.

10. Пронин И.И., Фараджев Н.С., Гомоюнова М.В. Роль фокусировки электронов в формировании кикучи-картин монокристалла кремния IIФТТ. - 1997. - Т. 39. - № 4. - С. 752-757

11. Гомоюнова М.В., Пронин И.И., Фараджев Н.С. Атомное строение кластеров серебра на кремнии // ЖТФ. - 1997. - Т. 67. - № 12. - С. 62-66.

12. Пронин И.И., Фараджев Н.С., Гомоюнова М.В. Визуализация структурной перестройки пленки серебра на кремнии // Письма в ЖТФ. -1997.-Т. 23.-С. 35-39.

13. Farajev N.S., Gomoyunova M.V., Pronin I.I. Surface Crystallography by For-

ward-Focusing of Quasi-Elastically Reflected Electrons: Physical Bases and Applications // Phys.Low-Dim.Struct. - 1997. - V. 3/4. - P. 93-112.

14. Пронин И.И., Фараджев H.C., Гомоюнова M.B. Исследование атомной структуры ультратонких пленок серебра на кремнии с помощью эффекта фокусировки квазиупруго отраженных электронов // XXVII Международная конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, Москва, - 26-28 мая 1997 г., - Тезисы докладов, с.83.

15. Пронин И.И., Фараджев Н.С., Гомоюнова М.В. Интерпретация Кикучи-картин квазиупруго отраженных электронов на основе эффекта фокусировки // XXVII Международная конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, Москва, - 26-28 мая 1997 г., - Тезисы докладов, с.93.

16. FaradzhevN.S., Gomoyunova M.V., Proninl.I. Imaging of surface crystal structure by forward-focusing of quasi-elastically reflected electrons // 7th European Conference on Applications of Surface and Interphase Analysis, Gothenburg, Sweden, - June 1997, - Abstracts Book, the contribution TD-21, p.162.

17. Гомоюнова M.B., Пронин И.И., Фараджев H.C. Кикучи-картины как средство отображения атомной структуры поверхности в реальном пространстве // Международная конференция «Эмиссионная электроника, новые методы и технологии», Ташкент, - 4-6 ноября 1997 г. - Тезисы докладов, с.46.

18. Farajev N.S., Gomoyunova М. V., Pronin I.I. Imaging the Atomic Structure of the Near-Surface Region by Quasi-Elastically Back-Scattered Electrons // IX European Workshop on MBE, St John's College, Oxford, - 6th-1 Oth April 1997, - Abstracts, P-10.

19. Farajev N.S., Gomoyunova M.V., Pronin I.I. Phase transition in Ag/Si(l 11) system imaged in real-space by back-scattered electrons // 4th Nordic Conference on Surface Science, Alesund, Norway, - May 29-June 1, 1997,- Book of Extended Abstracts, pp.66-67.

20. Гомоюнова M.B., Пронин И.И., Фараджев H.C. Кристаллическое строение кластеров серебра, сформированных на поверхности Si(l 00) 2х 1 / / Письма в ЖТФ. - 1998. - Т. 24. - № 7. - С. 51-56.

21. Пронин И.И., Фараджев Н.С., Гомоюнова М.В. Фокусировка электронов при отражении от монокристалла Si( 100) // ФТТ. - 1998. - Т. 40. - № 7. - С. 1364-1369.

22. Gomoyunova M.V., Pronin I.I., Faradzhev N.S. Imaging of the atomic structure of near-surface layers by electron focusing // Ioffe Institute Prize Winners' 1997, St.Petersburg, - 1998, - P. 1 -6

23. Гомоюнова M.B., Пронин И.И., Фараджев H.C., Валдайцев Д.А. Кикучи-картины как средство отображения атомной структуры кластеров, сформированных на поверхности твердого тела. // Изв. АН, сер.физ. - 1998. -Т. 62. - № 10. - С. 1996-2001.

24. Gomoyunova M.V., Pronin I.I., Faradzhev N.S., and Valdaitsev D.A. Recent Developments in Surface Crystallography by Forward Focusing of Backscattered Electrons//Phys. Low-Dim. Struct.-1998.-V. 11/12. - P. 125-143.

25. Гомоюнова M.B., Пронин И.И., Фараджев Н.С. Фокусировка электронов, отраженных от кристалла с потерями энергии. // ЖТФ. - 1998. -Т. 68. -№ 6. - С. 128-133.

26. Фараджев Н.С., Гомоюнова М.В., Пронин И.И. Дифракция некогерентно рассеянных электронов с энергией 1 -2 кэВ И Поверхность. -1998.-№8.-С. 56-59.

27. Гомоюнова М.В., Пронин И.И., Фараджев Н.С. Структурный анализ кластеров серебра на поверхности Si(100) // XXVIII Международная конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, Москва - 25-27 мая 1998 г., - Тезисы докладов, с.73.

28. Гомоюнова М.В., Пронин И.Н., Фараджев Н.С. Закономерности фокусировки электронов при отражении от монокристаллов кремния // XXVIII Международная конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, Москва - 25-27 мая 1998 г., - Тезисы докладов, с.82.

29. Faradzhev N.S., Gomoyunova М. V., I.I.Pronin, and Valdaitsev D.A. The growth and recrystallization of ultrathin silver films on the silicon surface II First International Workshop "Nucleation and Non-linear Problems in the First-Order Phase transitions (NPT'98)", StPetersburg, -29 June -3 July 1998, -Final Programme & Book of Abstracts, p.21.

30. Pronin 1.1., Gomoyunova M.V., Faradzhev N.S., and Valdaitsev D.A. Backscattered electron forward focusing as a tool for characterization of nanometer films. U 9th International Conference on Solid Films and Surfaces, Copenhagen, Denmark, -July 6 th-10 th, 1998, -Final Program & The Book of Abstracts, P2.CH.12.

Сверстано и отпечатано в Типографском центре малой оперативной полиграфии ЗАО «Познание» 191186, Санкт-Петербург, а/я 623 Тел./факс (812) 534-3068

Сдано в набор 7.04.2000. Подписано к печати 10.04.2000. Формат 84x108, 1/32. Бумага книжно-журнальная. Гарнитура «Тайме».

Печ. листов 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 57.

САНКТ-ПЕГеРСУ

ЗАО _

ПОЗНАНИЕ