WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

БОНДАРЕНКО Леонид Владимирович

Структура и поверхностная проводимость металлических и металл-фуллереновых систем на реконструированных поверхностях Si(111)

Специальность — 01.04.10 Физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико–математических наук

Владивосток 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения РАН, г. Владивосток, РФ.

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Зотов Андрей Вадимович

Официальные оппоненты: Гаврилюк Юрий Леонидович доктор физико-математических наук, профессор Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН Ведущий научный сотрудник Огнев Алексей Вячеславович кандидат физико-математических наук Дальневосточный государственный университет Заведующий лабораторией

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт материаловедения Хабаровского научного центра Дальневосточного отделения Российской академии наук, г.Хабаровск

Защита состоится 14 декабря 2012 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 005.007.02 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения РАН по адресу: 690041, г. Владивосток, ул. Радио, 5, ИАПУ ДВО РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения РАН по адресу:

690041, г. Владивосток, ул. Радио, 5, ИАПУ ДВО РАН.

Автореферат разослан 13 ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент Гамаюнов Е.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ



Актуальность работы Основным направлением развития современной микроэлектроники является увеличение производительности интегральных микросхем при сохранении их стоимости. Увеличение производительности на сегодня достигается путем изменения топологии микросхем и, в большей степени, увеличением их плотности. При этом, все большее значение приобретает структурное совершенство элементов микросхем, т.к. их размеры становятся соизмеримыми с размерами структурных дефектов. Существенную роль начинают играть также и структура поверхности кремния - основа современной микроэлектронной промышленности. Сохранить стоимость микросхем помогут новые подходы к их производству. Это с одной стороны использование нового оборудования, а с другой новых методик выращивания элементов микросхем. Например, одним из таких подходов может стать использование реконструированных поверхностей кремния в качестве подложки.

На сегодня известно о более, чем 300 реконструкциях поверхности кремния, где атомы адсорбата, взаимодействуя с атомами Si, формируют систему с определенными структурой и свойствами [1]. Такие реконструированные поверхности могут изменять режим роста последующих слоев, а их большое разнообразие позволит в конечном итоге контролировать структуру и свойства выращиваемых систем. В данной работе в качестве модифицирующих реконструкций выступают поверхность Si(111)”55”-Cu и различные реконструкции поверхности в системе In/Si(111). Использование таких модифицированных поверхностей позволило существенно улучшить структурное совершенство и электропроводность нанопленок Au. Помимо этого, существенное значение имеет стабильность сформированных систем по отношению к внешним воздействиям (например, к агресивным средам). В данной работе была исследована стабильность нанопленок Au по отношению к экспозиции в кислороде.

С другой стороны, реконструкции поверхности кремния могут быть интересны и сами по себе. В некоторых из них недавно была обнаружена сверхпроводимость с температурой перехода в сверхпроводящее состояние, как у объемных материалов [2–4]. Другие, как было показано, проявляют свойства двумерного электронного газа [5–8]. К таким системам относятся моноатомные пленки Ag, Au, In и Pb на поверхности Si(111). Исследование электронной структуры этих слоев началось относительно недавно, и был обнаружен целый ряд уникальных свойств этих систем. С помощью фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (ФЭСУР) было показано, что часть из них представляют собой двумерный металл с параболическим законом дисперсии поверхностных электронных состояний. Так, эффективная масса электронов поверхно сти Si(111)- 3 3-Au заметно меньше массы свободного электрона me и составляет 0,3 me [7], а для Si(111) 3 3-Ag еще меньше – порядка 0,1 me [9]. Более того, недавние исследования [8] показали, что благодаря присутствию монатоного слоя металла на поверхности в таких системах существует так называемая ”зона легких дырок”, закон дисперсии в которой практически линейный и эффективная масса электронов примерно в 20 раз меньше массы свободного электрона. Такие свойства напоминают уникальные свойства графена, в котором эффективная масса носителей в идеале равна нулю [10]. В данной диссератционной работе были исследованы электропроводность и электронные свойства реконструкций, полученных с использованием атомов In, Ag и Na на основе поверхности Si(111)- 3 3-Au, среди которых Si(111)h 3 3-(Au,In) и Si(111)h- 3 3-(Au,Na) – поверхности, которые обладают свойствами почти идеального двумерного электронного газа.

Альтернативой использованию металлических систем на поверхности кремния для задач микроэлектроники могут стать молекулярные системы. Одной из перспективных систем являются слои молекул фуллеренов на реконструированных подложках кремния. Известно, что молекулы Cобладают богатым набором замечательных свойств. Фуллерит (молекулярный кристалл, образованный фуллеренами) обладает полупроводниковыми свойствами (ширина запрещенной зоны 1,5 эВ) [11], а легирование его атомами щелочных металлов приводит к появлению металлической проводимости [12] и даже переходу в сверхпроводящее состояние при 18 - 33 К [13]. Они обладают малым временем фотоотклика (единицы нс). Перспективным является использование молекулы фуллерена в качестве самостоятельного наноразмерного устройства и, в частности, усилительного элемента, особенно учитывая ее значительную способность к самоорганизации [14]. В данной работе исследовано влияние молекул C60 на электрическую проводимость пленок Au и Ag на реконструированных поверхностях кремния.

Целью диссертационной работы является изучение структуры и электрофизических характеристик двумерных металлических пленок и поверхностных реконструкций Si(111) на основе Au, Ag, In, Na, Cu, а так же молекулярных слоев C60.

Для достижения цели работы ставятся следующие задачи:

1. Исследовать структуру, проводимость и электронные свойства реконструкций, формирующихся на базе системы Au/Si(111) с использованием атомов In, Ag и Na.

2. Исследовать влияние поверхностных реконструкций в системах Cu/Si(111) и In/Si(111) на характер роста и поверхностную проводимость пленок Au. Исследовать стабильность пленки Au/Si(111)”55”-Cu по отношению к экспозиции в кислороде.

3. Изучить влияние молекулярного слоя C60 на рост и электрофизические характеристики пленок Au и Ag.

Научная новизна работы В работе получены новые экспериментальные результаты, основными из которых являются следующие:

1. Показано, что изменение поверхностной проводимости системы Au/Si(111) при адсорбции адатомов In имеет вид немонотонной зависимости с экстремумом и изменяется в диапазоне от 1,4±0,5 мСм до 4,3±0,2 мСм. Рост проводимости на начальном этапе и ее дальнейший спад происходит за счет действия эффектов легирования In и рассеяния на объемных островках.

2. В системе (Au,In)/Si(111) обнаружено формирование нового двумерного слоя со стехиометрией AuIn4 и периодичностью 2 7 3.

3. Обнаружена новая поверхностная реконструкция Si(111) 93 93(Au,Ag). Электрофизические измерения показали присутствие обедненной области пространственного заряда при стехиометрических покрытиях, а при увеличении покрытия Ag формирование области электронного пространственного заряда вблизи поверхности.

4. Показано, что при адсорбции атомов Na на поверхность Si(111) 3 3-Au происходит формирование поверхности с изотропным двумерным электронным газом, который характеризуется эффективной массой электронов (0,14±0,02) me.

5. Показано, что атомы Au и Ag интеркалируют под молекулярные слои C60; при этом, молекулы C60 выступают в роли акцепторов.

Практическая ценность работы Модификация поверхности Si(111) с помощью реконструкции Si(111)”55”-Cu приводит к заметному улучшению морфологии поверхности пленки Au, что сопровождается возрастанием поверхностной проводимости в три раза по сравнению с системой Au/Si(111). Пленка золота, полученная таким способом, уже при покрытии Au в 4 МС (1 монослой (МС) равен плотности атомов верхнего слоя нереконструированной грани Si(111), т.е. 7,81014 см-2) становится стабильной по отношению к воздействию кислорода. Такой подход может быть использован при создании токопроводящих элементов микросхем, которые при очень малой толщине (от 1 нм) обладают высокой проводимостью и стабильностью к внешним условиям (воздействию кислорода).

Основные защищаемые положения 1. Использование реконструированной поверхности Si(111)”55”-Cu позволяет выращивать пленки золота, обладающие более высоким кристаллическим совершенством и большей электропроводностью, чем пленки золота, выращенные непосредственно на чистой поверхности Si(111)77. При этом пленка золота на Si(111)”55”-Cu становится стабильной к окислению уже при покрытии в 4 МС Au.

2. Рост пленок Au с использованием реконструкций в системе In/Si(111), содержащих атомы Si, приводит к их островковому росту, а несодержащих атомы Si, к послойному, что находит свое отражение в электрической проводимости.





3. Дополнительная адсорбция атомов In на реконструированную по верхность Si(111)h- 3 3-(Au,In) приводит к увеличению поверхностной проводимости в 2,5 раза. Это происходит за счет донирования электронов от адсорбированных атомов In.

4. Адсорбция 0,МС и 1,1 МС In на реконструированную поверхAu ность Si(111) 3 3-In при комнатной температуре (КТ) приводит к формированию ранее неизвестной реконструкции Si(111)2 7 3(Au,In).

5. Напыление 0,1 МС Ag на реконструированную поверхность Si(111)- 3 3-Au при 350C приводит к формированию ранее неизвестной реконструкции Si(111) 93 93-(Au,Ag).

6. Адсорбция 0,1 МС Na на поверхность Si(111)- 3 3-Au приводит к удалению доменных стенок и формированию гомогенной поверхно сти Si(111)h- 3 3-(Au,Na). Реконструкция поверхности Si(111)h 3 3-(Au,Na) имеет электронную структуру, соответствующую почти идеальному двумерному электронному газу с эффективной массой электронов (0,14±0,02) me.

7. Атомы Au и Ag проникают через упорядоченные слои C60, сформированные на реконструированных поверхностях кремния Si(111) 3 3-Au и Si(111) 3 3-Ag. При этом, молекулы C60 действуют как акцепторы.

Апробация результатов работы Основные результаты работы докладывались на международных, российских и региональных конференциях, в том числе:

Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике (г. Владивосток, 2010г); IX Российско-Японском семинаре по поверхностям полупроводников RJSSS-7 (г. Владивосток, Россия, сентябрь 2010 г.); Микро- и нанотехнологии и их применение. (Черноголовка, 2010г.); Азиатской школе-конференции по физике и технологии наноструктурных материаллов ASCO-NANOMAT (г.Владивосток, Россия, 2011 г.); IX региональной научной конференции "Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование" (1-3 ноября, г.Владивосток, 2011 г.); Международном симпозиуме по науке о поверхности и нанотехнологии ISSS-6 (г. Токио, Япония, 2011 г.); X ЯпонскоРоссийском семинаре по поверхностям полупроводников RJSSS-10 (г.

Токио, Япония, 26-28 сентября 2012 г.);

Публикации По теме диссертации опубликовано 6 статей в рецензируемых научных журналах, входящих в список ВАК, 4 статьи в сборниках трудов конференций и 7 тезисов докладов.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 149 страниц, включая 59 рисунков и список литературы из 182 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отображена актуальность темы исследования, научная новизна и практическая ценность работы, сформулирована ее цель и задачи, указаны основные защищаемые положения, представлен список конференций, семинаров и школ, на которых докладывались результаты диссертационной работы, приведен список публикаций по тематике диссертационной работы, а также даны краткие сведения об объеме и структуре самой диссертации.

Первая глава является обзорной. Описываются основные физические принципы протекания тока через поверхности полупроводников. Кратко описаны известные литературные данные о некоторых реконструкциях In на Si(111)33-(Au,In) In на Si(111)-33-Au (а) (б) Покрытие In, МС Доза Ag, МС Рис. 1: Результаты измерений электрической проводимости (а) – адсорбции атомов при In на поверхности Si(111)h- 3 3-(Au,In), Si(111)- 3 3-Au и Si(111)77 при КТ;

(б) – адсорбции атомов Ag на поверхность Si(111)- 3 3-Au при 350C.

поверхности Si(111), которые в последующих главах будут использованы как основа для получения исследуемых структур. Описываются известные данные о механизме роста пленок золота на чистой и модифицированных поверхностях Si(111). Описываются известные данные о процессах окисления на поверхности Si(111). Часть главы посвящена адсорбции фуллеренов на модифицированные поверхности Si(111), краткий обзор известных литературных данных по этой теме также содержится в данной главе. Большинство разделов этой главы включает в себя известные данные о проводимости и электронной структуре в описываемых системах.

Во второй главе кратко рассмотрены условия и методики проведения экспериментов, а также основные принципы работы используемых методов исследования. В частности, были описаны: четырехзондовый метод измерения проводимости, дифракция медленных электронов (ДМЭ), электронная оже-спектроскопия (ЭОС), сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) и фотоэлектронная спектроскопия (ФЭС). Эксперименты проводились в двух отдельных сверхвысоковакуумных камерах:

RIBER DEL300 (оборудована ДМЭ, ЭОС и четырехзондовым методом) и Omicron STM-XA (оборудована ДМЭ, ЭОС, СТМ и ФЭС).

В третьей главе приведены результаты исследования структурных превращений, проводимости и электронных свойств в двойных системах на поверхности кремния: (Au,In)/Si(111), (Au,Na)/Si(111) и (Au,Ag)/Si(111) с помощью СТМ, ДМЭ, четырехзондового метода и ФЭС.

Адсорбция 0,5 МС In на поверхность Si(111)- 3 3-Au и короткий Проводимость, мСм Проводимость, мСм (в) (г) (а) (б) Рис. 2: (а) и (б) – 250250 2 и СТМ изображения поверхности Si(111)- 3 3-Au до и после адсорбции атомов Na соответственно. Изображения (в) и (г) иллюстрируют изменения дисперсии зоны S1 поверхностных состояний при адсорбции Na на поверхность Si(111)- 3 3-Au.

отжиг при 600C приводят к удалению доменных стенок [15] и формированию более совершенной поверхности Si(111)h- 3 3-(Au,In). Это сопровождается ростом проводимости в 1,5 раза. С одной стороны, рост проводимости связан с улучшением рельефа поверхности (уменьшается рассеяние носителей заряда), а с другой – с допированием электронов в поверхность от атомов индия. При этом, дополнительной адсорбцией при КТ можно продлить процесс допирования, что сопровождается существенным ростом проводимости (рис.1а). При покрытиях 0,7-0,8 МС проводимость достигает максимума, а затем начинает падать из-за рассеяния на формирующихся островках индия, как было показано при помощи СТМ наблюдений.

Отжиг поверхности 2 МС In/Si(111)h- 3 3-(Au,In) приводит форк мированию участков новой реконструкцией с периодичностью 2 7 (рис.3а-в). СТМ и ДМЭ исследования показали, что такая реконструкция может быть сформирована на всем образце путем адсорбции 0, МС Au и 1,1 МС In на поверхность Si(111) 3 3-In при КТ. Откуда, учитывая что покрытие поверхности 3 3-In – 0.33 МС In, стехио метрия реконструкции 2 7 3-(Au,In) составляет AuIn4. На рисунке представлены СТМ (а) и ДМЭ (б) изображения поверхности 2 7 3(Au,In), а так же схематическое ДМЭ изображение. Измерения при помощи четырехзондового метода показали, что эта поверхность обладает сравнительно высокой проводимостью.

Адсорбция 0,5 МС Na при 350C, как и в случае с In, приводит к удалению доменных стенок и формированию более совершенной по верхности Si(111)h- 3 3-(Au,Na) (рис.2а,б). При этом, согласно данным СТМ на сформировавшейся поверхности остается лишь 0,1 МС Na.

Исследования при помощи фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (ФЭСУР) показали, что удаление доменных границ сопровождаются формированием изотропного двумерного электронного газа (а) (б) (в) (г) (д) (е) Рис. 3: (а) – 300300 2 и (г) – 180180 2 СТМ изображения поверхностей 2 7 3 (Au,In) и 93 93-(Au,Ag) соответственно. (б) и (д) – изображения ДМЭ для поверх ностей 2 7 3-(Au,In) и 93 93-(Au,Ag) соответственно. (в) и (е) – схематические изображения ДМЭ для поверхностей 2 7 3-(Au,In) и 93 93-(Au,Ag) соответственно.

(ДЭГ). Поверхность Si(111)h- 3 3-(Au,Na) приобретает такие свойства благодаря присутствию в её электронной структуре почти параболической зоны поверхностных состояний S1 (рис.2в,г), характерной для систем с ДЭГ. При этом, адсорбция атомов Na делает все спектральные особенности более четкими, что является следствием удаления доменных границ. Кроме того, атомы Na донируют свои электроны в поверхность увеличивая заполнение зоны S1 c 0,1 электрона на элементарную ячейку до 0,4. Это сопровождается взаимодействием зоны S1 с другими зонами поверхностных состояний (S2 и S3), в следствии чего закон дисперсии перестает быть параболическим. Согласно апроскимациии (пунктирные линии на рис.2в,г), учитывающей взаимодействие зон на основе теории возмущений, эффективная масса электронов уменьшается с 0,3 me до (0,14±0,02) me после адсорбции атомов Na.

Следующей исследованной системой является (Au,Ag)/Si(111). Здесь, в отличии от предыдущих систем адсорбция Ag не приводит к упорядочению, а не удалению доменных стенок. Так адсорбция 0,1 МС Ag на поверхность Si(111)- 3 3-Au при 350C приводит формированию к новой реконструкции с большим периодом – Si(111) 93 93-(Au,Ag) (рис.3г-е). Эта реконструкция формируется в результате упорядочения доменных стенок, что сопровождается ростом проводимости из-за уменьшения рассеяния носителей (рис.1б) Дальнейшая адсорбция атомов Ag при 350C приводит к последовательному формированию реконструкций Si(111)2 32 3-(Au,Ag) и Si(111) 21 21-(Au,Ag), проводимость которых отображена на рисунке 1б. На основе серии экспериментов по дополнительной адсорбции Ag при КТ на сформированные при 350C реконструкции из системы (Au,Ag)/Si(111) были сделаны выводы об основных механизмах их проводимости. Основной канал проводимости исходной поверхности - область дырочного пространственного заряда [16], поэтому атомы Ag, отдавая свои электроны в поверхность, компенсируют слой дырочного заряда, что приводит к его инвертированию в электрон ный. Принимая во внимание то, что содержание Ag в Si(111) 93 93(Au,Ag) очень мало, эффект преобразования дырочного пространственного заряда в электронный на этом этапе можно не учитывать и считать, что для этой поверхности область дырочного пространственного заряда является главным каналом проводимости. Однако при покрытии в 0, МС, когда формируется Si(111)2 32 3-(Au,Ag), это становится существенным, и область дырочного пространственного заряд сменяется на обедненную область, уменьшая проводимость. При формировании рекон струкции Si(111) 21 21-(Au,Ag) проводимость начинает расти снова, т.к. эта реконструкция обладает высокой проводимостью из-за наличия ярко выраженных металлических поверхностных состояний [17].

В четвертой главе приведены результаты исследования структуры и проводимости пленок золота на реконструированных поверхностях Si(111), включая поверхность Si(111)”55”-Cu и реконструкции в системе In/Si(111). Также в этой главе представлены результаты исследования стабильности проводимости пленок золота, выращенных на поверхности Si(111)”55”-Cu.

Исследования при помощи СТМ показали, что формирование реконструкции Si(111)”55”-Cu существенно меняет режим роста пленки золота. Так, на чистой поверхности Si(111)77 золото растет в островковом режиме и имеет очень развитый рельеф (рис.4а), в то время как на модифицированной поверхности Si(111)”55”-Cu пленка при покрытиях золота больше 3 МС растет послойно с образованием более гладкой поверхности (рис.4б). Такие различия в структуре пленок находят свое отражение в их проводимости. При покрытиях золота порядка МС проводимость пленки, выращенной на поверхности Si(111)”55”-Cu, в три раза больше чем, на чистой поверхности Si(111)77 (рис.4в).

Это связано с уменьшением рассеяния носителей заряда на шероховатостях пленки, которых гораздо меньше в случае Au/Si(111)”55”-Cu.

Однако, при небольших покрытиях (1-4 МС Au) при адсорбции Au на Si(111)”55”-Cu наблюдается минимум проводимости (рис.4г), который связан с наибольшей шероховатостью пленки при покрытии 2 МС Au, т.к. до 3 МС Au она растет 2D островками. Исследования стабильности (а) (б) (в) (г) Рис. 4: (а) и (б) – 1000900 2 СТМ изображение заполненных состояний пленка Au с покрытием 15 МС выращенной при КТ на (a) реконструкции Si(111)5,555,55–Cu и (б) чистой поверхности Si(111)77. (в) и (г) – электропроводность пленок Au выращенных на реконструкции Si(111)5,555,55–Cu (закрашенные кружки) и на чистой поверхности Si(111)77 (не закрашенные кружки) в зависимости от покрытия Au. (в) - изменение электропроводности в большом диапазоне покрытий (до 14 МС) и (г) участок иллюстрирующий наличие минимума электропроводности.

системы Au/Si(111)”55”-Cu по отношению к экспозиции в кислороде показали, что проводимость исходной поверхности Si(111)”55”-Cu существенно падает (рис.5д), однако при адсорбции более 3 МС Au она становится полностью стабильной к окислению. Это связано с тем, что поверхность Si(111)”55”-Cu является двумерным силицидом Cu2Si, образуя связи SiO, а кислород активно взаимодействует с кремнием и разрушает этот силицид и саму реконструкцию Si(111)”55”-Cu. Плоской пленки Au, состоящей из 3-х атомных слоев, достаточно для полного блокирования процессов окисления.

В четвертой главе так же рассматривалась адсорбция Au на различные реконструкции поверхности в системе In/Si(111)77. Показано, что это приводит к формированию пленок с различной морфологией провои димостью. Так, при адсорбции золота на поверхности Si(111) 3 3-In и Si(111)rec- 7 3-In пленка растет послойно начиная с самых малых покрытий, при этом в начале формируется сплавной слой AuIn. С другой стороны на поверхностях Si(111) 31 31-In и Si(111)4наблюдает ся островковый рост пленки. Различия в росте пленок на 3 3-In и hex- 7 3-In с одной стороны и 31 31-In и 41 с другой, видимо, связаны с особенностями подложки Si(111). В случае 3 3-In и hex(а) (б) Au на Si(111)33-In Au на Si(111)3131-In Au на Si(111)41-In Au на Si(111)hex-73-In Au на Si(111)7xПокрытие Au, МС Рис. 5: (а) – результаты измерений поверхностной проводимости при экспозиции в атмосфере кислорода поверхности Si(111)”55”-Cu с разным покрытием золота. (б) – результаты измерения проводимости тонких пленок золота на различных реконструк циях системы In/Si(111), в зависимости от покрытия Au: 3 3 (квадраты), 31 (кружки), 41 (треугольники), и hex- 7 3 (ромбы). Данные проводимости для пленки золота на поверхности Si(111)77 приведены для сравнения (звезды).

7 3-In индиевый слой (0,33 МС и 1,0 МС In соответственно) лежит над объемоподобной поверхностью Si(111). С другой стороны, в случае 31 31-In и 41 верхний слой подложки Si(111) реконструирован, а значит атомы кремния входят в состав реконструкций. Присутствие атомов Si подавляет процесс образования сплава AuIn, что приводит к "гетерогенному" формированию сплава, а это, в свою очередь, ведет к образованию развитого рельефа пленки. Такие различия в режимах роста отражаются на проводимости пленок – при островковом росте проводимость существенно меньше, чем при послойном (рис.5б).

В пятой главе приведены результаты исследования адсорбции молекул C60 и атомов Au и Ag на реконструированные поверхности Si(111), которые можно разделить на две части. первой исследовалась адсорбция В атомов Au поверхность Si(111)- 3 3-Au, а также на поверхность на Si(111)- 3 3-Au покрытую молекулярным слоем C60. Во второй проводился такой же эксперимент, однако атомы Au были заменены атома ми Ag: исследовалась адсорбция Ag на поверхность Si(111) 3 3-Ag и Si(111) 3 3-Ag, покрытую молекулярным слоем C60.

При помощи СТМ было установлено, что в обоих случаях атомы Au и Ag проникали через молекулярные слои C60 и формировали под ними островки различной формы и размеров (рис.6а-в). Различия между системами носят в основном морфологический характер, в частно сти в системе Au/C60/Si(111)- 3 3-Au формировались сравнительно небольшие островки (5-10 нм, рис.6б), в то время как в случае Ag/C60/Si(111) 3 3-Ag формировались большие островки (50-100 нм , мСм (а) (б) (в) (д) (г) Рис. 6: 150200 2 СТМ изображения иллюстрирующие (а) – исходную поверхность - 3 3-Au покрытую монослоем молекул C60 и (б) – туже поверхность после адсрбции 2 МС Au при КТ. (в) – 10001000 2 квази-3D СТМ изображение поверхности Si(111) 3 3-Ag после адсорбции 2 МС Ag при КТ. (г) – результаты измерений по верхностной проводимости при адсорбции Au на поверхности Si(111)- 3 3-Au и C60/Si(111)- 3 3-Au. (д) – результаты измерений поверхностной проводимости при адсорбции Au на поверхности Si(111) 3 3-Ag и C60/Si(111) 3 3-Ag.

рис.6в). Почти такой же механизм роста пленок характерен для тех же систем без адсорбированного слоя молекул C60. Это значит что адсорбция C60 почти не меняет механизм роста пленок Au и Ag на Si(111) 3 3-Au и Si(111) 3 3-Ag. На основе этих набдюдений и известных литературных данных можно сделать вывод, что проницаемость молекулярного слоя C60 зависит от того насколько сильно C60 связаны с подложкой. Так, в случае слабой связи C60-подложка атомы металлов легко проникают через молекулярный слой, в случае сильной связи C60подложка атомы металлов остаются сверху молекулярного слоя.

На рисунке 6г представлены результаты измерений проводимости поверхностей Si(111)- 3 3-Au и C60/Si(111)- 3 3-Au при адсорбции атомов Au. На рисунке видно, что адсорбция Au на Si(111) 3 3-Au в начале приводит к отрицательным изменениям проводимости (до покрытия Au в 1,0 МС), а при больших покрытиях наблюдается постепенный рост проводимости. С другой стороны, при адсорбции Au на поверхность Si(111)- 3 3-Au, покрытую монослоем молекул C60, проводимость не падает и начинает расти при покрытии Au в 0,4 МС.

Минимум проводимости в случае адосрбции Au на Si(111)- 3 3-Au связан с процессом перехода от дырочного пространственного заряда, который является главным каналом проводимости для этой поверхности [16], к обедненному слою. Это происходит из-за того, что атомы Au отдают свои электроны в область дырочного заряда, тем самым компенсируя его и формируя обедненный слой (при покрытии 0,4 МС Au).

Затем, при больших покрытиях золота, обедненный слой переходит в электронный слой пространственного заряда, и проводимость начинает расти. Кроме того, росту проводимости способствует формирование металлической пленки Au. Молекулы C60, действуя как акцепторы, забирают электроны и подавляют описанные процессы передачи электронов, поэтому проводимость в случае C60/Si(111)- 3 3-Au почти сразу начинает расти из-за образования металлического слоя Au.

Проводимость поверхности Si(111) 3 3-Ag в основном определяется ярко выраженной металлической зоной поверхностных состояний S1.

По этому зависимость проводимости от покрытия отличается от случая Au/Si(111)- 3 3-Au. Атомы Ag отдают электроны в зону S1, увеличивая её заполнение, что приводит к существенному росту проводимости (рис.6д). Хасегава и др. [16] объясняли рост проводимости на начальных этапах формированием двумерного газа адатомов Ag. Так, адатомы Ag, находясь в состоянии двумерного газа, отдают электроны проводимости в зону поверхностных состояний S1, увеличивая проводимость. Однако, при достижении критического покрытия адатомы конденсируются в островки и перестают ”донировать” электроны, что приводит к падению проводимости. Следуя такой интерпретации, можно объяснить результаты измерения проводимости поверхности C60/ 3 3-Ag при адсорбции атомов Ag. А именно, задержка в росте проводимости связана с тем, что фуллерены, действуя как акцепторы на начальных этапах адсорбции, захватывают электроны, не давая им увеличить электронное заполнение в S1 зоне поверхностных состояний, и, как следствие, проводимость существенно не меняется. Как только процесс передачи заряда от адатомов Ag к молекулам C60 завершается, электроны начинают поступать в зону поверхностных состояний, и проводимость растет. Однако кроме смещения начала роста проводимости также наблюдается смещение максимума проводимости к большим покрытиям Ag. По-видимому, это связано с увеличением критического покрытия, необходимого для конденсации двумерного газа адатомов серебра, после адсорбции молекулярного слоя C60.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. В системе (Au,In)/Si(111) обнаружена ранее неизвестная поверхност ная реконструкция Si(111)2 7 3-(Au,In), которая формируется в результате осаждения 1,1±0,1 МС In и 0,35±0,05 МС Au на поверх ность Si(111) 3 3-In при комнатной температуре. Установлено, что эта реконструкция представляет собой двумерный упорядоченный сплав AuIn4, который имеет относительно высокую электрическую проводимость, 2,1±0,3 мСм.

2. Для системы (Au,In)/Si(111) установлена связь между структурой поверхности и электрической проводимостью образца. Удаление доменных стенок с поверхности Si(111)- 3 3-Au и формирование поверхности Si(111)h- 3 3-(Au,In) приводит к увеличению проводимости примерно в 1,5 раза из-за переноса электронов от атомов In в зону поверхностных состояний и уменьшения интенсивности рассеяния носителей заряда. Адсорбция атомов In на эту поверхность при комнатной приводит к существенному росту (примерно в 2,5 раза) проводимости за счет дальнейшего заполнения электронами зоны поверхностных состояний.

3. В системе (Au,Ag)/Si(111) обнаружена ранее неизвестная длин нопериодическая поверхностная реконструкция Si(111) 93 93(Au,Ag), которая формируется в результате осаждения 0,1 МС Ag на поверхность Si(111)- 3 3-Au при температуре 350C и характеризуется высокой проводимостью, 2,4±0,1 мСм.

4. Установлено, что в ходе осаждения Ag на поверхность Si(111) 3 3-Au при температуре 350 C последовательно формируются реконструкции Si(111) 93 93-(Au,Ag), Si(111)2 32 3-(Au,Ag) и Si(111) 21 21-(Au,Ag). Структурные перестройки поверхности сопровождаются немонотонным ростом проводимости образца, который объясняется одновременным действием таких факторов, как перенос заряда от адсорбата в подложку и изменение атомной структуры и морфологии поверхности.

5. Показано, что адсорбция Na на поверхность Si(111)- 3 3-Au при 350C приводит к удалению доменных стенок и формированию одно родной поверхности Si(111)h- 3 3-(Au,Na). Изменения в атомной структуре поверхности сопровождаются изменеиями в ее электронной структуре: происходит заполнение зоны S1 электронами от 0,до 0,4 электронов на элементарную ячейку, и наблюдается уменьшение эффективной массы электронов с 0,3 me до (0,14±0,02) me за счет межзонного взаимодействия.

6. Установлено, что реконструкция Si(111)”55”-Cu эффективно блокирует образование силицида при осаждении Au и позволяет вырастить более однородную пленку золота, чем в случае осаждения Au непосредственно на поверхность Si(111). При покрытиях Au порядка 14 МС проводимость пленки, выращенной на Si(111)”55”-Cu, превышает проводимость пленки, выращенной на Si(111)77, в три раза. Показано, что при покрытиях 3 МС Au и более такая пленка становится стабильной по отношению к экспозиции в кислороде.

7. На примере роста пленок Au на различных реконструкциях In/Si(111) определено влияние структуры реконструкции на механизм роста и проводимость пленок. Показано, что на реконструкциях, содержащих не только атомы адсорбата (In), но и атомы подлож ки (Si) (Si(111)41-In, Si(111) 31 31-In), наблюдается островковый рост пленки, а на реконструкциях, со держащих только атомы адсорбата (Si(111) 3 3-In, Si(111)hex- 7 3-In), пленка растет послойно с образованием двумерного слоя сплава AuIn на начальном этапе роста. Проводимость пленок зависит от механизма их роста:

при островковом росте проводимость существенно ниже, чем при послойном.

8. Определено влияние слоя C60, предварительно осажденного на поверхности Si(111)- 3 3-Au и Si(111) 3 3-Ag на электрические свойства образцов, получаемые осаждением на эти поверхности атомов Au и Ag, соответственно. Показано, что в обоих случаях атомы металлов при адсорбции проникают через слой молекул Cи формируют под ним островки. При осаждении Au на поверхность C60/Si(111)- 3 3-Au наблюдается монотонный рост проводимости, начиная с покрытия 0,4 МС Au. В случае же осаждения Ag на C60/Si(111) 3 3-Ag проводимость растет немонотонно с максимумом при покрытии 0,5 МС Ag. Обе зависимости объясняются акцепторным действием молекул C60, а их различие связано с раз личными механизмами проводимости в образцах Si(111)- 3 3 Au и Si(111) 3 3-Ag: основным каналом проводимости в первом случае является слой пространственного заряда, а во втором зона поверхностных состояний.

Основные результаты диссертации представлены в следующих печатных работах (жирным шрифтом выделены издания, входящие в Перечень ВАК РФ) 1. Бондаренко Л.В., Цуканов Д.А., Борисенко Е.А., Грузнев Д.В., Матецкий А.В., Зотов А.В., Саранин А.А. Электрическая проводимость системы (Au,In)/Si(111) // Труды МФТИ. – 2011. – Т.3. № 2, C.6-11.

2. Цуканов Д.А., Бондаренко Л.В., Борисенко Е.А. Стабильность электрических характеристик пленок Au, на поверхности Si(111)5,555,55-Cu при экспозиции в кислороде // Письма в ЖТФ. – 2010. – Т.36. вып.19. – С.1-7.

3. Gruznev D.V., Matetskiy A.V.,Bondarenko L.V., Borisenko E.A., Tsukanov D.A., Zotov A.V., Saranin A.A. Structural transformations in (Au,In)/Si(111) system and their effect on surface conductivity // Surface Science. – 2011. – Vol.605. – P.1420-1425.

4. Tsukanov D.A., Ryzhkova M.V., Borisenko E.A., Bondarenko L.V., Matetskiy A.V., Gruznev D.V., Zotov A.V., and Saranin A.A. Effect of C60 layer on the growth mode and conductance of Au and Ag films on Si(111)- 3 3-Au and Si(111) 3 3-Ag surfaces // Journal of Applied Physics. – 2011. — Vol.110. — P.093704-1 – 093704-5.

5. D.A. Tsukanov, M.V. Ryzhkova, E.A. Borisenko, L.V. Bondarenko, A.V. Matetskiy, D.V. Gruznev, A.V. Zotov, A.A. Saranin Surface conduction at phase transitions in (Au,Ag)/Si(111) submonolayer films // Applied Surface Science. – 2012 – Vol.258, – P.9636–9641.

6. Gruznev D.V., Olyanich D.A., Chubenko D.N., Tsukanov D.A., Borisenko E.A., Bondarenko L.V., Ivanchenko M.V., Zotov A.V., Saranin A.A. Growth of Au thin film on Cu-modified Si(111) surface // Surface Science. – 2009. – Vol.603. – P.3400–3403.

7. Бондаренко Л.В., Борисенко Е.А., Цуканов Д.А. Изучение электрической проводимости сверхтонких пленок Au/Si(111)5,55х5,55-Cu при осаждении кислорода. // Материалы всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике. Издательство ДВГУ, Владивосток, 2010, C.60.

8. Бондаренко Л.В., Цуканов Д.А., Борисенко Е.А., Грузнев Д.В., Матецкий А.В., Зотов А.В., Саранин А.А. Электрическая проводимость системы (Au,In)/Si(111) // 4-я Всероссийская конференция молодых ученых Микро- нанотехнологии и их применение: тезисы докладов. Черноголовка, 22-24 ноября 2010, C.36.

9. Bondarenko L.V., Matetskiy A.V., Gruznev D.V., Zotov A.V., Saranin A.A. Two-dimensional electron gas on Si(111)h- 3 3(Au,Na) surface. // Abstracts of the 10th Japan-Russia Seminar on Semiconductor Surfaces, (JRSSS-10), September 26-28, 2012, University of Tokyo, Japan. Tokyo: The Surface Science Society of Japan, 2012, P.E2.

10. Bondarenko L.V., Ryzhkova M.V., Borisenko E.A., Matetskiy A.V., Gruznev D.V., Tsukanov D.A., Zotov A.V., Saranin A.A. C60 layer on Au- or Ag-modified Si(111) surfaces: influence on surface conductivity and growth mode of Au and Ag films // Abstracts of Sixth International Symposium on Surface Science, December 11-15, 2011, Tokyo, Japan, P.56.

11. Бондаренко Л.В.,Матецкий А.В., Грузнев Д.В., Зотов А.В., Саранин А.А. Двумерный электронный газ на поверхности Si(111)h 3 3-(Au,Na)// Всероссийская молодежная конференция "Актуальные проблемы нано- и микроэлектроники Тезисы докладов, Уфа, БашГУ, 25-28 сентября 2012. Уфа: РИЦ БашГУ, 2012, С.39.

12. Tsukanov D.A., Bondarenko L.V., Borisenko E.A. Surface conductivity of Au-films on Si(111)5,555,55-Cu surface under oxidation. // Proceedings of the Ninth Russia-Japan Seminar on Semiconductor Surfaces (RJSSS-9), September 26-30, 2010, Vladivostok, Russia, P.103.

13. Tsukanov D.A., Bondarenko L.V., Borisenko E.A., Gruznev D.V., Zotov A.V. Study of surface conductivity of (Au,In)/Si(111) system.

// Proceedings of the Ninth Russia-Japan Seminar on Semiconductor Surfaces (RJSSS-9), September 26-30, 2010, Vladivostok, Russia, P.3642.

14. Цуканов Д.А., Бондаренко Л.В., Борисенко Е.А. Электрическая проводимость пенок золота на поверхности Si(111)5,555,55-Cu. // Proceedings of Asian School-Conference on Physics of Nanostructures and Nanomaterials (ASCO-NANOMAT 2010), September 27-30, 2010, Vladivostok, Russia, P.93.

15. Борисенко Е.А., Бондаренко Л.В., Цуканов Д.А., Грузнев Д.В. Изменения проводимости двумерной системы (Au,In)/Si(111) после осаждения In и Au при КТ. // Proceedings of Asian School-Conference on Physics of Nanostructures and Nanomaterials (ASCO-NANOMAT 2010), September 27-30, 2010, Vladivostok, Russia, P.99.

16. Ryzhkova M.V., Gruznev D.A., Bondarenko L.V., Borisenko E.V., Tsukanov D.A. Role of C60 as acceptors for Si(111)- 3 3-Au. // Asian School-Conference on Physics and Technology of Nanostructured Materials. Vladivostok, Russia, August 21-28, 2011, P.88.

Список литературы [1] Lifshits V. G., Saranin A. A., Zotov A. V. Surface Phases on Silicon.

– Chichester: Wiley, 1994.– 450 p.

[2] Qin Shengyong, Kim Jungdae, Niu Qian, Shih Chih-Kang.

Superconductivity at the Two-Dimensional Limit. // Science. – 2009.

– V. 324, N. 5932. – P. 1314–1317.

[3] Zhang T., Cheng P., Li W.-J., Sun Y.-J., Wang G., Zhu X.-G., He K., Wang L., Ma X., Chen X., Wang Y., Liu Y., Lin H.-Q., Jia J.-F., Xue Q.-K. Superconductivity in one-atomic-layer metal films grown on Si(111). // Nature Physics. – 2010. – V. 6. – P. 104–108.

[4] Uchihashi Takashi, Mishra Puneet, Aono Masakazu, Nakayama Tomonobu. Macroscopic Superconducting Current through a Silicon Surface Reconstruction with Indium Adatoms: Si(111)-( 7 3)-In.

// Phys. Rev. Lett. – 2011. – V. 107. – P. 207001.

[5] Rotenberg E., Koh H., Rossnagel K., Yeom H.W., Schfer J., Krenzer B., Rocha M.P., Kevan S.D. Indium 7 3 on Si(111): A nearly free electron metal in two dimensions. // Phys. Rev. Lett. – 2003. – V. 91, N. 24. – P. 246404–4.

[6] Choi W.H., Koh H., Rotenberg E., Yeom H.W. Electronic structure of dense Pb overlayers on Si(111) investigated using angle-resolved photoemission. // Phys. Rev. B. – 2007. – V. 75, N. 7. – P. 075329–8.

[7] Kim J.K., Kim K.S., McChesney J.L., Rotenberg E., Hwang H.N., Hwang C.C., Yeom H.W.

Two-dimensional electron gas formed on the indium-adsorbed Si(111) 3 3-Au surface. // Phys. Rev. B. – 2009.

– V. 80, N. 7. – P. 075312–7.

[8] Kim K.S., Jung S.C., Kang M.H., Yeom H.W. Nearly massless electrons in the silicon interface with a metal film. // Phys. Rev.

Lett. – 2010. – V. 104, N. 24. – P. 246803–4.

[9] Liu C., Matsuda I., Hobara R., Hasegawa S. Interaction between adatom-induced localized states and quasi-two-dimensional electron gas. // Phys. Rev. Lett. – 2006. – V. 96, N. 3. – P. 036803–4.

[10] Novoselov KS, Geim AK, Morozov SV, Jiang D, Katsnelson MI, Grigorieva IV, Dubonos SV, Firsov AA. Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene. // NATURE. – 2005. Т. 438, № 7065. – C. 197–200.

[11] Haddon R. C. Electronic structure, conductivity and superconductivity of alkali metal doped (C60). // Accounts of Chemical Research. – 1992.

– V. 25, N. 3. – P. 127–133.

[12] Hebard A.F., Rosseinsky M.J., Haddon R.C., Murphy D.W., Glarum S.H., Palstra T.T.M., Ramirez A.P., Kortan A.R. Superconductivity at 18K in potassium-doped C60. // Nature. – 1991. – V. 350, N. 6319.

– P. 6000–6001.

[13] Tanigaki K., Ebbesen T.W., Saito S., Mizuki J., Tsai J.S., Kubo Y., Kuroshima S. Superconductivity at 33K in CSxRbyC60. // Nature. – 1991. – V. 352, N. 6332. – P. 222–223.

[14] Wada Y., Tsukada M., Fujihira M., Matsushige K., Ogawa T., Haga M., Tanaka S. Prospects and Problems of Single Molecule Information Devices. // Japanese Journal of Applied Physics. – 2000.

– V. 39, N. 7A. – P. 3835–3849.

[15] Gruznev D.V., Filippov I.N., Olyanich D.A., Chubenko D.N., Kuyanov I.A., Saranin A.A., Zotov A.V., Lifshits V.G. Si(111)-- 3 3Au phase modified by In adsorption: Stabilization of a homogeneous surface by stress relief. // Phys. Rev. B. – 2006. – V. 73, N. 11. – P. 115335–7.

[16] Hasegawa S., Tong X., Takeda S., Sato N., Nagao T. Structures and electronic transport on silicon surfaces. // Progress in Surface Science. – 1999. – V. 60. – P. 89–257.

[17] Hirahara Toru, Matsuda Iwao, Liu Canhua, Hobara Rei, Yoshimoto Shinya, Hasegawa Shuji. Direct measurement of the Hall effect in a free-electron-like surface state. // Phys. Rev. B. – 2006. – V. 73. – P.

235332.

Бондаренко Леонид Владимирович Структура и поверхностная проводимость металлических и металл-фуллереновых систем на реконструированных поверхностях Si(111) Автореферат Подписано к печати 9.11.2012 г. Усл.п.л. 1,2 Уч.-изд.л. 1,Формат 6084/16. Тираж 110 экз. Заказ № Издано ИАПУ ДВО РАН. 690041, г. Владивосток, ул.Радио,Отпечатано участком оперативной печати ИАПУ ДВО РАН.

690041, г. Владивосток, ул.Радио,






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.