WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 3 Формирование Кикучи-полос в дифракционных картинах электронов средней энергии © М.В. Гомоюнова, И.И. Пронин, Н.С. Фараджев, Д.А. Валдайцев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Поступила в Редакцию 24 июля 1998 г.) Для выявления механизма формирования Кикучи-полос полная дифракционная картина Si(100), полученная регистрацией квазиупругорассеянных электронов с энергией 2 keV, сопоставлена с результатами модельных расчетов, выполненных в приближении однократного рассеяния для кластеров, построенных из разного числа плотноупакованных плоскостей (110). Показано, что формирование Кикучи-полос определяется двумя типами процессов рассеяния электронов в кристалле. Основной вклад в усиление интенсивности отражения электронов в пределах полосы вносит их фокусировка при движении вдоль многочисленных межатомных направлений, лежащих в плоскостях (110). Другим механизмом, ответственным за формирование резких краевых областей Кикучи-полос, является рассеяние электронов на ближайших соседних плоскостях.

Специфический профиль Кикучи-полос предложено использовать для оценки формы и размеров кристаллитов легких элементов, образующихся на начальных стадиях роста островковых пленок.

В исследованиях поверхности и межфазовых границ однократного рассеяния, высказывались различные сув последнее время стали широко применяться методы ждения о механизме формирования рассматриваемых анализа атомного строения, основанные на дифракции особенностей. Наиболее распространенная точка зрения электронов средней энергии (от сотен eV до 2keV). связывает резкие перепады интенсивности вблизи границ Это прежде всего дифракция фото- и Оже-электронов, Кикучи-полос с брэгговской дифракцией электронов на возбуждаемых рентгеновским излучением [1–3], а также системах плоскостей, для учета которой в модельных дифракция некогерентно рассеянных первичных электро- расчетах используются кластеры больших размеров. Так, нов [3–6]. Структура пространственных распределений например, в работе [12], где анализировалась картина всех трех групп электронов очень сходна при близких дифракции фотоэлектронов от CaF2(111) при энергии энергиях. Как правило, она складывается из максимумов, 1139 eV, размер кластера составлял 303030. Однаориентированных вдоль плотноупакованных направле- ко, несмотря на достаточно хорошее согласие подобных ний кристалла. Такая специфика дифракционных картин расчетов с экспериментом, роль эффекта фокусировки позволяет достаточно просто интерпретировать их и электронов в формировании Кикучи-полос осталась неполучать информацию об исследуемом объекте в ре- раскрытой. Между тем детальное понимание механизальном пространстве. Кроме того, обычно наблюдаются ма возникновения Кикучи-подобных особенностей стало полосы повышенной интенсивности, ориентированные особенно актуальным в связи с большим прогрессом в вдоль проекций наиболее плотноупакованных атомных увеличении углового разрешения дифракции фотоэлекплоскостей. При этом у кристаллов легких элементов тронов, достигнутым в последние годы [2,12,13].

такие полосы контрастны и имеют резкие границы.

Целью настоящей работы и было исследование мехаМаксимумы вдоль межатомных направлений обычно низма формирования Кикучи-полос. Для этого дифракцисвязывают с эффектом фокусировки электронов в крионные картины монокристалла кремния, полученные во сталлах [1–3]. Менее ясен механизм формирования всей области углов вылета, примыкающей к проекции полос повышенной интенсивности, которые в дифракплоскостей (110), вдоль которой наблюдаются наиболее ционных картинах отраженных электронов традициончеткие Кикучи-полосы, были сопоставлены с результано называют Кикучи-полосами, а в дифракции фото- и тами модельных расчетов, выполненных в приближении Оже-электронов — Кикучи-подобными или брэгговскиоднократного рассеяния для кластеров разных размеров ми особенностями. На раннем этапе исследований, когда и разной формы.

еще не стоял вопрос об использовании этих картин в структурном анализе поверхности, Кикучи-полосы рас1. Техника эксперимента сматривались с позиций динамической теории дифракции электронов [7]. При этом, как правило, расче- и результаты измерений ты проводились в простейшем двухволновом приближении, позволившем объяснить наблюдаемый профиль При регистрации дифракционных картин использоваКикучи-полос и их ширину, равную удвоенному углу лась методика, описанная в работе [14]. Эксперименты Брэгга. проводились в условиях сверхвысокого вакуума на образВ более поздних работах [8–12], в которых акцент цах с атомно-чистой поверхностью, контроль состояния сместился на эффект фокусировки электронов и числен- которой проводился методами дифракции медленных ное моделирование картин в кластерном приближении электронов и Оже-спектроскопии. Объектами измерений 412 М.В. Гомоюнова, И.И. Пронин, Н.С. Фараджев, Д.А. Валдайцев Рис. 1. a, c — картины дифракции квазиупругорассеянных электронов, измеренные при энергии 2 keV для монокристаллов Si(100) и Mo(100) соответственно, b — границы Кикучи-полос в дифракционной картине кремния, d — расчетная дифракционная картина кремния, полученная в приближении плоских волн кластерной модели однократного рассеяния для кластера из 8125 атомов.

служили монокристаллы Si(111) и Si(100), процедура круга соответствует вылету электронов вдоль нормали подготовки которых приведена в работах [11,15]. Для к поверхности, а его края — эмиссии электронов под получения искомых картин дифракции некогерентно рас- скользящим углом к ней. Интенсивность разных точек сеянных первичных электронов измерялись зависимости картины показана с помощью линейной шкалы оттенков интенсивности пика упругого отражения электронов от серого цвета, в которой максимальному отражению сополярного и азимутального углов их вылета. Как по- ответствует белый цвет, а минимальному — черный.

казано в [14], такие картины при энергиях электронов Наблюдаемая картина обладает четкой четырехкратвыше примерно 1 keV практически полностью опреде- ной симметрией, свойственной данной грани кубическоляются дифракцией электронов, испытавших неупругое го кристалла кремния. Подробный анализ ее дифракцирассеяние с участием фононов. Заметим также, что онной структуры дан в [15]. Здесь мы лишь отметим, именно при регистрации данного пика обеспечивается что в ней хорошо видны Кикучи-полосы, ориентированнаибольшая чувствительность дифракционных картин к ные вдоль наиболее плотноупакованных для кремния структуре поверхности исследуемого объекта, поскольку атомных плоскостей {110}, две из которых перпендиквазиупругорассеянные электроны обладают наимень- кулярны поверхности и проходят через центр картины.

шей глубиной выхода по сравнению с другими группами Для лучшего их выявления мы впервые представили отраженных электронов. здесь полную дифракционную картину грани Si(100), Типичная картина дифракции квазиупругорассеянных полученную для всей полусферы отражения. Это удаэлектронов представлена на рис. 1, a. Она получена для лось сделать, несмотря на то, что первичные данные монокристалла Si(100) при энергии электронов, равной эксперимента имели небольшую мертвую зону вблизи 2 keV, когда в эксперименте особенно наглядно проявля- нормали к поверхности. Поскольку именно эта часть ются исследуемые особенности. Картина показана в виде картины особенно важна для сопоставления расчетов с двумерной карты распределения интенсивности отраже- экспериментом, мы восполнили ее с помощью данных, ния электронов по полярному и азимутальному углам полученных в тех же условиях для другой грани кремвылета и дана в стереографической проекции. Центр ния — Si(111).

Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. Формирование Кикучи-полос в дифракционных картинах электронов средней энергии Характерной особенностью рассматриваемых Кикучи- моделировании рассматриваемой дифракционной карти полос является наличие резких границ, показанных ли- ны использовалось значение, равное 18 A. Полная ниями на рис. 1, b. Их положение совпадает с углом сходимость результата при таком выборе параметра заБрэгга для данной системы плоскостей. Следует подчерк- тухания достигается лишь для кластеров очень больших нуть, что такие резкие границы типичны для кристаллов размеров, состоящих более чем из десяти тысяч атомов, легких элементов и слабо выражены в случае более и в этом случае требуются длительные расчеты (порядка тяжелых. В качестве иллюстрации этой закономерности 100 часов с использованием Pentium-166). Между тем на рис. 1, c приведена аналогичная дифракционная кар- почти все характерные особенности наблюдаемой картитина, полученная в тех же экспериментальных условиях ны воспроизводятся расчетами, использующими кластедля монокристалла Mo(100), атомный номер которого в ры лишь из нескольких сотен атомов [18], и дальнейшее 3 раза превышает таковой для кремния. Действительно, увеличение их числа меняет ее незначительно. Поэтому Кикучи-полосы, наблюдаемые вдоль проекций плоско- при моделировании, проводимом в целях структурного стей (110) молибдена (которые также являются наибо- анализа приповерхностных слоев, оптимальными являлее плотноупакованными плоскостями данного кристал- ются кластеры, состоящие из одной-двух тысяч атомов.

ла), характеризуются большими перепадами интенсив- Данные таких расчетов для Si(100) и приведены в [15].

ности вдоль полос и воспринимаются как совокупность Однако для полного воспроизведения Кикучи-полос этоотдельных максимумов фокусировки, лежащих в данной го недостаточно, поскольку они продолжают усиливаться плоскости. Заметим, что различия в структуре Кикучи- и при дальнейшем увеличении размеров кластера. Поэтополос легких и тяжелых элементов, существенные в ис- му в настоящей работе моделирование дифракционной следуемом энергетическом диапазоне, становятся почти картины, показанной на рис. 1, a, было проведено для незаметными при более высоких энергиях электронов кластера, состоящего из 8125 атомов (54 54 45 ).

(десятки keV) [16].

Полученные результаты иллюстрируются рис. 1, d, где они представлены в том же виде, что и данные измерений. Общий вид расчетной картины и величина 2. Компьютерное моделирование R-фактора, количественно оценивающего ее отклонение Кикучи-полос от наблюдаемой картины [11], действительно мало изменились по сравнению с данными работы [15]. ОдДля выяснения механизма формирования Кикучинако контрастность Кикучи-полос несколько возросла, полос в дифракционной картине монокристаллического что приблизило результаты расчетов к эксперименту.

кремния была проведена серия модельных расчетов. При Сопоставление данных рис. 1, a и d наглядно демонстриэтом использовалась кластерная модель однократного рует адекватность описания Кикучи-полос кластерной рассеяния [14], основные моменты которой кратко измоделью однократного рассеяния, но не раскрывает меложены далее.

ханизма их возникновения. Для получения информации, 1) Кластерная модель однократного расспособной ответить на этот вопрос, моделирование рассеяния и дифракционная картина Si (100).

сматриваемых полос было проведено с использованием Приповерхностный слой образца, рассеивающий падаюкластеров разных размеров и форм. Исходным при этом щие на него электроны, аппроксимировался кластером, был выбран двумерный кластер, аппроксимирующий одирасположение атомов в котором соответствовало объночные перпендикулярные поверхности кристалла плосемной кристаллической структуре кремния. Поскольку кости (110), вдоль которых собственно и возникают процесс квазиупругого рассеяния электронов на больКикучи-полосы.

шие углы локализован вблизи узлов решетки, атомы кластера рассматривались как источники расходящихся электронных волн. Далее учитывались однократное упругое рассеяние каждой из этих волн другими атомами кластера и интерференция исходной и рассеянных волн.

На последнем этапе расчета проводилось суммирование дифракционных картин от отдельных источников, которые рассматривались как некогерентные.

Поглощение электронов в кристалле описывалось простым экспоненциальным затуханием, характеризуемым эффективным параметром. При этом в соответствии с [3] наилучшее согласие расчетов с экспериментом достигалось при использовании значений 0.70, где 0 — длина среднего свободного пробега электрона до неупругого рассеяния, рассчитывавшаяся по формулам, Рис. 2. a — элементарная ячейка плоскости (110) решетки приведенным в [17]. Для кремния при энергии 2 keV кремния, b — кластер из 23 атомов (42 ячеек), более темным значение 0 составляет примерно 26. Поэтому при тоном выделены атомы, испускающие электроны.

Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 414 М.В. Гомоюнова, И.И. Пронин, Н.С. Фараджев, Д.А. Валдайцев Рис. 3. Участки расчетных дифракционных картин кремния в окрестности плоскости (110), где возникает Кикучи-полоса.

Моделирование проводилось для двумерных кластеров увеличивающихся размеров: a —21 ячейки плоскости (110), содержащие восемь атомов, b —4 2 ячейки с 23 атомами, c —8 4 (77 атомов), d —16 8 (279 атомов).

2) Фокусировка электронов одиночными рассеяния электронов, роль которых из-за удлинения плоскостями. Атомное строение плоскости (110) атомных цепочек должна усиливаться при увеличении показано на рис. 2, a, где приведена ее элементарная линейных размеров плоскости, также приводит к уменьячейка. Расчеты проводились для кластеров, построен- шению угловых размеров максимумов фокусировки.

ных из разного числа таких ячеек, начиная с двух и Таким образом, из приведенных данных следует, что кончая плоскостью, состоящей из 2810 ячеек (599 ато- Кикучи-полоса, наблюдаемая вдоль плоскостей (110), мов). При этом источниками электронов служили атомы возникает вследствие наложения многочисленных максицентральной цепочки и их ближайшие соседи (рис. 2, b). мумов фокусировки электронов, обусловленных их расРезультаты моделирования иллюстрируются рис. 3. сеянием на атомах данной плоскости. При этом сплошПоскольку из-за двумерности кластера дифракционная ная полоса формируется лишь тогда, когда плоскость картина возникает лишь в ограниченной области телес- состоит из достаточно большого числа рассеивающих ных углов вылета электронов, непосредственно примы- атомов.

кающей к рассеивающей плоскости, только эта область Вывод о решающей роли рассеяния электронов одиуглов и представлена на рисунке. Для наименьшего из ночными плоскостями в формировании Кикучи-полос кластеров (рис. 3, a) рассматриваемая полоса состоит подтверждается результатами более ранней работы [19].

Pages:     || 2 |



© 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.