WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 1997, том 39, № 4 Роль фокусировки электронов в формировании Кикучи-картин монокристалла кремния © И.И. Пронин, Н.С. Фараджев, М.В. Гомоюнова Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Поступила в Редакцию 21 октября 1996 г.) Исследованы Кикучи-картины, возникающие при квазиупругом отражении электронов с энергией 0.6-2 keV от тонкого приповерхностного слоя монокристалла Si (111) 77. Показано, что для кремния, как и для металлов, результаты эксперимента вполне удовлетворительно описываются расчетами, выполненными в кластерном приближении однократного рассеяния, а также в модели, феноменологически учитывающей фокусировку отраженных электронов при их выходе из кристалла. Тем самым продемонстрировано, что при энергии E = 2 keV эффект фокусировки (forward-focusing) играет основную роль в формировании Кикучи-картин, что позволяет их использовать для визуализации атомной структуры поверхности. Для наиболее плотноупакованных направлений кристалла установлены зависимости эффективности фокусировки от параметров атомных цепочек, вдоль которых распространяются электроны.

Дифракционные картины, наблюдаемые при отраже- Для этого материала в работе получены и проанализинии электронов от кристаллов, на протяжении многих рованы Кикучи-картины, формируемые квазиупругораслет успешно используются в физике поверхности, явля- сеянными электронами (КУРЭ), испытывающими при отражении неупругое взаимодействие лишь с фононами.

ясь одним из основных источников знаний о специфике Такие дифракционные картины, не содержащие вклада атомного строения границы твердого тела. При этом наибольшее распространение получили методы дифрак- электронов непрерывного спектра, наиболее просты в интерпретации и наиболее чувствительны к строению ции медленных и быстрых электронов. Электроны же приповерхностной области кристалла. Результаты изсредних энергий (E 1keV) вплоть до последних лет мерений, выполненных с высоким угловым разрешедля структурного анализа поверхности практически не нием практически для всей полусферы отражения, соприменялись. Однако недавно появились убедительные поставлены с модельными расчетами, базирующимися свидетельства того, что дифракционные картины неупруна эффекте фокусировки отраженных электронов. При го отраженных электронов средней энергии (Кикучиэтом обнаружено удовлетворительное согласие теории и картины) также весьма информативны, и их использоэксперимента. Данные, полученные при разных энергиях вание может обеспечить ряд важных преимуществ по электронов, использованы для выявления закономерсравнению с другими методами [1–7]. Действительно, ностей самого процесса фокусировки. С их помощью при энергии 2 keV для монокристаллов металлов наблюопределены зависимости эффективности фокусировки от дались отчетливые максимумы картин, ориентированные числа рассеивающих атомов в цепочках и от величины вдоль направлений межатомных связей, отображающие межатомного расстояния, знание которых необходимо взаимное положение атомов объекта в реальном продля корректного использования Кикучи-картин в струкстранстве [4–9]. Причем именно эти максимумы, наиботурном анализе поверхности. В целом же результаты лее естественно объясняемые фокусировкой электронов для кремния оказались во многом сходными с данными, (forward-focusing), движущихся вдоль соответствующих полученными для монокристаллов металлов, что свицепочек, доминируют в пространственных распределенидетельствует о достаточной общности рассмотренного ях. Эта особенность Кикучи-картин металлов предельно механизма формирования Кикучи-картин.

упрощает анализ данных эксперимента и фактически создает базу для развития нового метода визуализации кристаллической структуры поверхности. Поэтому край1. Техника эксперимента не важно установить, является ли фокусировка электронов универсальным механизмом формирования КикучиИсследования проводились с помощью оригинальной картин при средних энергиях и в какой мере характер сверхвысоковакуумной установки, описанной в [10]. Рекартин зависит от рассеивающих свойств атомов исслегистрация Кикучи-картин осуществлялась подвижным дуемого образца. Для выяснения этих вопросов необ- электростатическим энергоанализатором с узкой входходимы систематические исследования дифракционных ной апертурой в условиях нормального падения перкартин для материалов с разными физико-химическими вичного пучка электронов на поверхность кристалла.

свойствами. В настоящей работе такое исследование В качестве детектора отраженных электронов испольвпервые проведено для монокристалла полупроводни- зовался канальный электронный умножитель. Энергека — Si (111), традиционно считающегося одним из тическое разрешение спектрометра составляло 0.4 %, а модельных объектов в физике поверхности. угловое разрешение — 1. В процесс измерений для Роль фокусировки электронов в формировании Кикучи-картин монокристалла кремния каждого направления регистрации электронов определялась интенсивность пика упругого отражения. Хотя при этом наряду с КУРЭ детектировались электроны, испытывающие упругое (брэгговское) рассеяние на периодическом потенциале кристаллической решетки, доля последних в измеряемом сигнале была незначительной (при E > 1keV), и существенного влияния на изучаемые картины эта группа электронов не оказывала. Амплитуда пика упругого отражения измерялась методом модуляции тока первичных электронов. Сбор данных проводился автоматически с помощью системы регистрации, управляемой персональным компьютером.

Пространственные распределения электронов измерялись в широком диапазоне углов вылета: = 18-86, = 0-360 с шагом 1 по обоим параметрам. При этом азимут менялся вращением кристалла вокруг оси, перпендикулярной его поверхности, а полярный Рис. 1. Распределение квазиупругорассеянных электронов с угол — вращением анализатора вокруг оси, лежащей энергией 2 keV по азимутальному углу вылета для полярных в плоскости поверхности образца. Энергия первичных углов регистрации, равных 35 (1), 55 (2) и 71 (3).

электронов варьировалась в диапазоне 0.6-2keV.

Исследуемые образцы вырезались из монокристаллических пластин КЭФ-1 и имели линейный разВесь комплекс экспериментальных данных, полученмер 22.0 14.0 0.25 mm. Точность выведения грани ных при E = 2 keV, представлен на рис. 2, a в виде Si (111) контролировалась дифракцией быстрых электродвумерной карты распределения интенсивности КУРЭ нов и составляла 8 угловых минут. Очистка образцов по полярному и азимутальному углам вылета. Она перед загрузкой в вакуумную камеру проводилась по изображена в линейной шкале серых оттенков, покаметоду Шираки. Для получения атомарно-чистой поверхзанной справа, и дана в стереографической проекции.

ности кристалл кратковременно прогревался в вакууме При этом различные градации серого цвета отражают до температуры 1200C. При этом элементный состав изменение интенсивности отражения от минимального поверхности определялся методом электронной Ожезначения (черные участки карты) до максимального (беспектроскопии. После очистки содержание примесей не лые). Обратному рассеянию электронов вдоль нормали превышало 10 % монослоя. Атомная структура поверхк поверхности образца соответствует центр карты, а двиности кремния контролировалась методом дифракции жению электронов вдоль поверхности — внешняя окружмедленных электронов. Описанная процедура позволяность. Для устранения влияния изменения светосилы ла получить кристалл со стандартной реконструированспектрометра с полярным углом регистрации электроной поверхностью типа 7 7. Последующие измеренов была проведена стандартная процедура нормировки ния проводились при комнатной температуре в вакукаждого азимутального скана на среднее значение его уме 5 · 10-10 Torr.

интенсивности [7].

Полученная таким образом двумерная карта I(, ) 2. Кикучи-картина демонстрирует богатую дифракционную структуру и достаточно контрастную Кикучи-картину, в пределах котоквазиупругорассеянных электронов рой интенсивность квазиупругого рассеяния варьируется от 0.67 до 1.86. Симметрия этой картины полностью На рис. 1 представлены типичные распределения I() соответствует симметрии грани Si (111). Это хорошо интенсивности КУРЭ по азимутальному углу вылета, видно из рис. 2, b, на котором для грани (111) крииллюстрирующие первичные экспериментальные данные сталла кубической сингонии в той же проекции указаны при энергии 2 keV. Немонотонность этих зависимостей является следствием упорядоченности строения припо- низкоиндицированные направления и плоскости (110).

верхностного слоя образца, поскольку для аморфных и Действительно, наиболее светлые участки картины сополикристаллических тел азимутальные распределения впадают с проекциями направлений 110, 100 и 111.

бесструктурны. В данном же случае на всех кривых Кроме того, отчетливо видны светлые Кикучи-полосы имеются отчетливые максимумы, которые с небольшими вдоль проекций плоскостей (110), являющихся наибоотклонениями от идеальности повторяются через 120 лее плотноупакованными в кристаллической решетке (например, при = 90, 210 и 330). Помимо этого кремния. В пределах этих полос интенсивность отрараспределения обнаруживают зеркальную симметрию жения электронов претерпевает весьма значительные относительно плоскости = 150, совпадающей с плос- изменения, усиливаясь в областях пересечения полос, костью (110) кристалла. соответствующих указанным выше плотноупакованным 11 Физика твердого тела, 1997, том 39, № 754 И.И. Пронин, Н.С. Фараджев, М.В. Гомоюнова при выходе электронов из кристалла. Эффект вызывается интерференцией испускаемой источником сферической волны и волн, возникающих при ее рассеянии на окружающих атомах [12]. Поскольку при рассматриваемых энергиях угловая диаграмма электрон-атомного рассеяния сильно вытянута вперед, результатом фокусировки является концентрирование эмиттируемых электронов в направлениях, связывающих источники с ближайшими атомами кристалла.

В первой модели описание фокусировки проводилось с учетом лишь процессов однократного рассеяния электронов в приближении плоских волн. При этом необходимые значения амплитуд рассеяния и фазовых сдвигов были получены экстраполяцией данных Финка [13,14].

Вычисления были проведены для всего диапазона углов регистрации с шагом в 1. Для каждого направления интенсивность Кикучи-картины определялась суммированием вкладов от отдельных некогерентных источников, локализованных в различных узлах кристаллической решетки. Реальный кристалл Si (111) моделировался кластером, расположение атомов в котором соответРис. 2. a) Кикучи-картина монокристалла Si (111), создаваствовало объемной кристаллической структуре кремния емая квазиупругорассеянными электронами с энергией 2 keV, (реконструкция поверхности образца, не оказывающая представленная в стереографической проекции. b) Низкоинсильного влияния на общий вид дифракционной картины, дицированные направления и плоскости (110) грани (111) в данных расчетах не учитывалась). Для получения кубического кристалла. c) Расчетная Кикучи-картина Si (111), полученная в приближении плоских волн кластерной модели достаточной сходимости результатов оказалось неободнократного рассеяния. d) Расчетная картина, полученная в ходимым использовать сравнительно большой кластер.

кластерной модели, феноменологически описывающей фокусиПриводимые результаты относятся к кластеру, состояровку электронов.

щему из 1917 атомов, равномерно распределенных по девяти монослоям, параллельным поверхности. С учетом идентичности локального окружения атомов в решетке кремния лишь один из атомов, находящийся в ценнаправлениям. Приведенные данные хорошо согласуюттре каждого слоя кластера, рассматривался в качестве ся с нашими прежними результатами по молибдену [7,8] и вольфраму [9], полученными в идентичных экспери- ”внутреннего” источника электронной волны, остальные ментальных условиях. Особенностью же картины крем- же — лишь как рассеиватели.

ния является сильная выраженность хорошо видимых Результат моделирования показан на рис. 2, c. Прина рис. 2, a дефицитных Кикучи-линий, окаймляющих с чем для удобства его сопоставления с экспериментом обеих сторон каждую Кикучи-полосу.

использована та же форма представления данных, что и на рис. 2, a. Как видно из рисунка, несмотря на сравнительную простоту расчетов, они довольно хоро3. Моделирование Кикучи-картин шо описывают наблюдаемую Кикучи-картину. Численное моделирование картины воспроизводит не только максиДля выяснения роли фокусировки в формировании мумы, вызванные фокусировкой электронов вдоль главрассмотренной дифракционной картины данные рис. 2, a ных атомных цепочек кристалла, но и Кикучи-полосы, были сопоставлены с результатами численных расчетов, складывающиеся из многочисленных интерференционоснованных на данном эффекте. При этом использоных максимумов нулевого порядка. Видно также, что клавались две кластерные модели, подробно описанные стерное приближение однократного рассеяния способно в [7]. Обе они исходят из того, что на первой стаправильно описать и дефицитные Кикучи-линии.

дии процесса вблизи узлов кристаллической решетки Говоря о расхождениях теории и эксперимента, следупроисходит неупругое диффузное рассеяние первичных ет прежде всего отметить излишне высокую анизотроэлектронов (возникают ”внутренние” источники КУРЭ).

пию расчетной Кикучи-картины. Так, ее интенсивность Вероятность их возбуждения полагалась затухающей достигает 3.74, что заметно выше наблюдаемого значес глубиной залегания z по экспоненциальному закону ния, равного 1.86. В структурном анализе поверхноexp(-z/), где — средняя длина свободного пробега электронов до неупругого рассеяния, определявшаяся сти для количественного сопоставления теории и экссогласно [11]. Далее рассматривалась фокусировка элек- перимента широко используются факторы надежности.

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.