WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 12 03;11 Адсорбционные и электронные свойства тонких пленок никеля на поверхности грани (110) кристалла вольфрама 2 © Т.Т. Магкоев,1 М. Сонг,2 Т. Магомэ,2 Й. Мурата 1 Северо-Осетинский государственный университет им. К.Л. Хетагурова, 362020 Владикавказ, Россия 2 The Institute for Solid State Physics, The University of Tokyo, 7-22-1, Roppongi, Minato-ku, Tokyo 106, Japan e-mail: magkoev@osetia.ru (Поступило в Редакцию 23 марта 2004 г.) В условиях сверхвысокого вакуума методами отражательной инфракрасной абсорбционной спектроскопии (ИКС) и ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопии (УФЭС) исследованы изменения свойств упорядоченных пленок Ni на поверхности кристалла W (110) при увеличении их толщины от одного до трех моноатомных слоев. Структура пленок соответствует структуре грани (111) кристалла Ni. Метод ИКС применен для исследования колебательных свойств тестовых молекул NO, адсорбированных на поверхности формируемых пленок Ni. В процессе роста толщины пленки происходит весьма заметное видоизменение колебательных и фотоэмиссионных спектров, что указывает на изменение адсорбционных и электронных свойств пленки при увеличении ее толщины от одного до трех моноатомных слоев. Стабилизация ИК и фотоэлектронных спектров при толщине пленки, соответствующей трем моноатомным слоям, позволяет предположить, что завершение формирования основных адсорбционных и электронных свойств пленки происходит при этой толщине пленки. Наряду с этим молекулы NO, адсорбированные на моноатомной пленке, проявляют колебательные особенности, характерные при адсорбции на поверхности массивного кристалла W [110].

Изучение адсорбции и процессов формирования пле- и ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопии нок металлов на поверхности твердых тел в течение (УФЭС) с использованием синхротронного излучения.

многих лет представляет повышенный интерес как с Выбор метода ИКС для исследования электронных и адсорбционных свойств пленок металлов на поверхности фундаментальной, так и с прикладной точки зрения [1].

Несмотря на многочисленные исследования, многие во- металлических подложек обусловлен тем, что свойства ряда молекул (например, NO и CO), адсорбированных просы остаются открытыми [1]. К ним можно отнести на поверхности исследуемых подложек, определяются вопрос о том, при какой толщине металлической пленки электронными свойствами этих подложек [7,8]. Одним из ее свойства близки к свойствам массивного металла.

параметров адсорбированной молекулы, наиболее чувС одной стороны, считается, что уже моноатомная ствительным к состоянию подложки, является частота пленка металла на поверхности металлической подложвнутримолекулярных колебаний, которая определяется ки обладает основными адсорбционными и электронперераспределением электронной плотности между моными свойствами, присущими массивному металлу, с лекулярными орбиталями адсорбата и состояниями поддругой стороны, преобладает точка зрения, что для ложки при хемосорбции [8]. В настоящей работе в качеэтого необходимо достижение по крайней мере десятков стве тестовых молекул, изучая свойства которых, можно монослоев [1–3].

было бы получать информацию о состоянии формируеВ настоящей работе приведены результаты исслемых пленок Ni на поверхности W (110), использованы дования закономерностей формирования электронных молекулы оксида азота (NO). Ряд ранее выполненных свойств пленок никеля в процессах их роста на поисследований показал, что эти молекулы чрезвычайно верхности кристалла W (110) методами инфракрасной и чувствительны к состоянию металлических подложек, на ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопии. Выкоторых они адсорбированы [9]. В работе использован бор данной системы обусловлен возможностью формиИК спектрометр фирмы Nicolet (Nexus 870), монохромарования резкой межфазной границы раздела Ni/W (110) торная и детекторная части которого размещены относив сплошных хорошо упорядоченных пленках никеля, тельно образца таким образом, чтобы обеспечить скольначиная с субмонослойной области покрытий [4–6].

зящее падение ИК луча на исследуемый образец (угол падения 85). Именно при такой геометрии хода лучей Методы исследований наблюдается максимальная эффективность метода ИКС при исследовании систем рассматриваемого типа, т. е.

Исследование проводилось в условиях сверхвысо- молекулы на поверхности отражающих металлических кого вакуума (P = 10-10 Torr) методами отражатель- подложек [10]. Измерения методом УФЭС проведены в ной инфракрасной абсорбционной спектроскопии (ИКС) синхротронной лаборатории Института физики твердого Адсорбционные и электронные свойства тонких пленок никеля... тела университета Токио. В качестве энергоанализатора электронов использован анализатор типа цилиндрического зеркала с двойной фокусировкой. Угол между падающим лучом и нормалью к поверхности образца и оси анализатора составлял 50 и 90 соответственно.

В качестве дополнительных методов исследования использованы методы дифракции медленных электронов и оже-спектроскопии.

Для очистки поверхности W (110) использованы стандартные процедуры отжига в атмосфере кислорода и последующих высокотемпературных вспышек. Формирование пленок Ni на W (110) осуществлялось термическим напылением. Для сопоставления свойств формируемых пленок Ni и массивного кристалла в камеру был установлен массивный кристалл Ni (111). Адсорбция Рис. 1. ИК спектры поглощения A() молекул NO, адсормолекул NO на поверхности пленок никеля осущебированных на поверхности пленок Ni на W (110) толщиствлялась при температуре подложки 110 K. Более поной 1 (1–4), 2 (5) и 3 (6) монослоя и массивного кристалдробно методы исследований, процедура формирования ла Ni (111) (7). Температура подложки при адсорбции NO пленок Ni и условия проведения экспериментов описаны составляет 110 K. Экспозиция NO, при которой происходит ранее [11–13].

насыщение, составляет 3 L.

Результаты и их обсуждение с ростом покрытия NO смещается в сторону больших К настоящему времени структура пленок никеля на волновых чисел до значения 1587 cm-1 при насыщении.

поверхности W (110) изучена достаточно подробно [4–6].

Считается, что эта линия обусловлена внутримолекулярСплошная пленка имеет гексагональную симметрию, ным колебанием NO, адсорбированной по мостиковой характерную для грани Ni (111). При монослойном посхеме, а рост волнового числа с покрытием — измекрытии (Ni = 1ML) наблюдается искажение структуры нением геометрии адсорбции молекулы от наклонного вследствие некоторого несоответствия кристаллографиположения при малых покрытиях до перпендикулярного ческих параметров. С ростом толщины до 5 монослоев поверхности при насыщении [15]. На рис. 1 также привепленка приобретает недеформированную структуру, соден спектр NOна кристалле Ni (111) при насыщающем ответствующую поверхности кристалла Ni (111). Всвязи покрытии (7) ( = 1589 cm-1). Сопоставляя этот спектр с этим представлялось целесообразным сравнить по- со спектром NO на моноатомной пленке, можно заклюведение адсорбированных молекул NO на поверхности чить, что на моноатомной пленке в отличие от кристалла пленки и массивного кристалла Ni.

Ni (111) существует не один, а два типа адсорбироНа рис. 1 приведены ИК спектры поглощения для ванных молекул NO, имеющих разные частоты внутрисистемы No/Ni/W (110) для пленок никеля ориента- молекулярных колебаний: 1507 и 1574 cm-1. Близость цией (111) толщиной в 1, 2 и 3 монослоя. Спек- последнего значения к значению NO на кристалле тры 1-4 соответствуют адсорбции на моноатомной (1589 cm-1) позволяет предположить, что на поверхнопленке при разных экспозициях NO. При экспозиции сти моноатомной пленки формируются адсорбционные в 0.6L (1L = 10-6 Torr · s) наблюдаются две линии по- центры, близкие по геометрическому и электронному глощения при волновых числах () 1433 и 1534 cm-1.

строению тем, которые имеют место на поверхности С увеличением концентрации NO обе линии смеща- массивного Ni (111). В то же время некоторое различие ются в сторону больших значений волновых чисел в частотах NO ( = 15 cm-1), главным образом налис одновременным их сближением друг к другу. При чие дополнительной линии в спектре 4 ( = 1507 cm-1), насыщающем покрытии (экспозиция 3L) спектр состоит указывает на то, что свойства моноатомной пленки Ni из двух разных по интенсивности линий поглощения при со структурой (111) на поверхности W (110) не совсем 1507 и 1574 cm-1. С ростом экспозиции NO спектр не идентичны свойствам кристалла Ni (111). При адсорбпретерпевает заметных изменений. Отсутствие в спектре ции NO на пленке Ni в два монослоя низкочастотлиний поглощения в области 1880 cm-1, обычно при- ная линия уже не наблюдается, а более интенсивная писываемых диссоциации молекул NO [14], позволяет линия поглощения смещается от 1574 до 1580 cm-сделать вывод, что монослойная пленка Ni подавляет с одновременным ее уширением (рис. 1, кривая 5).

способность поверхности W (110) разлагать молекулы По-видимому, следует предположить, что расстояние NO. Спектры NO на моноатомной пленке отличаются от между линиями, первоначально расположенными при спектров, наблюдаемых при адсорбции NO на поверхно- 1507 и 1574 cm-1 (рис. 1, кривая 4), уменьшается при сти массивного кристалла Ni (111). В последнем случае адсорбции NO на пленке Ni толщиной в два монослоя наблюдается только одна линия поглощения, которая и суперпозиция этих линий приводит к указанному 6 Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 82 Т.Т. Магкоев, М. Сонг, Т. Магомэ, Й. Мурата уширению (рис. 1, кривая 5). При увеличении толщины пленки Ni до трех монослоев линия поглощения сужается и смещается до 1586 cm-1 (рис. 1, кривая 6).

Хорошее соответствие формы и положения этой линии с наблюдаемой при адсорбции NO на поверхности кристалла (кривые 6 и 7) позволяют предположить, что адсорбционные свойства пленки Ni с ориентацией (111) толщиной в три монослоя практически эквивалентны свойствам массивного Ni (111). Видоизменение спектров поглощения (кривые 4–6) с ростом толщины пленки Ni может быть обусловлено изменением влияния подложки W (110) на величину внутримолекулярной связи NO и изменением структуры пленки Ni с увеличением ее толщины. Несмотря на то что при 1, 2 и 3 монослоях наблюдается дифракционная картина, соответствующая грани Ni (111), из-за некоторого несоответствия кристаллографических направлений и постоянных решеток W (110) и Ni (111), при монослойном покрытии имеет место, хотя и незначительное ( 7%), искажение структуры (111) по сравнению с поверхностью Ni (111) [4–6]. Подобное искажение сверхструктуры пленки при монослойном покрытии происходит вследствие того, что возможно формирование доменов с ориентацией Ni (111), образованных при адсорбции атомов в трехкратных дырочных центрах адсорбции. При этом структура пленки может быть представлена в виде суперпозиции (111)-структур двух типов, образованных вследствие заполнения тетраэдрических и октаэдрических пустот. В области соприкосновения указанных двух типов сверхструктур происходит искажение ориентации, характерной для Ni (111).

При заполнении последующих монослоев эти искажения Рис. 2. a — спектры УФЭС системы Ni/W (110) при разных уменьшаются. В связи с этим можно предположить, покрытиях Ni, фотоэлектроны зарегистрированы в нормальном что низкоэнергетический пик, соответствующий NO поверхности направлении; b — сопоставление спектров вблизи на поверхности монослойной пленки Ni (1507 cm-1), уровня Ферми при толщине пленок никеля, соответствующей обусловлен молекулами NO, адсорбированными на гра- одному и двум моноатомным слоям.

ницах раздела доменов. С ростом толщины пленки интенсивность этой линии поглощения уменьшается в соответствии с тем, что структура пленки приобретает измерения спектров УФЭС для системы Ni/W (110).

вид, характерный для недеформированной грани (111).

Соответствующие спектры приведены на рис. 2, a.

Такое объяснение находится в соответствии с обнаВидно, что уже при субмонослойном покрытии Ni руженным относительно недавно фактом уменьшения (0.5 ML) кардинально меняется энергетическое распремеханических напряжений в пленке Ni на поверхноделение фотоэлектронов W (110). Основной особенности W (110) при толщине, превышающей монослойное стью является появление довольно интенсивной линии покрытие [16]. Кроме того, практически полная релаксапри 0.7 eV. Подобная линия обусловлена локализованция напряжений при толщине пленки, соответствующей ным d-состоянием Ni [17]. Кроме этого, наблюдается трем моноатомным слоям [16], находится в хорошем сдвиг в энергии фотоэмиссионной линии W при энерсоответствии с наблюдаемым фактом стабилизации когии 1.8 eV на 0.2 eV в сторону меньших энергий связи.

лебательных свойств адсорбированных молекул NO при Такое поведение является свидетельством существенноэтом покрытии. Другое, хотя и менее явное различие го перераспределения электронной плотности при обв спектрах NO на поверхности пленок Ni из 1 и разовании хемосорбционной связи Ni–W (110). Об этом монослоев заключается в том, что волновое число домисвидетельствует и появление новой особенности вблизи нирующей линии поглощения в первом случае меньше уровня Ферми при энергии 0.15 eV, которая достигает на величину 12 cm-1. Это указывает на несколько разное наибольшей интенсивности при моноатомном покрытии, электронное состояние адсорбированных молекул в этих существенно ослабевает при 2 ML и практически полнодвух случаях. Очевидно, что такое различие связано стью исчезает при 3 ML. Максимальная интенсивность с разным электронным состоянием пленок Ni разной этой линии, достигаемая при 1 ML, указывает на то, что толщины.

Для того чтобы проследить, как изменяется это со- она обусловлена свойствами именно самой межфазной стояние с ростом толщины пленки, были проведены границы Ni/W (110). С такой интерпретацией корреЖурнал технической физики, 2004, том 74, вып. Адсорбционные и электронные свойства тонких пленок никеля... лирует и поведение интенсивности линии при 1.6 eV, обусловленной формированием адсорбционной связи, интенсивность которой также уменьшается с ростом покрытия выше 1 ML. Резкий спад интенсивности линии вблизи уровня Ферми при увеличении толщины пленки от 1 до 2 моноатомных слоев свидетельствует о том, что свойства межфазной границы при таком переходе претерпевают заметные изменения. Очевидно, это сказывается и на том, что электронные свойства атомов Ni в первом и втором атомной слое также различаются, что и находит свое отражение в различии фотоэмиссионных Рис. 3. Схема влияния заполненности валентной зоны Ni на спектров при 1 и 2 ML.

эффективность взаимодействия в системе NO/подложка.

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.