WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 8 01;05;11 Адсорбция щелочных металлов на поверхности (100) кремния:

расчет заряда адатомов и работы выхода 2 © С.Ю. Давыдов,1 А.В. Павлык 1 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия 2 Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет (ЛЭТИ), 197376 Санкт-Петербург, Россия e-mail: apavlyk@rol.ru (Поступило в Редакцию 30 января 2004 г.) В рамках модели, учитывающей диполь-дипольное отталкивание адатомов и металлизацию адсорбированного слоя, проведен расчет заряда адатомов и изменения работы выхода при нанесении на поверхности (100) кремния субмонослойных пленок щелочных металлов. Достигнуто хорошее согласие с данными эксперимента. Проанализировано изменение параметров модели в ряду Li Cs.

1. Основными макроскопическими характеристиками ции на металлических подложках модель Андерсона– адсорбционной системы являются работа выхода и Ньюнса [10] была переформулирована для адсорбции энергия десорбции Ed [1,2]. Наибольший интерес пред- на полупроводниках. Пленка адатомов при этом считаставляет исследование зависимости этих характеристик лась бесструктурной и учитывалось только увеличение от степени покрытия = Na/NML (Na — концентрация ее плотности с ростом. Такое упрощение реально адатомов, NML — концентрация адатомов в монослое) наблюдаемой картины (т. е. игнорирование структурных поверхности адатомами, что позволяет с помощью со- переходов в пленке) возможно по той причине, что ответствующей теории установить характер взаимодей- основным каналом взаимодействия адатомов является ствия атомов в адсорбированном слое [3,4]. диполь-дипольное отталкивание [11], зависящее в первую очередь от расстояния до ближайших соседей, но не В настоящее время интенсивно изучаются субмоноот деталей геометрии адсорбированного слоя (см. [12] слойные металлические пленки на полупроводниковых и ссылки, приведенные там). Так как помимо дипольподложках. При этом модельной системой является дипольного взаимодействия между адатомами в пленAM/Si(100), где AM — щелочной металл (alkali metal), ке существуют прямой и косвенный обмен электроначто понятно, так как AM является простейшим металлими [11], в модели [9] было учтено уширение квазиуровня ческим атомом, содержащим во внешней оболочке лишь адатома один электрон, и поверхность (100) кремния изучена наиболее тщательно [5–7]. Многочисленные исследова ( ) = (1 + ), (1) ния показали, что в системе AM/Si(100) при изменении где — полуширина квазиуровня при нулевом покрыпокрытия от нулевого до монослойного происходит тии, — безразмерный коэффициент.

целый ряд структурных переходов, которые к тому же сопровождаются переходами металл–полупроводник Необходимо подчеркнуть, что в отличие от адсорбции (см. [8] и ссылки, приведенные там). Ясно поэтому, что на металлическом субстрате, где описывает веродетальное теоретическое описание такой системы — ятность туннелирования электрона с изолированного задача чрезвычайно сложная. адатома в зону проводимости подложки (или обратно), здесь отвечает всем процессам, включая ожеОднако изменение работы выхода ( ) является переходы. При этом плотность состояний на излированплавной функцией покрытия и не испытывает, как ном адатоме по-прежнему равна правило, сколь-либо заметных изломов или скачков.

Более того, характер изменения работы выхода при 1 адсорбции металлов на полупроводниках тот же самый, 0 =, (2) - )2 + ( что и при адсорбции металлов на металлах: резкий спад при малых покрытиях, замедляющийся с увеличением где — энергетическая переменная, — энергия и иногда даже сопровождающийся увеличением при квазиуровня адатома относительно уровня Ферми подвысоких покрытиях, близких к монослойному. Следоложки.

вательно, теоретические модели, разработанные ранее В настоящей работе в рамках модели [9] мы рассчитадля адсорбции металлов на металлах могут быть в ем изменения заряда и работы выхода в системах Li, Na, принципе использованы и для систем металл/металл, K, Rb, Cs/Si(100) и обсудим результаты расчета.

несмотря на резкое различие электронной структуры субстратов. Первая попытка подобного рода была пред- 2. Приведем расчетные формулы модели [9]. Заряд принята нами в работе [9], где общепринятая для адсорб- адатома Z = 1 - n (n — число заполнения s-орбитали) 96 С.Ю. Давыдов, А.В. Павлык может быть определен из самосогласованного уравнения 3. Результаты расчетов ( ) в сопоставлении с экспериментальными данными представлены на рис. 1–5, а 2 - 3/2Z( ) Z( ) — на рис. 6. Значения рассчитанных и определенZ( ) = · arctg, ( ) ных из подгонки к эксперименту параметров приведены в таблице.

3/ = 2e22NMLA, = - I +, Перейдем к обсуждению полученных результатов.

= e2/4. (3) Л и т и й. Работа выхода системы Li/Si(100) в интервале субмонослойных покрытий измерялась в работе [14] Здесь I — потенциал ионизации; — кулоновский сдвиг (см. также [15], где исследовалась область малых ).

за счет взаимодействия электрона адатома с электронаВ расчете мы полагали ML = 10 min. Согласие с эксми подложки, при вычислении которого пренебрегаем периментом следует признать вполне удовлетворительдиэлектрической поправкой (0 - 1)/(0 + 1), где 0 — ным. Скачки при 0.3 и 0.45 связаны соответстатическая диэлектрическая проницаемость; — конственно со структурными переходами (2 2) (2 1) станта диполь-дипольного отталкивания адатомов; 2 — и с (3 2 2 )R45. Естественно, что наша бесструкплечо поверхностного диполя, образованного адсорбитурная модель не могла отразить эти особенности завированным атомом и его изображением в подложке;

симости ( ).

A 10 — безразмерный коэффициент, слабо зависящий от геометрии адслоя и аналогичный постоянной Маделунга для объемного кристалла. Изменение работы выхода определяется следующим образом:

( ) =- Z, = 4e2NML. (4) Схема выбора параметров модели описана в [9] и состоит в следующем. Принимаем для всех случаев монослойную концентрацию адатомов равной ML = 6.78 · 1014 cm-2 (это плотность атомов кремния на нереконструированной поверхности (100)) и положим работу выхода чистой поверхности равной 4.9 eV [13] (по непонятным для нас причинам экспериментаторы практически никогда не приводят в статьях значение работы выхода чистой поверхности).

Величину полагаем равной полусумме ионного ri и атомного ra радиусов (их значения берутся из [13], Рис. 1. Зависимость изменения работы выхода от степени так же как и значения потенциалов ионизации I), так покрытия поверхности (100) кремния адатомами лития.

как с ростом имеет место деполяризация адатома, Сплошная кривая — теория, + — эксперимент [14].

вследствие чего радиус оболочки адатома должен увеличиваться [4]. Величину заряда Z0 Z( 0) определяем из подгонки теоретического значения (d/d ) к экспериментально наблюдаемому наклону ( ) в пределе нулевых покрытий. Отсюда находим =. (5) tg( Z0) Затем, используя из эксперимента значение ML ( = 1) или (см. ниже) ML ( = ), определяем параметр. В последнее время среди экспериментаторов стало привычным приводить данные по изменению работы выхода как функции от времени экспозиции (времени осаждения адатомов на поверхность подложки), даже не пытаясь при этом приписывать измеренному значению конкретное значение. Сточки зрения теории это создает определенные трудности, так как требует от теоретика принять некоторое значение в качестве ML, соответствующего монослойному Рис. 2. То же, что на рис. 1, но для адатомов натрия. Сплошная покрытию. кривая — теория; эксперимент: + — [18], • — [19].

Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. Адсорбция щелочных металлов на поверхности (100) кремния: расчет заряда адатомов... Рис. 6. Зависимость изменения заряда адатомов Z от степени Рис. 3. То же, что на рис. 1, но для адатомов калия. Сплошная покрытия поверхности (100) кремния атомами лития (1), кривая — теория, + — эксперимент [19].

натрия (2), калия (3), рубидия (4) и цезия (5).

Н а т р и й. Результаты измерения ( ) приведены в [16–19] также в функции от значения, а не от.

Мы устанавливали соответствие, исходя из работы [16], где характерному спаду работы выхода сопоставлена степень покрытия = 0.5. Подгонка проводилась по данным работы [18], где значению = 0.5 приписывалось время экспозиции 0.5 = 7 min. Результаты представлены на рис. 2. Согласие расчетных данных с экспериментальными вполне удовлетворительно.

К а л и й. Адсорбция калия на Si(100) исследовалась в [19]. Так как в этой же статье приведены данные по адсорбции Na (и Cs), то, вновь сопоставляя спад работы выхода в системе Na/Si(100) покрытию = 0.5 [16], найдем, что половинному заполнению поверхности калием соответствует принятая в [19] относительная степень поРис. 4. То же, что на рис. 1, но для адатомов рубидия.

Сплошная кривая — теория, + — эксперимент [22]. крытия = 0.9. Рис. 3 демонстрирует отличное согласие теории с экспериментом. Отметим, что практически та же зависимость ( ) наблюдается и при адсорбции на поверхности (111) кремния [20,21].

Р у б и д и й. На рис. 4 представлены результаты расчета ( ) в сопоставлении с данными эксперимента [22], где ML = 10 min. Здесь расхождение расчета и эксперимента при больших покрытиях довольно значительное.

Можно было бы, изменив сценарий подгонки параметров, добиться лучшего согласия. Мы, однако, этого не делали, полагая, что для окончательных выводов нужны дополнительные экспериментальные данные.

Ц е з и й. Адсорбция Cs на полупроводниковых подложках изучена наиболее тщательно в связи с проблемой отрицательного электронного сродства. Подгонка параметров проводилась по работе [19], вновь в предположении, что = 0.9 соответствует = 0.5.

Результаты расчетов в сопоставлении с данными экспеРис. 5. То же, что на рис. 1, но для адатомов цезия. Сплошная риментов [19,23,24] представлены на рис. 5. И здесь мы кривая — теория, эксперимент: + — [19], • — [23], — [24].

полагаем, что добились хорошего согласия с опытом.

7 Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 98 С.Ю. Давыдов, А.В. Павлык Параметры модели жайшими соседями в массивных кристаллах (d = 3.02, 3.66, 4.53, 4.84, 5.24 [28] для Li, Na, K, Rb, Cs Параметры Li Na K Rb Cs соответственно), то, предполагая, что TML d-2 [29], 1.125 1.39 1.845 1.985 2.получим для (d/dCs)-4 следующие результаты для ря 2.71 2.30 2.51 2.53 2.да Li Cs: 9 : 4.2 : 1.8 : 1.4 : 1. По данным таблицы для 1.25 1.73 1.24 0.96 1.(/Cs), имеем: 46.5 : 15.8 : 11.6 : 0 : 1. За исключением 6.44 9.82 17.31 20.03 25.случая адсорбции Rb, ряды сходны. Здесь необходимо 13.80 17.05 22.64 24.36 27.подчеркнуть, что параметр описывает как прямое тун 3.72 1.26 0.93 0 0.нелирование электронов между соседними адатомами, Z0 0.72 0.59 0.71 0.62 0.так и их косвенный обмен через подложку, тогда как Z0.5 0.32 0.28 0.27 0.26 0.интеграл TML отвечает только прямому обмену [30].

ZML 0.17 - - 0.13 Поэтому приведенные оценки TML достаточно грубы.

Примечание. —в, 0,,,, —в eV.

Таким образом, в рамках простой модели удалось адекватно описать адсорбцию AM на поверхности (100) кремния, используя при этом всего два подгоночных На рис. 6 представлены значения заряда адатомов параметра (Z0 и ZML), определяемых из эксперимента.

Z( ). Это весьма важный параметр, определяющий То обстоятельство, что при промежуточных покрытиях изгиб полупроводниковых зон и тем самым высоту 0 < <1 наши результаты соответствуют эксперименформирующегося барьера Шоттки на контакте металл– тальным данным, свидетельствует о работоспособности полупроводник [25].

предложенной модели.

4. Перейдем к обсуждению параметров модели и рассмотрим их изменения в ряду Li Cs. В соответствии с увеличением длины адсорбционной связи в этом ряду при переходе от лития к цезию линейно возрасСписок литературы тает, т. е. изменение работы выхода при = Z = 1, и квадратично константа диполь-дипольного взаимодей[1] Зандберг Э.Я., Ионов Н.И. Поверхностная ионизация. М.:

ствия. Положение квазиуровня адатома меняется Наука, 1969. 432 с.

несущественно (здесь и далее некоторое исключение [2] Большов Л.А., Напартович А.П., Наумовец А.Г., Фепредставляет Na), несмотря на то, что энергия ионидорус А.Г. // УФН. 1977. Т. 122. Вып. 1. С. 125–158.

зации I в ряду Li Cs убывает от значения 5.39 eV [3] Браун О.М. // УФЖ. 1978. Т. 23. Вып. 8. С. 1234–1255.

для лития до 3.89 eV для цезия (см. (3)). Объясняется [4] Браун О.М., Медведев В.К. // УФН. 1989. Т. 157. Вып. 4.

С. 631–666.

это тем обстоятельством, что при этом убывает куло[5] Physics and Chemistry of Alkali Metal Adsorption / Ed.

новский сдвиг квазиуровня вследствие увеличения.

H.P. Bonsel, A.M. Bradshow, G. Ertl. Amsterdam: Elsevier, Таким образом, две тенденции компенсируют друг дру1989.

га. Заряд изолированного адатома Z0 также меняется [6] Pick S. // Surf. Sci. Rep. 1990. Vol. 12. N 3. P. 99–131.

незначительно, вследствие чего и полуширина квази[7] Srivastava G.P. // Rep. Prog. Phys. 1997. Vol. 60. N 5. P. 561– уровня, определяемая соотношением (5), остается 613.

приблизительно постоянной (вновь за исключениемNa).

[8] Давыдов С.Ю. // ФТТ. 2000. Т. 42. Вып. 6. С. 1129–1133.

И наконец, параметр зонного уширения резко убывает [9] Давыдов С.Ю., Павлык А.В. // ФТП. 2001. Т. 35. Вып. 7.

при переходе от лития к цезию, причем значение С. 831–834.

для Li представляется завышенным (отметим, что в [10] Newns D.M. // Phys. Rev. 1969. Vol. 178. N 3. P. 1123–1135.

случае Rb мы вынуждены были положить = 0, так [11] Браун О.М., Медведев В.К. // УФН. 1989. Т. 157. Вып. 4.

С. 631–666.

как наша схема определения параметров приводила к [12] Muscat J.P., Newns D.M. // J. Phys. C. 1974. Vol. 7. N 15.

значению <0; к сожалению, кроме работы [22], других P. 2630–2644.

экспериментальных данных по рубидию мы не нашли).

[13] Физические величины. Справочник / Под ред. И.С. ГригоКак показано в работах [26,27], зонное уширение рьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.

квазиуровня можно описать параметром [14] Kim C.Y., Shin K.S., Lee K.D., Chung J.W. // Surf. Sci. 1995.

2 Vol. 324. N 1. P. 8–16.

TML =, (6) [15] Klein H., Eckhardt M., Fick D. // Surf. Sci. 1995. Vol. 329.

( 2 + )N1. P. 71–76.

[16] Tikhov M., Boishin G., Surnev L. // Surf. Sci. 1991. Vol. 241.

где TML — эффективный интеграл перехода электрона N1. P. 103–110.

между соседними адатомами в монослое.

[17] Johanson L.S.O., Reil B. // Phys. Rev. B. 1993. Vol. 47. N 3.

Так как и в ряду Li Cs меняются слабо, P. 1401–1406.

можно предположить, что TML убывает при переходе от [18] Chao Y.-C., Johanson L.S.O., Uhrberg R.I.G. // Phys. Rev. B.

лития к цезию. Если бы расстояния между адатомами 1997. Vol. 55. N 11. P. 7198–7205.

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.