|
|
Ответы по Методам Исследования. 1. двухзондовый метод
Физический смысл обратной решетки
Обратная решетка является важным математическим образом, находящим многочисленные применения в геометрической кристаллографии, в теории дифракции и структурном анализе кристаллов, в физике твердого тела.
Например, понятие обратной решетки используется для описания периодического распределения отражающей способности кристалла по отношению к рентгеновским лучам. Отражение рентгеновских лучей от плоскостей структуры кристалла описывается формулой Вульфа-Брэгга, из которого следует, что при постоянной длине волны рентгеновского излучения l большому межплоскостному расстоянию для семейства параллельных отражающих плоскостей d отвечает малый угол падения q, т. е., чем больше межплоскостное расстояние, тем ближе направления отраженных лучей к направлению падающего пучка. Отражения рентгеновских лучей от бесконечно протяженных идеальных кристаллов должны быть точечными.
Каждый узел обратной решетки соответствует возможному отражению от плоскостей прямой решетки кристалла. Направление вектора обратной решетки H*hkl совпадает с направлением отражения от плоскостей hkl в прямой решетке, а n-ый узел обратной решетки в этом ряду отвечает отражению n-го порядка от этих плоскостей.
Сфера Эвальда
Для предсказания углов поворота кристалла и направления дифрагированных лучей очень удобно пользоваться построением Эвальда.
Отложим волновой вектор k0 падающей на кристалл волны, так что его конец совпадет с узлом 0 0 0 обратной решетки. Поскольку частота и скорость рассеянной и падающей волны совпадают, вектор рассеянной волны k1 будет иметь ту же длину, что и k0, но неопределенное направление, тогда его удобно изобразить в виде сферы (сферы Эвальда) с центром в начале вектора k0. Начало и конец вектора рассеяния тогда будет соответственно концом вектора k0 и концом вектора k1. Теперь надо узнать, совпадет ли один из возможных векторов G с одним из узлов обратной решетки. Для этого следует совместить начальный узел обратной решетки с началом вектора рассеяния G (эта же точка - конец вектора k0) и посмотреть, попал ли один из узлов на сферу Эвальда. Ясно, что вероятность попадания одного из точечных узлов на сферу практически равна нулю, чтобы такое попадание имело место, необходимо повернуть кристалл и связанную с ним обратную решетку. Теперь уже с помощью геометрии можно вычислить необходимые углы поворота обратной решетки (и кристалла), а затем определить, под какими углами должен быть расположен детектор излучения, регистрирующий волны с вектором k1. Современные приборы для наблюдения дифракции - дифрактометры, снабженные ЭВМ, позволяют в автоматическом режиме, по формулам, описывающим повороты обратной решетки, вычислять нужные углы поворота кристалла и детектора излучения для заранее сориентированного кристалла, а затем поворачивать кристалл и детектор.
12. Структура чистых поверхностей полупроводниковых кристаллов (сверхструктура). Поверхности (100) и (111) кремния.
Поверхность – двумерная система, и не только ее структура, но и многие явления выглядят на ней совсем не так, как в объеме.
Сверхструктура (англ. superstructure) — нарушение структуры кристаллического соединения или сплава, повторяющееся с определенной регулярностью и создающее таким образом новую структуру с другим периодом чередования. Базисная ячейка такой структуры — сверхячейка — обычно кратна элементарной ячейке исходной структуры. Термин «сверхструктура» был введен для описания структуры упорядоченных твердых растворов. Образование сверхструктуры происходит ниже некоторой температуры, называемой температурой упорядочения, в тех случаях, когда атомам данного сорта оказывается энергетически предпочтительнее быть окруженными атомами другого сорта. Сверхструктуры часто возникают в результате фазовых переходов 2-го рода. Образование сверхструктур сопровождается появлением слабых дополнительных сверхструктурных линий на дифрактограммах, которые используются для обнаружения и идентификации типа сверхструктуры.
Примером сверхструктуры может служить структура сплава Cu–Zn (латунь), где в неупорядоченном состоянии атомы Cu и Zn равновероятно распределяются по узлам объемноцентрированной решетки, а в упорядоченном состоянии атомы одного сорта занимают узлы в вершинах кубических ячеек, а другого — в их центрах.
Часто термин сверхструктура используют также для обозначения структуры, в которой при росте количества дефектов кристаллической решетки (атомов примесей, вакансий и т. д.) произошло упорядочение в размещении этих дефектов. Обычно такое упорядочение сопровождается понижением симметрии кристаллической решетки (см. рис.).
Схема образования различных видов сверхструктуры с удвоенным параметром элементарной ячейки на примере объемноцентрированной кристаллической решетки.
а) элементарная ячейка исходной структуры; 
б) замещение половины катионов в исходной структуре другими катионами при упорядоченном чередовании катионов обоих типов;
в) замещение половины анионов в исходной структуре другими анионами при упорядоченном чередовании анионов обоих типов;
г) замещение половины анионов в исходной структуре анионными вакансиями при упорядоченном чередовании анионов и вакансий;
д) замещение половины катионов в исходной структуре вакансиями при упорядоченном чередовании катионов и вакансий;
е) упорядоченное смещение половины катионов в исходной структуре влево и половины катионов вправо.
Поверхности (100) и (111), но не кремния.
На поверхности монокристалла атомы образуют уменьшенное число связей по сравнению с массивными кристаллами, уменьшается его коордианционное число и как следствие, уменьшается энергия связи. На рис. приведены положения атомов металла на поверхности кристалла с простой кубической решеткой. (Ну не нашел я про кремний!!!)
На грани поверхности (100) катион окружен пятью анионами, он втягивается вглубь твердого тела и его координация понижена до квадратной пирамиды. На грани (110) координация центрального атома понижается до 4-х, а на грани (111) – до 3-х.
13. Дефекты поверхностной структуры.
Поверхностные, или двумерные, дефекты относятся уже к разряду макроскопических - это границы раздела и дефекты упаковки. То есть это область кристалла с сильно нарушенным периодическим расположением атомов имеющих форму некоторой поверхности, толщина этой области в направлении нормали к поверхности составляет 1-2 межплоскостных расстояния.
Поверхность кристалла является самым очевидным примером поверхностного дефекта. Известно, что вблизи поверхности кристалла нарушается периодическое расположение атомов. Из-за этого поверхностный слой находится в напряженном состоянии и обладает некоторой поверхностной энергией, подобно тому как и поверхность жидкости обладает энергией поверхностного натяжения. Стремление кристалла как любой системы иметь минимум энергии приводит к минимальной поверхности кристалла.
Границы раздела представляют собой переходную область шириной до нескольких десятков межатомных расстояний, в которой решетка одного зерна, имеющего определенную кристаллографическую ориентацию, переходит в решетку другого зерна, имеющего иную кристаллографическую. Поэтому на границе зерна наблюдается искаженное кристаллическое строение и более высокое энергетическое состояние. Кроме того, по границам зерен скапливаются примеси, что еще больше нарушает правильный порядок расположения атомов. Границы между зернами называют большеугловыми, так как кристаллографические направления в соседних зернах образуют углы, достигающие нескольких десятков градусов.
Так же поверхностные дефекты встречаются и внутри кристалла. Это связано с тем, что большинство реальных кристаллов формируются одновременно из нескольких центров кристаллизации и поэтому состоят из зерен с близкой ориентацией кристаллических решеток. На границе раздела этих зерен неизбежно нарушается периодическое расположение атомов. Если рассмотреть зерно при большом увеличении, то окажется, что внутри него имеются участки с размерами 0,1-1 мкм (их называют субзернами), разориентированные друг относительно друга на угол 15-30 град (малоугловые границы) Такая структура называется блочной или мозаичной. 
Границы зерен кристалла с нарушенной кристаллической решеткой находятся обычно в напряженном состоянии. Поэтому именно вблизи границ зерен кристалла под действием внешних, дополнительных механических напряжений и происходит чаще всего разлом кристалла.
Вдоль границ зерен быстрее проходит диффузия атомов (так называемая межзеренная диффузия), и, в частности, атомов газов, способных вызывать нежелательные химические реакции с атомами кристалла. Из-за этого ухудшается коррозионная стойкость изделий из кристаллических веществ. Продукты этих реакций (например оксиды, нитриды и др.) будут дополнительно искажать кристаллическую решетку вблизи границ зерен, из-за чего неизбежно повысится вероятность разлома кристалла вдоль границ его зерен и в целом его хрупкость.
Границы зерен, как и другие дефекты, оказывают влияние на теплопроводность и электросопротивление, поскольку на них происходит дополнительное рассеяние переносящих энергию фононов и переносящих энергию и заряд электронов. Особенно сильное влияние поверхностных дефектов на теплопроводность и электросопротивление наблюдается при низких температурах, когда длины свободного пробега фононов и электронов оказываются сопоставимыми с размерами кристаллических зерен.
Дефекты образуются в процессе роста кристаллов, при последующей их обработке или в результате внешних воздействий. Однако поверхностные дефекты образуются только при кристаллизации и термообработке.
Термообработка может изменить или повредить материалы двумя способами: изменить уже существующие дефекты, либо ввести новые дефекты. Поведение кристаллов и дефектов в них зависит от режима обработки.
14. Дифракция медленных электронов (ДЭМ-LEED).
Дифракция медленных электронов (ДМЭ). Энергия электронов в этом методе лежит в интервале 10 – 300 эВ. Амплитуда рассеяния таких электронов атомами твердого тела велика. Поэтому даже при нормальном падении эти медленные электроны полностью рассеиваются в нескольких первых атомных слоях вблизи поверхности (примерно на 1 – 3 Ангстрема).
Электронная пушка эмитирует на поверхность первичные электроны с энергией 10 – 300 эВ и длиной волны 0,388 – 0,071 нм. Сила тока в электронном пучке луча составляет
1 –2 мкА, а диаметр пучка
1 мм. Плотность тока при этом оказывается достаточно большой, чтобы вызвать изменения в адсорбированных поверхностных слоях, и это необходимо учитывать при интерпретации экспериментальных данных. Для детектирования рассеянных электронов используется либо цилиндр Фарадея, либо флуоресцентный экран, на котором наблюдается и фотографируется вся дифракционная картина одновременно.
ДМЭ позволяет получить данные о периоде кристаллической решетки. Поскольку используются очень медленные электроны, которые не проникают глубоко в твердое тело, полученная информация относится главным образом к одному или двум верхним слоям поверхностных атомов.
ДМЭ используется:
а) при очистке поверхности для качественного наблюдения за устранением остаточных слоев чужеродных атомов (критерием служит появление достаточно четкой структуры, связанной с кристаллической решеткой основного материала);
б) для получения данных о реконструкции поверхности;
в) для получения информации о порядке величины расстояний между адсорбированными частицами;
г) для получения информации о регулярных ступеньках на поверхности (например, вследствие разрезания образца).
Недавно было показано, что ДМЭ можно также использовать для определения амплитуды колебаний поверхностных атомов чистого кристалла по размытию дифракционных пятен. Качественная интерпретация дифракционной картины достаточно проста. Однако полное описание процессов дифракции представляет собой чрезвычайно сложную проблему, которая требует рассмотрения взаимодействия поля падающей волны со всей дифракционной решеткой.
В настоящее время это основной метод исследования поверхностей.
15. Дифракция быстрых электронов на отражение (ДБЭ-RHEED). Осцилляции центрального рефлекса (хз че это ваще такое!!!).
Дифракция быстрых электронов (ДБЭ или reflection high-energy electron diffraction - RHEED) — метод исследования структуры поверхности твердых тел, основанный на анализе картин дифракции электронов с энергией 5–100 кэВ (Величко говорил, что 5-30 кэВ), упруго рассеянных от исследуемой поверхности под скользящими углами. 
Чувствительность к структуре поверхности в ДБЭ достигается тем, что первичный пучок падает на исследуемую поверхность под малым скользящим углом порядка 1–5°, а также тем, что детектируются только дифракционные пучки, выходящие под малыми углами к поверхности. На всем своем пути свободного пробега электроны проникают достаточно глубоко – на несколько атомных монослоев.
На рис. приведена схема экспериментальной аппаратуры для изучения поверхности методом ДБЭ, в которой пучок высокоэнергетических электронов из электронной пушки попадает на поверхность образца под скользящим углом, а продифрагировавшие пучки электронов формируют картину ДБЭ на флуоресцентном экране. Держатель образца помещается на платформу, которая позволяет вращать образец для получения картин ДБЭ по разным азимутальным направлениям.
Метод ДБЭ позволяет:
1. качественно оценить структурное совершенство поверхности (от хорошо упорядоченной поверхности наблюдается картина ДБЭ с четкими яркими рефлексами и низким уровнем фона);
2. определить обратную решетку поверхности из геометрии дифракционной картины;
3. определить атомную структуру поверхности путем сравнения зависимостей интенсивности дифракционных рефлексов от угла падения первичного пучка электронов (кривые качания), рассчитанных для структурных моделей, с зависимостями, полученными в эксперименте;
4. определить структуру трехмерных островков, сформировавшихся на поверхности;
5. контролировать послойный рост эпитаксиальных пленок с атомарной точностью по осцилляциям интенсивности дифракционного пучка.
19. Сканирующая туннельная микроскопия. получение атомного разрешения
В сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) основной принцип заложен в измерении тока протекающего между зондом и исследуемым образцом. Зонд находится на некоторой высоте от образца и получающийся зазор можно считать потенциальным барьером. Ток, проходящий через данный барьер, меняется в зависимости от величины зазора. Данный ток измеряется, и по его величине можно судить об расстоянии между зондом и образцом. Таким образом сканируя поверхность и находя значение тока в каждой точке можно построить рельеф поверхности. Данным принцип заложен в измерении по методу постоянной высоты.
Разрешение метода СТМ
Сильная экспоненциальная зависимость туннельного тока от расстояния между зондом и образцом, позволяет сканировать отдельные атомы. На рисунке видно, что атом расположенный в первом ряду на острие зонда, находится ближе к поверхности и поэтому его вклад в туннельный ток будет больше, чем от атомов 2 и 3 ряда. При подсчете выясняется, что вклад первого атома больше в 10 раз чем от 2-го атома и в 100 раз чем от 3-го.
Таким образом, почти весь туннельный ток протекает через атом находящийся в первом ряду, что и определяет разрешение данного метода. Возможно достичь атомарного разрешения! Само собой, если зонд будет заточен не остро, то в первом ряду будет находится несколько атомов и разрешение будет хуже.
2 недостатка метода: 1. Исследование диэлектриков затруднено, в связи с тем, что необходимо проводить ток через образец. 2. Помехи, вызванные влиянием на туннельный ток самой структуры образца, а не только величиной зазора.
Химическое и электрохимическое изготовление СТМ зондов берет свое начало от полевой ионной микроскопии, где необходимы игольчатые образцы-эмиттеры с радиусом кривизны острий 10-8-10-7 м. Очень острые иглы получаются путем электрохимического травления тонкой проволоки (диаметром
0,2 мм) в щелочном растворе (1- или 0,5-молярный водный раствор KOH или NaOH) при воздействии переменного напряжения. В качестве материала для второго электрода при этом используется палладий. Травление происходит довольно однородно по всей поверхности погруженной части проволочки, за исключением мениска на поверхности раствора, где травление идет быстрее. В итоге в области мениска образуется шейка, которая все утоньшается и нижняя часть проволочки отваливается. Электронно-микроскопическое изображение кончика иглы, полученной таким способом, показано на рис. 13а. Для получения игл с малым радиусом острия в сочетании с их высокой механической жесткостью была разработана методика, в основе которой лежит метод ступенчатой вытяжки проволочки при электрохимическом травлении (рис.13б)
 
Рис. 13. Электронно-микроскопическое изображение электрохимически заостренного СТМ зонда.
|
|
|
Скачать 4.56 Mb.