Введение к работе
Актуальность темы исследования
Структурный анализ поверхности твердого тела имеет фундаментальное значение для развития многих приоритетных направлений современной науки и техники, включающих материаловедение, микро- и наноэлектронику, гетерогенный катализ и др. Разработке и совершенствованию методов диагностики поверхности уже на протяжении многих лет уделяется исключительно большое внимание, в результате чего создан целый арсенал мощных средств. Одними из основных среди них являются дифракция медленных и быстрых электронов. В то же время дифракция электронов промежуточного диапазона энергий (порядка 1 кэВ) оказалась на редкость непопулярной в структурных исследованиях поверхности. Одной из главных причин такого положения дел явилась слабая изученность механизма формирования этих картин, называемых также кикучи-картинами. До недавнего времени они не поддавались количественному описанию и анализировались преимущественно на качественном уровне, опираясь на основные выводы динамической теории дифракции электронов.
Ситуация стала меняться на рубеже 80-х и 90-х годов, когда стремительное развитие методов дифракции рентгеновских фото- и оже-электронов привело к появлению новых представлений о механизме формирования картин дифракции электронов, генерируемых внутренними источниками. Было установлено, что при энергиях выше нескольких сотен эВ ключевую роль играет эффект фокусировки фото- и оже-электронов, приводящий к их концентрированию вдоль плотноупакованных атомных рядов кристалла. В связи с этим встал вопрос: работает ли сходный механизм и в случае дифракции неупруго рассеянных электронов? Ответа на него не было к моменту начала работы над диссертацией. Между тем, он имеет принципиальное значение, поскольку в случае положительного решения вопроса существенно упрощается интерпретация рассматриваемых картин и открываются широкие перспективы их практического использования в структурном анализе поверхности. При этом наиболее интересным представляется изучение механизма формирования картин дифракции квазиупруго рассеянных электронов (КУЮ), которые создаются электронами, испытывающими при отражении от кристалла потери энергии лишь на возбуждение фононов. Такие картины должны быть особенно чувствительными к состоянию поверхности образца и допускать наиболее простую интерпретацию.
Цель работы состояла в систематическом исследовании картин дифракции квазиупруго рассеянных электронов средней энергии и разработке на этой
основе нового метода структурного анализа поверхности твердого тела.
Решение данной проблемы предполагало выполнение следующих задач:
Разработку эффективного метода регистрации указанных картин, позволяющего проводить прецизионные измерения во всей полусфере отражения электронов.
Получение комплекса экспериментальных данных для ряда модельных объектов с различными физико-химическими свойствами, например, для низкоиндексных граней монокристаллов с известной
, геометрической структурой поверхности. Создание теоретических моделей формирования рассматриваемых , картин на основе эффекта фокусировки электронов; проведение
соответствующих расчетов и сопоставление их результатов с ,. , экспериментом для проверки адекватности описания явления этими
моделями.
Исследование трансформации дифракционных картин в процессе
нанесения ультратонких пленок чужеродных атомов на поверхность
кристалла; апробация разработанного метода на примерах
исследования атомного строения тонкого приповерхностного слоя в
адсорбционных системах с резкой межфазовой границей.
Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:
Детально изучена дифракционная структура пространственных распределений электронов средней энергии, квазиупруго отраженных от ряда монокристаллов с атомно-чистой поверхностью, и показано, что доминирующим механизмом формирования структуры этих распределений является эффект фокусировки электронов при их движении вдоль цепочек атомов кристалла.
Проведено исследование закономерностей фокусировки электронов в кристаллах и установлены зависимости ее эффективности от энергии электронов, а также различных параметров атомных цепочек, вдоль которых распространяются электроны.
Развиты оригинальные кластерные модели, достаточно хорошо описывающие картины дифракции квазиупруго рассеянных электронов.
Обнаружена трансформация указанных картин при нанесении на поверхность кристалла ультратонких пленок чужеродных атомов. Выявлена высокая чувствительность картин к состоянию поверхности исследуемого объекта, и предложено использовать данный эффект в структурном анализе поверхности.
Выявлен термоактивированный структурный фазовый переход в системе Ag/Si(l 11) 7x7.
Научная и практическая значимость работы.
Научная значимость работы состоит в том, что в ней установлены основные закономерности формирования картин дифракции квазиупруго рассеянных электронов монокристаллическим твердым телом, проанализирована динамика изменения картин с энергией в диапазоне 0,6 -2 кэВ и выявлена ключевая роль в механизме явления эффекта фокусировки электронов. Практическая важность проведенного исследования состоит в разработке нового метода структурного анализа поверхности. Метод позволяет изучать локальное атомное строение приповерхностной области твердого тела толщиной порядка 1 нм и отображает кристаллическую структуру объекта в реальном пространстве. Он особенно перспективен при исследовании начальных стадий формирования межфазовых границ, процессов эпитаксиального роста пленок, образования сплавов на поверхности кристаллов и различных фазовых переходов, протекающих в приповерхностной области.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Основным механизмом формирования дифракционных картин квазиупруго рассеянных электронов с энергией 1-2 кэВ является фокусировка отраженных электронов при их движении вдоль атомных рядов кристалла. Возникающие при таких ориентациях пики доминируют в наблюдаемых картинах, в то время как тонкая дифракционная структура обусловлена интерференционными особенностями более высоких порядков.
-
Эффективность фокусировки электронов зависит от энергии частиц, порядкового номера элемента кристалла, плотности упаковки атомных цепочек и их внутренней структуры.
-
В диапазоне энергий 1-2 кэВ картины дифракции квазиупруго рассеянных электронов достаточно хорошо описываются кластерной моделью однократного рассеяния, а также кластерной моделью, феноменологически учитывающей фокусировку электронов.
-
Указанные картины чувствительны к нанесению ультратонких пленок на поверхность кристаллов и отображают их кристаллическое строение в реальном пространстве. Регистрация картин может быть использована для визуализации атомной структуры приповерхностного слоя образца толщиной около 1 нм.
-
Компьютерное моделирование наблюдаемых картин позволяет получать количественную информацию о кристаллическом строении анализируемого слоя, а также о его фазовом составе. Таким методом, в частности, определено, что нанометровая пленка серебра, формирующаяся на поверхности Si(l 11) 7x7 при комнатной температуре, состоит из доменов Ag(l 11) А- и В-типа, занимающих примерно равную площадь. Отжиг пленки
при температуре около 650 К приводит к ее структурной перестройке, проявляющейся в исчезновении А-доменов.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 15-й Европейской конференции по физике поверхности (Лиль, Франция, 1995), 13-м Международном вакуумном конгрессе (Иокогама, Япония, 1995), Международной школе по электронной дифракции и визуализации поверхности (Скотсдейл, США, 1996), XXVI-XXVIII Международных конференциях по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 1996-1998), Всероссийском симпозиуме по эмиссионной электронике (Рязань, 1996), IX Европейской школе по молекулярно-лучевой эпитаксии (Оксфорд, Англия, 1997), 4-й Конференции северных стран по физике поверхности (Олесун, Норвегия, 1997), 7-й Европейской конференции по приложениям анализа поверхности и границ раздела (Ґетеборг, Швеция, 1997), Международной конференции «Эмиссионная электроника, новые методы и технологии» (Ташкент, Узбекистан, 1997), Конкурсе научных работ ФТИ (С.-Петербург, 1997), I-ом Международном совещании по зародышеобразованию и нелинейным проблемам в фазовых переходах первого рода (С.-Петербург, 1998), 9-ой Международной конференции по тонким пленкам и поверхности (Копенгаген, Дания, 1998).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 30 печатных работ, включающих 14 статей в научных журналах и тезисы 15 докладов на международных конференциях и симпозиумах. Перечень публикаций имеется в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и четырех приложений. В ней 264 страниц, в том числе 150 страниц машинописного текста, 92 рисунка, 4 таблицы и список литературы, включающий 135 наименований.
