Введение к работе
Актуальность проблемы. В последнее время, в связи с проблемой создания полупроводниковых квантовых структур пониженной размерности, особую роль в процессах формирования каналов локализованных областей одномерной размерности приобретает морфология ступенчатых структур. Наиболее сильное воздействие на степень фасетированности топографии поверхности оказывает тепловой отжиг в различных условиях. Теоретические разработки этой проблемы, начатые еще в 50* годах, вскоре нашли свое экспериментальное подтверждение для конечных стадий формирования структур. Однако исследование начальных этапов изменения рельефа оставалось долгое время затруднительным. Только к концу 80* годов совершенствование традиционных методов исследования - дифракции медленных электронов (ДМЭ), растровых электронных микроскопов (РЭМ) и, главным образом, появление сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) открыло возможность исследовать поверхность со сверхатомным разрешением. Отсутствие работ по изучению начальных стадий фасетирования поверхности кристаллов при. отжиге , в условиях термодинамического равновесия и при наличие градиента внешнего поля (электро-термоперенос атомов), которые могут экспериментально подтвердить или опровергнуть существующие теоретические взгляды на данные процессы, простимулировало проведение настоящего исследования на кристаллах вольфрама и арсенида галлия, как наиболее распространенных материалах электронной и полупроводниковой техники.
Цель диссертационной работы заключается в изучении закономерностей фасетирования проводящих монокристаллов при тепловой обработке.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
-
Отработка методики исследования фасетированных образцов методом СТМ в атмосферных условиях. Тестирование прибора на образцах пиролитического графита и экспериментальное определение шумовых параметров устройства. Разработка программного обеспечения для визуализации получаемой информации.
-
СТМ-изучение образцов монокристаллов W и GaAs после различных обработок. Выявление особенностей самоорганизации поверхности при тепловой обработке кристаллов в равновесных и существенно неравновесных условиях.
3. Исследование структурных и фазовых изменений поверхности
монокристаллов GaAs при тепловой обработке.
Научная новизна.
Впервые были изучены методом воздушного СТМ образцы монокристаллов вольфрама после различных стадий полировки и теплового отжига.
Обнаружен фрактальный характер рельефов, зарегистрированных с помощью СТМ на поверхности вольфрама после электрополировки, и изображений структуры травленой поверхности тех же образцов, зарегистрированных с помощью оптической микроскопии.
Выявлено принципиальное отличие процессов фасетирования поверхностей монокристаллов при отжиге, проводимом в условиях, близких к термодинамическому равновесию, и в присутствии градиентов внешнего поля (электрического или температурного).
Обнаружены особенности распределения электронной плотности на краях фасеток, возникающими на ступенеобразных границах раздела.
Научно-практическое значение результатов работы заключается в следующем:
1. Разработан метод изготовления зондирующих эмиттеров (острий) для
СТМ методом ступенчатого электрохимического травления.
-
Разработано программное обеспечение для визуализации и математической обработки данных, получаемых с помощью СТМ.
-
Отработаны методики изучения ступенчатых структур нанометровых размеров на поверхности монокристаллов вольфрама и арсенида галлия.
-
Разработана новая методика пассивации поверхности GaAs для изучения ее методом воздушного СТМ, обеспечивающая длительное (более 10 часов) проведение исследований.
5. Обнаруженные закономерности фасетирования поверхностей
кристаллов используются в учебном процессе: лекционных курсах,
лабораторной работе, курсовом и дипломном проектировании.
Достоверность результатов работы подтверждается данными тестирования прибора на образцах с известной геометрией поверхности (пирографит и вольфрам), соответствием экспериментальных результатов теории процессов фасетирования поверхности, применением комплекса методов исследования: СТМ, ДМЭ, электронная и оптическая микроскопии.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Электронномикроскопически "зеркальная" поверхность полиро
ванных монокристаллов вольфрама содержит обширные площади, покрытые
фасетками с высотой фасеток 2-4 нм и шириной 25-30 нм.
2. На начальной стадии теплового отжига в состоянии, близком к
термодинамическому равновесию, на вицинальных гранях (ПО)
монокристаллов вольфрама образуются фасетки с хорошо выраженной огранкой. Дальнейшее развитие "естественной шероховатости" происходит за счет роста платформ (110).
3. В условиях существенно неравновесных (электро-термодиффузии атомов) тепловой отжиг кристаллов вольфрама приводит к самоорганизации поверхности в форме образования волноподобной структуры с амплитудой в несколько нанометров, пространственная частота которой (q«4-104 см"1) согласуется с моделью Froberga и Adama [Thin Solid Films. - 1975. - V. 25. - P. 525-530]. Огранка ступеней в этом случае появляется на поздней стадии отжига (через 100-150 часов).
Апробация работы. Результаты диссертации были доложены на: -Международном Симпозиуме "Наноструктуры: физика и технология", Санкт-Петербург, 1994; -Первой Международной конференции "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники", Таганрог, 1994; -Международном Симпозиуме "Наноструктуры: физика и технология", Санкт-Петербург, 1995; -Второй Международной конференции "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники", Таганрог, 1995; -XII Международной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью ВИП-95", Звенигород, 1995; -Симпозиуме по эмиссионной электронике, посвященном памяти Г.Н.Шуппе, Рязань, 1996; -5й Международной конференции ICSOS-5, Франция, 1996; -16й Европейской конференции посвященной наукам о поверхности, Италия, 1996; -7й Европейской конференции ECASIA'97, Швеция, 1997; -9й Международной конференции STM'97, Германия, 1997; -Международной конференции "Эмиссионная электроника, новые методы и технологии", Ташкент, Узбекистан, 1997; - Всероссийской конференции "Зондовая микроскопия", Н.Новгород, 1998.
Публикации.
Результаты исследований опубликованы в 25 работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 132 наименований. Объем работы составляет 159 страниц машинописного текста, включая 60 рисунка и 2 таблицы.
Похожие диссертации на Туннельно-зондовая микроскопия фасетирования поверхности кристаллов
