Введение к работе
Актуальность темы исследования. Изучение поверхности твердого тела является одним из тех направлений современной фундаментальной науки, развитие которых влияет на весь ход технического прогресса. Решающую роль в этих исследованиях играют методы структурного анализа поверхности. К настоящему времени создан целый арсенал таких средств. Например, уже на протяжении многих лет успешно используются методы дифракции медленных и быстрых электронов. Они позволили, в частности, обнаружить явление реконструкции поверхности кристаллов и автоматизировать процесс молекулярно-лучевой эпитаксии. В последние десять-пятнадцать лет появились и стали повсеместно использоваться сканирующая туннельная и атомно-силовая микроскопии, которые визуализируют поверхность образца с атомным разрешением. Широкое применение в научных и прикладных исследованиях находят также дифракция оже- и фотоэлектронов, дифракция рентгеновских лучей при скользящем падении, полевая иоішая микроскопия, электронная микроскопия высокого разрешения, анализ протяженной тонкой структуры поглощения рентгеновского и синхротронного излучеіпга, спектроскопия потерь энергии электронов высокого разрешения и другие методы.
Однако, несмотря на все богатство и разнообразие существующих средств, структурный анализ поверхности ряда важных объектов остается непростой задачей. Как правило, используемые методы сложны в реализации, либо в интерпретации эксперимента. Принципиальным ограничением в ряде случаев является и большая длительность измерений, что затрудняет проведение экспресс-анализа и не позволяет изучать атомные процессы на поверхности в их динамике. Поэтому создание методов, позволяющих отображать кристаллическое строение поверхности твердого тела в реальном пространстве (а не в обратном, как в большинстве дифракционных методов) и проводить исследования в режиме реального времени, является актуальной проблемой физической электроники.
Цель настоящей работы состояла в разработке нового метода визуализации кристаллического строения поверхности, достаточно простого в реализации и пригодного для изучения в реальном времени атомных процессов, протекающих в тонком приповерхностном слое твердого тела. Результаты наших предшествующих исследований позволяли полагать, что такой метод может быть создан на основе анализа пространственных распределений квазиупруго рассеянных электронов средней энергии. Основная идея предложенного метода состоит в использоваїши эффекта фокусировки отраженных электронов для
визуализации всей совокупности основных межатомных направлений исследуемого образца.
Для достижения поставленной цели было необходимо решить три основных задачи:
;,.-..-. 1. Разработать физические основы метода, детально исследовав механизм формирования дифракционной структуры пространствегшьіх распределений отраженных электронов.
-
Реализовать предложенную идею в конкретном приборе и разработать методику проведения структурного количественного анализа.
-
Всесторонне апробировать метод на разнообразных системах с пассивными и реакционно-способными межфазовыми границами, получить с его помощью новую информацию об атомном строегаш ряда объектов, важных как для физико-химии поверхности, так и для практических приложений.
Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:
Детально исследована дифракционная структура пространственных распределений электронов средней энергии, квазиупруго рассеянных в тонком приповерхностном слое твердого тела. Получен большой комплекс новых данных для монокристаллов металлов, полупроводников и диэлектриков в диапазоне энергий от сотен эВ до 2кэВ. Установлено, что в интервале до ~] кэВ происходит переход от обычного режима дифракции электронов к картинам нового типа, в которых доминируют максимумы, наблюдаемые вдоль направлений плотной упаковки кристаллов.
Установлен механизм формирования дифракционных картин в диапазоне энергий 1-2 кэВ. Показано, что их специфика обусловлена
„эффектом фокусировки отраженных электронов, приводящим к их концентрированию вдоль цепочек атомов кристалла. Сами же картины фактически представляют собой центральные проекции межатомных направлений, содержащихся в приповерхностном слое твердого тела, толщиной порядка 1-нм. Эту закономерность картин предложено использовать для визуализации кристаллического строения поверхности твердого тела.
Выявлены причины возникновения кикучи-полос в
дифракционных картинах кристаллов легких элементов. Показано, что
основной вклад в усиление интенсивности отражения электронов вдоль
этих полос вызван фокусировкой электронов атомными цепочками,
лежащими в плотноупакованпых плоскостях кристаллов. Резкий же
поперечный профиль кикучи-нолос обусловлен дифракционным рассеянием электронов атомами ближайших соседних плоскостей.
Изучены закономерности эффекта фокусировки электронов
средних энергии в приповерхностном слое кристалла. Выявлены
зависимости его эффективности от энергии частиц, плотности упаковки
и; атомных цепочек, их внутренней структуры и пространственной ориентации.
Развиты оригинальные кластерные модели, основанные на эффекте фокусировки электронов, которые позволили адекватно описать наблюдаемые дифракционные картины. Разработана., методика структурного количественного анализа приповерхностного слоя исследуемых объектов путем сопоставления эксперимента с результатами численного моделирования картин, проводимого с использованием факторов надежности (R-факторов) и варьированием искомых параметров.
Изучена трансформация дифракционных картин в процессе нанесения ультратонких пленок чужеродных атомов на поверхность кристаллов. Получен большой комплекс новых данных для систем с резкой (Ag/Mo(110), Ag/Si(lll), Ag/Si(100), CWSiOll)) и реакционно-способной межфазовой границей (Co/Si(l 11)), наглядно демонстрирующих эффективность предложенного метода визуализации кристаллического строения поверхности твердого тела.
Обнаружен термоактивированный структурой фазовый переход в системе Ag/Si(111), протекающий при температуре Т ~ 650 К. Сходный эффект обнаружен и в системе Co/Si(lll), в которой сверхтонкая двухдоменная пленка дисилицида кобальта трансформируется в результате отжига в эпитаксиальную пленку CoSi2(l 11).
Исследована адсорбция фуллеренов на поверхности монокристаллического молибдена. Обнаружено, что сильные связи между молекулами С6о и поверхностью Мо(110) замораживают вращение фуллеренов и придают им фиксированную пространственную ориентацию. Показано, что адсорбированные молекулы обращены к подложке гексагонами.
Изучены in situ структурные превращения в системах K/VSe^OOOl) и K/TiS2(0001). Обнаружено, что нанесеїгае двух-трех монослоев калия на поверхность дихалькогенидов переходных металлов приводит к их спонтанной интеркаляции, стимулирующей радикальную структурную перестройку приповерхностной области этих слоистых кристаллов. Показано, что интеркаляционно-стимулированная перестройка поверхности имеет обратимый характер.
Научная и практическая значимость работы. Научная ценность работы состоит в том, что в ней систематически изучены картины дифракции электронов, неупруго отраженных от ряда монокристаллов. Проанализирована динамика изменения картин с энергией; выявлен механизм их формирования при энергиях 1-2 кэВ и показана ключевая роль в нем эффекта фокусировки электронов; установлены основные закономерности самого эффекта и развиты теоретические модели, количественно описывающие эксперимент. Таким образом, создана целостная физическая картина процесса формирования дифракционной структуры пространственных распределений неупруго отраженных электронов средней энергии, позволившая разработать новый метод визуализации кристаллической структуры поверхности твердого тела. Приложение этого метода к исследованию таких малоизученных процессов, как, например, взаимодействие фуллеренов с поверхностью твердого тела и in situ интеркаляция слоистых материалов, дало ряд новых научных результатов, имеющих большое самостоятельное значение для ' физики и химии поверхности.
Практическая ценность диссертации состоит в реализации идеи метода и создании оригинального прибора, позволяющего проводить исследования в режиме реального времени. В нем обеспечивается сбор информации со скоростью до 48 кадров в секунду и сводится к минимуму возмущающее воздействие электронного пучка на исследуемый объект. Для извлечения структурной количественной информации из наблюдаемых картин разработан специальный пакет прикладных программ. Прибор успешно испытан на ряде систем. Полученные результаты показали, что метод особенно перспективен для контроля формирования межфазовых границ, эгапаксиального роста тошшх пленок, а также других технологических процессов.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Физическая картина формирования дифракционной структуры пространственных распределений неупруго отраженных электронов с энергией 1-2 кэВ, базирующаяся на эффекте фокусировки электронов; закономерности самого эффекта; кластерные модели, количественно описывающие исследованные дифракционные картины; новый механизм образования Кикучи-полос.
2: Метод визуализации кристаллического строения нанометрового приповерхностного слоя твердого тела, основанный на анализе максимумов фокусировки в пространственных распределениях отраженных электронов средней энергии; его приборная реализация, позволяющая исследовать атомные процессы на поверхности в режиме реального
времеїт; методики определения структурных параметров и фазового состава изучаемых, объектов яа основе компьютерного моделирования наблюдаемых картин.
-
Результаты исследования ультратонких пленок серебра на поверхности монокристаллов молибдена и кремния, наглядно демонстрирующие высокую поверхностную чувствительность метода и его способность визуализовать как кристаллическое строение наносимых слоев, так и их ориентацию относительно подложки.
-
Закономерности роста дисилицида кобальта на поверхности монокристаллического кремния, вытекающие го анализа дифракционных картин, снятых на разных стадиях процессов твердофазной и реактивной эпитаксии.
-
Результаты исследования взаимодействия фуллеренов с поверхностью молибдена и кремния; определение пространственной ориентации молекул С60, адсорбированных на поверхности Мо(ПО); прямое наблюдение образования карбида кремния в ходе термической реакции адсорбированных молекул С60 с поверхностью Si(l 11).
-
Обнаружение обратимой интеркаляционно-стимулированной перестройки приповерхностной области дихалькогенидов переходных металлов в экспериментах, проведенных in situ; результаты структурного анализа интеркаляционных комплексов, образующихся в системах K/VSe2(0001) и K/TiS2(0001).
Апробация работы. Основные результаты исследований, вошедших в диссертацию, были доложены и обсуждены на 9 отечественных и 33 международных конференциях, симпозиумах и школах: на 5-ой Всесоюзной школе по физике поверхности (Карпаты, 1986), 6-8-ом Всесоюзных симпозиумах по ВЭЭ, ФЭЭ и СПТТ (Рязага., 1986; Ташкент, 1990; Рязань, 1996), 20-ой и 21-ой Всесоюзных конференциях по эмиссионной электронике (Киев, 1987; Ленинград, 1990), 18-ой и 24-30-ой Международных конференциях по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 1989, 1994-2000), 14-16-ой и 18-19-ой Европейских конференциях по изучению поверхности (ECOSS-14, Лейпциг, Германия, ,1594; ECOSS-15, Лилль, Франция, 1995; ECOSS-16, Генуя, Италия, 1996; ECOSS-18, Вена, Австрия, 1999; ECOSS-19, Мадрид, Испания, 2000), 13-ом и 14-ом Международных вакуумных конгрессах (13th 1VC, Иокогама, Япония, 1995; 14th IVC, Бирмингем, Великобритания, 1998), Международном семинаре по дифракции электронов и визуализации поверхности (Скотсдэйл, США, 1996), 5-ой и 6-ой Международных конференциях по структуре поверхности (ICOSS-5, Экс Прованс, Франция, 1996; ICOSS-6, Ванкувер, Канада, 1999), 9-ом
Европейском симпозиуме по молекулярно-лучевой эпитаксии (Оксфорд, Великобритания, 1997), 4-ой конференции северных стран по физике поверхности (Олесун, Норвегия, 1997), 1-ой и 2-ой Национальных конференциях по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов (Дубна-Москва, 1997; Москва, 1999), 7-ой и 8-ой Европейских конференциях по анализу поверхности и интерфейсов (ECASIA'97, Ґетеборг, Швеция; ECASIA'99, Севилья, Испания), 3-ем и 4-ом Международных симпозиумах по фуллеренам и атомным кластерам (С- Петербург, 1997 и 1999), Международных конференциях "Эмиссионная электроника, новые методы и технологии" (Ташкент, 1997 и 1999), 19-ом Международном семинаре по физике поверхности (Поланика-Здрой, Польша, 1998), 1-ом Международном симпозиуме по зарождению кластеров и нелинейным проблемам в фазовых переходах 1-го рода (С- Петербург, 1998), Международной конференции "Физика на пороге 21 века" (С- Петербург, 1998), 9-ой и 10-ой Международных конференциях по тонким пленкам и поверхности (ICSFS-9, Копенгаген, Дания, 1998; 1CSFS-10, Принстон, США, 2000), Международном симпозиуме по атомно-слоевой эпитаксии (Хельсинки, Финляндия, 1999), 24-ом Международном симпозиуме "Прогресс в физике поверхности и межфазовых границ" (Молена, Италия, 1999), Международном симпозиуме по кристаллографии поверхности (Нанси, Франция, 2000).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 86 печатных работ. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации 306 страниц, включая 189 страниц текста, 150 рисунков и таблиц, а также список литературы из 197 наименований.
