Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Исследование ближнего порядка в кристаллических твердых растворах вносит вклад в систему фундаментальных знаний о природе неупорядоченного состояния. Подобные знания позволяют с большей достоверностью объяснять уникальное сочетание их физических и химических свойств. За последние 10-15 лет не ослабевает интерес к кристаллическим сплавам Ge-Si и гетероструктурам на их основе— в первую очередь из-за того, что эти материалы обладают электронными свойствами, совершенно отличными от свойств чистых Ge и Si. Кристаллические сплавы Ge-Si в настоящее время широко используются в технологии высокоскоростных аналоговых устройств. Кроме того, в последнее десятилетие структурные исследования различных кристаллических твердых растворов методом EXAFS-спектроскопии показали, что классическое понимание структуры этих соединений нуждается в корректировке. Было выявлено, что в твердых растворах, в которых относительная разность параметров решетки, характерной для чистых элементов, входящих в соединение, около 4-5 %, данные EXAFS-спектроскопии не совпадают с данными по рентгеновской дифракции — имеются значительные локальные искажения структуры.
Основной проблемой в описании расположения атомов в бинарных соединениях с хорошей точностью является не только необходимость проведения качественных экспериментов, но и развитие методов обработки экспериментальных данных. В настоящей работе рассматривается новый экспериментальный метод исследования локальной атомной структуры — EXAFS-спектроскопия или спектроскопия протяженной тонкой структуры рентгеновских спектров поглощения. Стандартными методами получения структурной информации из EXAFS-спектров является метод Фурье-преобразования с использованием фильтрации исходных данных и последующей подгонки фильтрованных спектров при варьировании параметров модели. Такой метод отличается крайней неустойчивостью
задачи. Одним и тем же экспериментальным данным jj рік ё L&W ШКІЦІ Шли id Сас-
[МОРАЛЬНАЯ
| ЕНБЛНОТСКА
і *3%.9У/
J CtttTtpinr і/.
конечное число варьируемых параметров, причем совпадение рассчитанных спектров с исходными данными может быть сколь угодно точным.
Данные, получаемые после предварительной обработки EXAFS-спектров, связаны интегральными уравнениями с парциальными парными корреляционными функциями (ПКФ), описывающими локальную атомную структуру. Это приводит к необходимости решения обратных некорректных задач специальными методами, требующими модификации метода регуляризации применительно к задачам исследования.
Целью настоящей работы являлось изучение ближнего порядка в кристаллических твердых растворах Ge-Si методом EXAFS-спектроскопии.
В соответствии с поставленной целью, в работе решались следующие задачи:
Провести эксперименты по EXAFS-спектроскопии и соответствующую предварительную обработку экспериментальных данных для кристаллического германия.
Провести предварительную обработку спектров по полному выходу фотоэлектронов для образцов кристаллических твердых растворов Ge-Si. Разработать метод пробных функций в итерационном процессе решения обратных некорректных задач EXAFS-спектроскопии.
Разработать метод решения обратных некорректно поставленных задач по получению трех парциальных парных корреляционных функций по комбинированным данным EXAFS-спектров на двух К-краях поглощения. Получить парциальные парные корреляционные функции Ge-Ge, Ge-Si и Si-Si для кристаллических твердых растворов GeuSije, GejgSUi, Ge^Sive-
Научная новизна Предложен метод пробных функций в итерационном процессе решения обратных некорректных задач EXAFS-спектроскопии.
Предложен метод решения обратных некорректно поставленных задач по получению трех парциальных парных корреляционных функций по комбинированным данным EXAFS-спектров на двух К-краях поглощения.
Впервые на уровне парциальных парных корреляционных функций исследована локальная атомная структура кристаллических твердых растворов Gu^Si», GeasSiti, Ge^S^-
Научная и практическая ценность работы
Выполненная работа открывает возможность моделирования пространственного распределения атомов изученных кристаллических твердых растворов Ge-Si на основе достоверных парциальных парных корреляционных функций; оценки физических свойств исследуемых систем и прогнозирования свойств новых систем.
Разработаны, проверены с помощью модельных расчетов и реализованы применительно к эксперименту методики, позволяющие исследовать бинарные кристаллические твердые растворы по комбинированным данным EXAFS-спектроскопии.
Основные результаты и научные положения, выносимые на защиту:
Метод пробных функций в итерационном процессе решения обратных некорректных задач EXAFS-спектроскопии.
Метод определения трех парциальных парных корреляционных функций для бинарных соединений, основанный на решении системы двух интегральных уравнений для EXAFS-спектров на К-краях поглощения отдельных элементов.
Структурная информация о локальных искажениях решетки в кристаллических твердых растворах Ge-Si:
а) парциальные межатомные расстояния Ge-Ge и Si-Si в первой координа
ционной сфере различны и, в пределах ошибки не зависят от состава
сплава и практически совпадают с суммой ковалентных радиусов по По-
лингу;
б) парциальное межатомное расстояние Ge-Si имеет композиционную зави
симость;
в) в первой координационной сфере атомы Ge и Si распределены случай
ным образом;
г) средневзвешенные межатомные расстояния по данным EXAFS соответ-
. ствуют расстояниям, полученным из данных по рассеянию рентгеновских лучей (выполняется правило Вегарда), в пределах погрешностей эксперимента.
Апробация работы
Основные результаты, полученные при работе над диссертацией, докладывались и обсуждались на следующих национальных и международных конференциях: XII Российская конференция по использованию синхротронного излучения (СИ-98), г. Новосибирск, 1998 г.; III Российско-германский семинар по электронной и рентгеновской спектроскопии, г.Екатеринбург, 1999 г.; IV Российская конференция по физике полупроводников "Полупроводники-99", г. Новосибирск, 1999 г.; XIII Российская конференция по использованию синхротронного излучения (СИ-2000), г. Новосибирск, 2000 г.; международная конференция "Physics of Low-Dimensional Structures - ИГ, Черноголовка, 2001 г; 1-ая Российская конференция молодых ученых по физическому материаловедению, Калуга, 2001; III Национальная конференция по применению Рентгеновского, Синхротронного излучений, Нейтронов и Электронов для исследования материалов (РСНЭ - 2001), Москва, 2001; XIV Российская конференция по использованию синхротронного излучения (СИ-2002), г. Новосибирск, 2002 г; VI Корейский семинар по EXAFS-спектроскопии, г. Поханг, Ю. Корея, 2003 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ; список работ приводится в конце диссертации.
Личный вклад соискателя
Работа проводилась в Физико-техническом институте УрО РАН в соответствии с планами научно-исследовательских работ по теме "Исследование локальной атомной структуры двухкомпонентных систем на основе легких элементов" (№ гос.per. 01.9.90 002476).
Работа была выполнена под руководством д.ф.-м.н., профессора ЮА. Ба-банова (Институт физики металлов УрО РАН, г. Екатеринбург) и д.ф.-м.н., профессора Ю.В. Раца (Физико-технический институты УрО РАН). Напыление образцов пленок кристаллического Ge было выполнено сотрудниками кафедры фи-
зики конденсированного состояния УдГУ (г. Ижевск) Кобзиевым В.Ф., Крыловым П.Н. и сотрудником ФТИ УрО РАН Р.Г. Валеевым. Экспериментальные EXAFS-спектры на К-крае поглощения кристаллического Ge получены совместно с Р.Г. Валеевым. Программное обеспечение по применению пробных функций в итерационном процессе решения обратных некорректно поставленных задач EXAFS-спектроскопии, а также по решению обратных некорректно поставленных задач для бинарных систем по комбинированным EXAFS-данным было разработано совместно с Ю.А. Бабановым. Исправление спектров на неоднородность образцов по толщине проводилась по программе, разработанной Ю.А. Бабановым и А.В. Ряжкиным (ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург). Образцы кристаллических сплавов были приготовлены методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) в Институте микроструктур, Оттава, Канада (the National Research Council labs, Institute for Microstructural Sciences, Ottawa.). Эксперименты по полному выходу фотоэлектронов были проведены Дж. Обри, Т. Тилизжаком и А. Хичкоком с использованием синхротронного излучения. Экспериментальные данные были переданы автору диссертации для использования метода регуляризации при получении результатов. Для сравнения также использовался EXAFS-спектр кристаллического Ge, снятый А. Филлипони с использованием синхротронного излучения (Орсэ, Франция).. Автором лично
была проведена предварительная математическая обработка экспериментальных EXAFS-спектров и спектров по полному выходу фотоэлектронов для кристаллического германия, кристаллического кремния и твердых растворов Ge-Si;
были проведены модельные расчеты для кристаллического германия, кристаллического кремния и твердых растворов Ge-Si;
была проведена обработка экспериментальных спектров при решении обратных задач для кристаллического германия, кристаллического кремния и твердых растворов Ge-Si.
Структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Содержание диссертации изложено на 114 страницах, включая 41 рисунок и 7 таблиц! Библиографический список содержит 68 наименований.
