Содержание к диссертации
Введение 5
1. Исследования поверхности сплавов металл - элементарный
полупроводник методами ЭОС, ДМЭ и СХПЭЭ 10
-
Поверхностная сегрегация и ее ориентационная зависимость 10
-
Кинетика поверхностной сегрегации 12
-
Электронные свойства поверхности 19
-
Поверхностные фазы 23
Выводы из 1 главы 29
2. Аппаратура и методика исследования поверхности сплавов Cu-Ge 36
-
Электронный спектрометр для комплексного исследования поверхности твердых тел 36
-
Образцы монокристаллов Cu-Ge 40
2.2.1. Диаграмма состояния системы Cu-Ge 41
2.3. Методика исследований 44
-
Подготовка атомарно-чистой поверхности 44
-
Запись спектров Оже и ХПЭЭ 45
2.3.3i Учет матричных эффектов 46
-
Равновесные условия 47
-
Кинетические кривые 47
-
Методика регистрации картин ДМЭ 48
Выводы из 2 главы 48
3. Экспериментальное изучение сегрегации и реконструкции
поверхности в сплавах Cu-Ge ,. 50
3.1. Температурная и ориентационная зависимости состава
поверхности сплавов Cu-Ge 50
3.1.1.Грань (111) сплава Си-2 ат. % Ge 51
-
Грани (110), (111) и (100) сплава Си-6 ат. % Ge 52
-
Толщина обогащенного слоя.... 55
-
Поликристаллический сплав CuojsGe0,25 58
3.1.5f Коэффициент распределения германия 59
3.2. Упорядоченные структуры на поверхности сплавов Cu-Ge и
концентрационные интервалы их стабильности ;60
3.2.1. (11 \)Си-в ат. % Ge 60
3.2.2.(100)См-6 aT.%Ge 61
-
(U0)Cu-6aT.%Ge 63
-
(lll)Cw-2aT.%Ge 64
3.3. Влияние сегрегации на реконструкцию поверхности 65
Выводы из 3 главы 70
4. Исследование поверхности сплавов Cu-Ge методом СХПЭЭ 73
4.1. Характеристические потери энергии для грани (111)
чистых Си и Ge 74
4.2. Характеристические потери энергии для сингулярных граней
сплавов Cu-Ge 77
4.2.1. Интерпретация пиков ХПЭ для сплава Си-6 ат. % Ge 77
4.3. Температурная и ориентационная зависимости
характеристических потерь энергии для сплавов Cu-Ge 84
-
Сингулярные грани сплава Си-6 ат. % Ge 84
-
Сплав (111)Си-2 ат. % Ge 93
4.3.Зі Поликристаллический сплав Cu^Ge^ 97
4.4. Расчет электронной концентрации для поверхности
сплавов Cu-Ge по данным СХПЭЭ 102
4.4.1.Сплав(111)Си-2ат./ое 102
4.4.2. Сингулярные грани сплава Си-6 ат. % Ge 105
4.5. Распределение германия в приповерхностной области
сплава Cu-Ge по данным СХПЭЭ 107
4.6. Химические превращения на поверхности и их влияние
на характер сегрегации в сплавах Cu-Ge Ill
Выводы из 4 главы 113
5. Исследование кинетики поверхностной сегрегации
в монокристаллах Cu-Ge методами ЭОС и СХПЭЭ 116
5.1. Измерение временной зависимости поверхностного
состава методом ЭОС 116
5.2. Коэффициенты диффузии и энергия активации сегрегации
в сплавах Cu-Ge 121
-
Электронные свойства поверхности и их временная зависимость при изотермическом отжиге 126
-
Кинетика формирования германидов меди на сингулярных гранях сплава Си-6 ат. % Ge 130
Выводы из 5 главы 131
Выводы 133
Литература 135
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
ЭОС - электронная оже-спектроскопия ДМЭ - дифракция медленных электронов
СХПЭЭ - спектроскопия характеристических потерь энергии электронов
СОРИНЭ - спектроскопия обратно рассеянных ионов низкой энергии РФЭС - рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия ВИМС - вторично-ионная масс-спектрометрия АСМ -< атомно-силовая микроскопия СТМ - сканирующая туннельная микроскопия Ер - энергия первичных электронов, падающих на образец 1Р — ток первичных электронов, падающих на образец ХСе - концентрация германия в объеме сплава
Хде - концентрация германия на поверхностности сплава Хе(Т) - температурная зависимость поверхностной концентрации германия
k=X(Qe /Хсе - коэффициент распределения германия Хсе(0 - зависимость поверхностной концентрации германия от времени отжига
Ьсо^е - энергия поверхностного плазмона германия bcoGpe - энергия объемного плазмона германия Тко^" - энергия поверхностного плазмона меди Ьсосри - энергия объемного плазмона меди
* 2D
псо - энергия плазмона поверхностного интерметаллида меди
Введение к работе
Актуальность темы
Поверхностная сегрегация в бинарных и многокомпонентных сплавах приводит к избирательной концентрации на поверхности отдельных компонентов, что сопровождается изменением многих свойств материалов. Знание поверхностных характеристик необходимо для решения широкого круга фундаментальных и прикладных задач, в частности, для определения работы адгезии, поиска эффективных модификаторов структур, разработки композиционных материалов и т.д. Эти данные позволяют выбирать виды и режимы воздействия на материалы для целенаправленного изменения их свойств и предсказывать изменения этих свойств со временем.
Для исследования физико-химических процессов в наноразмерных слоях на поверхности сплавов более всего подходят неразрушающие методы электронной оже-спектроскопии (ЭОС), спектроскопии характеристических потерь энергии электронов (СХПЭЭ) и дифракции медленных электронов (ДМЭ), позволяющие получать информацию на атомно-электронном уровне.
Интерес к изучению сплавов на основе меди обусловлен их важным технологическим значением. Особенно перспективны в этом отношении ультратонкие пленки на основе сплавов Cu-Ge, технологические свойства которых значительно улучшаются при взаимодействии компонентов с образованием германидов меди. Исследования последних лет в этом направлении привели к разработке новых низкорезистивных омических контактов к арсениду галлия и кремнию, систем металлизации высокотемпературных сверхпроводников, высокоадгезионных слоев и пассивирующих покрытий. Перераспределение компонентов и образование интерметаллидов в напыленных сплавах происходит в процессе отжига при формировании контактов, когда химический состав свободной и межфазных границ задается тер-мостимулированной сегрегацией. Изучение этих процессов "в чистом виде" на поверхностях с хорошо определенной кристаллографической ориентацией позволяет прояснить механизмы формирования полезных свойств медно-германиевых сплавов.
Цель работы
Цель настоящей работы состоит в получении новых данных о составе, структуре и электронных свойствах наноразмерных слоев на поверхности медно-германиевых сплавов в моно- и поликристаллическом состояниях, а также о влиянии на сегрегацию температуры, объемного состава, кристаллографической ориентации грани и поверхностных фазовых превращений методами электронной спектроскопии и дифракции медленных электронов. Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:
Модернизация и улучшение эксплуатационных характеристик электронного спектрометра для комплексного анализа наноразмерных поверхностных слоев методами низкоэнергетической электронной спектро- " скопии и дифракции медленных электронов.
Комплексное экспериментальное исследование методами ЭОС,. СХПЭЭ и ДМЭ состава, структуры и электронных свойств наноразмерных слоев, формирующихся в процессе термостимулированной сегрегации на поверхности медно-германиевых моно- и поликристаллов.
Исследование диффузионных процессов и кинетики формирования наноразмерных слоев на поверхности медно-германиевых сплавов.
Выяснение закономерностей физико-химических процессов, протекающих в наноразмерных слоях на поверхности сплавов Cu-Ge.
Научная новизна
В ходе выполнения работы получены следующие результаты, обладающие признаками научной новизны:
1. Впервые получены экспериментальные данные о составе, структуре и электронных свойствах наноразмерных слоев, формирующихся в про- цессе термостимулированной сегрегации на сингулярных гранях а-твердых растворов медь-германий с 2 и 6 ат. % Ge в объеме, а также о составе и электронных свойствах поверхности поликристаллического герма-нида меди Cu3Ge.
Экспериментально определены диффузионные характеристики и их температурная и ориентационная зависимости для приповерхностной области сингулярных граней а-твердого раствора медь-германий с 6 ат. % Ge в объеме.
Обнаружены двумерные германиды меди различного состава на поверхности медно-германиевых сплавов и определены кинетика и условия их формирования.
Установлено существование взаимосвязи поверхностной сегрегации и структурно-фазовых переходов в поверхностном слое медно-германиевых сплавов.
Практическая ценность работы
Данные о составе, атомно-электронной структуре и фазовых переходах в наноразмерных слоях, формирующихся при поверхностной сегрега- , ции, могут представлять интерес для наноэлектроники, нанотехнологии и создания наноматериалов. Новые данные о закономерностях поверхностной сегрегации могут быть использованы для построения теоретических моделей поверхности твердого тела.
Усовершенствованный электронный спектрометр применяется при выполнении научно-исследовательских работ и в учебном процессе на факультете микроэлектроники и компьютерных технологий Кабардино-Балкарского госуниверситета, в том числе в лабораторном практикуме, в научно-исследовательской работе аспирантов и магистрантов, а также при выполнении курсовых и выпускных квалификационных работ специалистов и магистров. Результаты исследований используются в курсе лекций по предмету «Методы анализа материалов и структур электроники».
На защиту выносятся:
Модернизация и улучшение эксплуатационных характеристик электронного спектрометра для комплексного анализа наноразмерных поверхностных слоев методами ЭОС, СХПЭЭ и ДМЭ.
Результаты экспериментального изучения состава, структуры и электронных свойств наноразмерных слоев, формирующихся в процессе термостимулированной сегрегации на сингулярных гранях ос-твердых растворов медь-германий с 2 и 6 ат. % Ge в объеме, а также состава и электронных свойств поверхности поликристаллического германида меди СщЄе.
Диффузионные характеристики и их температурная и ориентаци-онная зависимости для сингулярных граней а-твердого раствора медь-германий с 6 ат. % Ge в объеме.
Образование двумерных германидов меди различного состава на поверхности медно-германиевых сплавов, кинетика и условия их формирования.
Взаимовлияние сегрегации и структурно-фазовых переходов в поверхностном слое медно-германиевых сплавов.
Личный вклад автора
Диссертантом модернизирован электронный спектрометр, приготовлены образцы моно- и поликристаллических сплавов медь-германий и самостоятельно проведены все измерения методами ЭОС, СХПЭЭ и ДМЭ. В опубликованных статьях соавторам принадлежат примерно равные доли творческого участия. Выводы, сделанные в настоящей работе, принадлежат автору.
Апробация результатов
Основные результаты, полученные в работе, докладывались и обсуждались на следующих региональных всесоюзных, и международных научных конференциях: XX Всесоюзная конференция по эмиссионной элек- тронике (Киев, 1987); IV Всесоюзная конференция по взаимодействию излучения с твердым телом (The IV-th ALL-Union Conference on Interaction of Radiation with Solids, Москва, 1990); XI Всесоюзная конференция «Поверхностные явления в расплавах и технология новых материалов» (Киев, 11-13 июня 1991 г.); Всесоюзная научная конференция «Физика межфазных явлений и процессов взаимодействия потоков энергии с твердыми телами» (Нальчик, 1995); Региональная научная конференция, посвященная 85-летию С.Н. Задумкина «Физика межфазных явлений и процессов взаимодействия потоков частиц с твердыми телами» (Нальчик, 1998); Региональная конференция "Вакуумная электроника на Северном Кавказе" (Нальчик, 2001); Международный семинар «Теплофизические свойства вещества» (Нальчик, 2001); V Международная конференция «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск-Ставрополь, 2005).
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 8 статьях и тезисах 3 конференций, а также защищены 4 авторскими свидетельствами на изобретение.
Благодарности
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю профессору Шебзухову А.А. за постоянное внимание и интерес к данной работе, кандидату физико-математических наук Журтову З.М. за помощь при экспериментальных исследованиях, профессору Кармокову A.M. и доценту Гаеву Д.С. за полезные обсуждения и конструктивную критику. Особую благодарность автор выражает доценту Молоканову О.А. за неоценимую помощь при подготовке и оформлении диссертации.
