Введение к работе
Актуальность темы.
Между электронными свойствами поверхности и её химическим строениеи'существует фундаментальная связь, исследование которой является одной из важнейших задач физики поверхности. Очевидно, что эта связь сохраняется и при адсорбции чужеродных атомов, приводящей как к формированию новых химических связей, так и к изменению электронных свойств границы раїдела. В данной работе корреляция между химическими связями и электронными свойствами изучается для двух систем: Cs/GaAs(001) и S/GaAs(001).
Актуальность исследования системы Cs/GaAs(001) обусловлена,с одной стороны. применением этой системы для создания фотокатодов с отрицательным электронным сродством. С научной точки зрения, Cs/GaAs(001) является моделі юн системой в силу того, что атом цезия имеет только один валентный электрон и адсорбция проходит без образования кластеров. Несмотря иа интенсивное изучение системы Cs/GaAs(001) вопрос о природе формирующейся связи (ионная или ковалентная связь), остаётся отрытым, а ведь именно этот вопрос определяет главным образом проблему образования отрицательного электронного сродства.
Вторая исследуемая система, S/GaAs(001), появилась недавно в результате поиска путей улучшения электронных свойств поверхности GaAs(OOl). Несмотря на то, что система S/GaAs(001) обладает лучшими электронными характеристиками по сравнению с окисленной поверхностью GaAs, в настоящий момент остаётся открытым вопрос о том, какие именно химические связи ответственны за улучшение её электронных свойств. Ответ на этот вопрос можно получить только при одновременном изучении электронных свойств и химії іескіїх связей на границе раздела-. Очевидно, что при этом должна прояснитьсг. природа пассивации.
Для изучение границ раздела большое значение имеет применение неразрушающих и бесконтактных методик. В работе в основном применяются оптические методики, обладающие такими свойствами и, в то же время,, обладающими высокой чувствительностью.
Цель дашіоії рабшш состояла в экспериментальном изучении корреляции между электронными характеристиками и химическими связями и двух следующих системах: S/GaAs и Cs/GaAs.
Для выполнения поставленной цели в работе предполагалось:
получение и интерпретация детальных спектров анизотропии отражения чистой поверхности GaAs(OOl) для различных реконструкций. Для этого исследуется поверхность, полученная с помощью термической десорбции защитной плёнки мышьяка. Спектры от такой поверхности, содержащие переходы между собственными поверхностными состояниями, могут служить эталоном для дальнейших исследований поверхностей, различного качества.
исследование in situ процесса пассивации поверхности GaAs(OOi) в сульфпдосодержащих водных растворах. Эта задача состоит в изучении влияния процесса пассивации на спектры анизотропного отражения, идентификации новых спектральных особенностей, выяснении химического механизма, ответственного за их появление.
исследование корреляции между электронными свойствами и химическими связями поверхности GaAs(OOl). пассивированной в водных растворах сульфидов - системы S/GaAs'(001). Эта задача может быть решена исследованием в высоковакуумных условиях влияния десорбции пассивирующего покрытия и разрыва связей на плотность поверхностных состояний в запрещённой зоне; установлением химической связи, которая ответственна за уменьшение плотности этих состояний.
- исследование процесса адсорбции цезия на поверхность GaAs(OOl).
Составными частями данной задачи являются: изучение влияния адсорбции на
поверхностные оптические переходы, определение кинетики формирования
приповерхностного энергетического барьера в процессе адсорбции; выяснение
механизма связывания Cs-GaAs.
Научная новизна работы.
1) Методом анизотропного отражения исследован in situ процесс
пассивации GaAs(OOl) в водном растворе Ns2S*9H20. Обнаружены
оптические проявления образования пассивирующего слоя, показана
фоточувствительность поверхностных связей As-S. Впервые обнаружены
димеры мышьяка на поверхности, погруженной в сульфидный растБор.
2) Исследована корреляция между химическими связями и
электронными свойствами системы S/GaAs(001). Экспериментально показано,
что разрыв связей с поверхностным мышьяком приводит к уменьшению
плотности состоянчй в запрещённой зоне. Установлено, что за улучшение
электронных свойств границы раздела S/GaAs(001) ответственна связь,
формирующаяся в процессе пассивации связь Ga-S.
3) С помощью оптических методов исследована адсорбция цезия на
поверхность GaAs(OOl). Обнаружено, что адсорбция цезия модифицирует
5 параметры оптических переходов в днмерах галлия и практически не возмущает оптические переходы днмерах мышьяка.
Основные экспериментальные результаты, приведенные в заключении автореферата, получены впервые. Шулиая и дрлктдчшшя зла.1шмо1ь рабшщ.
1) Определена причина улучшения электронных свойств
пассивированной в сульфидных растворах поверхности GaA.s(OOl), состоящая
в замене связен Ga-О на Ga-S. Этот результат может быть использован для
развития и совершенствования методики пассивации.
2) Впервые обнаружена фоточувствительность связи As-S на
пассивированных поверхностях. Обнаружение этого явления способствует
пониманию особенностей формирования химических связей на поверхности,
объясняет результаты многочисленных фотоэмиссионных исследований
химического состава пассивированных поверхностей GaAs(OOl).
3) Обнаружено, что адсорбция цезия в целом (особенно на начальном
этапе) слабо возмущает поверхностные димеры, что, в принципе, показывает,
что на начальном этапе адсорбции цезия не образуется химических связей
с димерами,являющимися базовыми элементами основных реконструкций
поверхности (001).
4) Одновременное применение методик анизотропного отражения,
фотоотражения и фотолюминесценции позволяет исследовать химические
связи и электронные свойства фаницы раздела чужеродные атомы /
поверхность GaAs(OOl).
Ошошше шшожелья, наносимые на зашшу;
-
Методика анизотропного отражения может быть использована как оптический тест разрыва и формирования химических связей на поверхности GaAs(OOl).
-
Химические связи с участием мышьяка на поверхности GaAs(OOI), пассивированной в водных сульфидных растворах, могут быть разрушены облучением светом с энергией кчантов больше ширины запрещённой зоны GaAs. Разрушение такой связи под пассивирующем покрытием приводит к образованию димеров мышьяка, обнаруживаемых обычно только на атомарно-чистой поверхности в сверхвысоком вакууме.
-
Уменьшение плотности состояний в запрещённой зоне GaAs при обработке поверхности в сульфидном растворе связано с образованием химических связен Ga-S. Разрыв химических связей с поверхностным мышьяком также улучшает электронные свойства поверхности Ga\s{00n.
4) Адсорбция цезия на атомарно-чистую поверхность GaAs(OOI)
возмущает (меняет энергию и силу осциллятора) только переходы в димерах
таллия. Адсорбция цезия не влияет на оптические переходы в днмерах
мышьяка.
5) Оптические исследования позволяют отличить две неэквивалентные
фазы адсорбции цезия на поверхность GaAs(OOl). На первой фазе (до 0.5
монослоя) адсорбция приводит к уменьшению энергии оптических переходов в
димерах галлия. При больших покрытиях амплитуда линии димеров галлия
уменьшается при постоянной энергии оптических переходов.
Алребашш работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 14-ой Европейской конференции по физике поверхности (ECOSS-14, Leipzig, 1994), на 5-ой международной конференции по формированию границ раздела (ICFSI-5, Princeton, 1995), на II международной конференции по физике низкоразмерных структур (PLDS-2, Черноголовка, 1995), на научных семинарах в Эколь Политекник (Франция) и в ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Она содержит 136 страниц машинописного текста, 31 рисунок на 31 странице. Список цитируемой литературы содержит 102 наименования.
