Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные методы контроля состояния и свойств поверхности 20
1.1. Импульсные методы исследования поверхности веществ 23
1.2. Методы исследования и контроля параметров веществ, находящихся в магнитном поле 40
Глава 2. Методика определения и контроля динамических характеристик электронных поверхностных состояний по сигналам резонансной циклотронной индукции 48
2.1. Электронные состояния в твердых телах 49
2.2. Методика исследования и контроля поверхностных энергетических уровней металлов и полупроводников по сигналам резонансной циклотронной индукции 53
2.3. Особенности проведения экспериментальных исследований параметров веществ по сигналам циклотронной индукции 58
2.4. Исследование и контроль динамических характеристик полупроводниковых и металлических материалов по сигналам резонансной циклотронной индукции 61
Глава 3. СВЧ спектрометр для неразрушающего контроля электронных поверхностных состояний 64
3.1. Магнетронный генератор коротких СВЧ импульсов с частотой заполнения 9380 МГц и генератор СВЧ импульсов малой мощности на диоде Ганна 70
3.2. Генератор импульсных последовательностей 73
3.3. Интегратор с временным селектированием сигнала циклотронной индукции 78
3.4. Аппаратурное обеспечение метода исследования 80
3.5. Технические характеристики СВЧ спектрометра 81
Глава 4. Проведение измерений и анализ полученных результатов 85
4.1 Достижение пороговой и оптимальной мощности для двух надповерхностных уровней 99
Заключение 103
Библиографический список использованной литературы 105
- Методы исследования и контроля параметров веществ, находящихся в магнитном поле
- Методика исследования и контроля поверхностных энергетических уровней металлов и полупроводников по сигналам резонансной циклотронной индукции
- Генератор импульсных последовательностей
- Достижение пороговой и оптимальной мощности для двух надповерхностных уровней
Введение к работе
Актуальность работы
Эффективность работы полупроводниковых и электровакуумных приборов в значительной степени определяется энергетической структурой электронных поверхностных состояний применяемых в них металлов и полупроводников. Неустойчивость и неконтролируемые изменения свойств поверхности с температурой и под влиянием окружающей среды вызывают нестабильность и отказы в их работе. Этими обстоятельствами обусловлена необходимость разработки принципиально новых методов неразрушающего контроля и исследования поверхности.
Поверхность занимает лишь очень малую часть массивного тела и ее почти невозможно получить в чистом виде, необходимом для изучения средствами экспериментальной физики. Поэтому традиционно поверхности твердых тел исследовались химическими методами. И лишь к середине 60-х годов прошлого века поверхность стала изучаться физическими методами. Основной целью таких исследований было получение информации о том, как на поверхности расположены атомы и как ведут себя поверхностные электроны. Ответы на эти вопросы дает изучение атомарно - чистых поверхностей, которые сохраняются только в сверхвысоком вакууме. В вакууме, соответствующем давлению 10"6 мм ртутного столба, требуется всего около секунды, чтобы чистая поверхность покрылась слоем чужеродных веществ толщиною в один атом (такую пленку называют монослоем). Чтобы исследовать электронную структуру поверхности требуется вакуум не хуже, чем 10"10 * 10"11 мм ртутного столба. Прогресс в создании и совершенствовании методов исследования поверхности был обусловлен бурным развитием твердотельной электроники. Встала конкретная задача, как на поверхности полупроводникового материала разместить как можно больше элементов
электронных схем, и сделать сложные электронные устройства более компактными. Сегодня с помощью разработанных технологий на одном квадратном миллиметре кремниевого кристалла формируется несколько миллионов элементов - транзисторов, конденсаторов, сопротивлений. Размеры отдельных элементов стали меньше микрона.
По мере того, как элементы твердотельной электроники становились все миниатюрнее, отношение поверхности полупроводникового кристалла к его объему быстро возрастало. Поэтому поверхность чипа, а не его объем стала играть определяющую роль и при выполнении им логических функций, и при взаимодействии с другими элементами.
Уже одной этой технологической причины было бы достаточно для специальных исследований поверхности твердых тел. Но поверхность представляет интерес и с точки зрения фундаментальной физики. Дело в том, что атомы поверхностных слоев твердого тела находятся в особых условиях по сравнению с атомами внутри него, то есть в объеме. Эти особые условия связаны с нарушением в одном из направлений строгой периодичности кристаллической решетки, с обрывом трансляционной симметрии кристалла. Электроны, движущиеся вблизи поверхности, реагируют на этот обрыв, и поэтому поведение электронов на поверхности твердого тела совсем не такое, как в его объеме. С точки зрения электронных свойств, приповерхностная область твердого тела - это особое состояние вещества. Атомная структура кристалла, то есть расположение и свойства его решеточных слоев, вблизи поверхности тоже совершенно иное, чем в объеме. По существу, поверхность твердого тела и его объем - две разные формы одного и того же вещества. Поэтому физика поверхности стала новой областью науки о строении вещества в конденсированном состоянии.
С чисто физической точки зрения изучение поверхности представляется принципиально важным. Поверхность - двумерная
система, и не только ее структура, но и многие явления выглядят на ней совсем не так, как в объеме. Имеются и такие, для которых вообще не существует трехмерных аналогов, например, квантовый эффект Холла, вызвавший исключительный интерес со стороны как фундаментальной, так и прикладной физики. В безграничной кристаллической решетке спектр энергии электрона состоит из чередующихся непрерывных полос или зон, которые разделены «запрещенными» участками. Размытие энергетических уровней отдельных атомов в непрерывные зоны связано с коллективизацией электронов в решетке: при объединении атомов в кристалл электроны начинают переходить от одного атома к другому, и энергетический спектр такого делокализованного электрона в пределах разрешенной зоны близок к непрерывному. «Полосатая» структура спектра с необходимостью вытекает из периодичности в расположении атомов кристалла дальнего порядка. Если кристалл ограничен поверхностью, то периодичность решетки нарушается (по крайней мере, в направлении, перпендикулярном к поверхности). При этом оказываются разрешенными и такие значения энергии, которые попадают в запрещенные зоны. Это таммовские поверхностные уровни. Электрон в таммовском состоянии может свободно двигаться вдоль поверхности, но не способен ни уйти в глубь твердого тела, ни выйти из тела наружу. Электроны как бы прилипают к поверхности. Такое поведение электронов в поверхностных состояниях описывается волновой функцией, экспоненциально спадающей в глубь кристалла. Чтобы оказаться в вакууме, электрону необходимо преодолеть потенциальный барьер. Поверхностные состояния образуются не только на границе между твердым телом и вакуумом. Поверхность раздела может быть внутренней, например, разграничивающей два разных полупроводниковых кристалла. Такую поверхность стали называть гетеропереходом, а пару разделяемых ею полупроводников -гетероструктурой. Гетероструктуры находят все более широкое
применение в современных электронных и оптических приборах. На внутренней поверхности раздела в гетероструктуре электрон может быть заперт с двух сторон брэгговскими отражениями, если его энергия попадает одновременно в запрещенные зоны обоих кристаллов. Повышенный интерес исследователей к поверхностным электронным состояниям был связан не только со стремлением к пониманию физики поверхностных явлений, но и насущными технологическими нуждами.
Разработка новых методов исследования электронных поверхностных состояний тесно связана с созданием новых полупроводниковых материалов для твердотельной электроники. Дело в том, что поверхностные уровни работают как центры рекомбинации электронов и дырок, уменьшая тем самым число носителей тока и ухудшая технические характеристики диодов, транзисторов, солнечных элементов и других полупроводниковых приборов. Лишь в самое последнее время были развиты количественные методы спектроскопии поверхностных электронных состояний, позволившие получать надежную информацию о многих физических и химических явлениях на поверхности твердых тел.
В настоящее время наиболее распространенными методами исследования электронных поверхностных состояний твердых тел являются дифракция низкоэнергетических электронов и угловая фотоэлектронная (прямая и обратная) спектроскопия. Дифракция медленных электронов (ДМЭ) основана на фундаментальном свойстве материи - волновом характере движения частиц. Этот метод служит аналогом рентгеноструктурного анализа, применяемого для исследования кристаллической структуры в объеме вещества. Электронные волны способны интерферировать на периодически расположенных атомах кристалла точно так же, как, например, свет на дифракционной решетке. Наиболее удобно экспериментировать с такими электронами, длина волны
которых примерно совпадает с периодом кристаллической решетки. В результате интерференции волны, расходящиеся от разных атомов, в некоторых направлениях усиливают друг друга, в других - ослабляют. Усиление электронных волн, рассеянных различными атомами, наблюдается тогда, когда на их разности хода укладывается целое число длин волн. Для таких направлений «колебания» в волнах де Бройля совершаются в фазе, и на регистрирующем экране появляются яркие пятна, которые характеризуют взаимное расположение атомов в кристаллической решетке. При дифракции на кристалле электроны малых энергий способны проникать лишь в поверхностные слои, и поэтому дифракция таких электронов на регулярно расположенных атомах позволяет получать сведения о структуре поверхности. Изменение поверхностной структуры находит отражение в характере дифракционной картины, в яркости, расположении и числе дифракционных пятен. Это позволяет использовать дифракцию медленных электронов как чувствительный метод наблюдения поверхностных структурных превращений.
В методе угловой фотоэлектронной спектроскопии (УФС) на поверхность падает ультрафиолетовое излучение, и исследуются эмитированные фотоэлектроны. Основной переменной является длина волны ультрафиолетового излучения, две другие переменные - угол падения и поляризация света. В процессе измерений регистрируется энергетический спектр эмитированных фотоэлектронов, а в некоторых экспериментах также их угловое распределение.
Для появления фотоэлектронов должна быть обеспечена возможность электронного перехода с некоторого заполненного энергетического уровня на уровень, находящийся выше уровня свободного электрона. При этом измеренное распределение фотоэлектронов по энергиям отражает плотность заполненных энергетических уровней как
объемных, так и поверхностных. Метод УФС применяется при исследовании поверхностных состояний, связанных с взаимодействием в системе адсорбат - твердое тело, и позволяет получить ценную информацию о хемосорбции. Важным преимуществом метода является малое возмущение поверхности (практически неразрушающий метод диагностики). Приблизительная глубина составляет 5 нм.
Однако, рассмотренные методы не позволяют определять времена фазовой релаксации и времена жизни электронов на поверхностных уровнях, т.е. исследовать динамические характеристики электронных поверхностных состояний. Это обстоятельство обусловило актуальность разработки радиоспектроскопического метода, основанного на явлении циклотронной индукции и позволившего кроме исследования энергетической структуры, доступной методам ДМЭ и УФС, определять времена фазовой когерентности и времена жизни электронных поверхностных состояний металлов и полупроводников.
Цель работы.
Основной целью диссертационной работы являлась разработка радиоспектроскопического метода, позволяющего производить неразрушающий контроль энергетической структуры и динамических характеристик электронных поверхностных состояний вакуумированных образцов металлов и полупроводников, находящихся в импульсных электромагнитных полях СВЧ диапазона.
Для достижения поставленной цели было необходимо:
1. Провести обзор и сравнительный анализ современных
экспериментальных методов исследования электронных поверхностных
состояний твердых тел.
Изучить основные особенности явления резонансной циклотронной индукции и провести исследование возможностей использования данного явления для неразрушающего контроля электронных поверхностных состояний вакуумированных поверхностей металлов и полупроводников.
Разработать экспериментальный метод, позволяющий контролировать и определять времена жизни электронных поверхностных состояний вакуумированных образцов металлов и полупроводников.
4. Для реализации предложенного метода разработать СВЧ
спектрометр, позволяющий исследовать и контролировать динамические
характеристики электронных поверхностных состояний.
Идея работы.
Явление резонансной циклотронной индукции, впервые обнаруженное в Казанском физико - техническом институте, положено в основу предлагаемого нами метода. Для возбуждения индукции вакуумированные образцы металлов или полупроводников помещались в максимум электрической компоненты объемного резонатора и подвергались воздействию СВЧ импульсов с частотой заполнения 9380 МГц. Величина постоянного магнитного поля выбиралась такой, чтобы частота заполнения СВЧ импульсов совпадала с циклотронной частотой электронов на поверхностных уровнях. После СВЧ импульсов исследуемый образец генерировал сигнал циклотронной индукции на той же частоте, что и частота заполнения возбуждающих СВЧ импульсов. Однако, в этих экспериментах спад сигнала циклотронной индукции характеризует лишь время фазовой когерентности электронов.
Нами разработана экспериментальная методика определения времени жизни электронных поверхностных состояний, основанная на поглощении СВЧ импульса той же частоты, что и импульс, возбуждающий
циклотронную индукцию, но на несколько порядков ниже по мощности. Для этого в исследуемом образце возбуждалась циклотронная индукция. Сразу после окончания индукции в резонатор с образцом подавался СВЧ импульс малой мощности. При прохождении постоянным магнитным полем значения, при котором возникала индукция, наблюдалось резонансное поглощение слабого СВЧ импульса. Поглощение СВЧ импульса свидетельствовало о наличии электронных поверхностных состояний, оставшихся после окончания спада циклотронной индукции. С увеличением временного интервала между окончанием спада индукции и слабым СВЧ импульсом, его поглощение убывало. По зависимости амплитуды слабого СВЧ импульса от временного интервала определялось время жизни электронных поверхностных состояний.
Научная новизна.
Разработан новый метод неразрушающего контроля времени жизни электронов на поверхностных уровнях, заключающийся в воздействии на образец, помещенный в объемный резонатор, парой импульсов - мощным импульсом резонансной частоты, возбуждающим циклотронную индукцию, и слабым импульсом той же резонансной частоты и определении времени жизни электронных поверхностных состояний по зависимости поглощения дополнительного слабого СВЧ импульса от временного интервала в паре: возбуждающий индукцию мощный СВЧ импульс - слабый дополнительный импульс.
Разработан и создан импульсный СВЧ спектрометр, основное отличие которого от других в том, что он позволяет проводить неразрушающий контроль по результатам измерений как СВЧ сигнала, излучаемого поверхностью исследуемого вещества, так и временной зависимости поглощения тем же веществом слабого СВЧ импульса в условиях циклотронного резонанса.
Практическая ценность.
Предложенный метод может быть использован в промышленности при разработке и контроле параметров новых материалов для твердотельной электроники и электровакуумных приборов, а так же в физических исследованиях.
Разработан и создан импульсный СВЧ спектрометр, позволяющий реализовать предложенный метод неразрушающего контроля и измерения динамических характеристик электронных поверхностных состояний металлов и полупроводников.
Кроме применения предложенного метода в промышленности и в физических исследованиях, данное явление можно использовать в устройствах обработки информации, а также в устройствах для настройки и контроля постоянства энергетического потенциала импульсных СВЧ спектрометров и приємно - передающих устройств.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Разработанный радиоспектроскопический метод неразрушающего
контроля вакуумированных поверхностей металлов и полупроводников и
основанный на явлении циклотронной индукции отличается от известных
методов возможностью определения времени жизни электронов в
поверхностных состояниях по зависимости поглощения дополнительного
слабого СВЧ импульса от временного интервала в паре: возбуждающий
индукцию мощный СВЧ импульс - слабый дополнительный СВЧ импульс.
Показано, что длительность спада сигнала резонансной циклотронной индукции определяется временем фазовой релаксации электронных поверхностных состояний металлов и полупроводников.
Установлено, что время жизни электронных поверхностных состояний металлов и полупроводников определяется временной зависимостью поглощения слабого СВЧ импульса.
4. Показано, что разработанный импульсный СВЧ спектрометр отличается от известных возможностью наблюдения как сигнала, излучаемого поверхностью исследуемого вещества, так и резонансного поглощения, дополнительного СВЧ импульса.
Личный вклад.
Основные результаты получены либо лично автором, либо при его прямом участии.
Автором разработаны блок схемы и принципиальные электрические схемы импульсного спектрометра, а также разработана и создана компактная магнитная система.
При участии автора разработана методика проведения эксперимента и проведены контрольные измерения, подтверждающие возможность использования предложенного метода для определения динамических характеристик электронных поверхностных состояний вакуумированных образцов металлов и полупроводников.
Апробация результатов.
Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались на XV Всероссийской межвузовской научно -технической конференции "Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий" (Казань. КФМВАУ, 2003); итоговой научной конференции Казанского университета (Казань. КГУ, 2003); X Ежегодной международной научно - технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (Москва. МЭИ, 2003); III Всесоюзной молодежной научно-технической конференции (Нижний Новгород, 2004); VII аспирантско - магистерском
научном семинаре КГЭУ (Казань. КГЭУ, 2004); International conference Nanoscale properties of condensed matter probed by resonance phenomena (Kazan, 2004); Международной конференции по проблемам информатизации в третьем тысячелетии (Казань, 2004); VIII аспирантско -магистерском научном семинаре (Казань. КГЭУ, 2005); IX Международной молодежной научной конференции «Актуальные проблемы магнитного резонанса и его приложений» (Казань. КГУ, 2005); VI Международном симпозиуме «Ресурсоэффективность и энергосбережение» (Казань, 2005); Международной научно - технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (Москва. МЭИ, 2006); IX аспирантско - магистерском научном семинаре КГЭУ (Казань. КГЭУ, 2006); XVIII Всероссийской межвузовской научно - технической конференции "Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий" (Казань. КФМВАУ, 2005).
Публикации.
Всего по теме диссертации в трудах Всероссийских, Международных и региональных конференций, а также в центральной печати опубликовано 14 научных работ.
Краткое содержание работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.
Во введении дана общая характеристика работы. Раскрыта ее актуальность, сформулированы цель работы и основные положения, выносимые на защиту, обоснована научная новизна, научная и практическая значимость диссертационной работы.
В первой главе рассмотрена актуальность экспериментальных исследований электронных поверхностных состояний металлов и полупроводников и проведен обзор известных методов исследовании электронной структуры поверхности. Проведен сравнительный анализ различных методов изучения поверхности, причем, основное внимание уделено дифракции медленных электронов и угловой фотоэлектронной спектроскопии.
Это обусловлено тем, что в методе ДМЭ энергия электронов, облучающих образец, лежит в пределах 1(Н100 эВ. Эта энергия сравнима по абсолютной величине с энергией внешних оболочек атомов. По этой причине медленные электроны сильно взаимодействуют с веществом и
средняя длина свободного пробега составляет всего 5+10 А. Этим обусловлена возможность изучения приповерхностного слоя твердых тел. Метод УФС также дает возможность изучать приповерхностную область образцов на глубине порядка 5 нм. Также рассмотрены комбинированные методы исследования поверхности.
Во второй главе рассмотрена резонансная циклотронная индукция, на основе которой автором разработан метод определения динамических характеристик электронных поверхностных состояний вакуумированных образцов металлов и полупроводников.
Рассмотрена физическая модель, основанная на принятой в настоящее время теории поверхностных энергетических уровней твердых тел. Рассмотрена структура таких уровней, которая достаточно хорошо описывается с помощью теоретических моделей двумерных почти свободных электронов. Показано, что это свойство электронов определяет принципиальную возможность наблюдения на них циклотронного
резонанса и циклотронной индукции при помещении образцов в постоянное магнитное поле, перпендикулярное поверхности образца, если:
1) населенность уровня достаточна для возбуждения сигнала с
мощностью, превышающей пороговую чувствительность регистриру
ющего устройства;
2) время жизни электрона на уровне превышает период
циклотронного движения электрона.
Отмечена необходимость выполнения наиболее существенных условий для возбуждения сигналов циклотронной индукции, таких как достаточно длительное время столкновительной релаксации по сравнению с временем парализации приемного устройства. Для электронов на поверхностных уровнях, локализованных внутри приповерхностного слоя (подповерхностные уровни) это время релаксации определяется в основном столкновениями электронов с решеткой, а для электронов, локализованных над поверхностью (надповерхностные уровни) -столкновениями с молекулами газа. Показано, что время релаксации может быть значительно увеличено путем создания высокого вакуума над поверхностью образца. Рассмотрен механизм действия резонансного по частоте СВЧ импульса на электроны, находящиеся на надповерхностном уровне, приводящий к созданию когерентности в их циклотронном движении, что проявляется в виде сигнала индукции.
В работе показана возможность резонансного исследования энергетической структуры надповерхностных уровней металлов и полупроводников. Проведена сравнительная характеристика метода циклотронной индукции с другими методами исследования поверхностных уровней. Показано, что метод циклотронной индукции имеет определенные преимущества, поскольку позволяет непосредственно измерять эффективные массы и исследовать энергетические спектры
электронных поверхностных состояний. Показано, что возможности метода исследования электронных поверхностных состояний по сигналам циклотронной индукции могут быть расширены за счет разработки экспериментальной методики определения времени жизни электронных поверхностных состояний.
В третьей главе дано подробное описание спектрометра, разработанного для реализации предложенного метода. При измерении времени жизни электронных поверхностных состояний необходимо измерить временную зависимость амплитуды слабого СВЧ импульса. Поэтому погрешность измерения складывается из погрешностей измерения временных интервалов между импульсом, возбуждающим сигнал индукции и слабым СВЧ импульсом, и из погрешности измерения амплитуды сигнала индукции.
Погрешность измерения амплитуды сигнала индукции складывается из следующих составляющих:
1. Изменения амплитуды сигнала за время измерений за счет
взаимного ухода частоты возбуждающих импульсов сов , резонансной
частоты образца со0 , частоты опорного напряжения (для когерентного
приемника) и частоты резонатора.
2. Изменения амплитуды сигналов за счет изменения длительности и
мощности возбуждающих импульсов.
3. Погрешности измерения амплитуды за счет нестабильности
коэффициента усиления сигнала за время измерения.
Погрешности за счет нелинейности усилителя.
Погрешности за счет нелинейности детектора.
6. Погрешности преобразования амплитуды сигнала индукции в
напряжение постоянного тока в синхронном интеграторе.
Погрешности интегрирования.
Погрешности самописца или иного регистрирующего прибора, на который производится вывод результатов измерений.
Суммарная погрешность измерения амплитуды сигнала циклотронной индукции будет определяться в значительной мере той из этих составляющих, которая имеет максимальную величину. Поэтому наиболее рациональным будет решение, при котором все составляющие имеют приблизительно одинаковую величину. Приняв в первом приближении, что отдельные составляющие (в том числе и составляющая за счет погрешности измерения интервалов времени) имеют величину порядка 1%, и считая, что суммирование составляющих погрешности измерения (поскольку они носят случайный характер) производится по квадратичному закону, приходим к выводу, что полная погрешность измерения временных интервалов при принятых допущениях и при наиболее благоприятных условиях измерения может находиться в пределах 3%.
Таким образом, при анализе элементов мы будем исходить из требования получения отдельных составляющих погрешности измерения порядка 1%. При укорочении измеряемых временных интервалов необходимо укорачивать длительность импульсов, одновременно повышая их мощность. При этом возникает перегрузка приемного устройства мощными возбуждающими импульсами и, как следствие, снижение чувствительности.
В четвертой главе дается подробное описание метода, позволяющего измерять времена фазовой релаксации и времена жизни электронов на поверхностных уровнях металлов и полупроводников, т.е. исследовать динамические характеристики электронных поверхностных
состояний. Приведены результаты контрольных измерений, показывающих как работоспособность спектрометра, так и возможность применения предложенного метода для исследования электронных поверхностных состояний вакуумированных образцов металлов и полупроводников.
В заключении приведены основные результаты, полученные в диссертационной работе.
Методы исследования и контроля параметров веществ, находящихся в магнитном поле
Однако, наибольший интерес представляют методы исследования вещества в магнитном поле. Дело в том, что многие ядра и атомы с незамкнутыми электронными оболочками обладают собственным магнитным моментом [61]. И если к веществу приложить постоянное магнитное поле, то магнитные моменты прецессируют вокруг направления поля. Если облучать вещество переменным электромагнитным полем, то при некоторой частоте будет происходить резонансное поглощение энергии поля, которое можно измерить. Тогда говорят о магнитном резонансе. Но поскольку масса протона сильно отличается от массы электрона, то различают две отдельные области исследований - ядерный (ЯМР) и электронный магнитный резонанс (ЭМР). Первый способ служит источником информации о неэквивалентных позициях одинаковых атомов в молекулах и непрямом спин - спиновом взаимодействии ядер, второй используется, в основном, для изучения структуры, природы химической связи и электронно - колебательного взаимодействия [9, 13 32, 62, 63].
Параэлектрический резонанс является электрическим аналогом магнитного резонанса, и представляет собой резонансное поглощение электромагнитного СВЧ излучения веществом, помещенным в постоянное магнитное поле. Резонанс наступает в результате переориентации электрических дипольных моментов молекул в кристаллах из одного равновесного состояния в другое под действием электрической компоненты переменного электромагнитного поля.
Тем не менее, явления, связанные с поведением электронов в постоянном магнитном поле, представляют значительно больший интерес, чем явления, связанные с их поведением в электрическом поле. В магнитном поле орбиты обычно замкнуты и проквантованы, однако иногда могут быть и незамкнутыми, что приводит к определенным, специфическим последствиям.
Экспериментальные исследования явлений, связанных с орбитальным движением, дают наиболее непосредственную информацию о поверхности. К числу наиболее интересных и значимых явлений подобного рода относятся циклотронный резонанс, заключающийся в резонансном поглощении свободными носителями заряда энергии электромагнитного излучения в присутствии постоянного магнитного поля, Эффект Де Газа - Ван Альфена и затухание акустических волн в магнитном поле.
Эффект Де Гааза - Ван Альфена заключается в своеобразных колебаниях магнитной восприимчивости кристалла в зависимости от напряженности магнитного поля. Если металл помещается в магнитное поле, то движение электронов в нем происходит не по прямым траекториям, а по окружностям. Если радиус окружности таков, что частота вращения электрона, расположенного на поверхности Ферми, равна частоте, с которой он вращается по окружности, полностью лежащей на поверхности Ферми, магнитная восприимчивость увеличивается. В случае простой поверхности Ферми частота вращения равна частоте движения вдоль большого круга сферы Ферми; однако в случае более сложных поверхностей может существовать несколько "больших кругов". Исследование зависимости осцилляции Де Гааза - Ван Альфена от направления в кристалле привело к обнаружению довольно необычной формы поверхности Ферми в металлах.
Изучение затухания звуковых волн на электронах проводимости в металлах позволяет определить энергию Ферми, а так же время релаксации г. Акустические волны вызывают периодическое смещение ионов решетки из положений равновесия. Движение ферми - электронов возмущается смещением ионов. Электроны поглощают энергию акустических волн, вызывая их затухание по амплитуде. Это затухание характеризуется рядом параметров. Оно чрезвычайно мало на низких частотах (т.е. частотах обычно звукового диапазона), но становится значительным на ультразвуковых частотах. Оптимальными условиями наибольшего затухания в этом случае являются: применение акустических волн высокой частоты (10 МГц и более), использование чистых металлов и низких температур (менее 50 К). В подобных измерениях затухания при этих условиях можно вычислить энергию Ферми, а при наличии магнитного поля можно измерить и величину т - среднее значение времени между соударениями электрона с дефектами кристалла.
Методика исследования и контроля поверхностных энергетических уровней металлов и полупроводников по сигналам резонансной циклотронной индукции
Физическая модель явления резонансной циклотронной индукции основывается на принятой в настоящее время теории поверхностных энергетических уровней твердых тел [15, 16, 71]. Уровнями энергии называются возможные значения энергии квантовых систем (атомов, молекул и т.д.), состоящих из микрочастиц и подчиняющихся законам квантовой механики. Структура таких уровней описывается с помощью теоретических моделей двумерных почти свободных электронов.
По существующим представлениям [3, 11, 13, 15, 16] часть поверхностных уровней энергии твердых тел являются в невозбужденном состоянии заполненными, а часть заселяется только при внешнем возбуждении. Основной особенностью электронов в рассматриваемых поверхностных состояниях является почти свободный характер их движения в плоскости поверхности. Это свойство электронов определяет принципиальную возможность наблюдения на них циклотронного резонанса и циклотронной индукции при помещении образца в постоянное магнитное поле, перпендикулярное поверхности образца.
На рис.5 схематически изображена структура поверхностных энергетических уровней электронов [72] на границе образец - вакуум с указанием их локализации относительно поверхности образца.
Используя эту схему, процесс возбуждения резонансной индукции [68] можно представить следующим образом. Электрон, находящийся в скин - слое на уровне Ферми или одном из заполненных подповерхностных уровней, разгоняется электрической компонентой СВЧ поля, лежащей в плоскости поверхности, если частота СВЧ поля со совпадает с циклотронной частотой электрона на этих уровнях (4).
Приобретение энергии электроном в результате резонансного взаимодействия с СВЧ - полем происходит в течение времени релаксации, т.е. времени свободного пробега электрона (тр) [16, 32]. Когда энергия, полученная электроном за время гр совпадает с разностью энергий между одним из надповерхностным энергетическим уровнем и рабочим подповерхностным уровнем (уровнем Ферми), происходит резонансное заселение соответствующего надповерхностного уровня. "Рабочим" [72] назовем заселенный уровень, с которого происходит возбуждение электронов на незаселенные уровни. Такие переходы указаны стрелками (рис. 5). Отметим, что термин "резонансное заселение" не имеет здесь обычно подразумеваемого смысла резонанса по частоте. Частота циклотронного движения электрона слабо меняется за счет релятивистского увеличения эффективной массы. Имеет место резонанс энергетический - энергия циклотронного движения электрона Ец на рабочем уровне Еф (уровень Ферми) сравнивается с энергетическим расщеплением ц = j - Е$.
Квантование периодического движения определяет разрешенные значения энергии перпендикулярного поверхности движения электрона {Е[) - энергии поверхностных отражательных уровней. При к = 0, Е Ф 0 к колебаниям перпендикулярно поверхности добавляется поступательное движение электрона вдоль поверхности (рис.6,6).
Наложение постоянного магнитного поля, перпендикулярного поверхности, ограничивает поступательное движение электрона вдоль поверхности размерами циклотронной орбиты в соответствии с величинами Е и к (рис.6,в), но не меняет положение уровней энергии, обусловленных отражательным движением электрона. Просто каждый "отражательный" уровень расщепляется в бесконечный спектр циклотронных уровней Ландау с частотой расщепления соп (рис.6,а).
Следует заметить, что наложение слабого постоянного магнитного поля, направленного вдоль поверхности образца, также обусловливает возникновение периодических отражений электронов от гладкой поверхности уровней [9, 11], структура которых отлична от рассматриваемых в нашей работе.
Действие резонансного ВЧ поля на электроны, находящиеся на поверхностном уровне, приводит к созданию когерентности в их циклотронном движении, что проявляется в виде сигнала индукции -излучения образцом спадающего по амплитуде ВЧ отклика с той же частотой, что и частота заполнения возбуждающего ВЧ импульса [65, 67].
По мере повышения мощности ВЧ импульсов происходит последовательное заселение все более высокоэнергетических поверхностных уровней. Когда энергия, сообщаемая электронам, достигает работы выхода, т.е. происходит удаление электрона в вакуум, циклотронная частота, на которой наблюдается индукция, соответствует частоте свободных электронов й)ц . Таким образом, наблюдение циклотронной индукции на данном уровне возможно, если: 1. Населенность уровня достаточна для возбуждения сигнала с мощностью, превышающей пороговую чувствительность регистрирую щего устройства; 2. Время жизни электронов на уровне превышает период циклотронного движения электрона. 3. Для наблюдения циклотронной индукции существенным является также условие достаточно длительного времени столкновительнои релаксации по сравнению с временем парализации приемного устройства.
Генератор импульсных последовательностей
Для определения характеристик электронных поверхностных состояний необходим генератор импульсных последовательностей. Это необходимо: - для записи линий излучения индукции при изменении постоянного магнитного поля. Для этого сигнал индукции стробируется в выбранной точке спада и записывается его интенсивность как функция линейно меняющегося магнитного поля. - при определении времени жизни электронных поверхностных состояний по временной зависимости поглощения слабого СВЧ импульса. Для этого необходимо плавно менять временной интервал между окончанием спада индукции и слабым СВЧ импульсом. - для запланированных в дальнейшем экспериментов по обнаружению двух и трех импульсного эха на электронных поверхностных состояниях металлических и полупроводниковых материалов. Для проведения таких измерений необходим импульсный генератор, который выдавал бы определенную импульсную последовательность для запуска СВЧ генератора. Блок - схема генератора импульсных последовательностей представлена на рис.11. При поиске двухимпульсного эха генератор должен выдавать три импульса с плавно изменяющимся интервалом между ними. При этом должно сохраняться равенство интервалов между первым и вторым и между вторым и третьим импульсами. Первые два импульса идут на запуск СВЧ генератора, а третий используется для временного селектирования сигнала эха [82, 83].
Для исследования сигнала трехимпульсного эхо необходимо иметь четыре импульса, три из которых идут на запуск СВЧ генератора, а четвертый используется для временного селектирования сигнала трехимпульсного эхо из последовательности сигналов двухимпульсного эхо и возбуждающих СВЧ импульсов. Интервал между вторым и третьим импульсом должен плавно увеличиваться при сохранении равенства интервалов между первым и вторым, а так же третьим и четвертым импульсами. Величина данного интервала устанавливается в зависимости от времени релаксации двухимпульсного эхо.
Поскольку минимальная длительность СВЧ импульсов порядка 10" секунды, для совмещения стробирующего импульса с сигналом эха должно обеспечиваться равенство интервалов между импульсами, вырабатываемыми генератором последовательностей, с точностью не хуже 10 нсек. Поэтому в подобных устройствах для задержки сигналов обычно используют пересчетные декады с регулируемым коэффициентом деления. В генераторе последовательностей описываемой установки нами была использованы модернизированные блоки промышленных приборов ГЗ-35 и ГЗ-28. На рис.12 и 13 приведены блок - схемы генератора последовательностей для двух и трехимпульсного возбуждения сигналов эхо. Схема состоит из следующих блоков: ГИ - импульсный генератор частоты повторения циклов измерений от разового пуска до 10 МГц; Б1М - тактовый генератор, выдающий короткие импульсы с переменной частотой следования от 100 кГц до 1 МГц. В основу работы генератора положен метод преобразования опорного напряжения во временной интервал. Изменение частоты производится в зависимости от величины опорного напряжения, снимаемого с прецизионного потенциометра, либо с генератора пилообразного напряжения, смонтированного в блоке развертки магнитного поля; Б16 - блок формирует синхронизирующий импульс и селектирует из серии тактовых импульсов первый импульс, который затем используется для запуска 1-го канала СВЧ генератора. Кроме того, блок выдает из тактовой серии к-й импульс (где к - номер селектирующего импульса от 1 до 100) для запуска 2-го канала СВЧ генератора; Б-9 селектирует і -й импульс из последовательности тактовых сигналов (где і - номер импульса от 1 до 104) для формирования стробирующего импульса и запуска 3-го канала СВЧ генератора.
Достижение пороговой и оптимальной мощности для двух надповерхностных уровней
Длительность использованных СВЧ - импульсов составляла 10" с, и превышала характерные времена столкновительной релаксации электронов на уровне Ферми. Поэтому предполагалось, что в течении действия импульса электроны успевали возбудиться на надповерхностные уровни, а оставшаяся часть импульса в резонансных условиях приводила к когерентному циклотронному движению электронов на этих уровнях. Поэтому минимальная пороговая мощность, необходимая для возбуждения индукции, определяется разностью энергий наинизшего надповерхностного уровня и заселенного подповерхностного уровня (уровня Ферми).
По мере повышения мощности ВЧ импульсов происходит последовательное заселение все более высокоэнергетических поверхностных уровней. Когда энергия, сообщаемая электронам, достигает работы выхода, т.е. происходит удаление электрона в вакуум, циклотронная частота, на которой наблюдается индукция, соответствует частоте свободных электронов соп.
Разработанный спектрометр позволял записывать интенсивность резонансной циклотронной индукции в зависимости от величины постоянного магнитного поля. При использовании магнита с однородностью не менее 104 для каждого образца наблюдалось несколько линий с разными значениями резонансных магнитных полей. На рисунке 23 приведено расположение линий излучения по магнитному полю для образца ТЬ со значениями резонансных магнитных полей.
Различное положение линий излучения по магнитному полю по-видимому связано с тем, что на электроны, находящиеся на поверхности, оказывает влияние кристаллическая решетка. Это приводит к отклонению циклотронных масс от значения массы для свободного электрона и, как следствие этого, генерации циклотронной индукции в различных магнитных полях. На рисунке 24 приведены линии излучения [72] для образца меди. от постоянного магнитного поля для образца меди. Ширины линий соответственно равны 7 и 8 Э.
Ширина линии циклотронного резонанса на уровне Ферми значительно превышает значения ширин линий, наблюдаемой циклотронной индукции. Этот факт объясняет, почему возможно наблюдение нескольких сигналов индукции с различными резонансными значениями постоянного магнитного поля при воздействии возбуждающего импульса с фиксированным спектром частот. Для возбуждения индукции необходимо, чтобы при одном значении магнитного поля совпали: циклотронная частота электронов на подповерхностном уровне (уровне Ферми), циклотронная частота электронов на возбужденном поверхностном уровне и частота заполнения возбуждающих СВЧ импульсов. В таблице 2 для ряда металлов приведены [72] значения магнитных полей, при которых наблюдается резонансная циклотронная индукция, и соответствующие им эффективные массы электронов.
При использовании магнита с однородностью не хуже 104 в большинстве исследованных образцов временной спад индукции был промодулирован по амплитуде. Амплитудная модуляция спада сигнала индукции может быть обусловлена наличием нескольких близко расположенных по магнитному полю линий (рис.23), которые сливаются при записи зависимости интенсивности индукции от магнитного поля, но проявляются в виде модуляции спада.
На основе приведенных в диссертации результатов теоретических исследований и измерений, проведенных на последних этапах работы, можно сделать следующие выводы: 1. Разработан и применен метод контроля нормального функционирования основных узлов СВЧ спектрометра - приемного устройства, импульсного СВЧ генератора и волноводного тракта по эталонной осциллограмме гиперзвуковых импульсов. 2. На созданном СВЧ спектрометре проведены контрольные измерения и получен сигнал резонансной циклотронной индукции. 3. Экспериментально доказано, что после окончания сигнала индукции электронные поверхностные состояния некоторое время остаются заселенными. Это проявляется в восстановлении интенсивности слабого СВЧ импульса с увеличением временного интервала / между окончанием спада индукции и слабым СВЧ импульсом. 4.У становлено, что в полное время жизни электронных поверхностных состояний входит как время когерентного излучения, так и время восстановления интенсивности слабого СВЧ импульса. 5. При использовании постоянных магнитных полей с однородностью не больше 10 амплитудная модуляция спада не наблюдается и сигнал индукции возникает только при одном значении резонансного магнитного поля. 6. Установлено, что для детального исследования электронных поверхностных состояний металлических и полупроводниковых материалов однородность постоянного магнитного поля должна быть не меньше 10 .
