Введение к работе
Электронная зонная структура кристаллических твёрдых тел (к) - зависимость энергии от квазиволнового вектора - является их фундаментальной характеристикой, определяющей, например, явления переноса и оптические свойства. Роль зонной структуры в современной твердотельной электронике и принципы ей экспериментального исследования изложены в главе 1 "Введение" настоящей диссертации.
Зонная структура в физике современных электронных приборов. - Современную жизнь уже трудно представить без твердотельных электронных приборов - лазеров и интегральной оптики, являющейся основой современных телекоммуникационных систем, солнечных элементов и фотодетекторов, сверхвысокочастотных транзисторов и других [1]. Функционирование этих приборов основано на использовании материалов с заданными параметрами Е(к). При этом важно не только расположение электронных состояний по энергии (определяющее, например, ширину запрещённой зоны), но и параметры их к-дисперсии. Так, широкое применение GaAs в современной оптоэлектронике обусловлено его прямозонным характером - совпадением вершины валентной зоны и дна зоны проводимости в k-пространстве, что обуславливает эффективную излучательную рекомбинацию и резкий край оптического поглощения. Кроме того, малая эффективная
масса пг ~ у дна зоны проводимости обеспечивает высокую подвижность
электронов и позволяет использовать этот полупроводник в высокочастотных устройствах. Прогресс в создании новых полупроводниковых приборов напрямую определяется созданием новых материалов с заданными параметрами Е(к).
Управление параметрами Е(к) на заре полупроводниковой электроники ограничиватось введением легирующих примесей для изменения положения уровня Ферми > Вскоре было обнаружено, что изменением концентрации элементов в твёрдых растворах полупроводников - например, в AlxGai.xAs - можно непрерывно менять и ширину запрещённой зоны. На их основе были созданы полупроводниковые лазеры, где стимулированное излучение достигается инжекцией носителей в рабочую область из более широкозонного эмиттера. Новый этап в создании полупроводниковых приборов - создание искусственных материалов с заданными параметрами Е(к) (зонное конструирование) начался с развитием прецизионных технологий эпитаксиального роста, главным образом молекулярно-пучковой эпитаксии. Модуляция легирования, состава или напряжения эпитаксиальных слоев в процессе роста позволяет за счёт эффектов размерного квантования формировать новые электронные состояния с заданными свойствами. Так были созданы, например, сверхрешётки - структуры с дополнительным периодическим потенциалом, большим периода основной кристаллической решётки. В результате действия этого потенциала происходит расщепление параболических зон Е(к) в минизоны с заданными параметрами. На основе таких систем было создано новое поколение высокоэффективных полупроводниковых приборов. Дальнейший прогресс твердотельной электроники связывают со снижением размерности вплоть до нуль-размерных систем - квантовых точек (кластеров в
матрице более широкозонного полупроводника), где за счбт ограничения движения по трём измерениям формируется система атомоподобных энергетических уровней.
В процессе разработки и производства приборов с помощью зонного конструирования особое значение приобретает контроль параметров Дк) как самих полупроводников, так и электронных состояний, формирующихся в них за счёт эффектов размерного квантования.
Фотоэлектронная спектроскопия и проблема высоколежащих состояний. -Основным экспериментальным методом исследования Я(к) валентной зоны с разрешением по к является спектроскопия фотоэлектронной эмиссии (ФЭ) с разрешением по углу [2]. В этом методе образец облучается монохроматическим светом в ультрафиолетовом диапазоне. Под действием кванта света происходят переходы электронов с заполненных валентных состояний на незаполненные высоколежащие состояния (ВС) (выше уровня вакуума vac) с последующим выходом в вакуум (Рис. 1). Регистрируемой величиной является фототок fh при определённом угле эмиссии и кинетической энергии фотоэлектрона. Для исследования (к) зоны проводимости применяется обратная ФЭ [3], которая является обращенным во времени аналогом ФЭ. Дальнейшее изложение дается применительно к ФЭ.
crystal
^vac
Рис. 1. Принципы ФЭ спектроскопии:
валентные электроны совершают
фотопереходы на ВС в объёме кристалла
(слева) и с них выходят в вакуум,
формируя ФЭ спектр (справа). Сами
фотопереходы совершаются с
сохранением трёхмерного к, однако при выходе фотоэлектрона в вакуум сохраняется лишь параллельная поверхности компонента (вставка).
Физические основы ФЭ определения (к) ясны из Рис. 1. Энергия начального состояния в валентной зоне В определяется непосредственно как энергия конечного высоколежащего состояния Е в пике ФЭ спектра минус энергия кванта hv: Е' = Er - hv. Определение соответствующего к' начального состояния основано на том, что в объёме кристалла фотопереходы являются прямыми, т.е. совершаются с сохранением трёхмерного к в приведённой зоне Бриллюэна (ЗБ):к' =kf. При выходе фотоэлектрона в вакуум к// -компонента к, параллельная поверхности - в силу двумерной трансляционной симметрии поверхности сохраняется, и определяется непосредственно как параллельная компонента К// волнового вектора в вакууме (с точностью до вектора поверхностной обратной решётки g): к', = К„ + g. Однако перпендикулярная компонента ki_ искажается. Для её определения
необходимо вернуться к дисперсии Е(кі_) для ВС в объёме кристалла, которую обычно аппроксимируют эмпирической свободноэлектронной (СЭ) дисперсией. (к) валентной зоны находится далее построением энергии Ё спектральных пиков как функции к. При этом к варьируется либо по кц - изменением угла эмиссии, либо по кх - изменением hv. В качестве источника излучения в наши дни используются синхротроны, обеспечивающие широкий диапазон hv, высокую интенсивность и степень поляризации излучения.
Контроль над кх - и тем самым над трёхмерным к - является главной проблемой ФЭ спектроскопии. Для её решения необходимо знание Е(к±) для ВС. Применимость здесь СЭ аппроксимации на самом деле ограничена из-за значительных эффектов рассеяния на кристаллическом потенциале. Попытки обойти проблему в рамках ФЭ спектроскопии (например, метод триангуляции) непрактичны и ограничены отдельными точками в k-пространстве. В серии работ автора показано, что оптимальным методом независимого исследования (к) для ВС является спектроскопия дифракции низкоэнергетических электронов (ДНЭ) (в англоязычной литературе - Very-Low-Energy Electron Diffraction). Применение ДНЭ совместно с ФЭ спектроскопией основано на том, что электронные состояния ДНЭ являются обращенными во времени конечными состояниями ФЭ.
Настоящая диссертационная работа посвящена спектроскопии ДНЭ как методу исследования (к) высоколежащих состояний, а также её применениям совместно с ФЭ спектроскопией для исследования (к) валентной зоны с разрешением по трёхмерному к. Её общая характеристика даётся в разделе 1.3.
Актуальность работы. - Исследование зонной структуры (к) твёрдых тел с разрешением по трёхмерному к является, как показано выше, одной из важнейших проблем экспериментальной физики твёрдого тела. Её решение упирается в разработку нового метода для независимого исследования зонной структуры ВС. Помимо фундаментальных исследований, актуальность решения этой проблемы обусловлена необходимостью контроля параметров электронной структуры при зонном конструировании, использующемся при создании новых микроэлектронных и полупроводниковых приборов (например, твердотельных лазеров).
Основные цели и задачи работы. - Основной целью диссертационной работы являлась разработка спектроскопии ДНЭ во всех её основных аспектах как метода исследования зонной структуры (к) твёрдых тел:
разработка теоретических подходов, экспериментальной техники и методологии спектроскопии ДНЭ как метода количественного определения (к) высоколежащих состояний с разрешением по трёхмерному к;
исследование особенностей ВС для различных классов материалов;
разработка основ применения спектроскопии ДНЭ совместно с ФЭ спектроскопией для
решения фундаментальной проблемы экспериментальной физики твёрдого тела -
определения электронной структуры твёрдых тел с разрешением по трёхмерному к.
В ходе решения поставленной цели решался широкий круг научных, практических и методологических задач: теоретическая разработка и программная реализация новых методов численного моделирования процесса ДНЭ; создание экспериментальных установок по спектроскопии ДНЭ и их оптимизация с помощью оригинального пакета траекторных вычислений; создание новых методов анализа данных ДНЭ для количественного определения (к); экспериментальные исследования по ДНЭ на широком круге материалов; разработка методов применения спектроскопии ДНЭ совместно с ФЭ спектроскопией для определения (к) валентной зоны при контроле над внутренней точностью; проведение ФЭ экспериментов с использованием синхротронного излучения, и т.д.
Основные результаты, выносимые на защиту. - На защиту выносится вся совокупность полученных впервые методологических и экспериментальных результатов:
принципы детальной связи процесса ДНЭ с зонной структурой и основанная на них методология анализа данных ДНЭ, позволяющая впервые достичь количественного определения (к) высоколежащих состояний с разрешением по трёхмерному к;
теоретические подходы, позволяющие расширить анализ экспериментальных данных ДНЭ на широкий круг технологически значимых материалов со сложной структурой;
методы оптимизации электронной оптики для эксперимента по ДНЭ с использованием задерживающего электростатического поля, выработанные на основе траекторных расчётов;
особенности высоколежащих состояний - отклонения от свободноэлектронной дисперсии и многоэлектронные эффекты возбуждённого состояния - для представительного ряда материалов (металлы, полупроводники, слоистые материалы), впервые найденные с помощью спектроскопии ДНЭ;
принципы детальной связи ДНЭ с фотоэмиссией и основанная на них методология комбинированной спектроскопии ДНЭ-ФЭ, позволяющая впервые достичь точного определения (к) валентной зоны с разрешением по трёхмерному к при контроле над внутренней точностью ФЭ эксперимента;
новые особенности электронной структуры валентной зоны ряда материалов (для класса слоистых материалов последовательное определение (к) достигнуто впервые), найденные с помощью комбинированной спектроскопии ДНЭ-ФЭ.
Научная новизна и значимость работы. - Все перечисленные выше результаты получены впервые. Представленная в настоящей диссертационной работе всесторонняя разработка теоретических, экспериментальных и методологических основ спектроскопии ДНЭ как метода исследования (к), а также методологии её применения в комбинации с ФЭ спектроскопией является новым крупным достижением в физике твёрдого тела - фактически решена фундаментальная проблема экспериментального определения зонной структуры (к)
7 твёрдых тел с разрешением по трёхмерному к. Спектроскопия ДНЭ представляет собой новое обещающее направление экспериментальной физики твёрдого тела.
Помимо фундаментальных исследований электронной структуры твёрдых тел, созданный метод может найти практическое применение для контроля параметров электронной структуры при разработке новых микроэлектронных и полупроводниковых приборов (например, полупроводниковых лазеров) методом зонного конструирования, а также для технологического контроля в процессе их производства.
Публикации. - По результатам диссертационной работы опубликовано 29 научных статей (ещё 5 находятся в печати) в ведущих отечественных и зарубежных журналах: Физика Твёрдого Тела, Journal of Physics: Condensed Matter, Measurement Science and Technology, Physical Review, Physical Review Letters и другие. Из них 9 статей являются авторскими работами, 4 - приглашёнными обзорами, и 2 статьи опубликованы в Physical Review Letters. Наиболее важные из вошедших в диссертацию работ даны в списке литературы [4-25].
Апробация работы. - По результатам работы автор лично представил более 15 докладов на ряде всесоюзных и международных конференций, в том числе: школа-семинар по квантовой химии твёрдого тела (Донецк, 1987); European Conference on Surface Science -11 (Stockholm, Sweden, 1991) и -15 (Lille, France, 1995); 4th Nordic Conference on Surface Science (Alesund, Norway, 1997); 9th International Conference on Solid Films and Surfaces (Copenhagen, Denmark, 1998); 10th International Conference on Solid Surfaces (Birmingham, England, 1998); 8th Symposium on Surface Physics (Trest, Czech Republic, 1999); 9th International Conference on Atomically Controlled Surfaces - Interphases - Nanostructures (Aix-en-Provance, France, 1999). На ряде других международных конференций совместные работы представлялись соавторами.
Автор выступал с приглашенными лекциями в крупнейших мировых университетах и исследовательских центрах: Christian-Albrechts-Universitat (Kiel, Germany); Kungl. Tekniska Hogskolan (Stockholm, Sweden); University of Copenhagen (Copenhagen, Denmark); Uppsala University (Uppsala, Sweden); Photon Factory (Tsukuba, Japan); ФТИ им. А.Ф.Иоффе (С.Петербург); Vienna University of Technology (Vienna, Austria); LURE (Paris, France).
Организация материала. - Диссертационная работа представляет спектроскопию ДНЭ как метод исследования зонной структуры, разработанный во всех основных теоретических, экспериментальных и методологических аспектах. Обзор работ других авторов приводится по ходу изложения материала. Общий объём работы составляет 141 страницу текста и 34 рисунка. Список литературы включает 141 наименование.
Похожие диссертации на Спектроскопия дифракции низкоэнергетических электронов как метод исследования электронной структуры твердых тел
