Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
21
КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ІМ. ТАРАСА ШЕВЧЕНКА
Булавенко Сергій Юрійович
ДОСЛІДЖЕННЯ ВЗАЄМОДІЇ ВІСМУТУ ТА ВОДНЮ З ПОВЕРХНЯМИ Si(111) та Si(100) МЕТОДОМ СКАНУЮЧОЇ ТУНЕЛЬНОЇ МІКРОСКОПІЇ
01.04.04 –фізична електроніка
дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата
фізико-математичних наук
Київ –
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Київському національному університеті ім. Тараса Шевченка, місто Київ.
Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук,
професор Мельник Павло Вікентійович
Київський національний університет
ім. Тараса Шевченка,
заступник декана радіофізичного факультету
з наукової роботи
Офіційні опоненти: доктор фіз.-мат. наук,
Федорус Олексій Григорович
Інститут фізики
НАН України
доктор фіз.-мат. наук,
Клюй Микола Іванович
Інститут фізики напівпровідників
НАН України
Провідна установа:
Харківський національний університет імені В.Н.Каразіна
Захист відбудеться _23 травня 2002р._ о _14____ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.159.01 у інституті фізики НАН України за адресою: 03650, Київ-39, пр. Науки, 46.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці інституту фізики НАН України.
Автореферат розісланий ___23__ квітня 2002 року.
Вчений секретар Іщук В.А.
спеціалізованої вченої ради
ВСТУП
Актуальність теми. Електронні прилади на основі контактів метал-напівпровідник, метал-діелектрик-напівпровідник, напівпровідник-напівпровідник знайшли широке застосування в мікроелектроніці. Характеристики цих приладів визначаються властивостями перехідного шару, і в свою чергу залежать від його структури. Тому дослідження структури поверхні та процесів формування різних контактів на мікрорівні з метою управління їх властивостями відкривають можливості контрольованого створення мікроелектронних приладів з наперед заданими характеристиками. Крім того, поступовий перехід від мікроелектроніки до наноелектроніки ставить задачі не тільки по вдосконаленню існуючих приладів, але і створенню нових, основаних на квантових ефектах в низькорозмірних наноструктурах. Прикладами таких структур є квантові точки, дроти. При цьому актуальним стає дослідження динамічних характеристик нанооб'єктів та інтерфейсів, як характеристик, що визначають деградацію та самоорганізацію наноструктур.
Перспективними з точки зору створення приладів мікроелектроніки є, зокрема, кремній-германієві гетероструктури, на основі яких створюються лазери, транзистори з рекордними значеннями швидкодії та ін.. Однак на чистій поверхні Si не вдається виростити епітаксійну плівку Ge, тому для створення кремній-германієвих гетероструктур почали використовувати речовини, здатні покращити умови росту. До таких речовин, що носять назву поверхнево-активних, або сурфактантів, належать елементи V групи (As,Sb,Bi). Для більш глибокого розуміння процесів, що відбуваються при гетероепітаксії за участю сурфактантів, необхідні відомості про властивості системи адсорбат / сурфактант / напівпровідник на атомному рівні. Найбільш придатним методом для таких досліджень є Скануюча Тунельна Мікроскопія (СТМ).
В даній дисертаційній роботі основна увага була сконцентрована на одному з представників 5 групи періодичної таблиці елементів - вісмуті. З одного боку він, як і всі інші елементи 5 групи, є поверхнево-активною речовиною при вирощуванні кремній-германієвих гетероструктур. З іншого боку, для системи Bi/Si спостерігалася самоорганізація майже ідеальних 1-вимірних структур.
Важливою для досліджень є система водень-кремній, що широко застосовується в сучасній мікроелектроніці, зокрема при газофазній гомоепітаксії та для пасивації поверхні. Водень також є сурфактантом (антисурфактантом) і суттєво змінює характеристики росту плівок різних речовин на поверхні. Тому представляє інтерес дослідження не тільки властивостей взаємодії водню з поверхнями кремнію, але і його коадсорбції з вісмутом.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в Київському національному університеті ім. Тараса Шевченка. Основні результати роботи отримані в рамках виконання наступних тем:
Метою даної роботи були дослідження адсорбції вісмуту, водню та їх коадсорбції на поверхні кремнію, отримання детальної інформації про процеси взаємодії з підкладкою, місця адсорбції, електронну структуру з атомною роздільною здатністю, вивчення динамічних характеристик утворених структур, основуючись на методиці скануючої тунельної мікроскопії (СТМ).
Для досягнення поставленої мети необхідно було виконати такі основні наукові завдання:
Об'єктом дослідження були атомарно-чисті поверхні Si(111)77 та Si(100)21, інтерфейси Bi/Si, H/Si, (Bi+H)/Si.
Наукова новизна роботи полягає в отриманні та узагальнені нових наукових результатів:
Практична цінність роботи полягає в тому, що:
Апробація роботи: основні матеріали дисертації доповідалися на конференціях: VIII Inter. Workshop on Ion Beam Surface Diagnostics, Ужгород (1998); Inter. Workshop “Physics and Technology of Nanostructured Multicomponent Materials”, Ужгород (1998); 2-ий Науково-практичний симпозіум "Вакуумні технології і обладнання", Харків (1998); конференція Європейського Фізичного Товариства (ЄФТ-11) "Тенденції в фізиці", Лондон, Великобританія (1999); ECOSS-18 "European Conference on Surface Science", Відень, Австрія (1999); VII міжнародна конференція з фізики і технології тонких плівок, Івано-Франківськ (1999); ECOSS-19 "European Conference on Surface Science", Мадрид, Іспанія (2000); 12-й міжнародний симпозіум "Тонкі плівки в електроніці", Харків (2001); ECOSS-20 "European Conference on Surface Science", Краків, Польща (2001).
Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 21 наукову працю, з них 10 - у наукових журналах, 11 - у матеріалах і тезах конференцій, 4 - подано до друку.
Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 5 розділів та висновків. Загальний обсяг роботи 146 сторінки машинописного тексту, включаючи 77 рисунків та 3 таблиці. Список цитованої літератури містить 111 посилань.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі показана актуальність проведених досліджень, сформульовані мета, новизна та практична значимість роботи.
Перший розділ присвячений огляду та аналізу робіт по вивченню геометричних та електронних властивостей структур, що утворюються при взаємодії вісмуту та водню з поверхнями Si(111)77 і Si(100)21.
На поверхні Si(111) детально розглядається реконструкція 77, що є найбільш енергетично вигідною перебудовою на цій поверхні. Елементарна комірка складається із двох половин - дефектної та недефектної, що обумовлені наявністю у дефектної половини дефекту упаковки. Елементарна комірка 77 є порівняно складною і, крім великих латеральних розмірів, має кілька шарів атомів в глибину, що значно утруднює її теоретичне моделювання, та моделювання процесів адсорбції на поверхні Si(111)77. Проте можна виділити три типи нееквівалентих атомів кремнію в комірці 77, які мають обірваний зв’язок (адатоми, залишкові атоми та атоми в кутових ямах). Наявність обірваного зв’язку у певних атомів реконструкції 77 визначає їх велику хімічну активність у порівнянні з іншими атомами на поверхні. Різниця в електронній структурі адатомів, залишкових атомів та атомів в кутових ямах обумовлена існуванням на поверхні Si(111)77 перерозподілу електронної густини від адатомів до залишкових атомів та атомів в кутових ямах.
Аналіз робіт щодо інтерфейсу Bi/Si(111)77 виявив суттєві розбіжності між даними різних авторів, зокрема у значеннях температури утворень різних високотемпературних фаз на поверхні. З’ясовано, що основні зусилля дослідників були зосереджені, в основному, на з’ясуванні атомної структури, так званих, - та -фаз із елементарною коміркою 33, тому інтерфейс Bi/Si(111)77 досліджено частково. При цьому поза увагою лишаються питання побудови схеми фазових змін інтерфейсу Bi/Si(111)77 та детальне вивчення структури на атомному рівні кожної з фаз.
Поверхня Si(100)21 має набагато простішу структуру, є основою сучасної мікроелектронної технології тому набагато краще вивчена, ніж інші грані кремнію. Основною складовою поверхні Si(100)21 є димери кремнію, які формують димерні ряди. Для більшості адсорбатів на початкових етапах адсорбції є характерним утворення димерів у 4 нееквівалентних позиціях, так званих, А, Б, В та Г-позиціях. Експериментально спостерігалася адсорбція Ві у Б-позиціях, або іншими словами, вісмут адсорбувався у вигляді Б-димерів (димер в Б-позиції знаходиться на димерному ряду кремнію і орієнтований паралельно цьому ряду). Димери вісмуту в іншим позиціях не спостерігалися. Незважаючи на просту структуру поверхні Si(100)21 та велику кількість робіт по вивченню як самої поверхні, так і взаємодії з нею вісмуту, багато питань лишилися нез'ясованими. Зокрема, чи існує дифузія димерів Ві на поверхні Si(100)21 при кімнатній температурі і, якщо існує, які характеристики цієї дифузії. На поверхні Si(100)21 за певних умов можуть існувати майже ідеальні одновимірні структури вісмуту. Дослідження умов створення та деградації одновимірних структур на поверхні Si(100)21 можуть сприяти створенню на їх основі приладів наноелектроніки.
У Другому розділі описані експериментальні та методичні особливості досліджень [3,4,8]. Розглянуто основні особливості застосування СТМ для дослідження топографічної та електронної структур та визначення динамічних характеристик поверхонь. З метою уникнення помилкових інтерпретацій отриманих експериментальних даних проаналізовано процес формування СТМ-зображення .
Дослідження проводились у надвисоковакуумній камері, де були розміщені: скануючий тунельний мікроскоп, аналізатор Оже-спектрометра 09ИОС-3, масспектрометр для контролю чистоти газу, напорошувач Ві з кварцовим датчиком товщини, а також нагрівач для зразка та вістря тунельного мікроскопа. Базовий тиск у камері становив <210-10 мм.рт.ст.. Камеру обладнано системою напуску газу та шлюзом. В експериментах використовувалися пластини кремнію з гранями (111) та (100), покриті захисним шаром оксиду. Після стандартної хімічної обробки та шлюзування для отримання атомарно-чистої поверхні зразки оброблялися наступним чином. Зразок витримували при температурі 700С протягом кількох годин у вакуумі <510-10 мм.рт.ст.. Далі нагрівали його електронним бомбардуванням при температурі близько 1300С протягом 1 хвилини (<510-10 мм.рт.ст.) для остаточного очищення від карбідів та оксидів. Відпал проводили циклічно, поки відношення амплітуд оже-сигналів Si LVV та C KVV не ставало більше 1000. Після останнього відпалу зразок охолоджувався зі швидкістю близько 100Cза хвилину. Приготовлені таким чином поверхні зразків були атомарно-чистими, що додатково підтверджувалося СТМ-дослідженнями.
Гідрогенізація поверхонь Si проводилась шляхом напуску в камеру контрольованої кількості H високої чистоти і його дисоціації на розжареному до 1500С вольфрамовому дроті. Під час експозиції зразок встановлювався лицевою стороною на відстані ~ 3 см від вольфрамового дроту. Експозиція атомарного водню оцінювалась за тиском молекулярного водню та часом знаходження зразка біля дроту розжарення і вимірювалася в ленгмюрах (1Л = 10-6 мм.рт.ст.с). Вісмут на поверхню кремнію напорошувався з допомогою термічного розпорошення із вольфрамової корзинки.
При дослідженні впливу температури на структури інтерфейсів їх прогрів здійснювали тепловим випромінюванням нагрівача з тильної сторони зразка. Калібрування температури прогріву проводили за допомогою термопари з точністю 20С.
Вістря, що застосовувалися в СТМах, виготовлялися, як правило, з вольфрамової дротини діаметром 0,1–,3 мм методом електрохімічного травлення, аналогічним до методу виготовлення вістер для автоіонного мікроскопа.
Нами запропоновано методику візуалізації атомів Si в кутових ямах поверхні Si(111)77 та дослідження адсорбції на них чужорідних атомів [3,8]. В основу методики покладено використання спеціальних вістер.
На основі багатьох експериментів та теоретичних оцінок нами було встановлено, що при напорошенні in situ вісмуту (~10 МШ) на звичайне W вістря та прикладанням імпульсів (0,010,1с) напруги (510) В вдалося зробити такі вістря (Bi/W вістря), що дозволяли вперше спостерігати атоми в кутових яма. Запропоноване нами пояснення спостереження атомів в кутових ямах за допомогою Bi/W вістер ґрунтується на явищі механічної деформації кінчика вістря під дією електростатичного поля.
Для вирішення питання про відповідність атомів в кутових ямах їх зображенню в СТМ з Ві/W вістрями, ми адсорбували на поверхню Si(111)77 незначну кількість водню. Деякі зображення атомів Si в кутових ямах при цьому зникали, незалежно від оточення, що свідчить про відповідність зображення атомів в кутових ямах атомам Si (Рис.1.).
Нами було запропоновано і використано для дослідження динамічних явищ на поверхні метод “розрізів”. Цей метод має, з одного боку, значно менший (в 50-200 разів), ніж у методиці “послідовних зображень” [11], найменший час між подіями, який можна визначити (min), а з іншого боку не вимагає вдосконалення існуючих СТМ, як у методиці “атомного слідкування” [12]. Суть метода "розрізів" полягає в аналізі СТМ-зображень на предмет існування "розрізаних" зображень атомів (чи кластерів). "Розрізаними" зображення стають через зміну атомом (кластером) свого положення за час утворення його зображення в СТМ.
Запропонована методика обробки та аналізу СТМ-зображень частково-упорядкованих систем, що дозволяє кількісно охарактеризувати початкові стадії адсорбції адсорбату на чисту поверхню та її поступове розупорядкування [4].
В третьому розділі приводяться результати досліджень структури та електронних властивостей інтерфейсу Bi/Si (поверхні Si(111) та Si(100)) [1,2,6,9,10]. Проведені дослідження інтерфейсу Bi/Si(111)77 в широкому діапазоні покриттів (0,02 - 10 МШ) та температур прогріву (від кімнатної до 1100С) дозволили побудувати схему фазових змін поверхні Bi/Si(111)77 (Рис.2) Виявилося, що при товщині шару Bi в діапазоні 1/50 - 1МШ за кімнатної температури кремнієвої підкладки, Ві адсорбується на поверхню Si(111)77 у вигляді острівців висотою <4 Å (двовимірних) та різними поперечними розмірами (від атомних до 10-30 Å), що розміщені переважно на половинках елементарних комірок 77, уникаючи кутових ям та димерних стінок. Подальше збільшення кількості адсорбованого вісмуту до 1 МШ приводить до поступового розупорядкування поверхні та хаотичного розташування острівців Ві, а з при >1 МШ на поверхні моношарового покриття Ві починають формуватися тривимірні острівці. 3Д острівці мають атомно-гладкі вершини. Розміри острівців при покритті ~1,5МШ досягають 100 Å в площині зразка та 15 Å по вертикалі. Форма острівців в площині зразка близька до округлої, але вже при 2 МШ тривимірні острівці Ві мають форму прямокутних паличок. При покритті 4 МШ окремі острівці з’єднуються зі своїми сусідами і утворюють лабіринтно-подібну структуру. При 10 МШ лабіринтно-подібна структура перетворюється у суцільну плівку із упорядкованою атомною структурою.
Таким чином, формуванню тонкої плівки Ві на поверхні Si(111)77 відповідає характеру росту Странського-Крастанова.
Проведені дослідження впливу прогріву до температур ~400С показали, що інтерфейс Bi/Si(111)77 з домоношаровим покриттям своєї структури суттєво не змінює. Тривимірні острівці, що існують на поверхні при покриттях Ві більших за 1 МШ, при прогрівах до ~400C коалесцують і вісмут з них поступово десорбується. Характерною особливістю помірного прогріву (до 400С) інтерфейсу Ві/Si(111)77 при кількості Ві >1 МШ є те, що всі перетворення тривимірних острівців відбуваються на поверхні майже незмінного моношарового покриття.
Основним наслідком прогріву при температурі 400С < Т <550С є відсутність на терасах острівців Ві та утворення високотемпературних фаз: вбудований Ві, - та -фази. При кількості адсорбованого вісмуту <1/5 МШ на поверхні при прогріві спостерігається тільки вбудований Ві, при 1/5 МШ <<1/3 МШ - суміш вбудованого Ві та -фази, при 1/3 МШ <<1 МШ - суміш - та -фаз, а при >1 МШ - тільки -фаза.
При <1/5 МШ всі атоми Ві після прогріву системи Ві/Si(111)77 до температури 440С вбудовуються до структури 77 на місця адатомів кремнію. Детальний аналіз багатьох СТМ-зображень показав, що ~60% заміщень адатомів Si має місце на дефектній половині комірки. Аналіз переважних місць адсорбції виявив, що в ~60% випадків атоми Ві вбудувались в позиціях центральних адатомів.
Виявилося, що при малих напругах (VS<0,8 В) на тунельному проміжку атомами Ві виглядають значно нижчими (менш яскравими) за атоми Si, незважаючи на їх більший атомний радіус. Цей факт можна пояснити значно меншою густиною електронних станів Ві поблизу EF, в порівнянні з адатомами Si. Розташовані на 0,8 еВ далі від EF вільні та зайняті електронні стани Ві визначають порівняно більшу реєстровану висоту (яскравість) атомів Ві при VS>0,8 В. До цього можна додати, що різниця у висотах між атомами Ві, вбудованими в дефектну та недефектну половини елементарної комірки при VS<-0,8 В відсутня, або менша експериментальної похибки (<0.05 Å) [1].
На СТМ-зображеннях досліджуваної поверхні при VS<0 (у формуванні зображення приймають участь зайняті електронні станти поверхні) яскравість сусідніх із Ві адатомів Si, а значить і густина зайнятих станів над ними, менша, порівняно з рештою адатомів Si. З’ясувалося, що чим більшою є густина зайнятих станів адатома Si на чистій поверхні Si(111)77, тим менше впливає вбудований у цьому місці Ві на сусідні адатоми кремнію. Для пояснення існування впливу вбудованого атома Ві на електронну структуру оточуючого кремнію пропонується нами модель, в основі якої лежить існуючий на поверхні Si(111)77 механізм перерозподілу заряду, зокрема між адатомами та залишковими атомами.
Прогрів зразка до температури 550С призводить до десорбції Ві. При 1/3 МШ, коли на поверхні існують вбудовані атоми Ві і можливо -фаза, вісмут повністю десорбується при T570C і поверхня відновлює первісну реконструкцію з малою кількістю поверхневих дефектів (0,005МШ). Коли на поверхні існує -фаза, Ві частково десорбується і утворює поверхню з -фазою при Т550С. При Т570С Ві десорбується з -фази і поверхня лишається розупорядкованою до Т600С. З подальшим ростом температури починають зароджуватись області реконструкції 77, а при температурі 650С області упорядкованої структури 77 мають форму трикутників з характерними розмірами до 1000 Å. При подальшому збільшенні температури прогріву поверхня повністю упорядковується з утворенням границь між упорядкованими ділянками. Ці границі при температурі 750С зникають і поверхня має первісний вигляд (чиста поверхня з структурою 77).
При досліджені інтерфейсу Ві/Si(100)21 основна увага приділялася дифузії Ві при кімнатній температурі та структурі і властивостям одновимірних Ві структур, що самоорганізуються на поверхні за певних умов [9,10].
Виявилося, що при малих покриттях (~0,05 МШ) вісмут на поверхні Si(100)21 при кімнатній температурі адсорбується у вигляді двох типів димерів. Один з них відповідає Б-позиції, а інший, виявлений нами вперше, –А-позиції (А-димери розташовуються на рядах атомів кремнію, але орієнтовані, на відміну від Б-димерів, перпендикулярно димерному ряду).
Виявилося, що при кімнатній температурі і А-, і Б-димери можуть робити елементарні стрибки вздовж димерного ряду атомів кремнію і перетворюватися один в одного. Для визначення характерних часів процесів дифузії та перетворення димерів ми використовували як стандартну методику "послідовних зображень", так і запропоновану нами методику "розрізів".
Оцінені енергії активації дифузії для дифузійних стрибків А-димерів і Б-димерів становлять 0,82 еВ та 1,05 еВ, відповідно, а для процесів перетворення А-димеру в Б- та зворотного перетворення - 0,87 еВ та 1,04 еВ, відповідно. Останні дані дозволяють зробити оцінку різниці в енергії зв’язку А- та Б-димерів, що становить 0,17 еВ (1,04 еВ –,87 еВ) [9,10]. Отримане нами значення цієї різниці узгоджується із теоретичними розрахунками, за якими різниця між енергіями зв’язку А- та Б- димерів повинна становить 0,19 еВ [13].
Вивчення впливу на дифузію А-димера інших адсорбованих вісмутових димерів показало, що цей вплив є тим механізмом, що приводить до локального скупчення димерів, які утворюють структуру 22 [9,10]. При дослідженні впливу дефектів на статичні і динамічні властивості інтерфейсу було показано, що наявність вакансійних дефектів на поверхні сприяє появі димерів вісмуту не тільки в А та Б позиціях, а також у, так званих, В і Г-позиціях (між рядами кремнію).
Дослідження показали, що при кімнатній температурі спостерігається явище руху двох Б-димерів, що знаходяться в одному ряду поруч, тобто узгоджений рух двох частинок, що не зв'язані між собою сильними хімічними зв'язками. Оцінки показали, що узгоджений рух двох Б-димерів є принаймні в 3000 раз більш ймовірним ніж статистично-незалежний. При детальному аналізі СТМ-зображень Б-димерів, які знаходяться по-сусідству, нами виявлено існування певної слабкої взаємодії між ними. Б-димери, що знаходяться поруч, стають несиметричними.
Після напорошення на поверхню Si(100)21 кількох моношарів вісмуту і прогріві інтерфейсу при температурі близько 520С протягом кількох годин на поверхні утворюються вісмутові нанонитки двох типів. Відомі з літератури синфазні та знайдені нами антифазні (рис.3). Від синфазних антифазні нитки відрізняються тим, що у останніх домени кремнію по обидві сторони нанонитки зсунуті один відносно одного на півперіод. На основі структури синфазної нитки і особливостей в СТМ-зображенні нами запропонована модель антифазної нанонитки (рис.3.). Характерним є те, що на поверхні кремнію більшістю границь між антифазними доменами кремнію були антифазні нанонитки. Тобто антифазна вісмутова нанонитка є більш енергетично вигідною границею, ніж доменна стінка на чистій поверхні Si(100)21.
Важливим етапом дослідження було вивчення утворення дефектів в нанонитках, як механізму деградації нанониток. На відміну від запропонованого в теоретичній роботі вакансійного типу дефекту [13], ми спостерігали утворення дефектів, які в СТМ-зображеннях при різних напругах на тунельному проміжку мали яскравість близьку до яскравості димерів кремнію. За формою ці дефекти були трохи витягнуті вздовж нанонитки і знаходилися на місцях вісмутових димерів. Це дозволило нам ототожнити дефекти з димерами кремнію, що заміщують десорбований вісмут в нанонитці.
Проведений аналіз дефектів в вісмутових нанонитках показав, що кількість дефектів в антифазних нанонитках майже в два рази менша за кількість дефектів в синфазних нанонитках. Останній факт дає можливість стверджувати, що знайдені нами антифазні вісмутові нитки більш стабільні ніж синфазні.
Досліджено ефект відштовхування від нанониток вакансійних дефектів на поверхні кремнію.
Четвертий розділ присвячений використанню запропонованої нами методики СТМ із Bi/W вістрями для визначення місць адсорбції водню на поверхні Si(111)77, перерозподілу водню по поверхні при прогріві аж до температури десорбції, впливу адсорбції на густину електронних станів атомів Si [3,4,8].
Для зручного представлення даних по взаємодії водню з поверхнею Si(111)77 ми ввели таку характеристику, як зайнятість воднем адсорбційних місць певного роду. Залежність від температури прогріву інтерфейсу H/Si(111)77 для трьох адсорбційних місць на поверхні (A, R, CH) показана на Рис.4.
Згідно теоретичних розрахунків [14] (базуючись на енергіях адсорбції атома водню в різних місцях комірки 77) для повинна виконуватися нерівність CH > R > A. З Рис.4 видно, що при кімнатній температурі CH місця мають по відношенню до водню адсорбційну активність () вдвічі меншу, ніж A та R місця. Це означає, що CH місця на поверхні Si(111)77 не є переважним місцем адсорбції атомарного водню при кімнатній температурі. Причиною неочікувано малої хімічної активності CH місць при адсорбції водню можуть бути кінетичні фактори, як і у випадку хімічної активності A та R місць. Одним із ймовірних кінетичних факторів, що може пояснити таку хімічну активність різних місць на поверхні, може бути коефіцієнт прилипання та різниця в зонах захоплення.
Температурні залежності хімічної активності різних місць поверхні Si(111)77 представлено на Рис.4. З Рис.4 видно, що при прогрівах до T200C R збільшується, а A зменшується. Це вказує на дифузію атомів водню між A та R місцями, що приводить до перерозподілу водню на поверхні із зайняттям ним найбільш енергетично вигідних R місць. Для CH місць не зазнає змін при прогрівах до температури ~400C (Рис.4). Це вказує на те, що CH місця не приймають участь у дифузії водню, іншими словами, водень не переходить з інших атомів ні в кутову яму, ні з неї до інших атомів. Це спостереження узгоджується з передбаченнями теоретиків [15] про існування порівняно великого активаційного бар’єру дифузії для водню, що оточує CH місця.
З поверхні Si(111)77 водень десорбується у вигляді молекул [15-18]. Найбільш енергетично вигідний шлях цієї десорбції, як зазначалося в огляді, є утворення молекули водню із адсорбованих атомів на сусідніх A та R місцях. Процес десорбції має активаційний бар’єр ~2,4 еВ [16]. За умов нашого експерименту це відповідає температурі десорбції ~500C. Тому саме при T500С водню повинно зменшуватися. Цей висновок узгоджується з нашими експериментальними результатами, наведеними на Рис.4. Що стосується енергії активації десорбції водню з CH місць, то за оцінками [15] вона повинна бути більшою за 2,4 еВ у випадку A-CH механізму утворення молекули H, аналогічному до A-R механізму. Проте, наші експерименти (Рис.4) показали, що температура десорбції водню з CH місць є практично такою ж, як і з A та R місць. Механізм дисорбції водню з CH місць залишається нез’ясованим.
В заключній частині розділу наведені наші дослідження впливу адсорбції атомів водню в CH місця на електронну структуру найближчих до кутової ями адатомів та залишкових атомів поверхні Si(111)77. При детальному аналізі виявилося, що адатоми на недефектних половинах біля СН місць з воднем при від'ємній напрузі на зразку виглядають трохи яскравішими (вищими на ~0,15 Å), ніж на чистих ділянках поверхні. До того ж адатоми на недефектних половинах біля деяких атомів в кутових ямах в СТМ-зображеннях із звичайними вістрями також виглядають трохи яскравішими (вищими ~0,15 Å). Збільшення густини електронних станів адатомів на недефектних половинах комірок 77 біля кутової ями з адсорбованим воднем підтверджується також теоретичним розрахунком [14].
Той факт, що при адсорбції водню в кутову яму електронна структура адатомів на недефектних половинах змінюється, означає, що ці адатоми можуть бути “індикаторами” адсорбції водню в СН місця. При цьому факт адсорбції водню в кутову яму може бути зафіксованим не тільки з допомогою Bi/W вістер, але і з використанням звичайних вістер. Ми передбачаємо, що цей метод дослідження буде придатним не тільки для адсорбції в СН місця водню, але і для інших адсорбатів, бо збільшення густини електронних станів адатомів при насиченні обірваного зв’язку атома кремнію в кутовій ямі є явищем, яке не повинно суттєво залежати від природи адсорбату.
В п'ятому розділі представлені результати дослідження структури та електронних властивостей інтерфейсу (Ві+H)/Si(111)77 в залежності від кількості вісмуту та водню і порядку коадсорбції [5,7].
Встановлено, що попередня експозиція поверхні Si(111)77 у водні сприяє формуванню на ній тривимірних острівців Ві уже при Bi 1 МШ, тоді як на чистій поверхні Si(111)77 при таких товщинах острівці Ві двовимірні [2]. З ростом експозиції, починаючи з 200-400 Л H, характерні розміри острівців збільшуються. При експозиціях 1600 Л H латеральні розміри острівців досягають 50 Å, а їх висоти 15 Å. Таким чином попередня гідрогенізація поверхні Si(111)77 приводить до зміни механізм росту Странського-Крастанова на чистій поверхні, на механізм Вольмера-Вебера на гідрогенізованій. Ці дані також підтверджуються дослідженнями із застосуванням Оже електронної спектроскопії та ультрафіолетової фотоелектронної спектроскопії.
Дослідження показали, що при Bi 1 МШ структура плівок Ві (розміри і висота острівців) не залежить від порядку адсорбції Ві та водню. Тобто двовимірні острівці Ві, сформовані на чистій поверхні Si(111)77, під дією водню перетворюються в тривимірні з такими ж характерними розмірами, що і при адсорбції на гідрогенізовану поверхню.
Інший характер має вплив водню на більш товсті плівки Ві. Зокрема, структура інтерфейсу починає суттєво залежати від порядку коадсорбції. Так, на гідрогенізованій поверхні, незалежно від кількості вісмуту (досліджувалися покриття до 10МШ) формуються майже круглі у площині зразка тривимірні острівці. Експонування у водні лабіринтно-подібної структури не призводить до її перетворення в тривимірні острівці, а лише частково модифікує її форму, зокрема з’являються тривимірні острівці в прогалинах. Експонування у водні інтерфейсу із суцільною вісмутовою плівкою взагалі не приводить до будь-яких помітних змін.
При досліджені інтерфейсу Bi/H/Si(111)77 виявилося, що структуру 3Д вісмутових острівців можна, за певних умов, легко модифікувати вістрям СТМ, зокрема, забирати з поверхні навіть окремі острівці вісмуту. Модифікація стає можливою в двох режимах, коли напруга на тунельному проміжку менше ~1В і тоді, коли вона становить понад 4-5В. В першому випадку вістря СТМ наближається близько до поверхні і відбувається безпосередній переніс речовини із поверхні на вістря. У другому випадку модифікація поверхні здійснюється за рахунок великого електричного поля СТМ. Проте в обох випадках спостерігається явище переносу вісмуту з поверхні на вістря. Можливіть модифікації вісмутових острівців на гідрогенізованій поверхні може опосередковано свідчити про слабкий зв’язок острівців із підкладкою.
ВИСНОВКИ
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА
ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА
АНОТАЦІЯ
Булавенко С.Ю. Дослідження взаємодії вісмуту та водню з поверхнями Si(111) та Si(100) методом скануючої тунельної мікроскопії. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.04 - фізична електроніка. - Київський національний університет ім. Тараса Шевченка, Київ, 2002.
Дисертація присвячена вивченню взаємодії вісмуту та водню з поверхнями Si(111) та Si(100) на атомному рівні з допомогою скануючої тунельної мікроскопії. Побудовано детальну схему фазових змін системи Bi/Si(111)77 та досліджено структуру кожної з фаз з атомною роздільною здатністю. Розроблено нову методику із застосуванням Bi/W вістер в скануючому тунельному мікроскопові для дослідження раніше недоступних атомів в кутових ямах реконструкції Si(111)77. Досліджено початкову стадію адсорбції атомарного водню та його перерозподіл на поверхні при прогріві, включаючи його десорбцію з атомів в кутових ямах. Всупереч теоретичним передбаченням, виявилися, що атоми в кутових ямах вдвічі менше активні, ніж адатоми та залишкові атоми. Вивчено коадсорбцію вісмуту та водню на поверхні Si(111)77. Вперше знайдено існування вісмутових димерів в А-позиціях при початкових стадіях адсорбції вісмуту на поверхні Si(100)21 при кімнатній температурі. Досліджено рух А-, Б-димерів та їх взаємне перетворення. Знайдено існування нового, антифазного, типу вісмутових нанониток на поверхні Si(100)21. Вивчено природу дефектів в нанонитках.
Ключові слова: вісмут, кремній, адсорбція, скануюча тунельна мікроскопія, атомна роздільна здатність, реконструкція, одновимірні наноструктури, дифузія.
ABSTRACT
Bulavenko S.Yu. Investigation of bismuth and hydrogen interaction with Si(111) and Si(100) surfaces by scanning tunneling microscopy. - Manuscript.
Thesis for candidate's degree of physics and mathematical sciences by speciality: 01.04.04 - physical electronic. - National Taras Shevchenko University of Kyiv, Kyiv, 2002.
The thesis is dedicated to study of bismuth and hydrogen interaction with Si(111) та Si(100) surfaces with atomic resolution using scanning tunneling micriscopy. The detailed scheme of phase changes of the Bi/Si(111)77 interface is constructed and structure of each phase is investigated with atomic resolution. A new method of scanning tunneling microscopy with Bi/W tips is developed for investigation of inaccessible corner hole atoms of Si(111)77 reconstruction. An initial stage of atomic hydrogen adsorption and its rearrangement on the surface after heating including its adsorption in the corner holes is studied. Despite the theoretical predictions the atoms in the corner holes are found to be twice less active than the adatoms and rest atoms. The coadsorption of bismuth and hydrogen on the Si(111)77 surface is studied. The existence of bismuth dimers in A-position on the Si(100)21 surface at an initial Bi adosorption stage at room temperature is first revealed. The moution of A-, B-dimers and their mutual transformation are studied. The existence of a new, antiphase, type of bismuth nanowires on the Si(100)21 surface is found and nature of defects in the nanowires is studied.
Keywords: bismuth, silicon, adsorption, scanning tunneling microscopy, atomic resolution, reconstruction, one-dimensional nanostructures, diffusion.
АННОТАЦИЯ
Булавенко С.Ю. Исследования взаимодействия висмута и водорода с поверхностями Si(111) и Si(100) методом сканирующей туннельной микроскопии. - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.04 - физическая микроэлектроника. - Киевский национальный университет им, Тараса Шевченко, Киев, 2002.
Диссертация посвящена изучению взаимодействия висмута и водорода с поверхностями Si(111) и Si(100) на атомном уровне с помощью сканирующей туннельной микроскопии. Построена детальная схема фазовых изменений системы Bi/Si(111)77 и исследована структура каждой из фаз с атомным разрешением. Разработана новая методика с использованием Bi/W острий в сканирующем туннельном микроскопе для исследования ранее недоступных атомов в угловых ямах реконструкции Si(111)77. Исследована начальная стадия адсорбции атомарного водорода и его перераспределение на поверхности при прогреве, включая его десорбцию с атомов в угловых ямах. Вопреки теоретическим предположениям, оказалось, что атомы в угловых ямах вдвое менее активны, чем адатомы и остаточные атомы. Оказалось, что угловую яму окружает сравнительно высокий диффузионный барьер для атомов водорода. Исследовано влияние адсорбции атома водорода в угловую яму на электронное состояние соседних атомов. Изучена коадсорбция висмута и водорода на поверхности Si(111)77. Показано, что присутствие водорода на поверхности Si(111)77 приводит к росту пленки висмута по механизму Вольмера-Вебера, в отличие от механизма роста висмутовой пленки на чистой поверхности Si(111)77 по механизму Странского-Крастанова. Впервые обнаружено существование висмутовых димеров в А-позициях на начальных стадиях адсорбции висмута на поверхности Si(100)21 при комнатной температуре. Исследовано движение А-, Б-димеров и их взаимное превращение. Найдено и исследовано явление согласованого движения двух Б-димеров. Обнаружено существование нового, антифазного, типа висмутовых нанонитей на поверхности Si(100)21. Изучена структура дефектов в нанонитях, и показано, что дефекты в нанонитях Ві представляют собой замещение висмутовых димеров на димеры кремния.
Ключевые слова: висмут, кремний, адсорбция, сканирующая туннельная микроскопия, атомное разрешение, реконструкция, одномерные наноструктуры, диффузия.