СПЕКТРОСКОПИЯ УПРУГО ОТРАЖЕННЫХ ЭЛЕКТРОНОВ

СПЕКТРОСКОПИЯ ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ

Как отмечалось ранее, глубина выхода электронов с энергией до 300 эВ не превышает одного мономолекулярного слоя. Первичные электроны, упруго отраженные от атомов верхнего мономолекулярного слоя поверхности твердого тела, могут испытать дискретные потери энергии, называемые характеристическими потерями. Схема основных процессов, ответственных за характеристические потери энергии медленными электронами на поверхности твердого тела, приведена на рис. 4.29.

Схема процессов характеристических потерь энергии медленными электронами на поверхности твердого тела

Рис. 4.29. Схема процессов характеристических потерь энергии медленными электронами на поверхности твердого тела

Процессы неупругого рассеяния электронов с характеристическими потерями энергии можно разделить на две группы: одноэлектронные и коллективные возбуждения.

Электроны могут испытать потери энергии в результате взаимодействия с дипольным электрическим полем поверхностных колебаний. При этом может быть получена информация о координации атомов верхнего мономолекулярного слоя поверхности, включая адсорбированные атомы, а также об энергии связи атомов верхнего монослоя и колебательных спектрах атомов в верхнем монослое. При этом характерная величина энергетических потерь составляет 20—200 мэВ.

На рисунке 4.30 в качестве примера представлены спектры характеристических потерь на поверхности {111) кремния, очищенной в сверхвысоком вакууме, после различной экспозиции его в кислороде.

Линия спектра 56 мэВ появляется вследствие возбуждения фоно- нов — поверхностных колебаний атомов кремния. После экспозиции поверхности кремния в кислороде при различных дозах экспозиции на поверхности кремния появляются адсорбированные атомы кис

лорода. При этом в спектре характеристических потерь появляются три новые линии — при энергиях 49,95 и 125 мэВ, относящиеся к трем модам колебаний атомов кислорода. Кратковременный отжиг кремния при температуре 100 °С уменьшает интенсивность данных линий, а длительный отжиг возвращает спектр к исходному виду. Схема расположения адсорбированных атомов кислорода, основанная на анализе спектров характеристических потерь, показана на рис. 4.31.

Спектры характеристических потерь в кремнии [22. С. 190]

Рис. 4.30. Спектры характеристических потерь в кремнии [22. С. 190]: а — чистая поверхность: б—5,6-10-6 тор-мин; в — 3,4-10-5 тор-мин; г— прогрев при

100 °С в вакууме

Схема положения адсорбированных атомов кислорода на поверхности кремния

Рис. 4.31. Схема положения адсорбированных атомов кислорода на поверхности кремния

Второй тип возможных характеристических потерь энергии электронами — возбуждение электронных переходов у поверхностных

атомов. Метод характеристических потерь позволяет получать информацию об электронных переходах с глубоких валентных уровней атомов поверхности на свободные поверхностные состояния, то есть изучать зонную структуру твердого тела в приповерхностной области. Кроме того, он весьма эффективен при исследовании влияния адсорбции атомов на зонную структуру поверхности, а также при определении элементов, образующих на поверхности связанные комплексы.

На рисунке 4.32 в качестве примера приведены спектры характеристических потерь поверхности типичного полупроводника — фосфида галлия с различным соотношением концентрации поверхностных атомов галлия и фосфора: 0,132 (а), 0,136 (б), 0,204 (в), 0,109 (г). Данные состояния поверхности могут быть получены путем прогрева материала в вакууме по различным режимам.

Результаты исследований данным методом показали, что избыточные атомы галлия формируют в запрещенной зоне свободные поверхностные состояния на 1,4 эВ ниже края зоны проводимости, а избыточные атомы фосфора формируют в запрещенной зоне заполненные поверхностные состояния на 0,8 эВ ниже края зоны проводимости.

Спектры ХПЭЭ грани [111) GaP с различной стехиометрией состава поверхности [44. С. 36]

Рис. 4.32. Спектры ХПЭЭ грани [111) GaP с различной стехиометрией состава поверхности [44. С. 36]

Третий тип характеристических потерь энергии электронами связан с возбуждением коллективных объемных и поверхностных колебаний валентных электронов или электронов в зоне проводи-

мости твердого тела — так называемых объемных и поверхностных плазмонов.

При бомбардировке поверхности твердого тела медленными электронами характеристические потери их энергии, связанные с возбуждением объемных и поверхностных плазмонов, составят

где квантовые числа nvn2 = 0,1,2,3,..., а величины энергии соответственно объемного и поверхностного плазмонов АЕоб и Д?пов равны

Здесь #ди#5- соответственно концентрации электронов в объеме и на поверхности твердого тела; т* — эффективная масса электронов; е — эффективный заряд электронов; h — постоянная Планка; в—диэлектрическая проницаемость материала; е0—диэлектрическая постоянная.

Данная методика используется для определения значений электронной концентрации электронов в объеме и на поверхности материалов металлического типа. Однако применительно к примесным полупроводникам, а также к диэлектрикам, содержащим точечные дефекты, методика ХПЭЭ может быть использована для определения концентрации примесей или дефектов в объеме и на поверхности материалов подобного типа. Это особенно важно, так как концентрация примесей или дефектов на поверхности может существенно отличаться от ее значения в объеме материала.

Спектр ХПЭЭ поверхности оксида иттрия (а) и графики значений энергий пиков ХПЭЭ в зависимости от квантового числа (б)

Рис. 4.33. Спектр ХПЭЭ поверхности оксида иттрия (а) и графики значений энергий пиков ХПЭЭ в зависимости от квантового числа (б)

На рисунке 4.33а в качестве примера приведен спектр ХПЭЭ образца композитного материала «W—Y203». Пик R соответствует группе упруго отраженных электронов. Остальные пики группируются в соответствии с выражением (4.5) в две линейные зависимости с л, =0, п2 = 1, 2, 3,... и л, = 1, я2 = 0, 1,2,..., как видно из графиков рис. 4.33 б.

Эффективность использования методики для изучения динамики изменения концентрации кислородных вакансий в оксидной фазе Y203 в результате его термообработки в вакууме иллюстрирует табл. 4.1.

Таблица 4.1

Динамика изменения параметров ХПЭ в системе «W-Y203»

Режим термообработки

?

CJ

CD

^пов- ЭВ

/V3

Ns, м-2

Отжиг в вакууме: Т = 1400 °С, t = 20 мин, р = 1-1D-8 тор

5,30

3,50

1,37-1026

1.26-1017

Дальнейший отжиг в вакууме: Г = 600 °С, t = 20 мин

5,55

3,65

1,50-1026

1.37-1017

Дальнейший отжиг в вакууме: Г = 700 °С, t = 50 мин

6,70

4,40

2,19-Ю26

1,99-1017

Дальнейший отжиг в кислороде: Г = 600 °С, t = 25 мин, Р - 5-10-6 тор

5,10

3,36

1,27-1026

1,16-Ю17

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >