РАЗДЕЛ 2
МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СВЕРХРЕШЕТОК ИЗ СУЛЬФИДА СВИНЦА И ЕВРОПИЯ
2.1. Методики изготовления и исследования кристаллической структуры пленок
Образцы для исследований были приготовлены в высоковакуумной установке с безмасляной системой откачки (см. рис. 2.1) с использованием термического испарения PbS из вольфрамовой лодочки и электроннолучевого испарения EuS, путем попеременного осаждения данных соединений на свежесколотую поверхность (001) KCl, PbS или (111) BaF2 при температуре 523К в вакууме (10-4 - 10-5 Па) [180-182]. Давление остаточных газов в камере контролировалось при помощи ионизационного и термопарного датчиков. Подложки нагревались излучением вольфрамовых нагревателей, а их температура контролировалась хромель-алюмелевой термопарой. Для удаления из PbS и EuS адсорбированных при вскрытии установки газов перед проведением экспериментов вещества прогревались и испарялись на заслонку. Толщина и скорость нанесения слоев контролировались при помощи откалиброванного кварцевого резонатора. Скорость осаждения соединений составляла 0,1 - 1,0 нм/с. Калибровка резонатора осуществлялась по данным измерений толщины однослойных пленок (интерферометр Линника) и СР (рентгеновская дифрактометрия).
Для электронно-микроскопического исследования пленок на просвет они отделялись от подложек BaF2 при помощи желатины или растворением подложек KCl в дистиллированной воде. После отделения от подложек образцы вылавливались на объектные сеточки и изучались на электронном микроскопе ЭМВ-100 АК при ускоряющем напряжении 100 кВ. Разрешение микроскопа ?
Рис. 2.1. Схема установки для получения тонких пленок и сверхрешеток (СР) EuS-PbS:
1- высоковакуумная камера;
2- подложкодержатель-печь для нагрева подложек;
3- вольфрамовый нагреватель;
4- термопара;
5- подложка;
6- кварцевый резонатор;
7- заслонки;
8- испаряемые вещества;
9- электронная пушка;
10- перегородка;
11- вольфрамовая лодочка.
1 нм, диапазон использовавшихся увеличений от 10 до 90 тыс. Внутренняя структура пленок изучалась с помощью метода дифракционного контраста с использованием светло- и темнопольной микроскопии. Для определения фазового состава образцов проводились съемки в режимах общей и микродифракции.
Рентгеновские съемки для определения фазового состава образцов, толщины однослойных пленок, величины периода и толщин слоев СР проводились на отражение, используя схему двойного кристалл-спектрометра в Cu-K?1 (? = 0,154051 нм) излучении при ? - 2? сканировании (рис. 2.2). При съемках использовалось отражение (400) от кремниевого кристалла-монохроматора. Запись интенсивности дифрагированного пучка велась автоматически с применением ЭВМ. Для данных съемок использовались горизонтальные щели 0,5 мм и 0,25 мм и вертикальная щель 2мм.
2.2. Особенности дифракции рентгеновских лучей на сверхрешетках
Для возможности практического использования СР и изучения их свойств необходим жесткий контроль толщины слоев и воспроизводимость их периода. Одним из наиболее распространенных методов исследования строения и контроля качества многослойных периодических систем является рентгеновская дифракция.
Положение максимумов дифрагированного рентгеновского излучения описывается классическим уравнением Вульфа-Брэгга, связывающего углы дифракции ? с межплоскостным расстоянием d семейства плоскостей, на которых происходит дифракция излучения с длиной волны ?:
2dsin? = n? (2.1)
Аналогично (2.1) на сверхрешетке с периодом Н отражение рентгеновского излучения от периодически расположенных границ раздела слоев возникает под углами ?, удовлетворяющими условию [184]:
2Нsin? ? = n? (2.2)
где n - порядок отражения (n = 1,2,3,...).
Поскольку значения Н обычно на 1-2 порядка выше характерных межплоскостных расстояний в кристаллах d, угол ? достаточно мал, поэтому в уравнении Вульфа-Брэгга возникает дополнительный множитель, связанный с поправкой на преломление ?. Таким образом, появление максимумов интенсивности на дифракционной картине вблизи первичного пучка - одно из основных доказательств периодичности многослойной системы.
Дифракционная картина вблизи брэгговских отражений кристаллов, составляющих СР, имеет свои особенности (см., например, рис. 3.6 б). Вместо отдельных максимумов от решеток веществ, составляющих СР, наблюдается один сильный центральный максимум S0, соответствующий брэгговскому отражению (2.1) при d = dср, где dср - межплоскостное расстояние "средней" решетки, связанный с толщинами Н1 и Н2 слоев СР с периодом Н и межплоскостными расстояниями d1 и d2 их решеток соотношениями (2.3):
(2.3)
где d1,d2 - периоды решеток слоев, составляющих СР; dср - период средней решетки, соответствующий брэгговскому отражению S0.
Кроме того, по обе стороны от центрального пика S0 возникают побочные максимумы - сателлиты S?, наличие которых вызвано как модуляцией межплоскостного расстояния, так и модуляцией электронной плотности, обусловленной варьированием состава вдоль оси СР. Расстояние между сателлитами (?2?) связано с периодом (Н) СР соотношением [185]:
(2.4)
Появление рефлексов-сателлитов на рентгенограммах может быть пояснено математически. Амплитуда рассеяния кристаллом G - есть сумма амплитуд рассеяния всеми его элементарными ячейками. Пусть h*, k*, l* - координаты в обратном пространстве. Тогда амплитуда рассеяния, как функция положения в обратном пространстве, для кристалла кубической симметрии описывается соотношением:
(2.5)
где F - структурная амплитуда рассеяния одной элементарной ячейкой кристалла; xj, yj, zj - координаты j-ой элементарной ячейки.
В кристалле со сверхрешеткой размер элементарной ячейки в направлении ее оси периодически изменяется. В случае СР с синусоидальным изменением концентрационного профиля это изменение межплоскостного расстояния в направлении оси z от d-?d до d+?d приводит к следующему ра