СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ...............................................................5
ГЛАВА 1. ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ФИЗИКИ ГРАНИЦ РАЗДЕЛА РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫЙ МЕТАЛЛ КРЕМНИЙ. ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О КИНЕТИКЕ ТЕРМОДЕСОРБ11ИИ
1.1. Экспериментальные исследования формирования плёночных
структур РЗМ-БК111).............................................11
1.1.1. Электронные свойства редкоземельных металлов.............11
1.1.2. Кристаллическая структура и электронные свойства поверхности 81(111).............................................12
1.1.3. Плёночные структуры РЗМ-БЦ 111) при комнатной температуре............................................:........16
1.1.4. Плёночные структуры РЗМ-БК111) после термической обработки.......................................................19
1.1.4.1. Двумерные реконструкции...........................19
1.1.4.2. Силициды РЗМ......................................23
1.1.5. Выводы...................................................27
1.2. Крат кий обзор современных теорет ических представлений
о кинетике термодесорбции.......................................29
1.2.1. Идеальный адсорбированный слой...........................30
1.2.2. Двумерные островки.......................................32
1.2.3. Трёхмерные кристаллиты...................................37
ГЛАВА 2 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
2.1. Экспериментальные методы.........................................40
2.1.1. Термодесорбционная спектроскопия.........................40
2.1.2. Изотермическая десорбиионная спектроскопия...............42
2.2. Экспериментальная установка......................................46
2.2.1. Общая конструкция установки. Блок схема системы откачки....46
2.2.2. Образцы..................................................49
2.2.3. Испарители...............................................52
2.2.4. Ионные источники.........................................54
3
2.2.5. Измерение ионных токов на выходе масс-спектрометра.....57
2.2.6. Измерение работы выхода.................................57
2.2.7. Определение абсолютных значений Уо, у, N и 0............58
2.2.8. Оценка коэффициента прилипания Б........................58
2.2.9. Регистрация частиц, испаряющихся из плёночных структур РЗМ-81(111) при их нагреве....................................59
2.2 10. Контроль поверхностной .миграции.......................60
2.2.11. О погрешностях.........................................62
ГЛАВА 3. МЕХАНИЗМЫ ФОРМИРОВАНИЯ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛЁНОЧНЫХ СТРУКТУР Еи-В1(111)
3.1. Экспериментальные результаты..................................63
3.1.1. Дифракция медленных элскгронов..........................63
3.1.2. Термодесорбционная спектроскопия........................68
3.1.3. Изотермическая дссорбцнонная спектроскопия..............74
3.1.4. Метод контактной разности потенциалов...................82
3.1.5. Электронная Оже-спсктроскопия...........................85
3.1.5.1. Форма Ожс-спсктров европия......................85
3.1.5.2. Концентрационные зависимости интенсивности Оже-сигналов.............................................89
3.2. Обсуждение результатов........................................92
3.2.1. Плёночные структуры, сформированные при комнатной температуре...................................................92
3.2.2. Плёночные структуры, сформированные при высоких температурах..................................................95
3.2.2.1. Адсорбционная стадия............................95
3.2.2.2. Стадия силицидообразования.....................101
ГЛАВА 4. МЕХА11ИЗМЫ ФОРМИРОВАНИЯ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛЁНОЧНЫХ СТРУКТУР УЬ-8К111)
4.1. Экспериментальные результаты и их обсуждение.................105
4.1.1. Дифракция медленных электронов.........................105
4.1.2. Термодесорбционная спектроскопия.......................108
4.1.3. Изотермическая десорбционная спектроскопия.............113
4.1.4. Электронная Оже спектроскопия..........................119
4
4.1.5. Метод контактной разности потенциалов.................124
ГЛАВА 5. МЕХАНИЗМЫ ФОРМИРОВАНИЯ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛЁНОЧНЫХ СТРУКТУР Бт-ЭК 111)
5.1. Экспериментальные результаты................................129
5.1.1. Дифракция медленных электронов........................129
5.1.2. Термодссорбционная спектроскопия......................132
5.1.3. Изотермическая десорбционная спектроскопия............136
5.14. Электронная Оже-спектроскопия..........................138
5.1.4.1. Зависимость формы Оже спектров самария от количества его атомов, нанесенных на поверхность кремния.. 138
5.1.4.2. Концентрационные зависимости интенсивности Оже-пиков..............................................142
5.1.5. Метод контактной разности потенциалов.................146
5.2. Обсуждение результатов......................................152
5.2.1. Адсорбционная стадия..................................153
5.2.2. Стадия силицидообразования............................158
ГЛАВА 6. СРАВНЕНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПЛЁНОЧНЫХ СТРУКТУР Еи-БК! 11), УЬ-ЭД! 11) ивт-вКШ)
6.1. Плёночные структуры, сформированные при
комнатной температуре........................................162
6.2. Плёночные структуры при высоких температурах................165
6.2.1. Механизм и кинетика формирования плёночных структур 166
6.2.2. Адсорбционная стадия..................................168
6.2.3. Стадия силицидообразования............................172
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................177
ЛИТЕРАТУРА
180
5
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Интерес к проблеме формирования мсжфазовых границ металл-полупроводник существует давно. Вызван он. прежде всего, практическими потребностями таких областей науки и техники, как микро- и оптоэлек тропика, технология тонких плёнок, физическая электроника, гетерогенный катализ и др. Однако систематические исследования таких структур оказались возможными только в последние десятилетия. Именно в этот период времени сравнительно доступными стали разнообразные экспериментальные методы (в том числе, методы эмиссионной электроники), разработаны способы получения атомарно-чистых, совершенных поверхностей полупроводниковых монокристаллов, существенно повысился уровень вакуумной техники. Это предопределило современный подход к изучению контактов: в настоящее время их формирование и исследование проводят in situ, в одном сверхвысоковакуумном приборе с применением, как правило, комплекса различных методов диагностики. Накопленный опыт показывает, что свойства тонкоплёночных структур закладываются на самых ранних этапах их формирования, когда на поверхности образуется плёнка субнанометровой толщины (в один или несколько моноатомных слоев). Поэтому особая роль в исследованиях отводится именно начальным стадиям роста. В процессе опытов получены сведения о механизмах роста, электронных свойствах, атомной структуре адсорбированных слоёв, характере реконструкции подложки, энергиях связи, работе выхода, низкоразмерных фазовых переходах, поверхностных реакциях, взаимной диффузии и т.д.
Очевидно, что необходимость в структурах с предсказуемыми, заранее прогнозируемыми рабочими характеристиками, которые по возможности не подвергались бы деградации в течение «срока службы» контакта, растёт. С этой точки зрения изучение новых систем является весьма актуальным. Такие исследования, с одной стороны, должны обеспечить растущие практические
6
потребности, а с другой, расширить представления о природе процессов, разыгрывающихся на поверхности полупроводника при её контакте с металлом. Плёночные структуры редкоземельный металл (РЗМ)-кремний относятся к числу новых систем, перспективных для практического применения в будущем. В них возможно образование устойчивых соединений с особыми свойствами - силицидов РЗМ (1,2). Плёнки таких соединений обладают, в частности, низкой температурой образования, высокой электро- и теплопроводностью, необычным механизмом формирования (3,4]. Па границе раздела силицида РЗМ с кремнием и-типа образуется барьер Шоттки, имеющий рекордно матую для систем мсталл-и-Б! величину (0.2- 0.3 эВ [5-7,66(). Всё это свидетельствует, что на основе структур РЗМ кремний в будущем могут быть созданы элементы преобразователей солнечной энергии, омические контакты для сверхбольших интегральных схем, детекторы инфракрасного излучения и т.д.
К началу выполнения настоящей работы в литературе имелись сведения, в основном, об электронной и геометрической структуре границ раздела РЗМ-$1 (их краткий обзор дан в первой главе). Однако для создания адекватной модели имевшихся данных было недостаточно, так как многие вопросы физики этих контактов оставались открытыми. В частности, не были ясны механизмы их формирования (в первую очередь, при высоких температурах), не была выявлена роль адсорбированной фазы в процессах силицидообразования. Полностью отсутствовала информация о кинетике взаимодействия атомов РЗМ с поверхностью кремния, их энергии связи в адсорбированных слоях и силицидах, термической стабильности, работе выхода.
В святи с этим в настоящей работе было запланировано:
1) в широком диапазоне температур и покрытий изучить механизмы формирования плёночных структур Ни—111), УЬ-81(111) и 5т-Б)(111);
7
2) исследовать взаимодействие атомов Eu, Yb и Sm с поверхностью Si(l 11) на стадии адсорбции: изучить десорбционную кинетику и определить ее параметры;
3) изучить кинетику образования и разложения силицидов Eu, Yb и Sm;
4) получить данные о физико-химических свойствах пленочных систем Еи-Si(lll), Yb-Si(lll) и Sm-Si(lll): энергиях связи атомов РЗМ в адсорбированном состоянии и в силицидах, термической стабильности, работе выхода,
5) изучить характер реконструкции поверхности кремния при нанесении на нее атомов РЗМ и выяснить роль адсорбированной фазы в процессах силицидообразования;
6) провести сравнительный анализ результатов, полученных для трех систем, и установить связь свойств контактов с электронной структурой атомов РЗМ;
Выбор подложки был обусловлен возможностью эпитаксиального роста на ней силицидов РЗМ [8]. Кроме того, в литературе для грани (111) имелся наибольший объем данных по системам РЗМ-кремний. Последнее означает, что можно было проводить сопоставление получаемых в настоящей работе результатов с данными других авторов. На выбор адсорбатов повлияло то, что атомы Ou, Yb и Sm, во первых, полностью удаляются с поверхности Si(lll) при высокотемпературном нагреве. Это позволило, в частности, впервые исследовать термодесорбционные (ТД) спектры данных систем и определить энергию связи атомов адсорбата с кремнием. Во-вторых, эти элементы значительно различаются по степени заполнения 4Г-оболочки, что в принципе может дать ценную информацию о сс роли в процессах силицидообразования и формирования границ раздела. Порядок исследования систем был таков: вначале изучались контакты, образованные двухвалентными РЗМ (Ей и Yb), а затем трёхвалентным самарием.
Научная новизна пабогы.
1) Впервые изучены ТД спектры и спектры изотермической десорбции плёночных структур РЗМ-полупроводник.
8
2) Впервые исследована кинетика десорбции адсорбированных атомов Ей, УЬ и Эт с поверхности кремния и определены се параметры: порядок десорбции, энергия активации, предэкспоненциальный множитель.
3) Установлено, что 20-структуры существуют не только при комнатной, но и при высоких температурах.
4) Впервые показано, что образование 21>-доменов и реконструкция поверхности кремния носят взаимно согласованный характер (самоорганизация системы) и являются термически активированным процессом.
5) Выявлена роль адсорбционной фазы в процессах формирования границ раздела РЗМ-кремний.
6) Впервые исследована кинетика образования и разложения силицидов Ей, УЬ и Эт и их термическая стабильность. Определена энергия активации разложения силицидов.
7) Впервые определена работа выхода систем РЭМ-ЭК 111) в широкой области покрытий.
8) Впервые исследовано влияние температуры и степени покрытия на морфологию плёнок силицидов Ей и Эт.
9) Обнаружена связь формы низкоэнергетической части Оже-спектра самария с валентностью его атомов.
Научная н практическая значимость. Полученные в работе данные о процессах взаимодействия атомов РЗМ с кремнием на различных стадиях формирования границы раздела необходимы для создания модели плёночных структур РЗМ-Эк Та их часть, которая касается кинетики десорбции и её параметров, важна для развития представлений о механизмах роста тонких плёнок на чужеродных подложках, структуре адслоёв, низкоразмерных фазовых переходах и гетерогенных каталитических процессах. Количественные характеристики тсрмостабильности исследованных систем имеют большое значение для выработки практических рекомендаций но использованию структур РЗМ-Э1 в микро- и оптоэлектронике. Двумерные реконструкции, индуцированные атомами РЗМ на поверхности Э1(111), могут
9
служить прототипом упорядоченных низкоразмерных сперхструктур, образующихся при адсорбции на этой грани других металлов, инициирующих её перестройку. Изучение процессов, протекающих при образовании 21)-доменов, играет важную роль в понимании явления самоорганизации в тонкопленочных системах. Исследования влияния условий роста на морфологию и состав плёнок силицидов даёт важную информацию о механизмах росза тонких плёнок и гетерогенною зародышеобразовання. Изучение формы Оже-спектров самария указывает на возможность применения метода электронной Оже-спектроскоиии (ЭОС) в качестве индикатора валентного состояния атомов этого элемента.
Научные положения, выносимые па защиту:
1) В широкой области температур формирование плёночных структур Еи-81(111), УЬ—81(111) и Ят-Я^Ш) происходит по механизму подобному механизму Странского-Крастанова: вначале на поверхности кремния формируется упорядоченная моноатомная адсорбированная плёнка редкоземельного металла, а затем на этой плёнке растут трёхмерные кристаллиты. Отличие от классического механизма Странского-Крастанова состоит в том, что ЗЭ-кристалли ты образованы химическим соединением между атомами металла и кремния - силицидами РЗМ. Атомы металла доставляются в кристаллиты из газовой фазы, а атомы кремния диффундируют в них из подложки через адсорбированную плёнку.
2) Упорядоченные адсорбированные плёнки образованы 21)-домснамн, структура которых меняется дискретным образом при увеличении поверхностной концентрации атомов РЗМ. Образование доменов сопровождается согласованной с их структурой реконструкцией поверхности кремния. Термическая стабильность доменов, энергия удаления атомов РЗМ из них в вакуум и работа выхода поверхности кремния с нанесённой на неё адсорбированной плёнкой уменьшаются по мере уплотнения двумерных структур.
10
3) Силициды исследованных РЗМ при нагревании разлагаются. При этом атомы РЗМ испаряются с поверхности в вакуум, а атомы остаются на поверхности. Энерг ия активации разложения возрастает в ряду УЬ-»Еи->8т.
4) Форма кристаллитов силицидов зависит от температуры монокристалла кремния, при которой на его поверхность наносится редкоземельный металл. В случаях систем Ей—81( 111) и 8ш—81(111) при увеличении температуры возрастает отношение высоты кристаллитов к площади их основания.
5) Между формой низкоэнергетической части Оже-спсктра самария и валентностью его атомов существует корреляция, которая даёт возможность с помощью метода ЭОС индицировать валентное состояние этих аюмов.
Достоверность н надёжность результатов работы обеспечены проведением исследований в сверхвысоком вакууме, использованием хорошо апробированных процедур приготовления поверхностей и методов их контроля, тщательностью проработки применяемых методик, воспроизводимостью получаемых данных.
Структура п объём диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитированной литературы. Она содержит 194 страницы, в том числе 125 страниц машинописного текста, 50 рисунков, 9 таблиц и список литературы, включающий 173 наименования.
Il
ГЛАВА 1.
ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ФИЗИКИ ГРАНИЦ РАЗДЕЛА РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫЙ МЕТАЛЛ-КРЕМНИЙ. ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О КИНЕТИКЕ
ТЕРМОДЕСОРБЦИИ
1.1. Экспериментальные исследования формирования пленочных
структур P3M-Si(l 11)
1.1.1. Электронные свойства редкоземельных металлов
В число редкоземельных металлов (РЗМ) включают пятнадцать элементов III группы периодической системы от лантана (атомный номер Z=57) до лютеция (Z=71). Одной из главных особенностей, которая позволяет выделить эти элементы в особую группу, является то, что по мерс увеличения заряда их ядер электронная конфигурация двух внешних валентных уровней почти не изменяется, в то время как заполнению подлежит более глубоко лежащая 4Г-оболочка [9]. Процесс её застройки за счёт четырнадцати электронов происходит от церия (4f*6s2) до иттербия (4f^6s2). У лантана (4f<l5dl6s2) энергия 4Г-электрона выше по сравнению с 5с1-элекгроном, и поэтому 4Г-оболочка не заполнена. Все атомы РЗМ, за исключением La, Gd и L», в свободном состоянии двухвалентны.
Другой важной особенностью электронного строения лантаноидов является сильная локализация 4Г-оболочки вблизи атомного ядра. Она экранируется сверху менее локализованными и полностью заполненными Ssii 5р-орбиталями и образует очень узкий электронный слой [10-12]. Исключение составляют только атомы Се, для которых происходит гибридизация 4Г-зоны и валентных оболочек [12]. Высокая локализация 4f-электронов приводит к тому, что они не принимают непосредственного участия в формировании химических связей. Однако в некоторых случаях 41-оболочка может оказывать существенное влияние на валентное состояние атомов путём передачи, или промотирования, электрона в валентную зону.
12
Очень кратко рассмотрим суть этого процесса. При сближении соседних атомов РЗМ в конденсированном состоянии в результате перекрытия волновых функций валентных электронов происходит увеличение электронной плотности в (6:*5(1)-зоне. В результате кулоновского взаимодействия с ней увеличивается энергия 4Г-уровня. Гак как энергии 4Г- и 5с1-оболочек близки, то, в конечном счёте, энергетически выгодным становится переход 4Г-электрона на валентный 56 уровень. Поэтому большинство двухвалентных РЗМ (от Сс до Бт и от ТЬ до Тш) в металлической фазе трёхвалентны. Исключение составляют европий (4Г'6$‘) и иттербий (4Ґ46з2). Эти элементы вследствие стабильности соответственно наполовину или полностью заполненной 4Г-оболочки сохраняют в металле атомоподобную электронную конфигурацию. Тем не менее известны соединения, в которых и они переходят в трёхвалентное состояние [13,14).
В некоторых случаях энергии оболочек 4Г и 5с1 настолько близки, что атом РЗМ может проявлять переменную или дробную валентності, [14]. Так, в случае самария уменьшение числа ближайших соседей на поверхности металла по сравнению с его объемом приводит к тому, что в поверхностном слое возникают двухвалентные состояния, в то время как атомы в объеме имеют валентность 3+ [15-17].
1.1.2. Кристаллическая структура и электронные свойства поверхности
8і(111)
Кремний - элемент IV группы, для которого характерна кристаллическая структура типа алмаз. В такой решётке атом расположен в центре тетраэдра, в узлах которого помешены четыре ближайших соседа. В подобной конфигурации все гибридизированные эр'-орбитали участвуют в образовании ковалентной о-связи. Нели поверхность создана в результате рассечения бесконечного кристалла, то атомам первого слоя недостаёт одного или более ближайших соседей, что приводит к появлению ненасыщенных,
13
или оборванных, связей. Для того чтобы частично восстановить насыщенный характер связей, атомы поверхности могут присоединять чужеродные частицы из газовой фазы (адсорбция) и/или образовывать новые связи друг с другом (реконструкция). При этом кристалл переходит в энергетически более выгодное состояние. Так, при реконструкции выигрыш может составлять от десятых до I эВ в расчёте на один поверхностный атом [18].
Грань (III) входит в число наиболее исследованных поверхностей кремния (таковыми являются поверхности с низкими индексами Миллера). Интерес к ней объясняется тем, что, во-первых, большинство полупроводниковых кремниевых устройств изготовлено из тонких пластин, ориентированных в направлении [111]. Во-вторых, эта грань является плоскостью скола. В-третьих, на ней обнаружен целый ряд реконструкций: 2x1, 7x7, 5x5, 9x9 (19]. Первая из них наблюдается в случае свежего скола при температурах жидкого азота и выше [20,21]. Эта структура мегасгабильна и после нагрева до 470-660 К необратимо переходит в струкгуру 7x7 [21-23], которая впервые наблюдалась в 1959 году Шлиером и Фарнсвортом с помощью метода дифракции медленных электронов (ДМЭ) [24]. Реконструкция 7x7 очень стабильна при комнатной температуре. К настоящему времени разработаны три способа её получения в условиях сверхвысокого вакуума (более подробно процедура приготовления этой поверхности рассмотрена в п.2.2.2): скатывание монокрисгагла с последующим прогревом при 470 660 К;
- ионная бомбардировка для удаления оксидного слоя с реальной поверхности и отжиг радиационных дефектов;
- удаление оксидного слоя в результате высокотемпературной реакции
[25].
Структурная модель реконструкции 7x7 в течение длительного времени оставатась спорной. Только в 1985 году, опираясь на обширный массив данных, Такаянаги выдвинул модель [26,27], получившую в зарубежной
14
литературе сокращённое название DAS (dimer adatom stacking fault) и принятую в настоящее время абсолютным большинством исследователей во всём мире. Согласно этой модели, элементарная ячейка реконструкции 7x7 включает следующие элементы (рис.1):
- дефект упаковки (stackingfault) в одной из двух треуг ольных подъячсск;
- глубокую угловую вакансию (corner hole);
- 9 димеров (dimers), образованных на границе дефектной подъячейки;
- 12 адатомов (adatoms) в верхнем слое;
- и, наконец, 6 рест-атомов (rest-atoms), расположенных между адатомами в нижележащем слое.
Таким образом, ячейка содержит 102 атома, из которых 12 образуют слой адатомов. 42 - слой рест-атомов и 48 - слой, содержащий дефект упаковки. Нижележащие слои реконструкции не подвергаются. Из всех поверхностных атомов только атом на дне угловой вакансии, адатомы и реет-атомы имеют оборванные связи. Это означает, что перестройка поверхностных слоёв фани (111) приводит к сокращению общего числа оборванных связей с 49 до 19 на одну ячейку 7x7.
Исследования электронной структуры поверхности Si(l 11)7x7 проводились с помощью методов ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопии (УФЭС) с угловым разрешением [28-30] и сканирующей туннельной спектроскопии [31]. Были обнаружены четыре зоны поверхностных состояний. Заполненные состояния Si лежат вблизи энергии уровня Ферми (Ер) и локализованы на адатом ах. Кроме них, адатомы образуют зону незаполненных состояний Uj, расположенную выше уровня Ег на 1.4 эВ. Зона S> обусловлена свободными связями рест-атомов и имеет очень слабо выраженную дисперсию. Она располагается примерно на 0.8-0.9 эВ ниже уровня Ферми и полностью заполнена. Ещё ниже (-2.0 эВ относительно Ер) обнаружена зона поверхностных состояний S3, которая образована валентными связями адатомов с нижележащим слоем.
15
Рис.1. Реконструкция 7x7. В верхней части рисунка представлен общий вид элементарной ячейки (проекция сверху). Адатом ы заштрихованы. Дефект упаковки (stacking fault) в левой треугольной подъячейке. В нижней части показан вид сбоку (сечение проведено вдоль длинной диагонали ячейки). Из работы [19|.
16
При температуре =1100 К реконструкция 7x7 переходит в структуру «1x1» (32-36). Две фазы сосуществуют в узком интервале температур (20-30 К). Домены структуры «1x1» появляются на участках поверхности вблизи нижнего края моноатомных ступеней. Фазовый переход 7х7о«1х1» обратим. Зарождение структуры 7x7 происходит во время медленного охлаждения кремния при достижении 1094 К на верхних краях ступеней и затем охватывает всю террасу. Детальный анализ результатов метода дифракции быстрых электронов (ДБЭ) свидетельствует, что высокотемпературная структура «1x1» не содержит ни вакансий, ни дефекта упаковки, характерных для реконструкции 7x7 (37). Однако, в отличие от идеальной,
переконструированной поверхности 1x1, высокотемпературная структура «1x1» включает слой кремниевых адатомов (37-39).
Зонная структура поверхности «1x1» неизвестна. Ширина запрещенной зоны кремния при комнатной температуре равна 1.12 эВ. Положение уровня Ферми на поверхности лежит на 0.7 эВ выше вершины валентной зоны и не зависит от типа и дозы объемного легирования (пиннинг уровня Ферми) (19). Работа выхода ф составляет 4.6 эВ (19) Период трансляции ячейки на идеальной поверхности Si( 111)1x1 равен а = 3.84 À.
1.1.3. Плёночные структуры РЗМ—Si( 111) при комнатной температуре
Анализ опубликованных работ даёт возможность условно выделить три стадии формирования границ раздела РЗМ-кремний: 1) образование
адсорбированного слоя, 2) рост силицида и 3) конденсация металлической плёнки [2,40]. Реализация той или иной стадии определяется природой РЗМ, температурой подложки и степенью покрытия 0 В данном разделе рассмотрены плёночные структуры РЗМ -Si( 111), формирование и исследование которых проводилось при комнатной температуре. Основными экспериментальными методами в этих работах были ДМЭ, УФЭС и
17
рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС) с применением синхротронного излучения. В соответствие с общепринятыми стандартами под монослойным покрытием 0=1 в дальнейшем будем подразумевать такую концентрацию атомов РЗМ, при которой на каждый атом идеальной поверхности 1 х 1 приходится по одному адсорбированному атому. Для грани (111) значение такой концентрации равно 7.84-10й см”2.
Первая группа работ посвящена формированию структур Yb-Si(lll) [41-43] и Eu-Si(lll) [44—47]. Показано, что в области покрытий 0<1 адсорбция иттербия на поверхностях 7x7 и 2x1 приводит к нарушению исходных реконструкций и росту неориентированного слоя металла. Разрыва связей в приповерхностной области кремния и диффузии иттербия в объём кристалла не наблюдалось. Адсорбированные атомы находятся в двухвалентном состоянии, однако центры адсорбции неизвестны [41,42]. При дальнейшем осаждении иттербия в области покрытий 0>1 происходит частичное ослабление поверхностных связей Si-Si, что приводит к диффузии атомов кремния в адсорбированную плёнку и образованию локальных кластеров Yb Si. Фотоэмиссионные исследования [41,43] показали, что происходящий при этом сильный сдвиг пика Si 2р в область меньших энергий связи обусловлен гибридизацией (sd) зоны иттербия и Зр-уровня кремния. Связь между атомами Yb и Si носит преимущественно ионный характер и обусловлена переносом заряда от иттербия к кремнию. Наличие в фотоэмиссионных спектрах двух компонент, соответствующих конечным 4f12- и 41ч'-состояниям, свидетельствует о дробной валентности иттербия, равной 2.11+ [42]. Анализ интенсивности пиков остовных уровней указывает на то, что формирующаяся силицидоиодобная фаза обогащена металлом. Эго объясняется низкой подвижностью атомов кремния в плёнке РЗМ при комнатной температуре. Перемешивание заканчивается при 6=4. Далее наблюдается рост металлической плёнки иггербия с валентностью, равной 2+.
- Київ+380960830922