УЖГОРОДСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ФЕЙЕР Віталій Михайлович

Індекс УДК 539.186

539.188

ЗБУДЖЕННЯ ЕЛЕКТРОННИХ СТАНІВ Si, Ge І Mg

ПОВІЛЬНИМИ ЕЛЕКТРОНАМИ

01.04.04. – фізична електроніка

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Ужгород 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті електронної фізики Національної академії наук України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор,

член-кореспондент НАН України,

ШПЕНИК Отто Бартоломійович

Інститут електронної фізики НАН України,

директор.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор,

ПОП Степан Степанович

Ужгородський національний університет,

завідувач Проблемної науково-дослідної

лабораторії фізичної електроніки;

доктор фізико-математичних наук,

ЯКОВКІН Іван Миколайович

Інститут фізики НАН України, провідний науковий співробітник відділу фізичної електроніки.

Провідна установа: Львівський національний університет ім. І. Франка Міністерства освіти і науки України, м. Львів.

Захист відбудеться “4“липня 2002 року о 14.00 годині на засіданні Спеціалізованої вченої ради К061.51.01 при Ужгородському національному університеті за адресою: 88000, м. Ужгород, вул. Волошина 54, ауд. 181.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Ужгородського національного університету (м. Ужгород, вул. Капітульна,9).

Автореферат розісланий “3“червня 2002 року.

Вчений секретар Спеціалізованої вченої ради

доктор фізико_математичних наук, професор Блецкан Д.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Великий інтерес для фізики плазми, керованого термоядерного синтезу, космічних апаратів, емісійної електроніки, мікро- і наноелектроніки представляють дослідження взаємодії заряджених частинок, зокрема, повільних електронів з поверхнею твердих тіл. Елементарні процеси, що відбуваються при бомбардуванні твердого тіла зарядженими частинками, зокрема, повільними електронами, більш складні для вивчення і розуміння, ніж процеси, що мають місце при взаємодії елементарних частинок з газовими мішенями. У твердому тілі суттєву роль відіграють зв’язки між частинками гратки і стан зовнішніх електронів описується більш складним чином, ніж в ізольованому атомі або молекулі. Цим пояснюється та обставина, що теоретичне обґрунтування процесів взаємодії повільних (0–5 еВ) електронів з твердим тілом є недостатньо досконалим. Тому дослідження елементарних процесів пружної і непружної взаємодії повільних електронів і отримання інформації про електронні властивості поверхні й об’єму твердого тіла є актуальною задачею.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася у відділі іонних процесів Інституту електронної фізики НАН України протягом 1997–2001 років і є результатом участі автора у виконанні тем НАН України, гранту за програмою НАН України для молодих вчених.

Мета роботи. Встановлення закономірностей пружного і непружного розсіювання повільних моноенергетичних електронів різномодифікованими поверхнями монокристалічного p-Si(100), полірованими гранями (111), (110), (100) монокристалічного Ge, атомно-чистими й окисленими шарами Mg.

Для досягнення поставленої мети необхідно було: вдосконалити експериментальну установку, розробити та виготовити ефузійне джерело атомів для одержання атомно-чистих поверхонь Mg; вивчити процеси пружного і непружного зворотного розсіювання повільних електронів; уточнити взаємозв’язок між особливостями в енергетичних залежностях інтенсивності пружного зворотного розсіювання електронів низьких енергій (ЗРЕНЕ) і у спектрах втрат енергії зі збудженням електронних переходів між точками, які відповідають максимумам густини об’ємних і поверхневих електронних станів приведеної зони Бріллюена досліджуваних об’єктів.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Створено високостабільне ефузійне джерело атомного пучка з контрольованими параметрами з метою одержання атомно-чистих поверхонь хімічно активних речовин, модернізовано надвисоковакуумну установку і гіпоциклоїдальний електронний спектрометр зворотного розсіювання повільних електронів для їх дослідження.

2. Дослідження поведінки енергетичних залежностей інтенсивностей пружного розсіювання та спектрів енергетичних втрат при різних енергіях падаючих електронів для Si, Ge і Mg показали, що особливості у даних залежностях в області (0–5 еВ) обумовлені збудженням електронних переходів між максимумами густини заповнених і пустих об’ємних і поверхневих електронних станів. Результати досліджень процесів пружного і непружного ЗРЕНЕ поверхнею твердих тіл суттєво доповнюють наявну інформацію про енергетичний розподіл густини електронних станів, одержану методами ультрафіолетової і рентгенівської електронної спектроскопії, спектроскопії характеристичних втрат енергії електронів.

3. Встановлено, що реконструкція поверхні Ge(100) відбувається такими ж блоками, як і реконструкція поверхонь Ge(111) і Ge(110). Виявлено нові поверхневі електронні стани з енергіями ~0.18 еВ і ~ .25 еВ у забороненій зоні для досліджених поверхонь Ge(111), Ge(110) і Ge(100).

4. Встановлено, що як аморфизація лазерним випромінюванням поверхні Si, так і окислення атомно-чистих поверхонь Ge і Mg в атмосфері залишкових газів при Р~10–7 Па змінюють інтенсивність і згладжують тонку структуру спектрів ЗРЕНЕ. Такого роду дослідження сприяють уточненню природи поверхневих електронних станів.

Практична цінність полягає у наступному:

1. Метод ЗРЕНЕ може бути рекомендований для широкого використання у наукових лабораторіях для дослідження електронних властивостей твердих тіл.

2. Одержана із спектрів ЗРЕНЕ інформація про енергетичний розподіл густини електронних станів дасть можливість уточнити моделі при теоретичних розрахунках енергетичного спектру електронів у твердих тілах.

Особистий внесок автора. Дисертація є підсумком досліджень, виконаних спільно з науковими співробітниками, які є співавторами відповідних наукових праць. Автор приймав активну участь у вдосконаленні експериментальної установки і методики досліджень. Безпосередньо автором одержано більшість експериментальних даних, представлених у дисертації. Автор приймав активну участь у обробці експериментальних даних і написанні наукових праць. Ним особисто проаналізовано результати досліджень, сформульовано наукову новизну та висновки по дисертаційній роботі.

Апробація роботи. Основні результати і положення дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на: VIII Міжнародному семінарі “Діагностика поверхні іонними пучками” (Ужгород, Україна, 1998); Республіканській конференції “Елементарні процеси в атомних системах” (Ужгород, Україна, 1998); XX Міжнародній конференції “Фізика електронних та атомних зіткнень (ICPEAC)” (Сендай, Японія, 1999); Регіональному засіданні відділення Саболч-Сотмар-Берег, Угорської академії наук. (Ніредьгаза, Угорщина. 1999, 2001); Європейській конференції з фотовольтаїки (Краків, Польща, 1999); Міжнародній конференції “Елементарні процеси в атомних системах” (CEPAS’2001) (Ужгород, Україна, 2000); Міжнародній конференції товариства матеріалознавців (E-MRS–2001) (Страсбург, Франція, 2001); XXII Міжнародній конференції “Фізика електронних та атомних зіткнень” (ICPEAC) (Санта-фе, США, 2001); Конференції молодих вчених та аспірантів (ІЕФ’2001) (Ужгород, Україна, 2001).

Публікації. Основні результати, викладені в дисертації, опубліковано в 15 друкованих працях, список яких наведено у кінці автореферату.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, трьох розділів, загальних висновків і списку використаних літературних джерел зі 161 найменуванням. Роботу викладено на 153 сторінках, вона містить 55 рисунків і 3 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми досліджень, сформульовано мету роботи, визначено наукову новизну та практичну цінність одержаних результатів, вказано особистий внесок автора.

У першому розділі проаналізовано фізичні основи, техніку експерименту і можливості широко застосовуваних для дослідження електронної енергетичної структури твердого тіла методів ультрафіолетової і рентгенівської фотоелектронної спектроскопії (УФЕС, РФЕС), електрон-фотонної спектроскопії (ЕФС), спектроскопії характеристичних втрат енергії електронів (СХВЕЕ), спектроскопії повного струму і дифракції низькоенергетичних електронів (ДНЕ), з метою окреслення області використання та особливостей методу зворотного розсіювання електронів низьких енергій, розробленого у відділі іонних процесів Інституту електронної фізики НАН України. Використовуючи цей метод досконало вивчено елементарні процеси пружного та непружного розсіювання електронів атомами і молекулами [1–3]. У подальшому метод ЗРЕНЕ було застосовано для дослідження електронної енергетичної структури твердих тіл, він апробований на широкому колі матеріалів: металів, простих і складних напівпровідників [4].

У другому розділі описано методику вимірювань та експериментальний комплекс, який використовувався для проведення систематичних досліджень пружної і непружної взаємодії повільних електронів з конденсованими системами.

Комплекс включає в себе вакуумну систему з тиском залишкових газів < 10–7 Па, гіпоциклоїдальний електронний спектрометр (ГЕС) з гоніометричним пристроєм з досліджуваними зразками, автоматизовану систему управління спектрометром і пристрої для реєстрації інтенсивностей пружно і непружно розсіяних електронів. Головним вузлом експериментальної установки є ГЕС з моноенергетичністю падаючого пучка ~20–40 меВ, його сталою інтенсивністю в області 0 –10 еВ та роздільною здатністю ~30–50 меВ для дослідження енергетичних залежностей інтенсивності пружно і непружно зворотно розсіяних електронів.

Підібрано оптимальні значення напруги на електродах спектрометра й індукції магнітного поля для дослідження елементарних процесів взаємодії повільних електронів з конденсованими системами. Показано, що одним із найбільш важливих параметрів ГЕС є моноенергетичність первинного електронного пучка та енергетичне і кутове розділення аналізатора розсіяних електронів.

Вдосконалення методики експерименту дало змогу методом ЗРЕНЕ досліджувати хімічно активні речовини у режимі постійного підпилення, що забезпечує атомну чистоту поверхонь. З цією метою розроблено та виготовлено ефузійне джерело атомів канального типу.

Описано електронну систему високотемпературного прогріву зразків для очищення їх поверхонь. Зразок прогрівається до температури 1000–1050 К бомбардуванням високоенергетичними електронами, що проводиться з тильного боку і не порушує кристалічну впорядкованість досліджуваних поверхонь. Для одержання чистих поверхонь здійснювалось декілька циклів “прогрів-охолодження”. Контроль чистоти проводиться за наявністю чіткої та незмінної тонкої структури у спектрах ЗРЕНЕ, характерної для даної поверхні.

У третьому розділі представлено експериментальні результати дослідження процесів пружного і непружного ЗРЕНЕ різномодифікованими поверхнями монокристалічного p-Si(100), полірованими гранями (111), (100), (110) монокристалічного Ge, атомно-чистими й окисленими шарами Mg.

Досліджено два типи різномодифікованих поверхонь кремнію. Перший тип зразків – вихідний матеріал КДБ-10. Це монокристалічний кремній, р-типу (p~1.041017 см–3), легований бором, з питомим опором 10мсм. Досліджувану поверхню (100) цих зразків дзеркально відполіровано. Другий тип зразків – ЄЛ-18 одержано шляхом обробки поверхні (100) вихідного матеріалу КДБ-10 імпульсами YAG– лазера. Аналіз мікроструктури поверхні досліджуваних зразків КДБ-10 і ЄЛ-18, проведений за допомогою скануючого електронного мікроскопу, свідчить, що поверхня є макроскопічно однорідною. Лазерна обробка сильно аморфизує її.

Встановлено, що коефіцієнт пружного відбивання повільних електронів і характер його поведінки дуже чутливі до обробки поверхні. Так, максимальний коефіцієнт пружного відбивання на 180 для дзеркально відполірованої поверхні КДБ-10 становить ~22%, а для розупорядкованої, аморфизованої поверхні ЄЛ-18 – лише ~10%. При відбиванні електронів поверхнею ЄЛ-18 має місце характерне уширення максимуму енергетичної залежності коефіцієнта відбивання, що свідчить про наявність і дифузного розсіювання. На енергетичних залежностях інтенсивності пружного розсіювання електронів для поверхні ЄЛ-18 практично відсутня тонка структура. Вона чітко проявляється на цих залежностях при розсіюванні від поверхні КДБ-10.

Більш чутливими та інформативними щодо особливостей електронної енергетичної структури як поверхні, так і об’єму досліджуваних зразків виявилися спектри енергетичних втрат при різній енергії падаючих електронів (Ер). Показано, що збудження об’ємних і поверхневих електронних станів в області низьких енергій носить “резонансний” характер. Тому, в залежності від Ер, одні й ті ж особливості у спектрах втрат енергії електронів можуть проявитися по різному, форма спектрів енергетичних втрат дуже чутлива до Ер.

Для ототожнення особливостей у спектрах ЗРЕНЕ поверхнею кремнію зі збудженням електронних переходів проаналізовано теоретичні розрахунки його електронної структури, проведені різними методами. Встановлено, що параметри зонної енергетичної структури суттєво залежать від методу розрахунку і використаних у ньому наближень. Найбільш точно одержані нами експериментальні дані узгоджуються з теоретичними результатами, розрахованими методами локального псевдопотенціалу, ортогоналізованих плоских хвиль та GWA.

Особливості у спектрах, енергія яких не відповідає електронним переходам в об’ємі, пов’язано з наявністю поверхневих електронних станів (ПЕС). На поверхні Si)-2x1 існує дві групи ПЕС. Перша група ПЕС знаходиться в забороненій зоні, вона складається із двох поверхневих станів з максимумами густини при енергіях ~0.83 еВ та ~0.34 еВ. Друга група поверхневих станів знаходиться у валентній зоні і складається із поверхневого резонансу поблизу максимуму валентної зони (Sr –EV ~ 0.0 еВ), зони поверхневих станів з енергією E .35–0.4 еВ і локального поверхневого стану з енергією 0.65 еВ.

Для ілюстрації відповідності особливостей у спектрах, одержаних різними методами для поверхні (100) кремнію КДБ-10, дані про особливі точки у спектрах зведені в таблиці 1. Як видно із таблиці 1, за допомогою відомих енергетичних схем зонної енергетичної структури та ПЕС, особливості, що спостерігаються у спектрах ЗРЕНЕ, добре описуються переходами електронів між максимумами густини заповнених і пустих поверхневих і об’ємних електронних станів. Отриманні результати добре узгоджуються як з експериментальними даними інших авторів, так і з теоретично розрахованою зонною структурою кремнію.

Вплив кристалічної орієнтації площини поверхні зразка на процеси пружного і непружного розсіювання електронів досліджено для дзеркально відполірованих і зорієнтованих з точністю до 1 поверхонь (100), (110) і (111) германію.

Найбільш ґрунтовно досліджено поверхню (111) германію.

Вивчення процесів пружного розсіювання електронів поверхнею Ge (111) показали, що для енергетичної залежності інтенсивності характерний різкий спад із збільшенням енергії електронів, на який накладається тонка структура.

Спектри енергетичних втрат при різній Ep (0–3 еВ) містять значно більший обсяг інформації про електронну енергетичну структуру Ge (111). Встановлено, що імовірність збудження електронних переходів у Ge (111), як і у Si(100), суттєво залежить від Ер.

Для можливості ототожнення особливостей, які спостерігаються у спектрах, з ПЕС, проведено дослідження трансформації спектрів втрат при різній експозиції зразка в атмосфері залишкових газів вакуумної камери при P~ 10–7 Пa. Із зростанням часу експозиції спостерігається істотне зменшення амплітуди максимумів у спектрах втрат енергії електронів і зміщення їх у низькоенергетичну область. Прояв такої трансформації особливостей у спектрах енергетичних втрат при адсорбції залишкових газів і є тим аргументом, що дає підстави ототожнити особливості А1–А4 зі збудженням ПЕС.

Енергетичні положення виявлених у спектрах ЗРЕНЕ особливостей і можливі типи електронних переходів наведено у таблиці 2.

Для інтерпретації особливостей, нечутливих до експозиції зразка в атмосфері залишкових газів вакуумної камери, і тому обумовлених процесами електронного збудження в об’ємі, використано теоретично розраховану емпіричним методом ортогоналізованих плоских хвиль електронну енергетичну структуру германію, запозичену з роботи [6].

Як видно з таблиці 2, за допомогою енергетичних схем зонної енергетичної структури і набору ПЕС більшість особливостей, що спостерігаються у спектрах, вдалося пов’язати з переходами електронів між максимумами густини заповнених і пустих об’ємних і поверхневих електронних станів.

Аналогічні дослідження ЗРЕНЕ проведено на поверхнях Ge(110) і Ge(100). Показано, що форма спектрів втрат для поверхонь Ge(111) і Ge(110) подібна. Як відомо із літератури, для цих поверхонь і форма фотоемісійних спектрів валентної зони є також подібною. Оскільки поверхні реконструйовані, одержані нами результати підтверджують зроблений у літературі висновок, що реконструкція цих поверхонь подібна, тобто обидві поверхні Ge(111)-c(28) і Ge(110)-c(810) побудовані подібними блоками. Спектри втрат для Ge(100) дещо відрізняються за формою від Ge(111) і Ge(110) (особливо при Ep=0.4 еВ ), хоча енергетичне положення особливостей у спектрах близькі для всіх трьох поверхонь.

Одержані результати підтвердили наявність відомих із літератури ПЕС для поверхонь Ge(111) і Ge(100) з енергіями 0.4 еВ вище EF та 0.4 і 0.8 еВ нижче EF. Ці ж стани виявлено і для поверхні Ge(110). Поряд з цим, для досліджених поверхонь встановлено існування ПЕС з енергіями (0.15–0.18) еВ і (0.27–0.32) еВ у забороненій зоні.

У цілому, отримані результати досить добре узгоджуються як з даними експериментальних робіт інших авторів, так і з теоретично розрахованою структурою германію. Вони дають додаткові відомості про енергетичний розподіл ПЕС на поверхні германію.

Дослідження впливу хімічної чистоти поверхні на процеси пружного і непружного розсіювання електронів проведено для магнію, оскільки відомо, що він є дуже хімічно активним елементом.

Для одержання атомно-чистої поверхні магнію, враховуючи його високу активність до окислення, нами вперше дослідження спектрів ЗРЕНЕ проводились у режимі постійного підпилення Mg з ефузійного джерела на різні зразки-підкладки (полікристалічний молібден, аморфизований p-Si, нержавіюча сталь). На початковій стадії напилення Mg спостерігається зменшення контактної різниці потенціалів між спектрометром і зразком, далі вона проходить через мінімум і досягає свого стаціонарного значення, яке в процесі подальшого напилення не змінюється, що свідчить про утворення на підкладці суцільного шару конденсованого магнію. З цього моменту розпочинаються електронно-спектроскопічні дослідження конденсованих плівок.

Для вивчення електронної енергетичної структури Mg проведено дослідження процесів пружного і непружного (спектрів енергетичних втрат) розсіювання моноенергетичних електронів конденсованими на різних підкладках шарами магнію. Оскільки вивчення енергетичної структури електронної підсистеми Mg в області енергій Е>3 еВ проведено багатьма іншими експериментаторами, то основну увагу було зосереджено на дослідженні тонкої структури спектрів ЗРЕНЕ при Еp<0–3 еВ.

Достовірність визначення енергетичних положень особливостей на спектрах забезпечувалась високою відтворюваністю результатів у декількох серіях експериментів. Кожна серія складається з таких етапів: прогрів і очищення підкладок; напилення й спектроскопічні дослідження свіжонапилених плівок Mg; витримка цих плівок в атмосфері залишкових газів вакуумної камери і вивчення процесів еволюції поверхневих станів Mg. Точність визначення енергетичного положення особливостей складає 0.05 еВ.

При вимірюванні спектрів пружного розсіювання в режимі постійного підпилення встановлено, що енергетичне положення особливостей на енергетичних залежностях інтенсивності пружного розсіювання не залежить від зміни товщини напилених шарів Mg. Це дало підстави пов’язати особливості, які спостерігаються у спектрах ЗРЕНЕ, не з кристалічною будовою і товщиною об’єкту, а з його енергетичною електронною структурою.

Крім того, встановлено, що енергетичне положення особливостей у спектрах ЗРЕНЕ для Mg не залежить від природи підкладки, оскільки після досягнення сталої роботи виходу конденсовані шари Mg ведуть себе як масивний зразок.

Дослідження спектрів втрат енергії електронів проводилися при різних Ep від 0 до 5 еВ. Як показано раніше при дослідженнях поверхонь кремнію і германію, у низькоенергетичній області процеси збудження об’ємних і поверхневих електронних станів дуже чутливі до Ер. Форма спектрів втрат енергії електронів для поверхні Mg також дуже чутлива до Ер. Це підтверджує “резонансний” характер втрат енергії падаючих електронів при збудженні об’ємних і поверхневих електронних станів для конденсованих атомів Mg. Спектри пружного розсіювання більш чутливі до особливостей густини станів у області низьких енергій (< .6в) (рис. 1, кр.1), а спектри втрат енергії – в області вищих енергій (> .6в) (рис.1, кр. 2,3). Одержані результати порівнюються з фотоелектронними спектрами плівки Mg (рис. , кр. ) і розрахованою густиною електронних станів для цієї плівки (рис. , кр. ), представленими у роботах проф. І.М. Яковкіна з Інституту фізики НАН України [10,11].

Енергетичні положення особливостей пружного розсіювання (мінімуми на енергетичній залежності інтенсивності) і в спектрах втрат (максимуми), одержані на різних підкладках і при різних режимах роботи спектрометра, добре корелюють між собою.

Як видно із рис.1, кр.4 для спектру УФЕС характерна наявність розмитого піку при ~0.8 еВ, обумовленого максимальним перерізом поверхневого фотозбудження. На розрахованій густині електронних станів для плівки Mg на Mo(112) (рис. 1, кр. 5) є принаймні три ділянки, на яких спостерігається відхилення від плавного ходу кривої: 0.1–0.6 еВ, 0.8–1.25 еВ, 1.25–2.0 еВ.

На одержаних нами енергетичних залежностях інтенсивності пружного розсіювання (рис.1, кр.1) і спектрах втрат (рис.1, кр.2 і 3) у цій області енергій спостерігається багатша тонка структура. А це означає, що розподіл густини станів N(Е) для Mg не є гладким і має дуже складну структуру.

Тонку структуру в спектрах зворотного розсіювання електронів у області енергій 0–3 еВ, на наш погляд, доцільно пов’язати з особливостями густини поверхневих і об’ємних електронних станів нижче рівня Фермі.

З метою виявлення внеску ПЕС в електронну структуру досліджуваних шарів проведено дослідження еволюції енергетичних залежностей інтенсивності пружного розсіювання і спектрів енергетичних втрат при витримці свіжонапилених шарів Mg в атмосфері залишкових газів вакуумної камери при P~10–7 Пa. На енергетичних залежностях інтенсивності пружного відбивання електронів плівками Mg, витриманими 80 хвилин і 48 годин, спостерігається зростання коефіцієнта пружного відбивання і зменшення амплітуди мінімумів у області енергій < 1.0 еВ, а також незначний енергетичний зсув особливостей в область вищих енергій.

На спектрах енергетичних втрат спостерігається зменшення інтенсивності максимумів у області 0.8–1.25 еВ, де є найбільша густина електронних станів плівки Mg (рис. , кр. ). Витримка плівок Mg в атмосфері залишкових газів призводить до зменшення концентрації густини ПЕС, тобто збільшується ймовірність розсіятись електрону пружно. Це, в свою чергу, призводить до зростання інтенсивності пружного відбивання електронів і зменшення амплітуди мінімумів (повне замивання особливостей з енергіями 0.03 еВ, 0.11 еВ) на спектрах пружного розсіювання і суттєве зменшення інтенсивності максимумів у спектрах втрат. Прояв такої трансформації особливостей у спектрах і є тим аргументом, що дає підстави стверджувати про поверхневу природу особливостей на одержаних енергетичних залежностях в області енергій, менших 1.25 еВ. Відсутність нових особливостей у спектрах в процесі витримки плівок в атмосфері залишкових газів вакуумної камери вказує на те, що в досліджуваному інтервалі енергій адсорбція обумовлює тільки зменшення концентрації поверхневих станів, властивих атомно-чистій поверхні Mg, і не викликає появи нових поверхневих станів адсорбційної природи.

Для ототожнення особливостей, виявлених у спектрах ЗРЕНЕ, з конкретними переходами між максимумами густини станів використано запозичені з літератури результати розрахунків поверхневої електронної структури методом псевдопотенціалу.

Значна частина особливостей у спектрах ЗРЕНЕ може бути пов’язана зі збудженням електронів із заповнених об’ємних і поверхневих електронних станів, розташованих нижче рівня Фермі, у пусті об’ємні і поверхневі стани, розташовані вище рівня Фермі. Запропонована методика дозволяє досліджувати не тільки деталі густини розподілу заповнених електронних станів свіжонапилених плівок, а й вивчати еволюцію цих станів.

Висновки

1. Використовуючи метод зворотного розсіювання електронів низьких енергій, вперше досліджено процеси пружного і непружного розсіювання моноенергетичних електронів різномодифікованими поверхнями p-Si(100), полірованими гранями Ge(111), Ge(110), Ge(100) і свіжонапиленими шарами Mg в інтервалі енергій 0–5 еВ.

2. Підтверджено, що особливості на енергетичних залежностях інтенсивності пружного розсіювання й у спектрах втрат при зворотному розсіюванні повільних електронів поверхнями p-Si(100) в області енергій 0–5 еВ, обумовлені збудженням електронних переходів між максимумами густини електронних станів у валентній зоні і зоні провідності приведеної зони Бріллюена та поверхневими електронними станами. Показано, що одержані результати найкраще узгоджуються з теоретичними розрахунками зонної структури Sі, виконаними методами локального псевдопотенціалу, ортогоналізованих плоских хвиль і GWA.

3. Встановлено, що реконструкція поверхонь Ge(111), Ge(110) і Ge(100) відбувається подібними блоками. Одержана інформація про максимуми густини електронних станів у приведеній зоні Бріллюена добре узгоджується з теоретично розрахованою методом ортогоналізованих плоских хвиль зонною структурою Ge. Виявлено нові поверхневі електронні стани для Ge(111), Ge(110) і Ge(100) з максимумами густини при енергіях ~0.18 еВ і ~ .25 еВ у забороненій зоні Ge та уточнено енергетичне положення відомих з літератури поверхневих і об’ємних електронних станів.

4. Вперше проведено експеримент з дослідження конденсованих шарів атомів Mg на різних підкладках у режимі постійного підпилення. Показано, що значна частина виявлених особливостей у спектрах зворотного розсіювання електронів обумовлена збудженням електронів із заповнених поверхневих і об’ємних електронних станів, розташованих нижче рівня Фермі, у пусті поверхневі і об’ємні стани, розташовані вище рівня Фермі. Одержані результати добре узгоджуються з теоретичними розрахунками зонної структури Mg, виконаними методом нелокального псевдопотенціалу.

5. Вивчено прояв еволюції електронних станів в процесі окислення поверхонь Ge i Mg у спектрах пружного і непружного зворотного розсіювання повільних моноенергетичних електронів поверхнями германію і магнію, що дало можливість розділити поверхневі і об’ємні електронні стани і встановити їх природу.

6. Одержані результати дають нову і доповнюють наявну інформацію про особливості густини розподілу заповнених і пустих поверхневих і об’ємних електронних станів кремнію, германію і магнію, отриману іншими методами, зокрема УФЕС, РФЕС, СХВЕЕ.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Дослідження низькоенергетичного розсіювання електронів на атомах Mg та Ca з використанням оптимізованного трохоїдного спектрометра/ Романюк М.І., Шпеник О.Б., Папп Ф.Ф., Чернишова І.В., Манді Й.А., Келемен В.І., Сабад О.П., Ремета Є.Ю. // УФЖ.–1992.–Т.37, №11.– С. 1639–1647.

2. Гипоциклоидальный электронный монохроматор с неоднородным электрическим полем и его оптимизация/ Романюк Н.И., Шпеник О.Б. Манди Й.А., Папп Ф.Ф., Чернышова И.В. // ЖТФ.–1993.–Т.63, №7.– С. 138–147.

3. Шпеник О.Б., Романюк Н.И., Чернышова И.В. Резонансная структура при упругом рассеянии электронов на 180 молекулами N2 и N2O // Письма в ЖЭТФ. –1985. –Т.41, №12. –С.500–502.

4. Попик Т.Ю. Розсіювання електронів низьких енергій поверхнею твердих тіл. Дисертація канд. Физ.–мат. наук. – Ужгород. – 1999. – 139с.

5. Chelikowsky J.R., Cohen M.L. Nonlocal pseudopotential calculations for the electronic structure of eleven diamond and zinc–blende semiconductors // Phys. Rev.B. –1976. –Vol.14. –P.556–582.

6. Цидильковский И.М. Зонная структура полупроводников. – М.:Наука, Физматиздат, 1978. – 328 с.

7. Цидильковский И.М. Концепция эффективной массы. – Екатеринбург: УрОРАН, 1999. –384 с.

8. Rohling M., Kruger P., Pollmann J. Efficient scheme for GW quasiparticle band-structure calculations with applications to bulk Si and to the Si(001)-(21) surface// Phys. Rev.B. –1995, –Vol.52. –P.1905–1917.

9. Hedin L. On correlation effects in electron spectroscopies and the GW approximation //J. Phys.: Condens. Matter. –1999. –Vol.11. –P. R484–528.

10. Katrich G.A., Klimov V.V., Yakovkin I.N. Interrelation between atomic and electronic structures of alkaline–earth adlayers on Mo(112) and Re(1010) // J.Electron Spectrosc. Relat. Phenom. –1994. –Vol.68. –P.369–375.

11. Yakovkin I.N. Metallization of the monolayer Mg film with a linear atomic structure // Surf. Sci. –1998. –Vol.406. –P.57–62.

Cписок публікацій автора з теми дисертації

1. Peculiarities of slow electron scattering by Si–p (100) surface/ Feyer V.M., Popik T.Yu., Shpenik O.B., Popik Yu.V., Erdevdy M.M. // Вісник Ужгородського університету. Серія Фізика. –2000. –Випуск 8. –C 156–161.

2. Електронна енергетична структура плівок Mg/ Попик Т.Ю., Фейер В.М., Ердевді М.М., Попик Ю.В., Шпеник О.Б. // УФЖ. –2001. –Т.46, №4. –С. 456–460.

3. Investigation of surface and bulk electronic structure of Ge(111) by low–energy electron backscattering technique /Popik T.Yu., Feyer V.M., Shpenik O.B., Popik Yu.V. // Surface Science. –2001. –Vol. 491. –P.175–182.

4. Фейер В.М. Електронна спектроскопія плівок Mg// Вісник Ужгородського університету. Сер. Фізика. –2001. –Вип. 10. –C.26–30.

5. Low–energy electron backscattering spectroscopy of Mg/Mo films/ FeyerPopik T.Yu., Shpenik O.B., Popik Yu.V., Erdevdy M.M . // J. of Electron Spectroscopy and Related Phenomena. – 2002. –Vol. 122. – P.251–257.

6. The specific features of low energy electron backscattering from different Ge surfaces /Popik T.Yu., Feyer V.M., Shpenik O.B., Popik Yu.V.//Surface Science. – . –Vol.499. – P. L113–L118.

7. Low-energy electron backscattering spectroscopy of the p-Si(100) surface / Shpenik O.B., Popik T.Yu., Feyer V.M., Popik Yu.V. // Physica B. – . –Vol.315. – P. 133–142.

8. Фейер В.М. Особливості пружного розсіювання повільних електронів поверхнею Si-p(100)// Матеріали наукової конференції “Елементарні процеси в атомних системах”. – Ужгород, Україна. – 14–15 жовтня 1998 р. – С.233–238.

9. Low–energy electron spectroscopy of condensed magnesium atoms/ Erdevdy , Shpenik O.B., Feyer V.M., Popik T.Yu. // XX ICPEAC. Scientific program and abstracts of contributed papers. – Sendai, Japan. – 22 – 27 July, 1999. –Vol.2. –P.720.

10. Studies of the Energy Structure of Condenced Mater by the low–energy Electron spectroscopy teohnique /Shpenik O.B., Erdevdy M.M., Popik T.Yu., Feyer V.M. // A Magyar Tudomбnyos Akadйmia Szabolcs–Szatmбr –Bereg Megyei Tudуmбnyos Testыlete 8. – kцrgylйssel egybekцtцtt– tudomбnyos ыlйseinekn elхadбs – хsszefoglalуi.–Nyiregyhбza, Magyarorszбg, 25 szeptember, 1999. – O. 28.

11. Ultramonoenergetic electron backscattering by the condensed magnesium atoms / Shpenik O.B.,A.M., Popik T.Yu., Feyer V.M., Erdevdy M.M. // European conference on photovoltaics. Scientific program and abstracts papers. – Cracow, Poland. – 25–27 October, 1999. – P.39.

12. Peculiarities of Slow Electron Scattering by Si–p (100) Surface / Feyer V.M., Popik T.Yu., Shpenik O.B., Popik Yu.V., Erdevdy M.M. // CEPAS’2000, Abstracts and conference programme. – Uzhgorod, Ukraine.–25–28 July.– 2000.–P. 92.

13. Slow electron backscattering by Ge(111) surface/ Popik T.Yu., Feyer V.M., Shpenik O.B., Popik Yu.V. // XXII ICPEAC. Scientific program and abstracts of contributed papers. –Santa-Fe, New Mexico, USA. – 2001.–P.637.

14. Фейер В.М. Електронна спектроскопія плівок Mg// ІЕФ’2001, Конференція молодих вчених та аспірантів, програма та тези доповідей. – Ужгород, Україна. – 11–13 вересня 2001 р. – С.35.

15. Popik T.Yu., Feyer V.M., Shpenik O.B., Popik Yu.V. The specific features of slow electron backscattering by different Ge faces // A Magyar Tudomбnyos Akadйmia Szabolcs–Szatmбr –Bereg Megyei Tudуmбnyos Testыlete 10. – kцzgylйssel egybekцtцtt – tudomбnyos ыlйsйnek elхadбs – хsszefoglalуi. – Nyiregyhбza, Magyarorszбg, –29 szeptember, 2001. – O. 32.

АНОТАЦІЯ

Фейер В.М. Збудження електронних станів Si, Ge і Mg повільними електронами. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук із спеціальності 01.04.04 – фізична електроніка. – Ужгородський національний університет, м. Ужгород, 2002 р.

Захищаються 15 наукових праць.

У дисертації показано вплив модифікації, кристалічної орієнтації і хімічної чистоти поверхні на процеси пружного і непружного розсіювання повільних моноенергетичних електронів.

Проведено дослідження енергетичних залежностей інтенсивності пружного розсіювання електронів та спектрів втрат різномодифікованими поверхнями монокристалічного p-Si(100), полірованими гранями (111), (100), (110) монокристалічного Ge, атомно-чистими й окисленими шарами Mg. Визначено параметри об’ємних і поверхневих електронних станів досліджуваних об’єктів

Встановлено взаємозв’язок між особливостями в енергетичних залежностях інтенсивності пружного зворотного розсіювання електронів низьких енергій і у спектрах втрат енергії із збудженням електронних переходів між точками, які відповідають максимумам густини об’ємних і поверхневих електронних станів у приведеній зоні Бріллюена досліджуваних об’єктів.

Показано, що прояв особливостей у спектрах зворотно розсіяних електронів низьких енергій сильно залежить від Ер.

Отримані результати добре узгоджуються із теоретичними розрахунками і суттєво доповнюють відомі експериментальні результати про електронну енергетичну структуру досліджених об’єктів.

Ключові слова: гіпоциклоїдальний електронний спектрометр, зворотно розсіяні електрони низьких енергій, об’ємні і поверхневі електронні стани, густина електронних станів.

ABSTRACT

V.M. Feyer. Excitation of Si, Ge and Mg electron states by slow electrons. Manuscript.

Thesis submitted for the Candidate of Science (Ph. D.) degree (Physics and Mathematics) in the speciality 01.04.04 – Physical Electronics. – Uzhhorod National University, Uzhhorod, 2002.

15 scientific papers are presented.

The thesis deals with the effect of modification, crystal orientation and chemical purity of the surface on the processes of elastic and inelastic scattering of slow monoenergetic electrons.

The energy dependences of the elastic electron scattering intensity and energy-loss spectra by differently modified surfaces of monocrystalline p-Si(100), polished (111), (100), (110) faces of monocrystalline Ge, atomically pure and oxidated Mg layers are studied. The parameters of bulk and surface states of the objects under investigation are determined.

The relationship between the features in the energy dependences of low-energy electron elastic backscattering and in the energy-loss spectra with the excitation of electronic transitions between the points, corresponding to the maxima of bulk and surface electron states density in the reduced Brillouin zone of the investigated objects is shown.

The features, revealed in the low-energy electron backscattering are shown to be strongly dependent of the primary electron energy.

The obtained results are in good agreement with the theoretical calculations and essentially complement the known experimental results on the electronic energy structure of the objects under investigation.

Keywords: hypocycloidal electron spectrometer, backscattered low-energy electrons, bulk and surface electron states, density of electron states.

АННОТАЦИЯ

Фейер В.М. Возбуждение электронных состояний Si, Ge и Mg медленными электронами. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.04 – физическая электроника. – Ужгородский национальный университет, Ужгород, 2002 г.

Защищается 15 научных работ.

Диссертация посвящена исследованию процессов возбуждения объёмных и поверхностных электронных состояний при взаимодействии электронов низких энергий (0 –5 эВ) с поверхностью твердых тел.

В большинстве электронно-спектроскопических методов исследования электронных свойств поверхности и объёма твердого тела в качестве зонда используются фотоны или электроны с энергиями преимущественно Е>100 эВ, для которых действуют оптические правила отбора и законы сохранения энергии и импульса. Для электронов с энергиями < 10 эВ взаимодействие с твердым телом настолько сильное, что оптические правила отбора не применимы. Поэтому в спектрах обратного рассеяния электронов низких энергий проявляются как прямые, так и непрямые переходы возбужденных электронов между максимумами плотности электронных состояний приведенной зоны Бриллюэна. Кроме того, спектры обратного рассеяния несут информацию и о возбуждении поверхностных электронных состояний. Именно этими факторами и обусловлена богатая тонкая структура спектров обратного рассеивания электронов низких энергий.

При исследовании методом обратного рассеивания электронов низких энергий поверхности Si (100) разной модификации впервые установлено, что тонкая структура наблюдается для монокристаллической зеркально отполированной поверхности кремния, в то же время для аморфизированной поверхности тонкая структура в спектрах проявляется слабо. Это дает основания утверждать, что модификация поверхности влияет на процессы упругого и неупругого обратного рассеяния электронов низких энергий.

Установлена взаимосвязь энергетического положения особенностей в спектрах обратного рассеяния электронов низких энергий с энергетическими расстояниями между максимумами плотности состояний в валентной зоне и зоне проводимости в приведенной зоне Бриллюэна для поверхностей Ge(100), Ge(110), Ge(111) и Mg.

Впервые установлен “резонансный” характер возбуждения медленными электронами (0–5 эВ) объемных и поверхностных состояний для поверхностей Ge(100), Ge(110), Ge(111) и Mg.

Результаты исследований поверхностей Ge(100), Ge(110) и Ge(111) подтвердили факт, что реконструкции этих поверхностей происходят подобными блоками. Подтверждено наличие известных из литературы поверхностных электронных состояний и впервые выявлены новые поверхностные электронные состояния с энергиями ~0.18 эВ и ~0.25 эВ в запрещенной зоне.

Впервые методом обратного рассеивания электронов низких энергий в режиме постоянного подпыления исследованы конденсированные слои атомов Mg. Значительная часть выявленных особенностей в спектрах обратного рассеивания электронов связана с возбуждением электронных переходов из заполненных объемных и поверхностных электронных состояний, расположенных ниже уровня Ферми, в пустые объемные и поверхностные состояния, расположенные выше уровня Ферми.

Исследования свеженапыленных пленок Mg и атомарно-чистой поверхности Ge (111) впервые показали, что предложенная методика позволяет изучать не только детали плотности распределения заполненных и пустых поверхностных электронных состояний атомарно-чистых поверхностей, но и исследовать эволюцию этих состояний в процессе экспозиции очищенных поверхностей в атмосфере остаточных газов вакуумной камеры.

Полученные методом обратного рассеивания низких энергий результаты, существенно дополняют информацию, полученную методами ультрафиолетовой и рентгеновской электронной спектроскопии, спектроскопии характеристических потерь энергии электронов, об энергетическом распределении плотности как заполненных, так и пустых электронных состояний. Данная методика может быть рекомендована для широкого использования в научных лабораториях для исследования электронных свойств твердых тел.

Информация об энергетическом распределении плотности электронных состояний, полученная из спектров обратного рассеивания медленных электронов, дает возможность уточнить модели при теоретических расчетах энергетического спектра электронов в твердых телах.

Ключевые слова: гипоциклоидальный электронный спектрометр, обратное рассеяние электронов, поверхностные и объёмные электронные состояния, плотность электронных состояний.