КОНОВАЛОВ Андрій Миколайович

УДК 537.533.8

Компоненти спектрів характеристичних втрат енергії
електронів, відбитих плівками Al, In та Ge

01.04.04 – фізична електроніка

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата фізико-математичних наук

КИЇВ – 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на радіофізичному факультеті Київського національного університету імені Тараса Шевченка

Науковий керівник:

доктор фізико-математичних наук, академік НАН України,
професор НАХОДКІН Микола Григорович,
Київський національний університет імені Тараса Шевченка, професор
кафедри кріогенної та мікроелектроніки радіофізичного факультету

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, член-кореспондент НАН України,
професор ЗАГОРОДНІЙ Анатолій Глібович,
Інститут теоретичної фізики ім. М. М. Боголюбова НАН України,
директор інституту

доктор фізико-математичних наук,
професор ЯКОВКІН Іван Миколайович,

Інститут фізики НАН України, провідний науковий співробітник

Провідна установа:

Інститут радіофізики та електроніки ім. О. Я. Усикова НАН України, м. Харків

Захист відбудеться 21 квітня 2005 року о 1430 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .159.01 Інституту фізики НАН України за адресою: 03650, м. Київ, пр. Науки 46.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики НАН України за адресою: 03650, м. Київ, пр. Науки 46.

Автореферат розісланий 16 березня 2005 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради О.О. Чумак

загальна характеристика роботи

Спектроскопія характеристичних втрат енергії електронів (ХВЕЕ), що відбиваються від поверхні твердого тіла, використовується при вивчен-ні процесів взаємодії електронів з поверхневою областю твердого тіла. Спектр ХВЕЕ формується в результаті пружних та непружних актів роз-сіян-ня швидких електронів при взаємодії з твердим тілом і тому несе кількісну інформацію про їх властивості та характеристики. Вивчення процесів взаємодії електронів з поверхнею твердого тіла є особливо важливим в діапазоні середніх енергій електронів (100–1000 еВ). Електрони саме таких енергій використовуються в інших видах електронної спектроскопії (рентгенівська фотоелектронна спектроскопія, електронна оже-спектроскопія та спектроскопія іонізаційних втрат енергії електронів), які мають прикладне значення. Кількісний аналіз таких спектрів базується на уявленнях про механізми найбільш імовірних непружних взаємодій електронів (розсіяння електронів із збудженням поверхневих та об’ємних плазмонів, а також одночастинкові електрон-електронні взаємодії), які сформовані в результаті досліджень по проходженню високоенергетичних електронів (10–100 кеВ) через тонкі плівки. Проте у діапазоні середніх енергій, коли довжини вільного пробігу та довжина хвилі де Бройля для електронів стають порівнянними з міжатомними відстанями, механізми формування спектрів ХВЕЕ можуть відрізнятись від встановлених для високих енергій.

Так наприклад, в 1995 році було експериментально встановлено явище азимутальної залежності спектрів ХВЕЕ для плівок Mg, Al, Ge та In у діапазоні енергій 100–1000 еВ, яке полягає в існуванні залежності форми спектрів ХВЕЕ від кута розсіяння електронів , що реєструються [1]. Подібні залежності форми спектрів ХВЕЕ від спостерігались в [2] і для інших речовин (W, Cu, Sn, Sm, Er, Au). Факт існування залежності форми спектрів ХВЕЕ від кута розсіяння електронів не може бути описаний моделями, що використовуються в електронній спектроскопії, і він досі не знайшов теоретичного пояснення. Це вочевидь вказує на недостатність знань про механізми взаємодії електронів середніх енергій з поверхневою областю твердого тіла, в результаті якої формується спектр.

У діапазоні середніх енергій залишається також нез’ясованою роль у формуванні спектрів ХВЕЕ для плівкових мішеней розсіяння електронів із збудженням ними мультипольного поверхневого плазмону, що спостерігалось для монокристалічних поверхонь деяких речовин (в тому числі Al]) у діапазоні низьких енергій (15–70 еВ). Теоретичні досліджен-ня, ] показують, що характеристики збудження мультипольного поверхневого плазмону та дисперсії звичайного поверхневого плазмону, яка може бути як від’ємною, так і додатною, визначаються профілем електронної густини на границі тверде тіло–вакуум. В літературі існують суперечливі результати досліджень характеру дисперсії звичайного поверхневого плазмону для Al [5], а для In та Ge таких досліджень не вистачає. Це викликає інтерес до дослідження цього питання.

Для отримання інформації про процеси взаємодії електронів у поверхневій області твердого тіла, що міститься в спектрах ХВЕЕ у неявному вигляді, необхідно використовувати надійні методи аналізу цих спектрів. В дисертаційній роботі пропонується новий метод аналізу спектрів ХВЕЕ. Він базується на одночасній обробці сукупності спектрів, виміряних для фіксованої енергії первинних електронів при різних геометричних умовах експерименту, які визначаються кутами падіння, розсіяння та виходу електронів для плоскої поверхні мішені. Метод дозволяє виділяти компоненти спектрів, що мають певні особливості і можуть бути використані для отримання кількісної інформації із спектрів ХВЕЕ. Цей підхід застосовується для досліджень форми складових спектрів ХВЕЕ плівок Al, In і Ge та їх кутових залежностей в діапазоні середніх енергій.

Актуальність обраної теми дисертації визначається зростанням наукового інтересу до досліджень процесів взаємодії електронів середніх енергій у поверхневій області твердого тіла (зокрема для вивчення її електронної будови) у зв’язку із розвитком прикладних методів діагностики поверхні та поверхневих наноструктур. Такі дослідження з використанням спектроскопії ХВЕЕ потребують розвитку надійних та інформативних методів аналізу спектрів та їх складових.

Дисертаційна робота частково проводилась в рамках виконання таких планових та конкурсних науково-дослідних робіт Київського національного університету імені Тараса Шевченка: “Дослідження основ формування і властивостей об’єктів нанометрових розмірів на поверхні твердого тіла при керуванні адсорбційними властивостями поверхні” (№ держреєстрації 0197U003336, 1996–2000 р.), “Фундаментальні основи процесів формування поверхневих нанорозмірних структур та методів досліджень перспективних матеріалів для потреб енергокомплексу” (№ держреєстрації 0101U002880, 2001–2005 р.), “Діагностика твердотільних наноструктур сучасними методами електронної мікроскопії” (№ держреєстрації 0104U008884, 2004–2005 р.).

Метою досліджень дисертаційної роботи є розробка методу аналізу спектрів характеристичних втрат енергії електронів, що відбиваються від плівкових мішеней, без використання моделей формування спектрів і дозволяє кількісно вивчати форми спектральних складових та зміни їх інтенсивностей при зміні умов експерименту; з’ясування характеру дисперсії звичайного поверхневого плазмону та можливості прояву піка мультипольного поверхневого плазмону в спектрах ХВЕЕ Al, In та Ge в діапазоні середніх енергій первинних електронів; кількісне визначення залежності інтенсивностей піків поверхневих та об’ємних збуджень, що складають спектр ХВЕЕ Al, In та Ge в області однократних та двократних втрат енергій, від геометричних умов експерименту при різних енергіях первинних електронів.

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі вирішуються такі задачі:

1. Розробка та вдосконалення апаратних та програмних засобів для проведення автоматизованих вимірювань спектрів ХВЕЕ.

2. Вимірювання спектрів ХВЕЕ для плівкових мішеней, виготовлених методом термічного напилювання, в діапазоні енергій первинних електронів від 300 до 800 еВ: для Al – при різних кутах падіння та виходу електронів і фіксованому куті розсіяння електронів; для In та Ge – при різних кутах падіння, виходу та розсіяння електронів.

3. Розробка методики обробки спектрів ХВЕЕ, яка дозволяє проводити аналіз їх форми.

4. Розробка методик визначення компонентів спектрів ХВЕЕ, виміряних в різних геометричних умовах експерименту.

5. Аналіз форми піків поверхневого та об’ємного плазмонів та їх положень в компонентах спектрів ХВЕЕ Al, In та Ge при різних енергіях первинних електронів з використанням відомих методів розрахунків цих піків на основі діелектричного підходу.

6. Встановлення відносних кутових залежностей інтенсивностей піків поверхневого та об’ємного плазмонів, нормованих на інтенсивність піка пружно відбитих електронів, без використання моделей взаємодії електронів з твердим тілом.

7. Встановлення залежностей нормованих інтенсивностей піків однократних та двократних втрат енергії від геометричних умов експерименту при різних енергіях первинних електронів з використанням розрахунків форми піків в рамках існуючих теоретичних розробок.

Об’єктом дослідження дисертаційної роботи є процеси взаємодій електронів середніх енергій у поверхневій області твердого тіла.

Предметом дослідження є компоненти спектрів характеристичних втрат енергії електронів, що відбиваються від плівок Al, In та Ge, виготовлених методом термічного напилювання.

В дисертаційній роботі використовувались такі методи досліджень: отримання надвисокого вакууму; виготовлення плівок Al, In та Ge методом термічного напилювання; автоматизовані вимірювання спектрів ХВЕЕ Al, In та Ge; числові методи фур’є-перетворень для приведення спектрів до однакової апаратної функції; метод головних компонентів для визначення компонентів спектрів ХВЕЕ; методи числових розрахунків поверхневого та об’ємного диференціальних перерізів непружних розсіянь електронів для порівняння їх форм з формами піків поверхневого та об’ємного плазмонів; метод найменших квадратів для апроксимації спектрів ХВЕЕ розрахованими піками однократних та багатократних втрат енергії електронів при визначенні інтенсивностей цих піків.

Наукова новизна одержаних в дисертації результатів полягає в тому, що:

1. В діапазоні енергій первинних електронів 300–800 еВ визначені форми піків поверхневого та об’ємного плазмонів спектрів ХВЕЕ плівок Al, In та Ge та встановлено, що вони не змінюються із зміною геометричних умов експерименту, які характеризувались кутами ковзання первинного пучка електронів і пучка електронів, що реєструються, відносно поверхні мішені, а також кутом розсіяння електронів .

2. Аналіз форм піків поверхневого та об’ємного плазмонів та їх положень в компонентах спектрів ХВЕЕ Al, In та Ge з використанням відомих методів розрахунків цих піків на основі діелектричного підходу показав, що дисперсія поверхневого плазмону індію додатна, а алюмінію та германію – від’ємна.

3. Вперше в спектрально-інтегральних за хвильовим вектором експериментах по непружному відбиттю електронів знайдений прояв піка мультипольного поверхневого плазмону в спектрах ХВЕЕ плівок Al та Ge.

4. Визначені відносні залежності інтенсивностей піків однократних об’ємного та поверхневого плазмонів, нормованих на інтенсивність піка пружно відбитих електронів, для Al, In та Ge від геометричних умов експерименту при різних енергіях первинних електронів Ep без використання моделей взаємодії електронів у поверхневій області твердого тіла та моделей розрахунку форм піків, що складають спектр ХВЕЕ.

5. Визначені нормовані інтенсивності піків однократних та двократних збуджень в залежності від кута розсіяння електронів , кутового параметра =sin-1+ sin-1 та енергії первинних електронів Ep, з використанням відомих методів розрахунку форми піків поверхневого та об’ємного плазмонів.

6. Встановлено, що для спектрів ХВЕЕ In та Ge нормовані інтенсивності піків, пов’язаних із збудженням об’ємних плазмонів, складним немонотонним чином суттєво залежать від кута розсіяння електронів . В той же час, інтенсивності піків однократного та двократного поверхневих плазмонів слабко залежать від кута .

7. Вперше показано, що кут розсіяння електронів майже не впливає на вигляд залежностей нормованих інтенсивностей плазмових піків від кутового параметра для фіксованої енергії первинних електронів Ep, однак може принципово змінювати характер залежностей інтенсивності піка об'ємного плазмону від енергії Ep.

8. Для спектрів ХВЕЕ плівки Al вперше зроблено оцінку нормованої інтенсивності піка мультипольного поверхневого плазмона та встановлено характер її кутової та енергетичної залежності. В досліджуваному діапазоні енергій первинних електронів Ep нормована інтенсивність цього піка є значною, порівнянною з інтенсивністю піка звичайного поверхневого плазмону. Вона не залежить від геометрії експерименту і різко зменшується при збільшені Ep.

Практичне значення роботи полягає в тому, що в ній:

1. Запропоновано новий підхід до кількісних досліджень спектрів ХВЕЕ, в основу якого покладена ідея одночасного аналізу сукупності спектрів ХВЕЕ, виміряних в різних геометріях експерименту. В рамках підходу розроблені дві методики визначення компонентів спектрів без використання припущень стосовно положення, форми та кількості піків, що складають спектр. Вони дозволяють визначати форми спектральних піків та отримувати відносні кутові залежності інтенсивностей піків однократних втрат енергії, нормованих на інтенсивність піка пружно відбитих електронів. Можна очікувати, що запропонований нами підхід може успішно використовуватись для аналізу сукупності електронних спектрів, виміряних в різних умовах експерименту, як в спектроскопії ХВЕЕ, так і в інших методах електронної спектроскопії.

2. Результати експериментальних досліджень азимутальної залежності спектрів ХВЕЕ плівок In та Ge можуть бути використані для визначення кількісних характеристик процесу взаємодії електронів середніх енергій з розсіючим потенціалом атомних залишків у середовищі електронного газу твердого тіла (вігнерівський час запізнення, перерізи розсіяння й інші).

3. Виявлений прояв піка мультипольного поверхневого плазмону в спектрах ХВЕЕ плівок Al та Ge. Інтенсивність цього піка може бути значною в діапазоні середніх енергій електронів, що свідчить про необхідність врахування цього каналу розсіяння електронів при кількісних дослідженнях в електронній спектроскопії.

Особистий внесок здобувача. Автор дисертації брав безпосередню участь у постановці задач, розробці методик дослідження та аналізі отриманих результатів. Особисто ним були розроблені апаратні та програмні засоби автоматизації вимірювань спектрів ХВЕЕ, проведені вимірювання спектрів ХВЕЕ плівок Al, In та Ge, програмно реалізовані методика первинної обробки спектрів ХВЕЕ, методики визначення компонентів та їх аналізу, проведені всі числові розрахунки, що використовувались у роботі.

Апробація результатів дисертації проводилась на Другій Всеукраїнській конференції молодих вчених (Київ, Україна, 16–18 травня 1995 р.), конференції NATO ASI “Frontiers in Nanoscale Science for Micron/Submicron Devices” (Київ, Україна, 16–27 серпня 1995 р.), 6 конференції “Applications of Surface and Interface Analysis” – ECASIA'95 (Montreux, Швейцарія, 1995 р.), міжнародній конференції “Эмиссионная электроника, новые методы и технологии” (Ташкент, Узбекистан, 4–6 листопада 1997 р.), 17 Європейській конференції з науки про поверхню (Enschede, Нідерланди, 16–19 вересня 1997 р.), 10 Міжнародній конференції з кількісного аналізу поверхні (Бірмінгем, Великобританія, 31 серпня – 4 вересня 1998 р.), Міжнародному симпозіумі “Inelastic Mean Free Path of Electrons” (Будапешт, Угорщина, 27–29 січня 2000 р.), а також наукових семінарах кафедри кріогенної та мікроелектроніки, кафедри напівпровідникової електроніки радіофізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка, Інституту радіофізики та електроніки ім. О. Я. Усикова НАН України, Інституту фізики НАН України, Інституту теоретичної фізики ім. М. М. Боголюбова НАН України.

Дисертація структурно складається з вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаних джерел, який налічує 105 найменувань. Дисертація викладена на 158 сторінках, містить 61 рисунок та 5 таблиць.

основний зміст

У РОЗДІЛІ 1 дисертації проведено огляд літератури, який показує, що спектри характеристичних втрат енергії електронів, відбитих від поверхні твердого тіла, можуть бути важливим джерелом інформації про пружні та непружні взаємодії електронів у поверхневій області твердого тіла. Ця інформація визначається електронною будовою поверхневої області (наприклад, профілем електронної густини на границі вакуум–мішень), існуванням об’ємних та поверхневих каналів електронних взаємодій та їх кількісними характеристиками (наприклад, дисперсія та імовірність збудження об’ємних та поверхневих плазмонів) й іншими діелектричними властивостями твердого тіла [4, 5]. Проте така інформація міститься у спектрах неявним чином, і для її визначення необхідне застосування адекватних методів. Загальними методами експериментального дослідження спектрів ХВЕЕ є вивчення кутових та енергетичних залежностей інтенсивностей складових піків та аналіз форми спектрів та їх складових. Існуючі методи таких досліджень базуються на певних припущеннях про форму та кількість піків, що складають спектр ХВЕЕ, (при визначенні інтенсивностей піків) або про досліджувані процеси розсіянь електронів (при визначенні форми спектральних складових). Ці недоліки обмежують інформативність визначених характеристик та область їх використання.

Протягом останнього десятиріччя зростає інтерес до дослідження процесів збудження мультипольного поверхневого плазмону і дисперсії звичайного поверхневого плазмону [3–5]. Як показують теоретичні дослідження, можливість збудження мультипольних поверхневих плазмонів та існування від’ємної дисперсії звичайного поверхневого плазмону визначаються електронною будовою перехідної області мішень–вакуум. Проте дослідження цих питань методом спектроскопії ХВЕЕ у діапазоні середніх енергій первинних електронів не проводяться навіть на якісному рівні внаслідок відмічених вище недоліків існуючих методик аналізу спектрів.

Якісно встановлений раніше ефект азимутальної залежності спектрів ХВЕЕ [1] не знайшов свого пояснення. Це свідчить про недостатнє розуміння механізмів формування спектрів ХВЕЕ. Для з’ясування їх природи необхідні кількісні характеристики азимутальної залежності спектрів ХВЕЕ, зручні для теоретичного аналізу. Однак детальних кількісних досліджень цього ефекту не проводилось.

Вищезгадані проблеми і визначили мету досліджень дисертаційної роботи, що приведена у ЗАГАЛЬНІЙ ХАРАКТЕРИСТИЦІ РОБОТИ.

РОЗДІЛ 2 присвячений методиці досліджень. Описана установка, яка використовувалась для вимірювання спектрів ХВЕЕ плівок, виготовлених методом термічного напилювання, в геометрії експерименту, що наведена на рис. . Для проведення кількісного аналізу форми спектрів ХВЕЕ була розроблена та виготовлена автоматизована система вимірювань спектрів і розроблені спеціальні програми, необхідні для ро-боти з базою даних спектрів. Розробле-на методика первинної обробки спектрів, використання якої дозволяє коректувати спектри ХВЕЕ з урахуванням нелінійності системи реєстрації, яка ви-никає при роботі з високим рівнем сигналу. Для проведення коректного порівняльного аналізу форм спектрів ХВЕЕ також була роз-роблена методика приведення спектрів до однакової апаратної функції.

Запропоновано новий підхід до кількісних досліджень спектрів ХВЕЕ. Він базується на аналізі сукупності спектрів ХВЕЕ, виміряних в різних геометріях експерименту. Не використовуючи моделі процесів розсіян-ня електронів у твердому тілі, а також припущення про кількість та форми піків, що входять до складу спектрів, були розроблені дві нові методики для визначення компонентів спектрів ХВЕЕ. Ці компоненти відрізняються наявністю або відсутністю в них піків поверхневого та об’ємного плазмонів. Наші методики дозволяють вивчати форми піків, що входять до складу спектра, та отримувати відносні кутові залежності інтенсивностей піків однократних втрат енергії, нормованих на інтенсивність піка пружно відбитих електронів. Перша з них – методика визначення так званих S- та V-компонентів за допомогою різницевих спектрів – є математично простою, проте вона дає можливість отримання компонентів лише у випадку, коли форма спектра визначається співвідношенням внесків тільки двох компонентів. Ця методика демонструється на прикладі аналізу зміни форми спектрів ХВЕЕ Al при одночасній зміні кутів між поверхнею мішені та первинним пучком електронів і пучком відбитих електронів, що реєструються енергоаналізатором, при фіксованому куті розсіяння електронів =146 і енергії первинних електронів Ep=500 еВ. Приклад опису спектра ХВЕЕ Al за допомогою отриманих таким чином S- та V-компонентів наведено на рис. (а). Для більш складного випадку, коли форма спектрів ХВЕЕ визначається більшою кількістю компонентів, нами пропонується інша, більш загальна в порівнянні з першою, методика – методика визначення компонентів за допомогою відомого в математичній статистиці методу головних компонентів. Ця методика демонструється на прикладі визначення S-, V- та C3-компонентів спектрів ХВЕЕ In, виміряних при різних значеннях як кутів та , так і кута розсіяння електронів та фіксованій енергії первинних електронів Ep=300 еВ. Приклад опису спектрів ХВЕЕ In за допомогою S-, V- та C3-компонентів наведено на рис. (б).

В РОЗДІЛІ 3 проводиться аналіз форм компонентів спектрів ХВЕЕ плівок Al, In та Ge, отриманих з використанням запропонованого нами підходу при трьох обраних значеннях енергій первинних електронів Ep в діапазоні 300–800 еВ. Були визначені форми піків однократних поверхневого та об’ємного плазмонів та встановлено, що вони не змінюються із зміною геометричних умов експерименту.

Був проведений аналіз форм піків поверхневого й об’ємного плазмонів та їх положень з використанням відомих методів розрахунків цих піків на основі діелектричного підходу. Показано, що експериментально визначені форми піків поверхневого та об’ємного плазмонів In можуть бути описані розрахованими формами цих піків при використанні зв’язку між поверхневою та об’ємною діелектричними функціями для стрибкоподібного профілю електронної густини на границі мішень–вакуум, який дає додатну дисперсію поверхневого плазмону [4, 5]. У випадку Al та Ge використання такого ж зв’язку не дозволяє одночасно з піком об’ємного плазмону описати положення і форму піка поверхневого плазмону. Форма піків поверхневих плазмонів Al та Ge може бути описана лише з використанням поверхневої діелектричної функції з від’ємною дисперсією поверхневого плазмону. Тобто дисперсія поверхневого плазмону Al та Ge, на відміну від In, є від’ємною. Використані нами дисперсії поверхневих плазмонів Al, In та Ge наведені на рис. 3.

Для речовин, дисперсія поверхневого плазмону яких від’ємна, у формах S- та V-компонентів були виявлені особливості між піками поверхневого та об’ємного плазмонів, які не описуються розрахованими формами цих піків. Зі збільшенням енергії первинних електронів прояв цих особливостей в компонентах Al та Ge значно зменшується. Теоретичні дослідження [4, 5] показують, що від’ємна дисперсія поверхневого плазмону можлива для поверхні з плавним профілем концентрації вільних електронів. Для такої електронної будови поверхні можливі збудження так званих мультипольних поверхневих плазмонів, частота яких більша за частоту поверхневого плазмону (звичайного), але менша за частоту об’ємного. Таким чином, враховуючи також відсутність подібних особливостей в компонентах спектрів ХВЕЕ плівки In (дисперсія поверхневих плазмонів якої додатна), зроблено висновок, що виявлені особливості пов’язані з проявом піка мультипольного поверхневого плазмону в спектрах ХВЕЕ Al та Ge. В спектрально-інтеграль-них за хвильовим вектором експериментах по непружному відбиттю електронів, як у нашому випадку, мультипольний поверхневий плазмон спостерігався вперше.

Показано, що для всіх речовин, що досліджувались нами, форми піків двократних втрат енергії спектрів ХВЕЕ визначаються формами піків однократних втрат енергії і можуть бути розраховані на основі існуючих методів, в яких припускається статистична незалежність послідовних непружних взаємодій електронів.

РОЗДІЛ 4 присвячений дослідженню інтенсивностей піків однократних та двократних непружних розсіянь електронів в спектрах ХВЕЕ плівок Al, In та Ge. Без використання моделей взаємодії електронів у поверхневій області твердого тіла та моделей розрахунку форм піків, що входять до складу спектрів ХВЕЕ, для Al, In та Ge були визначені відносні залежності інтенсивностей піків однократних об’ємного та поверхневого плазмонів, нормованих на інтенсивність піка пружно відбитих електронів, від геометричних умов експерименту при різних енергіях первинних електронів.

Використання відомих методів розрахунку форми піків поверхневого та об’ємного плазмонів дозволило визначити нормовані на інтенсивність піка пружно відбитих електронів інтенсивності піків однократних (Js та Jv) та двократних (Jss, Jsv та Jvv) збуджень і побудувати їх залежності від кута розсіяння електронів , кутового параметра =sin-1+sin-1 та енергії первинних електронів. Приклади визначених залежностей показані на рис. –6.

Для спектрів ХВЕЕ плівки Al вперше вдалось зробити оцінку нормованої інтенсивності піка мультипольного поверхневого плазмону Jm та встановити характер її кутової та енергетичної залежностей (рис. 4, 6). В діапазоні енергій первинних електронів Ep, що досліджувався, нормована інтенсивність цього піка може бути значною порівняно з інтенсивністю піка звичайного поверхневого плазмону. Вона не залежить від геометрії експерименту і різко зменшується при збільшені Ep.

Для спектрів ХВЕЕ In та Ge нормовані інтенсивності піків, пов’язаних із збудженням об’ємних плазмонів, величини Jv, Jsv та Jvv складним немонотонним чином суттєво залежать від кута розсіяння електронів (рис. ). Збільшення енергії первинних електронів Ep приводить до зсуву максимумів залежностей Jv, Jsv та Jvv від кута в область менших значень . При сталих кутах падіння та виходу електронів нормовані інтенсивності піка об’ємного плазмону Jv можуть змінюватись із зміною кута майже у 3 рази. В той же час, нормовані інтенсивності піків однократного та двократного поверхневих плазмонів Js та Jss слабко залежать від кута розсіяння для обох речовин. Кут майже не впливає на вигляд залежностей нормованих інтенсивностей плазмонних піків від кутового параметра для даного Ep, однак може принципово змінювати характер енергетичних залежностей інтенсивності піка об'ємного плазмону (рис. 6) внаслідок зсуву залежності Jv() при зміні Ep. Характер залежностей нормованих інтенсивностей Jv, Jsv та Jvv від кута та його зміна при зміні Ep корелює з диференціальним перерізом пружного розсіяння електронів () для вільних атомів In та Ge. Розглянуті можливі механізми виникнення азимутальної залежності спектрів ХВЕЕ. Робиться припущення, що головною причиною суттєвої залежності інтенсивностей піків об’ємного плазмону від кута є взаємодія каналів пружного та непружного розсіянь, можливість існування якої передбачається в деяких теоретичних роботах, але в більшості досліджень ігнорується.

Аналіз наших експериментальних кутових залежностей нормованих інтенсивностей піків однократних та двократних втрат енергії електронів показав, що існуючі моделі електронної будови поверхневої області твердого тіла не можуть претендувати на адекватний опис процесів формування спектрів ХВЕЕ для всіх трьох речовин, що досліджувались нами, внаслідок ігнорування каналу розсіяння електронів при збудженні мультипольного поверхневого плазмону та впливу кута на інтенсивності складових піків.

Робиться висновок про необхідність подальших теоретичних досліджень стосовно взаємодії каналів пружного та непружного розсіянь електронів та ролі збудження мультипольного поверхневого плазмону у формуванні спектрів ХВЕЕ.

висновки

В дисертації експериментально досліджуються процеси взаємодії електронів середніх енергій (100–1000 еВ) у поверхневій області плівкових мішеней Al, In та Ge методом спектроскопії характеристичних втрат енергії електронів (ХВЕЕ), що відбиваються від твердого тіла. Запропонований новий підхід до кількісних досліджень спектрів ХВЕЕ, в рамках якого розроблені методики визначення компонентів спектрів, які не використовують модельні припущення про процеси розсіянь електронів у твердому тілі або дані про положення, форму і кількість піків, що входять до складу спектра. Методики дозволяють отримувати форми спектральних піків та відносні кутові залежності інтенсивностей піків однократних втрат енергії, нормованих на інтенсивність піка пружно відбитих електронів. Вони були використані для з’ясування характеру дисперсії звичайного поверхневого плазмону та можливості прояву піка мультипольного поверхневого плазмону в спектрах ХВЕЕ Al, In та Ge в діапазоні середніх енергій первинних електронів, а також для кількісних досліджень залежностей інтенсивностей піків поверхневих та об’ємних збуджень, що складають спектр ХВЕЕ Al, In та Ge в області однократних та двократних втрат енергій, від геометричних умов експерименту при різних енергіях первинних електронів. В дисертації були виконані задачі, що описані у ЗАГАЛЬНІЙ ХАРАКТЕРИСТИЦІ РОБОТИ, та зроблені такі основні висновки:

1. В діапазоні енергій первинних електронів 300–800 еВ були визначені форми піків поверхневого та об’ємного плазмонів спектрів ХВЕЕ Al, In та Ge і встановлено, що вони не змінюються із зміною геометричних умов експерименту.

2. Аналіз форм цих піків показав, що дисперсія поверхневого плазмону індію додатна, а алюмінію та германію – від’ємна.

3. Вперше в спектрально-інтегральних експериментах по непружному відбиттю електронів виявлений прояв піка мультипольного поверхневого плазмону в спектрах ХВЕЕ плівок Al та Ge. Для Al зроблено оцінку нормованої інтенсивності цього піка і встановлений характер її кутової та енергетичної залежності.

4. При різних енергіях первинних електронів визначені відносні залежності нормованих інтенсивностей піків однократних об’ємного та по-верх-невого плазмонів Al, In та Ge від геометричних умов експерименту без використання моделей взаємодій електронів або моделей розрахунку форм піків. Визначені кутові залежності нормованих інтенсивностей піків однократних та двократних збуджень з використанням відомих методів розрахунку форм складових піків.

5. Встановлено, що для спектрів ХВЕЕ In та Ge нормовані інтенсивності піків, пов’язаних із збудженням об’ємних плазмонів, суттєво та складним немонотонним чином залежать від кута розсіяння електронів. В той же час, інтенсивності піків однократного та двократного поверхневих плазмонів слабо залежать від кута розсіяння. Кут розсіяння електронів майже не впливає на вигляд залежностей нормованих інтенсивностей піків від кутового параметра , однак може принципово змінювати характер залежностей інтенсивності піка об'ємного плазмону від енергії первинних електронів.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Кулик С. П., Находкін М. Г., Кринько Ю. М., Мельник П. В. Азимутальна залежність спектра характеристичних втрат енергії електронів, відбитих полікристалічними плівками Be, Mg, Al, Ge та In // УФЖ – 1995. – Т. 40, № 11 12. – С. 1225–1228.

2. Seah M.P. Background subtraction. III. The application of REELS data to background removal in AES and XPS // Surf. Sci. – 2001. – Vol. 471. – P. 185–202.

3. Chiarello G., Formoso V., Santaniello A., Colavita E., Papagno L. Surface-plasmon dispersion and multipole surface plasmon in Al(111) // Phys. Rev. B. – 2000. – Vol. 62, N 6. – P. 12676–12679.

4. Liebsch A. Electronic Excitations at Metal Surfaces. – New York and London: Plenum Press, 1997. – 336 p.

5. Plummer W., Tsuei K.-D., Kim B.-O. The impact of the concept of a surface plasmon // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. – 1995. – Vol. 96. – P. 448–459.

список опублікованих автором праць
за темою дисертації

Результати дисертації опубліковано в 15 роботах: 6 статтях у наукових журналах, 1 статті у збірнику наукових праць та 8 матеріалах і тезах конференцій:

1. Кринько Ю.М., Коновалов А.М., Находкін М.Г. Дослідження інтенсивностей піків однократних характеристичних втрат енергій електронів, які відбиваються від немонокристалічного алюмінію // УФЖ – 1998. – Т. 43, № 10. – С. 1266–1269.

2. Кринько Ю.М., Коновалов А.М., Находкін М.Г. Залежності спектрів ХВЕЕ індію від енергії електронів при різних кутах розсіяння // Вісник Київського університету. Серія: фізико-математичні науки. – 2000 р. – випуск № 3. – С. 352–358.

3. Krynko Y.M., Konovalov A.M., Nakhodkin M.G. A new approach to analysis of reflection electron energy loss spectra // J. Electr. Spectrosc. and Related Phenom. – 2002. – Vol. 122. – P. 231–237.

4. Konovalov A.M., Krynko Y.M., Musatenko Yu.S., Nakhodkin M.G. Analysis of the principal components for REEL spectra of indium // J. Electr. Spectrosc. and Related Phenom. – 2003. – Vol. 133. – P. 27–37.

5. Konovalov A.M., Krynko Yu.M., Nakhodkin M.G. Principal component analysis of angular dependences of reflection electron energy loss spectra of Ge // Ukr. J. Phys. – 2004. – V. 49, N 8. – P. 794–798.

6. Коновалов А.М., Кринько Ю.М., Находкін М.Г. Аналіз форми компо-нентів спектрів ХВЕЕ полікрис-талічних плівок алюмінію // Вісник Київського університету. Серія: фізико-математичні науки. – 2004 р. – випуск №4. – С. 331–338.

7. Коновалов А.Н. Возможность получения новой информации из спектров характеристических потерь энергии отражённых электронов // Сучасні фізико-математичні дослідження молодих науковців ВУЗів України: Зб. наук. пр. – К.: Київ. ун-т. – 1995. – С. 92–104.

8. Konovalov A., Kryn'ko Y., Osadchi I., Voskoboinikov A. Profile for semiinfinite metal-like materials within electron density functional formalism // Materials of Seminars and Poster Sessions, Frontiers in Nanoscale Science for Micron/Submicron Devices. NATO ASI. Workshop "Mesoscopic'95". – Kyiv (Ukraine). – 1995. – P. 13.

9. Kryn'ko Y.N. and Konovalov A.M. Important solid surface nanocharacteobtained with the quantitative analysis of REEL spectra // Abstracts on Frontiers in Nanoscale Science for Micron/Submicron Devices. NATO ASI. – Kyiv (Ukraine). – 1995.

10. Konovalov A., Kryn'ko Y., Osadchi I., Voskoboinikov A. There is a possibility to reach new important information from REELS // ECASIA'95. 6th Conference on Applications of Surface and Interface Analysis. – Montreux (Switzerland). – 1995. – QA-54.

11. Крынько Ю.Н., Коновалов А.Н. Количественный анализ интенсивностей спектров характеристических потерь энергии отражённых электронов // Тезисы докладов. Эмиссионная электроника, новые методы и технологии. – Ташкент (Узбекистан). – 1997. – С. 155.

12. Kryn'ko Y., Konovalov A. Analysis of single energy loss function of Al reflection-electron-energy- loss spectra // Abstracts of 17th European conference on Surface Science. – Enschede (The Netherlands). – 1997. – ThP40.

13. Kryn’ko Y.N., Konovalov A.N., Nakhodkin N.G. Single energy losses of electrons reflected by noncrystalline Al // Abstracts of 10th International Conference on Quantitative Surface Analysis. – Birmingham (UK). – 1998. – AS.Ptu.27, P. 29.

14. Konovalov A.M., Kryn’ko Yu.M., Nakhodkin M.G. Method of REEL spectra shape analysis // Abstracts of International Workshop on the Inelastic Mean Free Path of Electrons. – Budapest (Hungary). – 2000. – FP-2.

15. Konovalov A.M., Kryn’ko Yu.M., Nakhodkin M.G., Voskoboinikov O.M. Investigation of REEL spectra azimuth anisotropy for indium // Abstracts of International Workshop on the Inelastic Mean Free Path of Electrons. – Budapest (Hungary). – 2000. – FP-3.

АНОТАЦІЯ

Коновалов А.М. Компоненти спектрів характеристичних втрат енергії електронів, відбитих плівками Al, In та Ge. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.04 – фізична електроніка. Інститут фізики НАН України, Київ, 2005.

Дисертаційна робота присвячена експериментальному дослідженню процесів взаємодії електронів середніх енергій (100–1000 еВ) у поверхневій області плівкових мішеней Al, In та Ge методом спектроскопії характеристичних втрат енергії електронів (ХВЕЕ), що відбиваються від твердого тіла. Запропоновано новий підхід до кількісних досліджень спектрів ХВЕЕ, в рамках якого розроблені дві методики визначення компонентів спектрів, які не базуються на моделях взаємодій електронів у твердому тілі. Дослідження форм компонентів спектрів ХВЕЕ плівок Al, In та Ge, виміряних при різних кутах падіння, виходу та розсіяння електронів в діапазоні енергій первинних електронів 300–800 еВ, показали, що дисперсія поверхневого плазмону має додатний характер для In та від’ємний для Al та Ge. Виявлений пік мультипольного поверхневого плазмону в компонентах спектрів ХВЕЕ Al та Ge. При різних значеннях енергії первинних електронів визначені кутові залежності інтенсивностей піків однократних та двократних втрат енергій, нормованих на інтенсивність піка пружно відбитих електронів. Встановлено, що для спектрів ХВЕЕ In та Ge нормовані інтенсивності піків, пов’язаних із збудженням об’ємного плазмону, складним немонотонним чином суттєво залежать від кута розсіяння електронів. Вибір кута розсіяння електронів може принципово змінити характер залежностей нормованої інтенсивності піка об'ємного плазмону від енергії первинних електронів. Нормована інтенсивність піка мультипольного поверхневого плазмону, оцінку якої вдалося виконати для спектрів ХВЕЕ Al, майже не залежить від кутів падіння та виходу електронів і зменшується при збільшенні енергії первинних електронів.

Ключові слова: алюміній, індій, германій, ХВЕЕ, мультипольний поверхневий плазмон, дисперсія плазмону.

АННОТАЦИЯ

Коновалов А.Н. Компоненты спектров характеристических потерь энергии электронов, отраженных пленками Al, Іn и Ge. – Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.04 - физическая электроника. Институт физики НАН Украины, Киев, 2005.

Диссертационная работа посвящена экспериментальному исследованию процессов взаимодействия электронов средних энергий (100–1000 еВ) в поверхностной области пленочных мишеней Al, Іn и Ge методом спектроскопии характеристических потерь энергии электронов (ХПЭЭ), отражённых от твердого тела. Предложен новый подход к количественным исследованиям спектров ХПЭЭ, в рамках которого разработаны две методики определения компонентов спектров, которые не базируются на моделях взаимодействий электронов в твердом теле. Исследования форм компонентов спектров ХПЭЭ пленок Al, Іn и Ge, измеренных при разных углах падения, выхода и рассеяния электронов в диапазоне энергий первичных электронов 300–800 еВ, показали, что дисперсия поверхностного плазмона имеет положительный характер для Іn и отрицательный для Al и Ge. Обнаружен пик мультипольного поверхностного плазмона в компонентах спектров ХПЭЭ Al и Ge. При разных значениях энергии первичных электронов определенны угловые зависимости интенсивностей пиков однократных и двукратных потерь энергий, нормированных на интенсивность пика упруго отраженных электронов. Установлено, что для спектров ХПЭЭ Іn и Ge нормированные интенсивности пиков, связанных с возбуждением объемного плазмона, сложным немонотонным образом существенно зависят от угла рассеяния электронов. Выбор угла рассеяния электронов может принципиально изменить характер зависимостей нормированной интенсивности пика объемного плазмона от энергии первичных электронов. Нормированная интенсивность пика мультипольного поверхностного плазмона, оценку которой удалось выполнить для спектров ХПЭЭ Al, почти не зависит от углов падения и выхода электронов и уменьшается при увеличении энергии первичных электронов.

Ключевые слова: алюминий, индий, германий, ХПЭЭ, мультипольный поверхностный плазмон, дисперсия плазмона.

annotation

Konovalov A.M. Components of reflection electron energy loss spectra of Al, In and Ge films. – Manuscript.

Thesis for candidate degree of physical and mathematical sciences in speciality 01.04.04 – physical electronics. Institute of physics of NAS of Ukraine, Kyiv, 2005.

The thesis is devoted to the experimental investigation of electron interaction processes of medium energies (100–1000 eV) in the surface region of Al, Іn and Ge film targets by reflection electron energy loss (REEL) spectroscopy. A new approach is proposed for the quantitative study of REEL spectra. It is based on the simultaneous analysis of a set of spectra measured at different geometries of the experiment. Within the approach two methods for determination of REEL spectrum components have been developed, not based on models of electron interactions in a solid. The shapes of the defined components differ by presence of one of the surface or volume plasmon peaks or by absence of both peaks in them. The methods enable us to study shapes of spectral peaks and to obtain relative angular dependences of the peak intensities of single energy losses, normalized on the peak intensity of elastic reflected electrons. Further results were obtained with the use of these methods.

The components have been obtained for Al, Іn and Ge REEL spectra measured at different angles of incidence, exit and scattering of electrons