Электронные свойства ультратонких границ раздела металл-металл и металл-полупроводник Бенеманская, Галина Вадимовна

Введение к работе

Актуальность темы.

В современной физике поверхности твердого тела одними из важнейших и активно развивающихся направлений являются исследования на атомном уровне поверхности металлов и полупроводников и взаимодействий с адсорбированными атомами в процессе формирования границ раздела. Изучение поверхности металлов является классическим направлением и развивается уже более полувека, что связано с традиционными прикладными задачами. Второе, сравнительно молодое направление, в настоящее время стремительно развивается в связи с возрастающим значением новых мощных методов выращивания полупроводниковых материалов, эпитаксиальных слоев, а также создания наноструктур, лежащих в основе наноэлектроники. Особенное внимание уделяется исследованиям процессов формирования ультратонких границ раздела с различными реконструированными поверхностями Si, что обусловлено исключительной ролью кремниевых микро- и нанотехнологий. Актуальны исследования адсорбции металлов на поверхности (100)GaAs для задач моделирования и создания границ раздела с заданными свойствам, что имеет непосредственное применение в технологии устройств с отрицательным электронным сродством, барьеров Шоттки, фотоэмиттеров с высоким квантовым выходом, в получении спин-поляризованных пучков электронов. С точки зрения фундаментальных проблем физики поверхности и границ раздела актуальными являются исследования электронных свойств, спектра поверхностных состояний, природы локальных взаимодействий, 2D структур, низкоразмерных фазовых переходов, а также взаимосвязи электронных и кристаллических свойств.

Накопленный экспериментальный и теоретический материал свидетельствует о том, что наиболее сильные изменения свойств поверхности происходят в начальной стадии формирования границы раздела, в субмонослойном режиме адсорбции. При адсорбции металлов происходят локальные взаимодействия адатомов с различными типами оборванных связей поверхности полупроводника, что сопровождается перераспределением электронной плотности и перестройкой электронной структуры поверхности. Данные взаимодействия существенно отличаются от взаимодействий в объеме и могут, например, изменять характер адсорбционной связи от ионного до ковалентного на одной и той же поверхности, адатомы могут занимать на поверхности строго определенные позиции-

адсорбционные места, могут образовывать цепочки или иные низкоразмерные структуры, инициировать реконструкцию поверхности и фазовые переходы.

В данной работе адсорбция щелочных металлов (ЩМ) К, Cs и щелочно-земельного металла (ЩЗМ) Ва в субмонослойном режиме является своего рода атомарным зондом для исследования процессов локального взаимодействия адсорбированных атомов и оборванных связей реконструированных поверхностей полупроводника. Важным подходом в данной работе представляется изучение закономерностей и выявление механизмов локальных взаимодействий также на поверхности металлов при использовании одного и того же набора оригинальных экспериментальных методов.

Несмотря на то, что исследованию адсорбции ЩМ на реконструированных поверхностях Si, GaAs и на поверхности металлов посвящено множество экспериментальных и теоретических работ, многие вопросы, касающиеся природы адсорбционной связи, модификации электронного спектра поверхности, механизмов формирования электронных свойств границ раздела, природы поверхностной металлизации и низкоразмерных фазовых переходов типа металл-полупроводник до настоящего времени не решены. Следует отметить также, что данных о электронных свойствах поверхности и границ раздела гораздо меньше, чем о их структурных свойствах. Одна из причин заключается в том, что практически единственный метод, позволяющий получать непосредственную информацию об электронной структуре поверхности, ультрафиолетовая фотоэмиссионная спектроскопия, обладает ограниченными возможностями в наиболее актуальной энергетической области валентных состояний, а именно вблизи уровня Ферми и вершины валентной зоны.

Целью работы является создание нового фотоэмиссионного метода исследования поверхности твердого тела и границ раздела в сверхвысоком вакууме in situ, проведение с помощью нового метода исследований электронных свойств и спектра поверхностных состояний границ раздела металл-металл и металл-полупроводник, изучение модификации свойств в процессе формирования границ раздела в диапазоне субмонослойных покрытий; установление закономерностей и корреляции со структурными характеристиками подложки, идентификация границ раздела, установление типа электронной поверхностной структуры в зависимости от поверхностной концентрации адсорбированных атомов, поиск поверхностных переходов типа металл-изолятор и изучение их механизмов, определение природы поверхностной металлизации и

характера адсорбционной связи, выявление роли подложки и адсорбата.

В связи с этим ставились следующие конкретные задачи;

1. разработать новый фотоэмиссионный метод исследования электронной структуры поверхности и границ раздела, обладающий высокой поверхностной чувствительностью и оптическим разрешением (~0.01эВ) в актуальной энергетической области валентных состояний вблизи уровня Ферми при использовании поляризованного возбуждения в пороговой области энергий - метод пороговой фотоэмиссионной спектроскопии,

2. провести экспериментальное и теоретическое обоснование метода, установить механизмы взаимодействия s- и р-поляризованного света с объемом и поверхностью твердого тела,

3. исследовать и определить природу векторного фотоэффекта для металлов с адсорбированными покрытиями,

4. провести комплексные исследования механизмов формирования границ раздела на актуальных поверхностях металлов и полупроводников Cs/ и Ba/W(110), Cs/W(100); Cs/W(lll),

Cs/ и Ba/Si(100)2xl; Cs/ , К/ и Ba/Si(l 11)7x7; Cs/GaAs(100), обогащенная Ga, в режиме субмонослойных покрытий.

Для каждой границы раздела предполагалось:

получение электронного спектра как функции субмонослойного покрытия;

определение ионизационной энергии ф при различных покрытиях работы выхода (р в случае металлизации;

для границ раздела металл-полупроводник определение насыщающего покрытия и покрытия вщщ, соответствующего минимальной работе выхода (р_т;_п;

детальный анализ модификации спектров поверхностной фотоэмиссии при нанесении субмонослойных покрытий с малым шагом по покрытию;

поиск поверхностных зон, индуцированных адсорбцией;

определение характера адсорбционной связи;

поиск и изучение поверхностных переходов типа металл-изолятор и определение условий и природы поверхностной металлизации.

Научная новизна.

1. Метод пороговой фотоэмиссионной спектроскопии разработан, экспериментально и теоретически обоснован, и впервые применен для исследования электронных свойств широкого класса границ

раздела как на основе металлических, так и полупроводниковых подложек в сверхвысоком вакууме in situ.

2. Обнаружено различие механизмов возбуждения объемной и поверхностной фотоэмиссии s- и р-поляризованным светом.

3. Впервые обнаружены поверхностные состояния, индуцированные адсорбцией Cs и Ва на гранях (100), (ПО), (111) W. В широком диапазоне покрытий изучена трансформация спектра поверхностных состояний, включая собственные и индуцированные. На всех гранях W обнаружено образование одной индуцированной зоны в случае адсорбции Cs и двух зон в случае адсорбции Ва на W(l 10).

4. Впервые исследован векторный фотоэффект (ВФЭ) для металлов с адсорбированными покрытиями, обнаружено новое явление аномального ВФЭ и установлена его природа.

5. Впервые обнаружено различие фотоэмиссионньгх порогов при возбуждении s- и р-поляризованным светом границ раздела K/Si(l 11)7x7, Cs/Si(l 11)7x7, Ba/Si(l 11)7x7, Cs/Si( 100)2x1, Ba/Si(100)2xl, Cs/GaAs(100) , получены спектры поверхностной и объемной фотоэмиссии, определена ионизационная энергия как функция субмонослойного покрытия.

6. Впервые наблюдался пиннинг уровня Ферми при адсорбции К и Cs на поверхности Si(l 11)7x7.

7. Впервые обнаружено существование индуцированных адсорбцией поверхностных переходов металл-изолятор для границ раздела К/ Cs/ и Ba/Si(l 11)7x7 и изолятор-металл для границ раздела К/ и Cs/Si(l 11)7x7.

8. Впервые установлено существование поверхностных состояний, индуцированных адсорбцией, для границ раздела Cs/Si( 100)2x1, Ba7Si(100)2xl, К/ Si(l 11)7x7, Cs/ Si(l 11)7x7, Ba/Si(l 11)7x7 и Cs/GaAs(100).

9. Обнаружены и изучены две фазы адсорбции Cs на поверхности GaAs(100), обогащенной Ga. На первой фазе адсорбции, до насыщения всех оборванных связей Ga, наблюдаются зоны локального взаимодействия атомов Cs с оборванными связями Ga. На второй фазе адсорбции, характеризующейся слабой Cs-Cs связью, обнаружено формирование квази-2Б и/или квази 3D Cs кластеров и Cs-поверхностного плазмона.

Научная и практическая значимость проведенного исследования

определяется следующим.

1. Впервые получен ряд важных экспериментальных результатов, позволяющих определить закономерности формирования границ раздела для широкого класса твердотельных подложек с

металлическими покрытиями. Научные выводы носят общий характер и не ограничиваются только объектами, исследованными в данной работе. Результаты исследований используются другими авторами при разработке теоретических моделей.

10. Определены условия для создания границ раздела металл-металл и металл-полупроводник с контролируемыми электронными свойствами.

11. Определены ранее неизвестные механизмы взаимодействия р-поляризованного света с поверхностью твердого тела при наличии локальной поверхностной зоны.

12. Разработан новый, легко реализуемый и не требующий дорогостоящего оборудования, метод пороговой фотоэмиссионной спектроскопии (ПФС), включающий изучение спектральных, угловых, концентрационных и поляризационных зависимостей фотоэмиссионного тока. Метод обладает высокой поверхностной чувствительностью, оптическим разрешением и используется рядом исследовательских групп. Метод основан на использовании s- и р-поляризованного света и позволяет:

изучать электронную структуру поверхности в энергетической области вблизи уровня Ферми и вершины валентной зоны с оптическим разрешением ~0.01эВ;

определять ионизационную энергию и работу выхода, как функцию субмонослойного покрытия;

проводить экспресс-анализ на наличие поверхностных зон и конечной плотности поверхностных состояний на уровне Ферми, проводить поиск поверхностных переходов типа металл-изолятор;

определять степень субмонослойного покрытия 0 .

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Метод исследования электронных свойств поверхности и границ раздела металл-металл и металл-полупроводник с применением s-и р-поляризованного порогового возбуждения - метод пороговой фотоэмиссионной спектроскопии.

2. Механизмы возбуждения объемной фотоэмиссии и фотоэмиссии с поверхностных состояний: возбуждение s-поляризованным светом и тангенциальной компонентой электрического вектора р-поляризованного света вызывает фотоэмиссию из объема; возбуждение нормальной компонентой электрического вектора р-света вызывает фотоэмиссию с поверхностных состояниий. Модели фотоэмиссионных процессов и расчеты фундаментальных параметров поверхностных состояний.

3. Обнаружение аномального векторного фотоэффекта для поверхности металла с субмонослойными покрытиями, природа которого обусловлена возбуждением поверхностных состояний р-поляризованным светом.

4. Обнаружение поверностных состояний, индуцированных адсорбцией Cs и Ва на реконструированных поверхностях Si(l 11)7x7, Si(100)2xl, на гранях W, адсорбцией К на Si(lll)7x7, а также адсорбцией Cs на поверхности GaAs(lOO), обогащенной Ga.

5. Установление зависимости спектра поверхностных состояний, индуцированных адсорбцией Cs или Ва на гранях W, от электронной конфигурации адсорбата, и зависимости энергетического положения собственных поверхностных состояний граней W от поверхностной концентрации адсорбата.

6. Обнаружение эффекта различия величин фотоэмиссионных порогов hvs (s-поляризованное возбуждение) и hvp (р-поляризованное возбуждение), возникновение которого обусловлено присутствием заполненных поверхностных состояний в запрещенной зоне полупроводника.

7. Принципиальное различие процессов формирования границ раздела на поверхностях Si(100)2xl и Si(l 11)7x7. Электронные свойства границ раздела Cs/Si(100)2xl и Ba/Si(100)2xl определяются в основном свойствами димерно-реконструированной подложки, а электронные свойства границ раздела K/Si(l 11)7x7, Cs/Si(l 11)7x7 и Ba/Si(l 11)7x7 зависят преимущественно от электронной структуры адсорбата.

8. Механизм формирования границ раздела Cs/Si(100)2xl и Ba/Si(100)2xl, состоящий в последовательной адсорбции Cs и Ва на две неэквивалентные позиции в элементарной ячейке 2x1, что приводит к появлению двух индуцированных поверхностных зон и образованию границ раздела полупроводникового типа при покрытиях вплоть до монослоя .

9. Эффект разрушения поверхностной металлизации атомарно-чистой поверхности Si(l 11)7x7 на начальных стадиях адсорбции К, Cs и Ва, природа которого обусловлена локализацией заряда за счет заполнения оборванных связей "адатомов Si"

10. Процесс адсорбции Cs на атомарно-чистой поверхности
GaAs(lOO), обогащенной Ga, включает :

первую фазу адсорбции с сильной Cs-Ga связью, обусловленную локальным взаимодействием Cs с оборванными связями Ga,

переход к следующей фазе, осуществляемый при покрытии, достаточном для насыщения всех оборванных связей Ga на поверхности,

вторую фазу адсорбции со слабой Cs-Cs связью, которая характеризуется появлением квази-2Б и/или квази 3D Cs кластеров и Cs-поверхностного плазмона.

Установлено, что на любой фазе адсорбции граница раздела Cs/GaAs(100) имеет полупроводниковый характер вплоть до монослойного покрытия цезия.

Апробация работы.

Основные материалы диссертационной работы докладывались 10 Всесоюзных и 11 Международных конференциях в том числе на : VI и VII Всесоюзных симпозиумах по вторично-электронной, фотоэлектронной эмиссии и спектроскопии твердого тела (Рязань, 1986г., Ташкент, 1990г.), XX и XXI Всесоюзных конференциях по эмиссионной электронике (Киев, 1987г., Ленинград, 1991г.), Всесоюзной школе по физике поверхности (Яремча, 1986г.), Всесоюзной конференции по диагностике поверхности (Каунас, 1986г.), VII Всесоюзной конференции по взаимодействию излучения с веществом (Ленинград, 1988г.), XX Всесоюзном съезде по спектроскопии (Киев, 1988г.), Всесоюзной конференции «Поверхность-89» (Черноголовка, 1989г.), на 13-ом Международном вакуумном конгрессе/9-ой Международной конференции по физике твердого тела (IVC-13/ICSS-9, Japan, 1995), 1-st and 2-th International Conferences «Physics of Low-Dimensional Structure» PLDS-1 Chernogolovka, 1993; PLDS-2, Dubna, 1995), 5-ой Международной конференции «Structure of Surfaces» (ICSOS-5, France, 1996), на XIII Международном симпозиуме «Electrons and Vibrations in Solids and Finite System» (EVSFS-XIII, Germany, 1996), на Международной конференции «4th Nordic Conference on Surface Science» (NCSS-4, Norwey, 1996), на Международной конференции «Low-Energy Polarized Electron Workshop» (LE-98, StPetersburg, 1998), на Международных конференциях «European Conference on Surface Science» ECOSS-10, ECOSS-14, ECOSS-16, ECOSS-18 (Italy, 1988; Germany, 1994; Italy, 1996, Austria 1999).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 29 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитируемой литературы. Она содержит 279 страниц машинописного текста, 103 рисунка и 6 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 243 наименования.