Побудова схеми фазових змін системи Bi/Si(111) та дослідження структури фаз з атомною роздільною здатністю. Розроблення нової методики із застосуванням Bi/W вістер в скануючому тунельному мікроскопові для дослідження атомів в кутових ямах реконструкції.
Аннотация к работе
Тому дослідження структури поверхні та процесів формування різних контактів на мікрорівні з метою управління їх властивостями відкривають можливості контрольованого створення мікроелектронних приладів з наперед заданими характеристиками. Водень також є сурфактантом (антисурфактантом) і суттєво змінює характеристики росту плівок різних речовин на поверхні. Метою даної роботи були дослідження адсорбції вісмуту, водню та їх коадсорбції на поверхні кремнію, отримання детальної інформації про процеси взаємодії з підкладкою, місця адсорбції, електронну структуру з атомною роздільною здатністю, вивчення динамічних характеристик утворених структур, основуючись на методиці скануючої тунельної мікроскопії (СТМ). Для досягнення поставленої мети необхідно було виконати такі основні наукові завдання: Дослідити умови утворення, структуру та електронні властивості різних поверхневих фаз Ві на поверхні Si(111)7?7 та побудувати схему фазових змін системи Ві/Si(111)7?7 у широкому діапазоні покриттів та температур прогріву. Встановити переважні місця адсорбції атомарного водню на початкових стадіях його адсорбції на поверхні Si(111)7?7 та впливу прогріву на перерозподіл атомів на поверхні.На поверхні Si(111) детально розглядається реконструкція 7?7, що є найбільш енергетично вигідною перебудовою на цій поверхні. Елементарна комірка 7?7 є порівняно складною і, крім великих латеральних розмірів, має кілька шарів атомів в глибину, що значно утруднює її теоретичне моделювання, та моделювання процесів адсорбції на поверхні Si(111)7?7. Проте можна виділити три типи нееквівалентих атомів кремнію в комірці 7?7, які мають обірваний звязок (адатоми, залишкові атоми та атоми в кутових ямах). Наявність обірваного звязку у певних атомів реконструкції 7?7 визначає їх велику хімічну активність у порівнянні з іншими атомами на поверхні. Проведені дослідження інтерфейсу Bi/Si(111)7?7 в широкому діапазоні покриттів (0,02 - 10 МШ) та температур прогріву (від кімнатної до 1100°С) дозволили побудувати схему фазових змін поверхні Bi/Si(111)7?7 (Рис.2) Виявилося, що при товщині шару Bi в діапазоні 1/50 - 1МШ за кімнатної температури кремнієвої підкладки, Ві адсорбується на поверхню Si(111)7?7 у вигляді острівців висотою 1 МШ на поверхні моношарового покриття Ві починають формуватися тривимірні острівці.З Рис.4 видно, що при кімнатній температурі CH місця мають по відношенню до водню адсорбційну активність (g) вдвічі меншу, ніж A та R місця. Це означає, що CH місця на поверхні Si(111)7?7 не є переважним місцем адсорбції атомарного водню при кімнатній температурі. Одним із ймовірних кінетичних факторів, що може пояснити таку хімічну активність різних місць на поверхні, може бути коефіцієнт прилипання та різниця в зонах захоплення. A та R місцями, що приводить до перерозподілу водню на поверхні із зайняттям ним найбільш енергетично вигідних R місць. Це вказує на те, що CH місця не приймають участь у дифузії водню, іншими словами, водень не переходить з інших атомів ні в кутову яму, ні з неї до інших атомів.Побудовано схему фазових змін на поверхні Bi/Si(111)7?7 в широкому діапазоні покриттів QBI та температур прогріву. Механізм росту плівки Ві змінюється від механізму Странського-Крастанова на чистій поверхні змінюється до механізму Вольмера - Вебера на гідрогенізованій, що супроводжується формуванням вже при моношарових покриттях досить помітної, характерної для обємного Ві, густини електронних станів біля EF. Структура інтерфейсу та його електронні властивості при QBI ? 1 МШ не залежать від послідовності коадсорбції водню та Ві на поверхні Si(111)7?7. Показано, що такі вістря дають можливість візуалізувати атоми Si в кутових ямах поверхні Si(111)7?7 та досліджувати адсорбцію в ці ями атомів водню. Знайдено, що вісмут при кімнатній температурі адсорбується на поверхні Si(100)2?1 у вигляді димерів двох типів (в А-та Б-позиціях), а при наявності великої кількості дефектів і в інших позиціях (В та Г).
План
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Вывод
1. Побудовано схему фазових змін на поверхні Bi/Si(111)7?7 в широкому діапазоні покриттів QBI та температур прогріву. Кожна з фаз вивчена на атомному рівні. При утворенні фази вбудованого вісмуту, атоми Ві вбудовуються переважно на дефектній половині елементарної комірки 7?7 на місцях центральних адатомів. Поодинці вбудовані атоми Ві мають як вільні, так і зайняті електронні стани на ~0,8 ЕВ віддалені від EF, а поблизу EF їх ГЕС значно менша, ніж над адатомами Si. Густини вільних та зайнятих електронних станів Ві суттєво не залежать від місця вбудовування атома. Виявлено вплив вбудованих атомів вісмуту на густину електронних станів сусідніх атомів кремнію. Цей вплив пояснюється перерозподілом заряду на поверхні Si(111)7?7 .
2. Гідрогенізація поверхні Si(111)7?7 протидіє утворенню суцільної плівки Ві. Механізм росту плівки Ві змінюється від механізму Странського -Крастанова на чистій поверхні змінюється до механізму Вольмера - Вебера на гідрогенізованій, що супроводжується формуванням вже при моношарових покриттях досить помітної, характерної для обємного Ві, густини електронних станів біля EF. Розміри острівців Ві залежать від ступеню гідрогенізації поверхні кремнію. Структура інтерфейсу та його електронні властивості при QBI ? 1 МШ не залежать від послідовності коадсорбції водню та Ві на поверхні Si(111)7?7. Суттєві відмінності структури інтерфейсу від послідовності коадсорбції спостерігаються при QBI > 3 МШ. У випадку адсорбції Ві на попередньо експоновану поверхню у водні спостерігається утворення плівки острівцевого типу. При дії ж водню на попередньо сформований інтерфейс Bi/Si(111)7?7 при QBI » 3 - 6 МШ структура плівки залишається лабіринтно-подібною, а при QBI > 8 - 10 МШ, коли плівка вісмуту суцільна, експозиція (принаймні до ~ 1600 L H2) на структуру плівки не впливає. Виявилося, що структуру інтерфейсу можна модифікувати на нанометровому масштабі вістрям СТМ.
3. Створено та використано для досліджень методику Bi/W вістер в СТМ. Показано, що такі вістря дають можливість візуалізувати атоми Si в кутових ямах поверхні Si(111)7?7 та досліджувати адсорбцію в ці ями атомів водню. Виявилося, що при кімнатній температурі хімічна активність атомів в кутових ямах поверхні Si(111)7?7 по відношенню до атомарного водню в ~2 рази менша за хімічну активність адатомів та залишкових атомів. Кількість адсорбованого водню в CH місцях при прогріві до ~400°C не змінюється завдяки високому активаційному барєру дифузії водню (?2,4 ЕВ), що оточує кутову яму. Температура десорбції водню з усіх місць (A,R,CH) становить ~500°С. Адсорбція водню в кутових ямах приводить до збільшення густини зайнятих станів адатомів на недефектних половинах комірки Si(111)7?7, що узгоджується з передбаченнями теорії. Цю зміну густини зайнятих станів можна спостерігати на СТМ-зображеннях, отриманих як з Bi/W, так і звичайними вістрями. Тому вона може слугувати індикатором адсорбції в кутову яму.
4. Запропоновано методику “розрізів” для розширення часового діапазону динамічних явищ, що досліджуються за допомогою СТМ. Знайдено, що вісмут при кімнатній температурі адсорбується на поверхні Si(100)2?1 у вигляді димерів двох типів (в А- та Б-позиціях), а при наявності великої кількості дефектів і в інших позиціях (В та Г). Вивчено дифузію А- та Б-димерів, а також їх взаємне перетворення при кімнатній температурі. Зроблено оцінки енергій активацій для А-А (0,82 ЕВ), Б-Б (1,05 ЕВ), А-Б (0,87 ЕВ) та Б-А (1,04 ЕВ) процесів. Встановлено збільшення енергії звязку А-димера (на ~0.1 ЕВ) у випадку наявності А- чи Б-димера в сусідньому ряді. Знайдено, що сусідні Б-димери в одному ряду можуть рухатися узгоджено.
5. Виявлено існування нового (антифазного) типу нанониток Ві на поверхні Si(100)2?1. Встановлено, що першим етапом деградації нанонитки є утворення дефектів заміщення вісмутових димерів в нанонитці на кремнієві димери. Виявилося, що антифазна нитка є стабільнішою за синфазну.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА
1. Булавенко С.Ю., Зосим М.Л., Лисенко В.М., Мельник П.В., Находкін М.Г. Дослідження взаємодії субмоноатомних шарів Ві з поверхнею Si(111)7?7 методом Скануючої Тунельної Мікроскопії // Вісник Київського Університету. - 1997. - №3. - C.265-280.
2. Булавенко С.Ю., Зосім М.Л., Мельник П.В., Находкін М.Г. Дослідження інтерфейсу Bi/Si(111)7?7 методами скануючої тунельної мікроскопії та спектроскопії // Вісник Київського Університету. - 1998. - №2. - С.279-302.
3. Булавенко С.Ю., Зосім М.Л., Мельник П.В., Находкін М.Г. СТМ-зображення залишкових атомів на поверхні Si(111)7?7 та можливість дослідження атомів на дні кутових ям // Укр.фіз.журн. - 1998. - Т.43, №11. - C.1465-1468.
4. Булавенко С.Ю., Мусатенко Ю.С., Курашов В.Н., Находкін М.Г. Методика кількісної обробки СТМ-зображень частково-упорядкованих систем // Вісник Київського Університету. - 1998. - №4. - C.243-248.
5. Булавенко С.Ю., Мельник П.В., Находкін М.Г., Федорченко М.І. Коадсорбція вісмуту та водню на поверхні Si(111)7?7 // Вісник Київського Університету. - 1999. - №2. - С.363-372.
6. Булавенко С.Ю., Зосим М.Л., Мельник П.В., Находкін М.Г. Скануюча тунельна мікроскопія інтерфейсу Ві/Si(111)7x7 // Вопросы атомной науки и техники. - 1998 - Вып. 6(7),7(8). - C.258-260.
7. Bulavenko S.Yu., Fedorchenko M.I., Melnik P.V., Nakhodkin M.G. Coadsorption of hydrogen and bismuth on the Si(111)7?7 // Surf. Sci. - 2000. - Vol.454-456. - P.213-217.
8. Bulavenko S.Yu., Melnik P.V., Nakhodkin M.G. STM-images of the atoms in the corner holes on the Si(111)7?7 surface with bismuth-covered tips // Surf. Sci. - 2000. - Vol.469. - P.127-132.
9. Bulavenko S.Yu., Koval I.F., Melnik P.V., Nakhodkin N.G. and Zandvliet H.J.W. STM investigation of the initial adsorption stage of Bi on Si(100)2?1 and Ge(100)2?1 surfaces // Surf. Sci. - 2001. - Vol.482. - P.370-375.
10. Булавенко С.Ю., Коваль И.Ф., Мельник П.В., Находкин Н.Г. Исследования динамических характеристик взаимодействия Bi с поверхностью Si(100)2?1 с помощью СТМ // Известия РАН: физическая серия. - 2002. - Т.66, №1. - С.103-105.
11. Мюллер Э.В., Цонь Т.Ц. Автоионная микроскопия (принципы и применения). - М.: Металлургия, 1972, - 360 с.
12. Swartzentruber B.S. Direct Measurent of Surface Diffusion Using Atom-Tracking Scanning Tunneling Microscopy // Phys. Rev. Lett. - 1996. - Vol.76. - P.459-462.
13. Bowler D. Structure of atomically perfect lines of bismuth in the Si(001) surface // Phys. Rev. B. - 2000. - Vol.62. - P.7237-7242.
14. Lim H., Cho K., Park I., and Joannopoulos J.D., Kaxiras E. Ab initio study of hydrogen adsorption on the Si(111)-(7?7) surface // Phys. Rev. B. - 1995. - Vol.52. - P.17231-17237.
15. Cho K., Kaxiras E., Joannopoulos J.D. Theory of Adsorption and Desorption of H2 Molecules on the Si(111)-(7?7) surface // Phys. Rev. Lett. - 1997. - Vol.79. - P.5078-5081.
16. Oura K., Lifshits V.G., Saranin A.A., Zotov A.V., Katayama M. Hydrogen interaction with clean and modified silicon surfaces // Surf. Sci. Rep. - 1999. - Vol.35. - P.1-69.
17. Vittadini A., Selloni A. H2 adsorption/desorption at Si(111)-(7?7): a density functional study // Surf. Sci. - 1997. - Vol.383. - P.L779-L784.
18. Reider G., Hofer U., and Heinz T.F. Surface Diffusion of Hydrogen on Si(111)7?7 // Phys. Rev. Lett. - 1991. - Vol.66. - P.1994-1997.