Badania powierzchni kryształów i struktur epitaksjalnychstach/wyklad_ptwk_2011/cgm_w22.pdf ·...
Transcript of Badania powierzchni kryształów i struktur epitaksjalnychstach/wyklad_ptwk_2011/cgm_w22.pdf ·...
Badania powierzchni
kryształów i struktur
epitaksjalnych Bogdan J. Kowalski
IF PAN
Co to jest powierzchnia?
Co to jest powierzchnia?
GaAs (110)0 0.4 0.8 µm
0
4
8
Ao GaN (0001)
Przykład: powierzchnia GaAs (110)
ww
w.fhi-berlin.m
pg.deidealna zrekonstruowana
Jak opisać powierzchnie: sieci Bravais
5 dwuwymiarowych sieci Bravais(14 sieci Bravais w 3D)
K.Oura et al. Surface Science. An Introduction
Jak opisać powierzchnie: wskaźniki Millera
K.Oura et al. Surface Science. An Introduction
1, 2, 3
1, 1/2, 1/3
(6, 3, 2) - 1 płaszczyzna{6, 3, 2} - zbiór równoważnych
płaszczyzn
Struktura atomowa powierzchni - przykłady
Kryształ kubiczny powierzchniowo centrowany
Kryształ kubiczny objętościowo centrowany
K.Oura et al. Surface Science. An Introduction
K.Oura et al. Surface Science. An Introduction
Struktura atomowa powierzchni - opisNotacja macierzowa
Notacja Wooda
bGaGas 1211 +=
bGaGbs 2221 +=
=
2221
1211
GGGG
G
K.Oura et al. Surface Science. An Introduction
Przykłady:
amas =bnbs = ( ) BiRSi 33033111 −°−×
( ) °−× ϕRnmhklX
Przykład: powierzchnia Si (111)
Si(111)- (1x1)
idealne przecięcie sieci
dangling bonds
Si(111)- (2x1)
kryształprzełupany
wzdłużpłaszczyzny (111)
Si(111)- (7x7)
powstaje z 2x1 po wygrzaniu do 4500C
dimer-adatom-stacking fault(DAS) model
K.O
ura
et a
l. Su
rfac
eSc
ienc
e. A
nIn
trodu
ctio
n
Niezrelaksowany GaAs(110)
POWIERZCHNIA
OBJĘTOŚĆ
Struktura elektronowa powierzchni
NIEZRELAKSOWANE
ZRELAKSOWANE
E.J. Mele…, Phys. Rev. B. 17, 1816 (1978)
Struktura elektronowa powierzchni (cd)Strefy Brillouna
Przestrzeńrzeczywista
Przestrzeń odwrotna(wektora k)
Objętościowa strefa Brillouina
Powierzchniowa strefa Brillouina
X
MΓ--
-(100)
A. Zunger, Phys. Rev. B 22, 959 (1980)
Relaxed GaAs(110)Theory GaAs(110)
Experiment
Struktura elektronowa powierzchni (cd)
Co chcemy wiedzieć o powierzchni?
• Morfologię
• Skład chemiczny (czystość, obecność domieszek, rozkład powierzchniowy i głębokościowy…)
• Strukturę atomową
• Strukturę elektronową
• Własności elektryczne
• Własności optyczne
Uwaga! Powierzchnia łatwo się zmienia!
Ciśnienie (hPa)
Średnia droga swobodna
Szybkośćosiadania(cm-2s-1)
Czas powstania 1 ML
1000 700 Ǻ 3x1023 3 ns
10-3 5 cm 4x1017 2 ms
10-9 50 km 4x1011 1 hour
1 ML – 1015 cm-2, współczynnik przylegania = 1
Próżnia rzędu 10-10 hPa jest niezbędna przy badaniach właściwości czystej powierzchni!
K.O
ura
et a
l. Su
rfac
eSc
ienc
e. A
nIn
trodu
ctio
n
Jak wyseparować sygnał pochodzący z powierzchni?
0.5-5 nm
fotony elektrony
100-500 nm
fotonyfotony
100-500 nm100-500 nm
Dobrać odpowiednią„sondę”
lub
Znaleźćcharakterystyczną
własność powierzchni
Co może służyć jako „sonda” w badaniach powierzchni?
• Elektrony
W. Mönch „Semiconductor surfaces andinterfaces” 1993
Mała głębokośćpenetracji/ucieczki
Dostępne techniki:
•Mikroskopia
•Dyfrakcja (LEED, RHEED)
•Spektroskopia (fotoemisja, spektroskopia elektronów Auger’a)
Co może służyć jako „sonda” w badaniach powierzchni (cd)?
• Jony
• Fotony
• Rozpraszanie (n.p. RBS)Wzmocniona czułość powierzchniowa przy dobranych kierunkach krystalograficznych (kanałowanie)
• Rozpylanie powierzchni (SIMS)
• Różnicowa spektroskopia powierzchniowa
• Dyfrakcja promieniowania XWzmocniona czułość powierzchniowa przy ostrych kątach padania
Mikroskopie
Skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM)
• Próbki nieprzezroczyste• R ≈ 1 nm• Uacc≤ 30 kV
Elektronypierwotne
Katodoluminescencja (CL)
Elektrony wstecznierozproszone (BSE)
Elektronywtórne (SE)
Promieniowanie rtg
Elektronyaugerowskie
P. przewodnictwa
P. walencyjne
CL
BSE
SE
RTG
Detekcja elektronów w SEM
STEM DF
SE (L)
SE (U)
+ BSE
BSE
Próbka
Obiektyw
STEM BFEnergia
BSESE
50 eV
ZnO
Druty ZnTe
Wyspy Au na C
Skaningowa mikroskopia tunelowa (STM)
K.Oura et al. Surface Science. An Introduction
Ostrze
Próbka
90% prądu
Skaningowa mikroskopia tunelowa (STM) (cd)
Si(111)- (7x7)
0 0.4 0.8 µm
0
4
8
Ao GaN (0001)
GaN(0001)- (1x1)
Mikroskopia sił atomowych (AFM)
Kropki MnAs na GaN(0001) sjhsrc.wikispaces.com
Próbka
Piezo-skaner
Dioda laserowa
Detektor siła
odległość
odpychanie
przyciąganie
tryb kontaktowy
tryb przerywany
tryb bezkontaktowy
Spektroskopie
K
Energia elektronuaugerowskiego:
EA=(EK-EL1)-EL2,3
M
L2,3
L1
EF
V.L.
Elektronpierwotny E0
fluorescencjarentgenowska
Spektroskopia elektronów Auger’a(spektroskopia augerowska)
hνe-
Próbka
Detektorelektronów
Analizator energii
e- V
źródło elektronów
elektroda zewnętrzna
kolektorelektronów
elektroda wewnętrzna
Uz+U0sin(ωt)
prób
kaUω
Upow
Uz
powielaczelektronowy
woltomierzfazoczułyUref
komputer
Spektrometr augerowski z cylindrycznym analizatorem zwierciadlanym
Energia elektronów pierwotnych: do 3kV
Rozdzielczość: ΔE/E < 0.7%
Dwa mody rejestracji widm augerowskich
całkowy
różniczkowy
200 400 600 800 1000 1200
-0.002
0.000
0.002
C
O
S
Cl
Zn
{
dN(E
)/dE
(arb
.u.)
Kinetic Energy (eV)
{
Zn
Widmo augerowskie warstwy ZnOwyhodowanej metodą ALE
LMM
MNN
LMM
LMM
KLL
KLL
Spektroskopia augerowska:1. Analiza składu powierzchni próbki - detekcja wszystkich
pierwiastków z wyjątkiem wodoru i helu
2. Prosta interpretacja widm – duża baza widm wzorcowych
3. Możliwa analiza ilościowa – szczególnie przez porównanie z wzorcami
4. Możliwość analizy rozkładu w dwóch lub trzech wymiarach
5. Zależność widm od wiązańchemicznych (w szczególnych przypadkach)
Detektorelektronów
Próbka
Spektroskopia fotoemisyjna
N vsEnergia,
kąt...
Analizatorenergii
Spektroskopia fotoemisyjnaD
OS
Pozi
om
rdze
niow
yPasmo
walencyjne
Pozi
ompr
óżni
hν
Energia
En. wiązania
En. kinetyczna
EFNat
ężen
ie
El. wtórnehν
e-
Próbka
Detektor elektronów
Analizator energii
Fotoemisja wymaga ultra wysokiej próżni!
atom.ik-pan.krakow.pl
q Łupanie
q Czyszczenie in situ:
- trawienie jonowe
- wygrzewanie
Przygotowanie powierzchni
q Epitaksja in situ ww
w.em
s.psu.eduww
w.exphys.uni-linz.ac.at
ww
w.m
shel
.com
Rentgenowska spektroskopia fotoemisyjna (XPS)lub Spektroskopia elektronowa do analizy chemicznej
(ESCA) XPS: hν>1000 eV; hν = 1000 eV → k = 0.506 Å-1
Źródło laboratoryjne: Al Kα1,2 - 1486.6 eV
1200 1000 800 600 400 200 00
1x104
2x104
3x104
hν=1486.6 eV
Cd MNN
Te MNN Te 3p Cd 3p
Te 3d
Cd 3d
O 1s C 1s
Te 4dCd 4d
CdTe (110)
clean
oxidized in air
x2
Inte
nsity
(Cou
nts)
Binding Energy (eV)
B.J. Kowalski, B.A. Orlowski, J. Ghijsen, Appl. Surf. Sci. 166, 237 (2000)
420 415 410 405 4000.0
4.0x104
8.0x104
1.2x105
3.2 x 105 L O2*
1.4 x 105 L O2*
4.6 x 104 L O2*
clean
CdTe(111)A; Θ=0o
Cd 3d
Inte
nsity
(cou
nts)
Binding Energy (eV)
CdTe(111)A - utlenianie
595 590 585 580 575 570 5650
4
8
12
579 576588 585
0.46
1.4
3.2x105LO2*
clean
Te 3dCdTe(111)A; Θ=0o
Inte
nsity
(arb
. uni
ts)
Binding Energy (eV)
B. E. (eV)
B. E. (eV)
B.J. Kowalski, B.A. Orlowski, J. Ghijsen, Appl. Surf. Sci. 166, 237 (2000)
[111
]
Emisja normalna
Emisja kątowa
Emisja pod kątem
-wzmocniona czułośćpowierzchniowa
600 580 420 4000.0
4.0
8.0
600 580 420 4000.0
4.0
8.0
Θ=0o
Cd 3d
Te 3d
Inte
nsity
(arb
. uni
ts)
Binding Energy (eV)
Inte
nsity
(arb
. uni
ts)
Θ=45o
Te 3d
Cd 3d
Binding Energy (eV)
CdTe(111)A
Emisja normalna
Emisja kątowa
B.J. Kowalski, B.A. Orlowski, J. Ghijsen,
Appl. Surf. Sci. 166, 237 (2000)
Kątoworozdzielcza spektroskopia fotoemisyjna
Kryształ Próżnia
Przykład:
Str. wurcytuStrefa Brillouina
emis
ja
norm
alna emisja
kątowa
Fotoemisja ze stanów powierzchniowych i objętościowych
hν
e-
Próbka
Detektor elektronów
Analizator energii
θ
0.0 0.2 0.4 0.6
10
8
6
4
2
g
H
EΓ3
A1,3
A5,6Γ5
Γ1,6
d
a
B
A
AΓ
Ener
gy (e
V)
k (A-1)
GaN (0001)-(1x1) – Γ-A
Eksp.: B.J. Kowalski et al. Surf. Sci. 548 (2004)Teoria: T. Strasser et al. PRB 60 (1999)
0.0 0.2 0.4 0.6
10
8
6
4
2
g
H
EΓ3
A1,3
A5,6Γ5
Γ1,6
d
a
B
A
AΓ
Ener
gy (e
V)
k (A-1)
GaN (0001)-(1x1) – Γ-K-MGaN(0001):Ga
GaN(0001)
Theory: T. Strasser et al. Phys. Rev. B 60 11 577 (1999) F.H.Wang et al.Phys. Rev. B 64, 035305 (2001)
Exp: B.J. Kowalski et al. Surf. Sci. 548, 220 (2004)
b
c
H
g
d
m
Metody dyfrakcyjne
Dyfrakcja niskoenergetycznych elektronów (LEED)
K.Oura et al. Surface Science. An Introduction
GaN(0001) (1x1)
Dyfrakcja niskoenergetycznych elektronów (LEED) (cd)
Dyfrakcja odbiciowa wysokoenergetycznych elektronów (RHEED)
K.Oura et al. Surface Science. An Introduction
Struktura 2Dprążki w obrazie
Struktura 3Dpunkty w obrazie
Metody z wykorzystaniem
jonów
Rutherfordowskie wsteczne rozpraszanie (RBS)
detektorn.p. 4He2 MeV
K.Oura et al. Surface Science. An Introduction
Spektroskopia masowa jonów wtórnych (SIMS)
www.ainse.edu.au
www.azom.com
n.p. Cs+ lub Ar+
1-30 keV
Metody optyczne
Różnicowa spektroskopia odbiciowa (SDR)
ΔR/R = (Rclean-Rox)/Rox
ΔR/R ≈10-2-10-3
ΔR/R ≈ 8πd(ε’B - 1)ε’’
S/((1-ε’B)2 + (ε’’
B)2)
H2O2
Stany powierzchniowe
I0 I0RClean
Powierzchnia utleniona
I0 I0ROX
I
I0
R=I/I0
prób
ka
refe
renc
yjna
próbka
lampapłytka dzieląca
UHV
soczewka
Optyczny analizator wielokanałowy
przesłona
kontroler przesłon
komputer
SDR układ eksperymentalny
n.p. H2+
B.J. Kowalski, E. Guziewicz, B.A. Orlowski, A. Cricenti, Appl. Surf. Sci. 142, 33 (1999)
2.0 2.5 3.0 3.5 4.00.00
0.030.00
0.030.00
0.030.00
0.03
8x105 L O2*
Photon Energy (eV)
6x105 L O2*∆R
/R
1.6x105 L O2*
4x104 L O2*
0.00
0.01
0.0 4.0x105 8.0x1050.00
0.01
0.00
0.01
0.00
0.01
Emax=3.9 eV
Emax=2.2 eV
x2
O2Exposure (L)
Emax=2.8 eV
Peak
Are
a (a
rb. u
nits
)
Emax=3.5 eV
CdTe(110) – SDR
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
3.9 eV 3.9 eV2.8 eV
U 3U2
U 1
S1S2
S'S3
S4 S5
X'X Γ
Ene
rgy
(eV
)
Przejścia optyczne pomiędzy stanami powierzchniowymi na CdTe(110)
B.J. Kowalski, A. Cricenti, B.A. Orlowski, Surf. Sci. 338, 183 (1995)
SDR ze światłem spolaryzowanym
CdTe(110)
2.0 2.5 3.0 3.5 4.00.00
0.01
0.02
0.03
0.04 E||[001]
E||[110]
∆(E||[001]-E||[110])
CdTe (110)
x5
∆R/R
Photon Energy (eV)
[001]
[110
]
B.J. Kowalski, A. Cricenti, B.A. Orlowski, Surf. Sci. 338, 183 (1995)
•Liniowa odpowiedź optyczna kryształów kubicznych (przy padaniu normalnym) jest izotropowa
•Anizotropowy sygnał pochodzi z powierzchni
Spektroskopia anizotropii odbicia (RAS) –optyczna sonda epitaksji
P. Weightman et al., Rep. Prog. Phys. 68 (2005)
Reaktor MOCVD z układem RAS
Institute of Semiconductor and Solid StatePhysics, University of Linz, Austria
Komora MBE z układem RAS
Podsumowanie
Różne własności powierzchni możemy badać przy pomocy:
Mikroskopii elektronowej (SEM)
Mikroskopii tunelowej (STM, AFM)
Spektroskopii elektronowych (fotoemisyjnej, augerowskiej)
Dyfrakcji elektronów (LEED, RHEED)
Technik jonowych (RBS, SIMS)
Powierzchniowoczułych technik optycznych (SDR, RAS)
ale nie wyłącznie…
Przykładowa literatura:
K. Oura, V.G. Lifshits, A.A. Saranin, A.V. Zotov, M. KatayamaSurface Science. An IntroductionSpringer 2003
D.P. Woodruff, T.A. DelcharModern Techniques of Surface ScienceCambridge University Press 1988
H. LuthSurfaces and Interfaces of Solid MaterialsSpringer 1995
A. OleśMetody doświadczalne fizyki ciała stałegoWN-T 1998
..