Úvod do fyziky tenkých vrstev a povrchů. Typy interakcí, základy elektronové difrakce, metody LEED a RHEED

Transkript

1 Úvod do fyziky tenkých vrstev a povrchů Typy interakcí, základy elektronové difrakce, metody LEED a RHEED

2 \ Signál Sonda \ Svazek elektron Elektrony Ionty Elektromagnetické zá ení AES (SAM) TEM, SEM LEED, RHEED Svazek iont INS SIMS/SNMS LEIS/ISS RBS/ERDA Elektromagnetické zá ení Ostrý hrot lokální sonda XPS (ESCA)/UPS ESD EDS, WDS - MALDI LAMMA PSD PIXE/APX NRA/PIGE GDOS Optická mikroskopie FTIR Raman XRD, XRF/TXRF Výchylka hrotu STM SNOM STM AFM Stylus - -

3 Fyzikální procesy p i pr chodu elektron pevnou látkou Pru né interakce vlnové povahy - interference/difrakce částicové povahy - pružný rozptyl Nepružné interakce Emisní jevy: dopředně rozptýlené elektrony emise elektronů emise fotonů

4 Typické parametry Metoda Energie (ev) Úhel dopadu De Broglie vlnová délka (Å) Pozn. LEED ~kolmý 10 0 Informace o krystalograf. RHEED 10 4 paraleln 10-1 struktu e a morfologii s povrchem povrchu SEM Foto povrchu TEM Foto povrchu AES Chemické složení povrchu

5 Historie elektronové difrakce Bragg, Laue... difrakce rtg. záření 1924 Luis de Broglie, vlnový charakter částic λ = 1927 Davisson, Germer, interakce elektronů o nízkých energiích s krystalem niklu 1927 Thompson, Reid, difrakce elektronů o vysokých energiích h p

6 Reciprokou mřížku lze zavést i pro povrch krystalografické roviny (11) a (21) uzlové body reciproké mřížky a g a, b... translační vektory přímé mřížky [ ] [ ] hk = ha + kb [ ] [ ] 2π b n 2π n a =, b = a b n a b n 2π 2π... translační vektory reciproké mřížky a =, b = asinα b sinα n... jednotkový vektor kolmý na rovinu povrchu uzlové body přímé mřížky... vektor reciproké mřížky /kolmý na krystalovou rovinu s Millerovými indexy (hk), velikost mezirovinné vydálenosti 2π dhk = g hk 3D mřížka 2D mřížka soustava bodů v reciprokém prostoru soustava přímek kolmých k rovině krystalu a rozložených v prostoru periodicky s vektory translace a* a b* a b c = 2π c* 0 a. b c c* 0

7 Difrakce elektronových vln na jednorozm rné ad atom Dopadající elektronová vlna rozptýlená vlna = a cosθ vzdálenost mezi atomy Dráhový rozdíl Pružný rozptyl energie elektronů se rozptylem nemění podmínka konstruktivní interference k = k = 2π / λ a cos θ = nλ, n = 0, ± 1, ± 2,... a k cosθ = a k = a k = 2πn n = 0, ± 1, ± a a 2,.... 2πn k a = a vektor difrakce Laueho podmínka

8 Difrakce elektronových vln na dvourozm rné periodické struktu e 2πna ka = a h 2πnb kb = b Laueho podmínky = ' = hk = h + k k k k k g a b vektor difrakce Ewaldova konstrukce Schéma reciproké mřížky tvořené normálami k rovině rovnoběžné s povrchem krystalu. Přímka určující směr dopadu ji protíná v počátku reciproké mřížky. Schéma zařízení pro metodu LEED s vyznačením Ewaldovy konstrukce: 1 zdroj elektronového svazku, 2 vzorek, 3 kolektor, 4 soustava mřížek.

9 Schéma moderní aparatury pro metodu LEED Elektronový svazek ze zdroje 1 (proud ádov jednotky A) dopadá na vzorek 2, dochází k difrakci odrazem a na sférickém kolektoru 3 pozorujeme difrak ní obrazec. Soustava m ížek 4 slouží k odstín ní nepružn odražených elektron a k zesílení difrak ního obrazce. Kolektor je pokryt luminoforem a jeho potenciál je +3 až +5 kv, takže energie dopadajících elektron je dostate ná k vybuzení viditelného zá ení luminoforu v míst dopadu pružn rozptýlených elektron. D ležité je, že elektrony dopadající na vzorek mají energii jednotek až stovek elektronvolt, tj. srovnatelnou s energií elektron ve vn jších slupkách atomového obalu. St ední volná dráha elektron s takovou energií je v pevných látkách 0,5 až 1 nm a proto informace poskytované touto metodou pocházejí pouze z povrchové vrstvy.

10 LEED stanovení struktury povrchu v etn kvantitativních údaj. Schéma difrakčního obrazce sejmutého z kolektoru přístroje pro LEED Interpretace tohoto obrazce se provádí na základ Ewaldovy konstrukce. Z kinematické teorie difrakce vyplývá, že intenzita difrak ních stop je ovlivn na zejména složením báze krystalové m íže a že tvar difrak ních stop intenzitní profil- v sob nese informaci o morfologii objekt na povrchu. Obecn lze íci, že ím menší je objekt na povrchu, tím širší je profil difrak ní stopy. Na základ profilové analýzy difrak ních stop je možno kvantitativn popsat schodovité a terasovité povrchy, ostr vkové struktury, povrchové rekonstrukce apod. Moderní p ístroje LEED proto využívají metody po íta ové analýzy obrazu, které umož ují získat informace nejen o polohách reflexí, ale také o distribuci intenzity uvnit každého maxima, což zvyšuje informa ní obsah metody. Metoda LEED, která je zaváděna do laboratorní praxe od 70. let minulého století, vyžaduje speciální přípravu zkoumaných povrchů v podmínkách vysoké vakuové čistoty a prakticky jednoúčelové experimentálně náročné laboratorní zařízení. Z toho důvodu je používána pouze v laboratorních podmínkách.

11 LEED Informace o symetrii a velikost povrchových mřížek stupních, doménách teplotně závislých jevech rekonstrukci, relaxaci (dynamický LEED) Povrchová citlivost 10 až 50 A, 3 až 10 at. rovin Relativně jednoduchá instrumentálně Relativně rychlá analýza Měření atomárních pozic s vysokou přesností ~0.01 A Elektronově indukované chemické procesy Domény, rekonstrukce, relaxace, stupně, defekty komplikují jednoduché interferenční obrazce Dynamický LEED, kvantifikace náročná

12 RHEED stanovení struktury povrchu, kontrola r stu atomární vrstva po atomární vrstv Abychom dodrželi povrchovou citlivost metody, je t eba volit sm r dopadu rychlých elektron tém rovnob žný s rovinou povrchu. Pak k rozptylu elektron dochází pouze v povrchových oblastech vzorku, bez ohledu na jejich st ední volnou dráhu v materiálu. P i úhlu dopadu 30 mrad a energii 10 kev je efektivní hloubka pr niku elektron 0,5 až 1 nm. Ve srovnání s p edcházející metodou je aparatura pro realizaci metody RHEED jednodušší. Rozdíl mezi energií pružn rozptýlených primárních elektron a elektron rozptýlených nepružn je zna ný a proto není t eba dodate né elektrické filtrace soustavou m ížek. Registrace pružn rozptýlených elektron nevyžaduje jejich dodate né urychlování, protože jejich energie je dostate ná k excitaci luminiscen ního stínítka. Difrak ní obrazec je u moderních p ístroj op t snímán CCD kamerou s možností po íta ové analýzy obrazu a zjiš ování intenzitních profil difrak ních stop. Protože energie elektron je u metody RHEED ádov v tší než u metody LEED, je vlnová délka elektron ádov kratší a polom r Ewaldovy koule je naopak ádov v tší. Difrak ní obrazec proto odpovídá tém rovinnému ezu málo zak iveného povrchu Ewaldovy koule reciprokou m íží. K dosažení úplného popisu 2D periodicity povrchu je nutné vzorkem rotovat okolo jeho povrchové normály. Tato skute nost p edstavuje podstatný nedostatek ve srovnání s metodou LEED. Metoda RHEED se často uplatňuje v praxi. Využívá se její citlivosti na morfologii povrchu k on-line sledování růstu tenkých vrstev a kontrole depozičních procesů. Dobrá dostupnost povrchu k pozorování, vyplývající z podstaty metody, je hlavním důvodem pro její aplikaci při kontrole růstu vrstev metodou MBE (molecular beam epitaxy), při pozorování růstu vrstev, rekonstrukce povrchů apod.

13 Metoda RHEED - obraz sejmutý z kolektoru. Barvy jsou umělé, jsou přiřazeny podle intenzity rozptýlených svazků dopadajících na kolektor

14 Fluktuace intenzit jednoho difrakčního bodu RHEED během MBE depozice. Každý vrchol představuje vytvoření jedné monovrstvy. Pokles intenzity oscilací je způsoben defokusací elektronového svazku s tím jak se povrch s časem posouvá.