Способ исследования поверхности монокристаллов

 

Изобретение относится к физическим методам исследования поверхности твердого тела, в частности методам обратного рассеяния ионов, и может использоваться для изучения адсорбционных явлений. Цель изобретения - повышение информативности. Способ позволяет определить полное число адсорбционных состояний атомов и определить высоту расположения адсорбированного атома над поверхностью в ка;етом адсорбционном состояния. Бомбардируя поверхность ионами щелочных металлов или инертных газов сэнергиями 1-50 кэВ, измеряют спектры двукратнбго рассеяния ионов, испытавших первое столкновение на поверхностном, второе - на адсорбированном атоме, по угловому положению двух наиболее интенсивных пиков, соответствующих данному адсорбционному состоянию,определяют абсциссу и ординату адсорбированного атома относительно цепочки монокристалла с использованием аналитических выражений. Соотношение масс атома мишени М, бомбардирующего иона тт., и адсорбированного атома т, должно удовлетворять условию ,in,2. Полное число п адсорбционных состояний находят по полному числу N пиков двукратного рассеяния указанного выше типа по формуле п N/K, где К 4 в случае ионов тделочных металлов, К 2 в случае ионов инертных газов, 4 ил. с 00

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (Я) 4 G О1 N 23/203

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4166258/31-25 (22) 23.12.86 (46) 15.10.88. Бюл, N 38 (71) Институт электроники им* У.А.Арифова (72) С.Л.,Нижная и В Х.ферлегер (53) 543.51 (088,8) (56) Васильев В,К. Методы и аппаратура микроанализа, Обзорная информация, ЦНИИПИ, М., 1978, с, 20-34, 1.Е, van Лег Veen, ion оеат. crystallography оf sar <.асes and in erfaces. Surf, Sci. Reports В, 1985, 199. (54) СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ

МОНОКРИСТАПЛОВ (57) Изобретение относится к физическим методам исследования поверхности твердого тела, в частности методам обратного рассеяния ионов, и может использоваться для изучения адсорбционных явлений. Цель изобретения— повышение информативности. Способ позволяет определить полное число ад— сорбционных состояний атомов и определить высоту расположения адсорбированного атома над поверхностью в каждом адсорбционпом состо RHIIn Бомбардируя поверхность ионами щелочных металлов или инер-ных газов с. энер— гиями 1-50 кэВ, измеряют спектры дгукратного рассеяния ионов, испытавших первое столкновение на поверхностном, второе — на адсорбированном атоме, по угловому положению двух наиболее интенсивных пиков, соответствующих данному адсорбционному состоянию,определяют абсциссу и ординату адсорбированного атома относительно цепочки монокристалла с использованием аналитических выражений. Соотношение ф масс атома мишени М, бомбардирующего иона ш, и адсорбированного атома m, должно удовлетворять условию М ш, ш

Полное число и адсорбционных состояний находят по полному числу N пиков двукратного рассеяния указанного выше типа по формуле n = N/K, где К = 4 в случае ионов щелочных металлов, К = 2 в случае ионов инертных газов. 4 ил.

1430842

Изобретение относится к физическим методам исследования поверхности твердого тела, в частности методам обратного рассеяния ионов и может

5 использоваться для изучения адсорбционных явлений.

Цель изобретения — повышение ин" формативности.

На фиг.1 показана схема устройст- 1п ва для осуществления способа; на фиг. 2 и 3 — гсометрия процесса двукратного рассеяния на поверхности монокристалла; фиг. 4 — экспериментально полученный спектр рассеяния ионов Ar

Способ осуществляют следующим образом.

Исследуемый образец 1 подвергают бомбардировке пучком 2 ионов, энергию которых выбирают в диапазоне 1

50 кэВ. Пучок 2 направляют перпендикулярно к поверхности образца 1. Масcy m ионов выбирают с учетом мас1 сы М атомов мишени и массы m адсор- 25 бированных атомов таким образом, чтобы выполнялось условие Ny m< o m

Путем вращения энергоанализатора 3 с детектором 4 снимают энергетический спектр и находят направления, в которых наблюдаются пики двукратного рассеяния. В качестве ионов используют ионы инертного газа или ионы щелочных металлов, На фоне многократного рассеяния в энергетическом спектре, в общем случае, могут наблюдаться следующие пики: пики одно- и двукратного рассеяния î- атомов 5 матрицы, пик однократного рассеяния от адсорбированного атома 6, пики, двукратного рассеяния от адсорбированных атомов

6 и пики двукратного рассеяния, когда первое рассеяние происходит на атоме 5 матрицы, а второе — на адсорбированном атоме 6. Обнаружено, что при соотношении масс М» m, : m и нормальном падении пучка 2 ионов на поверхность образца l пики одно- и двукратного обратного рассеяния от адсорбированных атомов не наблюдаются, что можно объяснить:существованием предельного, наибольшего из возможных углов рассеяния 0 = arcsirI(mz/ш, ).

Обнаружено также, что пики одно- и

55 двукратного рассеяния от атомов 5 матрицы, расположенные в высокоэнергетической части спектра, удалены по энергии на несколько сотен эВ от

1 — +(+g. +p

2 Р Ф

1 =

1I

+ (.1 + 0L + 8 Г1 пр

arctic у х где (1, Г

are sin — — — — —-+У

1 2

arctp -- — — — —;

x+d пиков двукратного рассеяния со вторым рассеянием на адсорбированном атоме 6, Следовательно, можно легко выделить эти пики, настроив энергоанализатор 3 на соответствующую данным пикам область энергий. Существенно, что при М> ш, > mz интенсивность этих пиков оказалась велика только в определенных направлениях, а именно тех, где угол рассеяния на адсорбированном атоме 6 близок к предельному, Общее количество наблюдаемых в угловом распределении интенсивных пиков двукратного рассеяния зависит от потенциала ионизации Io бомбардируюших частиц. Ксли в качестве бомбардирующих частиц используются ионы щелочного металла (Х, мало), которые отражаются преимущественно в виде ионов при всех углах рассеяния, то в угловом распределении наблюдаются четыре пика для каждого адсорбционного сбстояния.

Два наиболее интенсивных пика наблюдаются при углах рассеяния Р, и Pz (фиг. 2 и 3), а два менее интенсивных пика получаются за счет многократного рассеяния, Если в качестве бомбардирующих частиц использовать ионы инертных газов (Т велико), которые сильно нейтрализуются на отлете и отражаются в виде ионов с отличной от нуля вероятностью только при больших углах рассеяния, то в угловом распределении останется всего два пика при углах Р и Pz

Определив из эксперимента значения углов Р, и Р, можно найти х и у — координаты адсорбированного атома для каждого адсорбционного состояния.

Из Фиг. 2 и 3 ясно, что полярные углы рассеяния 3,и Р можно представить в виде

1430842 (2) агсз п (3) РСОЯ (p) — ()pp ) — Рсоз (— Hpp) + icos (gi — gap ) сов (pz — np)

У =

Формулы (3) позволяют по измеренным значениям углов р и (3< и известным величинам й, 9„ = a1"csi (15

/ P(A„) = 1,73(Z, + Z )

1 Ц

m,- где Е, и Z — порядковые номера падающего иона и адсорбированного атома 2р соответственно; энергия Е, — в электронвольтах; Р— в янгстремях, найти искомые координаты х и у.

Выбор средних энергий ионов (Š— 1 — 50 кэВ) определяется тем, что 25 при малых энергиях (Е а 1 кэВ) резтко падает интенсивность пиков двукратного рассеяния с первым рассеянием на атоме матрицы и вторым — на адсорбированном атоме, а при высоких энергиях ионов щелочных металлов и инертных газов происходит интенсивное разрушение исследуемых адсорбционных состояний за счет явления ионного перемешивания, Известно, что число возможных адсорбционных состояний данного атома на данной поверхности определяется рядом факторов. степенью покрытия поверхности адсорбированными атома- 4р ми, ее температурой, реальной структурой и т.д. При постоянной температуре Т и степени покрытия Х, как правило, реализуется одно либо два из возможных состояний адсорбции, Способ позволяет определить не только координаты атома, адсорбированного на поверхности монокристалла, но и число адсорбированных состояний при 1(= const и Т = const

Для этого снимают энергетический спектр, выделяют в нем область двукратного рассеяния указанного выше пика и определяют полное число пиков в данной области спектра, При этом одному ядсорбционному состоянию соответствуют 4 пика в спектре ионов щелочного металла и 2 пика в спектре ионов инертного газа, я двум адсорб-.

Подставляя (?) в (1),получим систему из двух уравнений с двумя неизвестными х и у, решение. которой (ш /m, ), Р = Р(9„ ) — соответствующий 8, параметр столкновения иона с адсорбированным атомом, ционным состояниям — 8 пиков в спектре ионов щелочного металла и

4 пика в спектре ионов инертного газа, В общем случае число п,ядсорбционных состояний и = И/К, где N— наблюдаемое число пиков двукратного рассеяния, K = 4 для ионов щелочного металла и К = 2 для ионов инертного газа, Выделив группу пиков, соответствующих данному адсорбционному состоянию, по формулам (3) можно найти расположение атома на поверхности в этих состояниях. Более высоко расположенным атомам соответствуют и большие значения углов Р, и

Изменяя условия на поверхности, т.е. величины X и Т, можно наблюдать появление новых адсорбционных состояний и исследовать закономерности перехода атомов из одних адсорбционных состояний в другие.

Пример. Проводилось определение пространственной локализации атомов кислорода ня поверхности монокристалля Ац (100) относительно црпочки атомов 1100 ), Монокристалл был помещен в вакуумную камеру (остаточо ное давление q = 10 Па, степень покрытия поверхности кислородом Х = 0,3, температура поверхности Т = 293 К, плотность тока падающих ионов

10 А/см ), Поверхность бомбардировали пучком ионов Ar, падающих

1 по направлению нормали к поверхности с энергией F. = 30 кэВ, При этом необходимое соотношение масс

И(Ац)> ш,(Аг) > m„(0) выполняется, Измеряли энергетические спектры

+ обратного рассеяния ионов Ar, в которых четко выделялись пики I1 дву5 143 кратного рассеяния (фиг ° 4) на фоне пиков Т. однократного рассеяния ф

Ar — Аи. Анализатор настраивали на область энергий F. (. 10 кэВ. Вращением анализатора относительно пучка были найдены углы pi = 144,5

Π— )24,9, при которых наблюда+ лись пики двукратного рассеяния Аг сначала на атоме Аи, а затем на атоме кислорода. По данным значениям и Р по формулам (3) при п

= arcsin(m /ш, ) = 23,5 ; .P

0,052 3i были найдены координаты адсорбированного атома.

Оказалось, что в данных условиях на поверхности (100) существует только одно адсорбционное состояние, в котором атом кислорода расположен посередине между атомами Аи в цепочке ()00(на высоте у = ),2 10 см от поверхности.

Ф о р м у л а изобретения

Способ исследования поверхности монокристаллов, заключающийся в облучении исследуемой поверхности нормально падающим на нее пучком ионов, регистрации и измерении энергетических и угловых распределений рассеянных ионов, по которым судят о пространственном распределении адсорбиро0842 6 ванных на исследуемой поверхности атомов, отличающийся тем, что, с целью повышения информативнос5 ти, исследуемую поверхность облучают пучком ионов щелочного металла или инертного газа с энергией 1-50 кэВ, масса которого удовлетворяет соотношению M) m ) m, где )1 — масса атома монокристалла, mi — масса облучающего иона, m< — масса адсорбированного атома, в зарегистрированных энергетических спектрах выделяют пики двукратного рассеяния ионов,испытавших первое рассеяние на поверхностном атоме монокристалла, а второе рассеяние — на адсорбированном атоме, в зарегистрированных угловых распределениях рассеянных ионов,даю20 щих вклад в указанные пики, выделяют два наиболее интенсивных пика, соответствующих определенному адсорбционному состоянию, по положению которых ! вычисляют координаты адсорбированного атома относительно цепочки атомов монокристалла, и определяют полное число адсорбированных состояний и, по формуле г = N/К, гпе N полное число указанных пиков двукратного рассеяния, К = 4 при использовании ионов щелочного металла и К = 2 при использовании ионов инертного газа °

1430842

1430842

„97 750 Я1 50 Ф

Составитель К, Кононов Редактор О. Киштулинец Техред M.Äèäûê

Корректор С. Лекмар

Заказ 5336/45

Производственно-пслиграфическое предприятие, г, Ужгс рс . у:i Пр c I.òнлFi, Z0

Ъ

Ти раж 847 Подписное

ВИИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1l3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5