Способ определения энергии двумерных электронных зон субмонослойной пленки щелочного или щелочно-земельного металла на металлической подложке

 

Изобретение относится к метрологии электрофизических параметров твердых теп, а именно к способам определения энергии электронных состояний пленочных металлических покрытий. Цель изобретения - повышение точное ти и чувствительности при одновременном его упрощении. Способ включает получение атомарно-чистой поверхности подложки в условиях вакуума, нанесение на нее пленки щелочного или щелочноземельного метапла со степенью покрытия в, лежащей в интервале 6,Ј , где 01- степень покрытия, соответствующая минимуму работы выхода подложки с пленкой, облучение плен-. ки монохроматическим излучением под углом -vi, лежащим в интервале 0 v , где Tgp угол Брюстера, с поляризацией электрического вектора излучения в плоскости падения излучения. Упомянутую пленку наносят в две стадии, на первой - со степенью покрытия 0,, а на второй - до значения 6t, тцегЬ в интервале Q Qt$lt после первой стадии нанесения пленки ее облучают излучением в видимой спектральной области при разных режимах поляризации и измеряют величины интеграль-о ного фотоэмиссионного тока для разной поляризации облучаемого света I (Л)и /Л 1(Л). После второй стадии нанесения пленки повторяют ее облучение и измерение величин интегральных фотоэмиссионных токов 1р (Л) и Is (Л) при тех Н же условиях поляризации излучения. Вычисляют отношение 1р(Д)/15(Л) .находят положение его спектральных максимумов Л к. и энергии двумерных электронных зон относительно уровня Ферми пленки определяют из соотношемякс / цр ) Рн услония Е; ЬсО/Лмякс- /Л вин ,, где Е, he (,); h - постоянная Планка; с - скорость света; и кр красная граница фотоэффекта пленки со степенью покрытия 9j. 5 ил. У1 ;л 30 4 Л

СООЭ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕС!1УБЛИН (51) 5 Н Ol L 21/66

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

llO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

IlPH ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1(46) 07.09.91. Бюл. Р 33 (21) 4488704/25 (22) 03.10.88 (7l) Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе (72) Г.В.Бенеманская и М,Н. Лацушкин (53) 621 382(088.8) (56) Фоменко Ф.С. Эмиссионные свойства материалов. Киев, Наукова думка, 1981, с.251-281

Lindgren S. А. et al. Cu surface

state and Cs valence electrons in .photoelectron spectra from the Cu (11 I) Cs adsorption system. Sol. State.

Comun. 1978, 28, 283.

Изобретение относится к метрологии эйергии электронных состояний пленоч4 электрофиэических параметров твердого ных металлических покрытий, и может тела, а именно к способам определения быть использовано при контроле меж(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ ДВУ-"., МЕРНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ЗОН СУБМОНОСЛОЙНОЙ

ПЛЕНКИ ЩЕЛОЧНОГО ИЛИ ЩЕЛОЧ!10ЭГМЕЛЬ НОГО МЕТАЛЛА НА,МЕТАЛЛИЧЕСКОИ ПОДЛОЖ

КЕ

1,.

{57) Изобретение относится к метроло" гии электрофизических параметров твердых тел, а именно к способам определения энергии электронных состояний .пленочных металлических покрытий.

Цель изобретения — повышение точнос-. ти и чувствительности при одиовременНоМ его упрощении. Способ включает получение атомарно-чистой. поверхности подложки в условиях вакуума, нанесе. ние на нее пленки щелочного или ще..лочноэемельного металла со степенью . покрытия 6, лежащей в интервале 8 C

< О < 1, где В - степень покрытия, соответствующая минимуму работы выхода подложки с пленкой» облучение плен-; ки монохроматическим излучением под углом ., лежащим в интервале 0 (g(g где ук — угол Брюстера, с полйризаьР цией электрического вектора излучения в плоскости падения излучения. Упомянутую пленку наносят в две стадии, на .первой - со степенью покрытия 6,, а на второй — до значения 6, ле*а щего в интервале 9,z g

P (1). После второй стадии нанесения пленки повторяют ее облучение и из- С мерение величин интегральных фотоэмиссионных токов I p (Л) и I (Л) при тех же условиях поляризации излучения.

Вычисляют отношение I (p)/I> (Л),находят положение его сйектральных максимумов Я и энергии двумернъix макС электронных зон относительно уровня

Ферми пленки определяют из соотношения E, hc(I / Ë ìàêñ 1/4 кр) при условии Е; Ч Е ° где Е1 = М(! /Л м ис-1Йк! );

h — постоянная Планка; с — скорость света; 1„ - красная граница фотоэффекта пленки со степенью покрытия 8 .

5 нл °

:Ь

I фазных границ при выращивании многослойных пленочных структур в электронике, в том Числе при изготовлении фотоприемников и т.д,, а также для расширения методов спектроскопии по5 верхности и в функциональных исследованиях в области физики поверхности.

Целью изобретення является повышение .точности и чувствительности при одновременном .его упрощении., На фиг.l представлена схема установки, реализующей предлагаемый спо соб; на фиг.2 представлена ориентация электрического вектора f при различ- 1 ны поляризациях возбуждающего .фотоэмИссию излучения по отношению к поверхности образца; на фиг,3 показана схема фотоэмиссионного процесса при облучении пленки поляризованным светом;. на фиг.4 приведены эксперимен -.. тальные спектральные фотоэмиссионные зависимости; на фиг.5 приведены спектральные зависимости отношений фотоэмнссионных токов, генерируемых излу- я5 чением различной поляризации, при различных степенях покрытия .пленки.

Установка для реализации способа, представленная на. фиг.l, состоит из ва уумной камеры 1 с оптическим ок".

ЭО но 2 для ввода излучения в вакуум и

on ическим окном 3 для вывода.излуче-. ни из вакуума. В вакуумную камеру ло ещены металлическая подложка 4, изготовленная в виде пластины, и ис- точник 5 для нанесения на поверхность металлической подложки субмонослойной пленки щелочного или щелочноземельного металла. Последовательно источнику 6 видимого света установлены конденсор 7, монохроматор 8, осущест40 вляющий изменение длины волны света, обьектив 9, поляроид (поляризатор).

lO . Собирающий коллектор 11, источник

12 положительного напряжения, элек-. 4S трометр 13 и металлическая подложка

4 образуют электрическую цепь; в которой измеряется интегральный фотоэмиссионный ток.

Кривые 14, 15 — спектральные зависимости фотоэмиссионного тока

I,(Л), I р(Л) при облучении излучени: ем с s-и р -поляризацией соответст".

i венно для субмонослойной пленки со степенью покрытия 8„.

Кривые 16 !7 — спектральные зависимости фотоэмиссионного тока Т (Л), I P(Ë} при облучении излучением с s и р-Поляризацией соответственно лля субмонослойной пленки со степенью покрытия Âr.

Кривые i!8, 19 — спектральные зави-, симости отношений I (Л)/1 (Л ) и

I1,(Л)/1 (Л) соответственно.

Пример. Определяют энергию Е двумерных электронных зон субмоно-. слойной пленки щелочного металла це" зия Cs на металлической подложке вольфрама W (110). Подложку W (110) готовят

I \ в виде круглой пластины диаметром

1 ° 10 м и толщиной 3.10-1 м. Перед установкой в камеру подложку изолируют механически и электролитически.

Подложку W (110) помещают в вакуумную камеру, в которой поддерживают дав-. ление менее 1 -10 l! Па. Получение атомарно-чистой поверхности подложки достигается стандартной процедурой прогрева.

Для системы Сз - W (110) величина степени покрытия 6 субмонослойной пленки Cs на подложке W состав-

:ляет 0Ä6. Поэтому на первой стадии нанесения пленки. напыляют субмонослойную пленку Cs со степенью покрытия 8,= 0,6, которой соответствует красная граница фотоэффекта Л

КР

800 нм.

На субмонослойную пленку, нанесен-. ную на W (110)i фокусируют монохроматический свет видимой спектральной области интенсивностью . 1 ° 10 Вт/см, полученный с помощью монохроматора 8 от источника 6 видимого света. С помощью поляроида 10 осуществляют поляризацию электрического вектора излучения в плоскости падения облучения (выделяют излучение р-поляризации).

Длину волны монохроматического света изменяют в пределах от Л 800 нм

КР до длины волны видимого света - Л

= 400 нм. Линейная дисперсия монохфоматора равна 2 нм/мм, что при ширине щелей монохроматора, равных 1 мм, позволяет использовать для облучения .1тленки участок укаэанного спектра ши-. риной ЮЛ = 2 нм. Погрешность измерения длины волны монохроматического света составляет <РЛ, = 0,05 нм. Облучение пленки светом осуществляют под углом р 45 так как .угол Брюстера у для этой системы в видимой облас.

P о ти спектра равен f p 78

Интегральный фотоэмиссионный ток регистрируют в цепи подложка 4 с плен кой - собирающий коллектор — электрометр 13. Подложку 4 заземляют, на.соI I

E>=hr(- )

Ез =; Ео l 09

Для проверки условия F, ляют F эВ.

4 Е, вычис5 157 " М5 6 бирающий коллектор 1! подают напряже- 2,3,4; ние +25 В от источника постоянного тока. Погрешность измерения тока сос— 0 182 эВ

9 тавляет РI = 2 10 о A.

При каждом значении Л, меняя длину волны Л в интервале Л <800 нм, измеряют величину интегрального фотоэмиссионного тока Т (Л).

Затем при помощи поляроида 10 осу- 10 Е hc(— †) 1 09 эВ.

1 Р

Л

У ществляют поворот плоскости поляри"МАКе KP зации на 90 и вновь, меняя длину о

Поскольку Е 4 Е, то значение

1Ф волны Л в интервале Л <800 нм, при Е < = 1,09 эВ не является истинным знакаждом значении Л измеряют величину чением энергии двумерной электронной интегрального фотоэмиссионногo тока 15 зоны субмонослойной пленки Cs.

I ф

1I i )- Таким образом, определены следующие яа второй стадии нанесения пленки искомые значения энергий двумерных величина степени покрытия была дове- электронных зон субмонослойной пленки дена до значения О= 0,9, лежащего в Св на металлической подложке 1! (110) интервале 0,6 6, cl относительно уровня Ферми пленки

Красная граница фотоэффекта пленки (фиг. 3) .

Cs со степенью покрытия 6 = 0,9 сос- Е - 0,182 эВ тавляет Л „= 689 нм.

После второй сталин нанесения пленE =- 0,320 эй .

Ф ки Cs на нее повторно фокусируют мо- 25 Относительная ошибка определения нохроматический свет видимой спект- Б и Е составляет

2. ральной области. Меняя длину волны в интервале h < 689 нм, при каждом = 5,7X; — — = 2,IX, Ез знаЧении ilизменяют величину интегЕ2

3 рального фотоэмиссионного тока I р(Л) 30 Лбсолютная погрешность определейия (фиг. 4) . Е и F.. равна 1

Затем при помощи поляроида осущестЕ 0,01 эВ; Е = 0,007 эВ . вляют поворот плоскости поляризации ,007 о излучения на 90 и вновь, меняя длину Точность определения величины Е! волны Л в интервале Л < 689 нм, при 35 в прототипе 507.. каждоМ значении Л измеряют величину Таким образом, способ согласно интегрального фотоэмиссионного тока изобретению по сравнению с прототипом

I6(g) (фиг.4). обеспечивает повышение точности опреПо измеренным зависимостям I (Л) и деления энергии двумерных электронных

I 1

Iз(Л) вычисляют отношение I (Я)/I (l) 4п зон субмонослойной пленки щелочного

Р и определяют положение его спектраль- или щелочно-земельного металла на ме" ного максимума " = 471 нм (фиг.5). талпической подложке.

По измеренным зависимостям ?р(Л) и В способе производится регистрация

I (Я) Вычисляют отношение I р(Л)/I з(Л) . всех фотоэмиттированных электронов, и определяют положение его спектраль" 45 тогда как в прототипе доля собираемых

8мх максимумов „= 626 нм, Л „„: электронов составляет IOX и определяг

/I(%I „= (з1 (М

° о 585 нм, "„,,429 нм (фиг.5). ется узким телесным углом.

Искомые величины Е ., определяются из . Таким образом, чувствительность способа превышает чувствительность

50 способа-прототипа.

Преимуществом изобретения является простота и доступность источников видимого света и возможность получения заданной поляризации излучения для возбуждения фотоэмиссии по сравнению с ультрафиолетовым излучением. Кроме того, для способа не требуется сложного регистрирующего устройства типа энергоанализатора электронов, которое

° i 575845 8 усложняет процедуру эксперимента, эна.— ния пленки ее облучают излучением вичительно упрощается математическая димой спектральной области, меняя обработка экспериментальных результа.«. длину волны Л в интервале А<Л< где

I(P тав, 5 .- красная граница фотоэффекта пленки со степенью покрытия 8,, при

Ф о р м у л а и э о б р е т е н и я каждом значении Я измеряют величину

Способ определения энергии двумер интегрального фотоэмиссионного тока ных электронных зон субмонослойной I (p) поворачивают плоскость *оляри-. пленки щелочного или щелочно-земель- эации излучением íà 904 вновь меняя

1 !

О

У ного металла на металлической подлож- длину волны я в интервале Л < Л

ICP I ке, включающий получение атомарно- при каждом значении Л аизмеряют величистой (. поверхности подложки в усло- . чину интегрального фотоэмиссионного виях вакуума, нанесенив на нее упомя- тока I>(g), после второй стадии наиенутой пленки со степенью покрытия О,;15 сения пленки повторяют ее облучение" лЕжащей в интервале 0,4.641, где 9, — .и измерение величин интеГральных фостепень покрытия, соответствующая ми- тоэмиссионных токов Ip(3) и I (Л) gpH

S ннмуму работы выхода подложки с плен: — тех же условиях поляризации излучений, кой, облучение пленки монохррматичес- меняя при этом длину волны в интер- ким излучением под углам, лежащим(. вале Л 4 Л„р, где Ь„4- красная грани- . в интервале p g ) < ъ, где у — угол ца фотоэффекта пленкй со степенью пок"

Об bP 1

Брюстера, с полярйзацией элекрическог Рытия 9f вычисляют. отношение I p(p)/ ( го вектора излучения в плоскости na-.,/Хз(Л),,находят положение егo сnект( дения излучения, измерение фотоэмис" Рального максимума Ь „„, вычисляют сионного тока и определение искомой р5 o HomeHHe I >(I1)/Is(A), находят половеличины расчетным путем, о т л и -, жение его спектральных максимумов

1 а ч а ю шийся тем, что, с целью Л „ и энергию Двумерных элЮтронповышения точности и чувствительности ных зон относительно уровня ферми . способа при одновременном его упроще- mleHêH определяют из соотношения и, упомянутую пленку наносят B две тадии, на первой ив которых наносят Е. Ьс(вЂ, " «) прн усиовии

hl енку со степенью покрытия 6, а на . .- - маке торой доводят степень покрытия до Н;.ЕF, где Р, Нс(т — — — т-), V

"Мака -, АЕУ значения 6, лежащего в интервале 0 < Ь - постоянная планка ланка . с " скорость с 9g ñ1 после первой стадии нанесе" 4 света.

I

10 2

ФФ.1575845

Радгавга йя3нлп

Ю

Фиа2 як Ф !

1575845

У(х10,4) ФигМ

1ЮА 7М

Составитель ИаПетровйм

Техред М.дидь1к Корректор И.Самборскан м

Редактор Т.Лошкарева о ме И ее еню и

Заказ 3724 Тираж Ы6- Подпнсное

В С ИСС Государственного комитета ио иеосретеники и отиритиим ири ГйНТ СССР

113035, Москва, Ж "35р Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. У кгород,. Ул. Гагарина, 101 о