Експериментальні методи вивчення електронної структури шаруватих напівпровідників

Дослідження стану електронів за допомогою фотоелектронної й оптичної спектроскопії. Аналіз електронної й атомної будови кристалічних і склоподібних напівпровідників методами рентгенівської абсорбційної спектроскопії. Сутність вторинної електронної емісії.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

23

Міністерство освіти і науки україни

державний вищий навчальний заклад

«ужгородський національний університет»

факультет романо-германської філології

кафедра англійської мови та літератури

реферат

з прочитаної літератури на англійській мові з фаху

на тему: «Експериментальні методи вивчення електронної структури шаруватих напівпровідників»

Аспірант кафедри

Науковий керівник:

Доктор фізико-математичних наук,

професор

Ужгород 2011

Зміст

Вступ

1. Рентгенівська і ультрафіолетова фотоелектронна спектроскопія

2. Фотоемісійна спектроскопія з кутовим розділенням

3. Спектроскопія оберненої фотоемісії (IPES)

4. Рентгенівська емісійна спектроскопія (XES)

5. Рентгенівська абсорбційна спектроскопія (РАС або XAFS)

6. Оптична спектроскопія

7. Спектроскопія повного струму шаруватих кристалів при електронному збудженні

8. Вторинна електронна емісія

Висновок

Література

Summary

Вступ

Електронна зонна структура E(k) є фундаментальною характеристикою, що визначає більшість фізичних властивостей твердих тіл (наприклад, явища переносу, оптичні й фотоемісійні (ФЕ) властивості). Зонна структура (а саме електронні стани в околиці рівня Фермі E_F) також є одним з головних факторів, що визначають функціонування приладів твердотільної електроніки. При цьому важливо не тільки розташування електронних станів по енергії (зумовлююче, наприклад, ширину забороненої зони), але й розташування цих станів в k-просторі. Традиційними методами дослідження незаповнених високо лежачих станів є спектроскопія поглинання рентгенівських променів (XAS) [1], спектроскопія рентгенівських випромінювальних переходів (BIS) [1,2], спектроскопія характеристичних втрат енергії електронів внутрішніх оболонок (EELS) [1,3], обернена ФЕ-спектроскопія (IPES) [1,4,5], спектроскопія дифракції низько енергетичних електронів (ДНЕ-VLEED) [6,7], низько енергетична повторно-електронна емісійна спектроскопія (SEES) [8,9], рентгенівські емісійні спектри (XES) [10], низько енергетична спектроскопія повного струму (ПТ) - TCS [5,11,12] і її різновид - спектроскопія проходження низько енергетичних електронів (ПНЕ) - LEET [13-15]. Останні два методи, відрізняючись високою поверхневою чутливістю й відсутністю руйнуючого впливу на досліджуваний зразок, поряд із застосуванням для аналізу елементарних порушень і приповерхневих станів у цей час використовуються для контролю чистоти поверхні в процесі очищення від домішок, визначення роботи виходу і т.д. Слід зазначити й те, що експериментальна простота цих двох методів дозволяє застосувати їх для контролю параметрів E(k) безпосередньо в процесі виробництва напівпровідникових приладів. Хоча вимірювані при цьому високо лежачі стани безпосередньо не ставляться до станів поблизу E_F, зміни цих станів взаємозалежні.

1. Рентгенівська і ультрафіолетова фотоелектронна спектроскопія

Рентгенівська і ультрафіолетова фотоелектронна спектроскопія базуються на аналізі розподілу за енергією фотоелектронів, які випромінюють атоми речовини при опроміненні її монохроматичним рентгенівським або ультрафіолетовим випромінюванням [16]. Під дією падаючого на кристал рентгенівського або ультрафіолетового випромінювання електрони збуджуються із валентних станів у зони провідності і далі після ряду складних процесів покидають зразок і реєструються у надвисокому вакуумі. Спектр цих фотоелектронів залежить від густини електронних станів валентних зон і зон провідності, їх симетрії, ймовірності переходів між зонами, точки переходу в зоні Бріллюена.

В основі фотоелектронної спектроскопії лежить явище зовнішнього фотоефекту. У цьому сенсі цей метод не пов'язаний з явищем вторинної електронної емісії, оскільки електрони в цьому випадку випускаються поверхнею твердого тіла при опроміненні її фотонами. У фотоелектронній спектроскопії може бути використаний будь-який фотон, енергія якого перевищує роботу виходу електрона (ћ? > ?). На практиці, практично уся фотоелектронна спектроскопія охоплювала дві порівняно вузькі області енергії. Перша область забезпечується наявністю газорозрядних джерел на основі інертних газів. Для гелію, наприклад, дві основні лінії відповідають фотонам з енергіями 21,2 і 40,8 эВ, що лежать в ультрафіолетовій області спектру. Фотоелектронна спектроскопія, що використовує ці джерела називається ультрафіолетовою фотоелектронною спектроскопією (УФЭС). У УФЭС енергії фотона недостатньо, щоб вирвати електрон з основного рівня, тому цей метод придатний для вивчення валентних рівнів [1].

Інше широко поширене джерело фотонів відноситься до області рентгенівського випромінювання. Найчастіше джерелами фотонів служать K_? лінії алюмінію (1486,6 эВ) і магнію (1253,6 эВ|). Це область рентгенівського випромінювання, тому фотоелектронна спектроскопія, що використовує ці джерела, називається рентгенівською фотоелектронною спектроскопією (РФЭС). Досить вузькі спектральні лінії фотоелектронів, положення яких дуже чутливе до хімічного стану елементів на поверхні, робить цей метод дуже зручним для хімічного аналізу. Первинна назва методу рентгенівської фотоелектронної спектроскопії, історія розвитку якого налічує декілька десятиліть, підкреслює цю його особливість - електронна спектроскопія для хімічного аналізу (ЭСХА).

Останнім часом усе більш широке застосування в якості джерел фотонів безперервного спектру у фотоелектронній спектроскопії знаходить синхротронне випромінювання прискорювачів заряджених часток. Ці джерела дають спектр від м'якого ультрафіолету до жорсткого рентгенівського випромінювання.

Відповідно до рівняння фотоефекту

де - енергія фотона, Е_кiн - кінетична енергія фотоелектрона, E_B - енергія зв'язку електрона в зразку. При вивченні твердих тіл енергія зв'язку відлічується від рівня Ферми.

Енергія зв'язку електрона в зразку, вимірюється відносно рівня Фермі E_f. Кінетична енергія фотоелектрона в зразку вимірюється за допомогою спектрометра.

Оскільки зразок і спектрометр знаходяться в електричному контакті, між електронами цих металів встановлюється термодинамічна рівновага, в результаті якої їх рівні Ферми вирівнюються.

Енергія фотонів відома, кінетична енергія фотоелектрона реєструється за допомогою спектрометра, а робота виходу спектрометра легко визначається за допомогою калібрувальних експериментів.

Дуже важливим у фотоемісійних дослідженнях є стан поверхні досліджуваних кристалів, оскільки товщина аналізованого приповерхневого шару досить мала. У спектроскопії, зв'язаній з випромінюванням фотонів, вона визначається оберненим коефіцієнтом поглинання цих фотонів і, як правило, складає ~ 200 Е і більше. У випадку, якщо випромінюються електрони, то товщина аналізованого шару рівна глибині виходу цих електронів, яка залежить від їх енергії. В інтервалі енергій 50 - 100 еВ глибина виходу електронів може складати всього 5 Е [16]. Тому, при таких малих значеннях глибини виходу, для одержання достовірної інформації із даних вимірювань фотоелектронних спектрів, необхідна надчиста поверхня.

2. Фотоемісійна спектроскопія з кутовим розділенням

Експериментально дисперсію енергетичних зон вивчають шляхом дослідження фотоелектронної спектроскопія з кутовим розділенням [17]. Вимірюють кінетичну енергію електронів Е, фотоемітованих у вакуум під різними кутами до поверхні, визначаючи полярний кут як кут між траєкторією електрона й зовнішньою нормаллю до зразка, а азимутальний кут , як кут повороту навколо цієї нормалі. Направляючи вісь z перпендикулярно поверхні кристала, можна зв'язати компоненти хвильового вектора електрона у вакуумі

,

,

і в кристалі k_х, k_y, k_z, причому вважають, що перелом електронної хвилі при перетинанні границі кристала відбувається таким чином, що k_х і k_у зберігаються з точністю до вектора зворотної гратки. Експериментально певна залежність енергії початкового стану



від хвильового вектора

характеризує дисперсію (h - енергія падаючого фотона, Е - кінетична енергія електрона, що вилетів, W - внутрішній потенціал). Дисперсію зон уздовж напрямку k_z (у випадку кристала гексагональної симетрії напрямок Г - - А-зони Брілюена) вивчають незалежно, розглядаючи спектр енергії електронів, що вилетіли нормально до поверхні, як функцію енергії падаючих фотонів. У якості джерела монохроматичного вип...