Effect of hydrogen plasma on the surface of bismuth single crystal.pdf Введение Актуальными задачами современной физики поверхности являются изучение свойств чистых атомарных поверхностей монокристаллов, исследование основных атомных механизмов формирования наноструктур на атомарной поверхности. Особый интерес представляет изучение роли неравновесных процессов в формировании таких систем, поскольку неравновесные процессы нередко сопровождаются явлениями самоорганизации структурных элементов. Динамика процессов самоорганизации в неравновесных системах очень сложна и, хотя во многом неясна, интересна тем, что проявляется в формировании новых физических объектов. В последнее время проявляется большой интерес к исследованию фрактальных свойств самоорганизующихся структур. Самоорганизация диссипативных структур сопровождается нарушением симметрии исходного состояния системы и может быть охарактеризована величиной фрактальной размерности. В настоящее время идет усиленный поиск новых технологий и методик, позволяющих создать упорядоченные структуры из нанообъектов. Для создания рельефа на поверхности применяются два основных метода: травление в плазме и жидкостное химическое травление. Опыт показывает, что плазмохимическое воздействие всегда сопровождается формированием некоторой морфологии на атомно чистой поверхности. В данной работе предпринята попытка плазменной обработка в химически активных газовых средах, чтобы модифицировать наноморфологию поверхности кристаллов висмута. С этой целью монокристалл висмута облучался потоком атомарного водорода. Атомарный водород используется для очистки поверхности полупроводников от оксидов, пылевых частиц и органических загрязнений, а также для гидрогенизации приповерхностной области полупроводниковых структур с целью улучшения их электрофизических характеристик. Известно [1], что обработка поверхности материалов приводит к модификации поверхности и образованию наноструктур. Адсорбированный водород воздействует на физические свойства полупроводников [2]. Взаимодействие атомарного водорода с поверхностными фазами металл - кремний приводит к самоорганизации нанокластеров металла [3]. Первые исследования влияния обработки атомарным водородом поверхности скола висмута [4] показали интересные результаты, состоящие в существенной модификации поверхности. В работах [4-7] предложена и обсуждается модель самоорганизации явления. Поэтому круг основных явлений, которые реализуются при взаимодействии атомарного водорода с поверхностью висмута, представляет интерес для дальнейшего исследования. Данная работа посвящена изучению воздействия атомарного водорода на топологию поверхности скола (111) монокристалла висмута. Плоскость скола монокристалла висмута атомарно гладкая, на ней отсутствуют разрывы ковалентных связей, поэтому являются хорошей основой для наблюдения явлений самоорганизации. Основные нарушения атомарной поверхности возможны только в области точечных дефектов и выходов дислокаций. Результаты исследований В качестве исследуемой атомарной поверхности использовалась плоскость скола (111) монокристалла висмута, выращенного методом зонной перекристаллизации из исходного материала марки Bи-000, подвергнутого дополнительной зонной очистке. Для предотвращения добавочного дефектообразования использовался электроискровой способ вырезания из слитков монокристаллов образцов необходимых размеров. Непосредственно перед проведением обработки поверхности атомарным водородом образцы механически скалывались по плоскости совершенной спайности после замораживания в жидком азоте. Образцы монокристаллов висмута были подвергнуты исследованиям на предмет отсутствия блоков и двойников. По данным металлографии ямки травления, соответствующие выходам дислокаций на поверхность скола, распределены по поверхности скола монокристалла висмута приблизительно равномерно со средней плотностью 109 см-2. Обработка монокристалла висмута производилась потоком атомарного водорода с чистотой 99.995 %. Диссоциированный на радикалы водород с концентрацией активных частиц 1013- 1014 см-3 получался в результате высокочастотного электрического разряда. Обработка образцов монокристалла висмута атомарным водородом проводилась в течение различных временных интервалов. Поверхность исследовалась с помощью мультимикроскопа СММ-2000 в АСМ-режиме на воздухе при нормальных условиях в полуконтактном режиме. Использовались Si-кантилеверы марки MSCT-AU с радиусом закругления острия 30 нм (согласно паспортным данным). Типичное АСМ-изображение поверхности скола после обработки в течение 15 мин показано на рис. 1. После обработки атомарным водородом в течение 15 мин произошло изменение топологии поверхности с образованием множества хаотично расположенных округлых выступов, имеющих зернистую структуру со средним латеральным размером до 40 нм. Рис. 1. АСМ-изображение скола после обработки атомарным водородом в течение 15 мин Высота образований не превышала 50 нм. Средняя шероховатость поверхности составила 5-7 нм, среднеквадратичная шероховатость 7-8 нм. Фурье-анализ показал отсутствие какого-либо порядка расположения объектов на модифицированной поверхности. Фрактальный анализ полученной поверхности показал наличие трех разнородных по морфологии групп объектов. Объекты, размеры которых лежат в интервале 138-1341 нм, представляют собой образования, получаемые при скалывании, - атомарные ступеньки, имеющие минимальную фрактальную размерность 2.000419. Вторая группа объектов, относящаяся к интервалу 43-141 нм, - это образования, полученные в результате обработки поверхности АВ. Эти образования имеют фрактальную размерность 2.005492. Третья группа - объекты, с размерами от 11 до 42 нм с фрактальной размерностью 2.021919. После обработки атомарным водородом в течение 60 мин происходит существенная модификация структуры поверхности монокристалла висмута. Обнаружено, что на поверхности формируются крупные выступы субмикронных размеров (рис. 2). Фрактальный анализ обнаружил присутствие четырех разнородных групп объектов. Объекты с размерами в интервале от 500 до 1300 нм представляют собой ступени, получаемые при скалывании кристалла минимальной фрактальной размерностью 2.002219. Вторая группа объектов размером 200-450 нм представляет пирамидальные структуры с фрактальной размерностью 2.002226. Третья группа объектов в интервале размеров 85-200 нм - пирамидальные кристаллические образования с фрактальной размерностью 2.017415. Четвертая группа - объекты, лежащие в интервале размеров от 3 до 84 нм. Это малые пирамидальные образования с фрактальной размерностью 2.032154. Фурье-анализ не выделил какого-либо порядка в расположении объектов на модифицированной поверхности. Средняя шероховатость составляет ~ 15 нм, среднеквадратичная ~ 20 нм. Рис. 2. АСМ-изображение скола после обработки атомарным водородом в течение 60 мин Анализ распределения образований по диаметрам у основания (рис. 3) показал присутствие двух групп объектов, разнородных по величине диаметра. В первой группе объектов, составляющей 20 % в интервале 13-27 нм, распределение быстро убывает до нуля. Вторая группа от 32- 200 нм имеет довольно резкую границу снизу и плавную сверху. Рис. 3. Дифференциальное распределение образований по диаметрам Распределение образований по высотам имеет вид кривой с резким максимумом (рис. 4) при 37.6 нм. Доля образований с размерами меньше наиболее вероятного составляет 37 %. Верхняя граница высот составляет 184 нм, что соответствует верхней границе распределения по диаметрам. Рис. 4. Распределение образований по высотам 3D-изображение (рис. 5) показывает, что нановыступы в форме одиночных треугольных пирамид и их скоплений расположены на фоне однородного рельефа более мелких нановыступов на поверхности. Одиночные пирамиды с длинами сторон основания 150-200 нм и углами между ними 60°, угол наклона грани пирамиды составляет ~ 54-56°, отвечают реальным граням форм роста кристалла. Некоторые нарушения формы образования связаны с наличием притупления при вершине. Округлая поверхность сложена неизолированными пирамидами. Помимо пирамид видны треугольные ямки с четким огранением дна и углом 60° между сторонами их основания. Плотность выступов всех размеров составляет 2∙10-9 см-2. Между пирамидами видны треугольные ямки с четким огранением дна и углом 60° между сторонами основания, по-видимому, являющиеся местами выхода дислокаций. Рис. 5. 3D-изображение структуры участка поверхности монокристалла висмута после облучения атомарным водородом В данном случае причиной появления образований, подобных фигурам роста, является взаимодействие атомарного водорода с поверхностью монокристалла висмута. Одинаковый наклон боковых граней нановыступов указывает на существование атомных механизмов, играющих основную роль в формировании границы раздела во время самоорганизации атомов на поверхностях (111). Физико-химические процессы, происходящие при взаимодействии поверхности твердых тел с активной газовой средой, сопровождаются активным энергообменом. При рекомбинации атомарного водорода на поверхности кристалла выделяется значительная энергия 4.48 эВ на один акт рекомбинации. Энергия связи атомов висмута составляет 2.15 эВ. Поскольку при передаче энергии рекомбинации одному атому висмута он может получить значительную энергию, то можно предположить, что основным механизмом, ответственным за формирование модифицированной поверхности монокристалла висмута при облучении атомарным водородом, является распыление атомов. Такой механизм образования кратеров, бугорков и ямок при ионной бомбардировке поверхности кристаллов описан в работе [8]. Как отмечается в [9], формирование особенностей структуры поверхности при ионном травлении обусловлено колебаниями скорости распыления поверхности вследствие наличия на ней нерегулярностей и дефектов. Основными дефектами, которые формируются при выращивании монокристаллов висмута, являются дислокации. Поскольку подсчитанная плотность нановыступов составляет по порядку величины ~∙10-9 см-2, то можно предположить основную роль дислокаций в формировании нановыступов на поверхности монокристалла висмута. Влияние структурных дефектов на низкотемпературную диффузию под действием атомарного водорода рассмотрено и в работе [10]. Энергия, выделяющаяся в результате образования молекулярного водорода в случае ее передачи поверхностным атомам, может стимулировать диффузионные процессы в приповерхностных областях полупроводниковых кристаллов, приводить к деградации и распылению кристаллов. Активированные атомы кристалла могут мигрировать вдоль поверхности. Распыленные атомы висмута, осаждаясь на поверхность кристалла, теряют одну степень свободы, также могут мигрировать по поверхности. Поверхностная диффузия является структурно чувствительным процессом. Мигрирующие атомы будут встраиваться в решетку в положениях, наиболее энергетически выгодных. Благодаря этим процессам происходит модификация поверхности монокристалла. Известно, что существует прямая связь между скоростями роста и растворения кристалла. Именно поэтому образования на поверхности монокристалла напоминают фигуры роста висмута. Наноструктуры можно создавать либо «снизу» путем выращивания с помощью исходной нанозатравки, либо «сверху» путем дисперсии макроскопического кристалла. В том случае, когда наноструктуры образуются на поверхности кристалла, возможны оба пути одновременно. На поверхности кристалла всегда найдутся нанозатравки, на которых будет агрегироваться нанокристалл. В связи с этим появляется задача поиска причин возникновения мест локализации процессов самоорганизации на поверхности облучаемого материала. Материал для строительства используется с соседних участков, которые подвергаются разрушению. Такими участками могут быть места выхода дислокаций на поверхность кристалла. Эволюция поверхности твердых тел под действием ионной бомбардировки подробно рассмотрена с помощью компьютерного моделирования методом статистических испытаний [11]. Как показано в [4], качественно временная зависимость среднеквадратичной высоты выступов подобна рассчитанным временным изменениям высоты конуса в работе [11]. Понимание механизма процессов, происходящих на поверхности скола монокристалла висмута, не является единственным результатом исследования. Обработка монокристаллов висмута в среде атомарного водорода открывает новые возможности модификации электронной поверхностной структуры кристаллов, что выявляет новые возможности для создания веществ и материалов с заданными физико-химическими свойствами. Заключение В работе представлены результаты по исследованию атомно-силовым методом поверхности монокристалла висмута после обработки атомарным водородом. При этом наблюдается следующее: - изменение морфологии поверхности монокристалла висмута; - установлено селективное распыление поверхности кристалла висмута; - установлено, что процесс модификации поверхности зависит от длительности облучения; - воздействие атмосферы атомарного водорода приводит к появлению ансамбля нановыступов в форме треугольных пирамид; - увеличение продолжительности обработки атомарным водородом привело к увеличению толщины распыленного слоя и соответственно увеличению высоты наноструктур наряду с возрастанием разброса по высоте; - обнаружена иерархия наноструктурных элементов. Таким образом, обработка монокристаллов висмута в среде атомарного водорода открывает новые возможности модификации поверхностной структуры монокристаллов, изменяя ее оптические свойства и делая ее химически активной.

Скачать электронную версию публикации