Программа курса «Современные методы диагностики в наноматериалах. Часть 2» образовательной программы опережающей профессиональной подготовки (уровень магистратура), ориентированной на потребности проектных компаний ОАО «Роснано»

Скачать 1.12 Mb.

Название	Программа курса «Современные методы диагностики в наноматериалах. Часть 2» образовательной программы опережающей профессиональной подготовки (уровень магистратура), ориентированной на потребности проектных компаний ОАО «Роснано»
страница	6/27
Тип	Программа курса

filling-form.ru > Туризм > Программа курса

1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 27

Цель работы

Целью работы является изучение структурного совершенства, особенностей интерфейсов и механизмов люминесценции сверхрешеток CaF₂:Eu - CdF₂, выращенных на Si(111)

Задачи

Определить структурные параметры сверхрешеток:

- период повторения

- толщина структуры

- толщина покрывающего слоя (“сар” слоя)

- соотношение толщин слоев

- средняя деформация

- степень релаксации

- среднеквадратичная амплитуда шероховатости интерфейсов

- электронная плотность приповерхностных слоев

Изучить механизмы люминесценции:

- собственная люминесценция слоев CaF₂ иCdF₂

- переходы в ионах Eu2+ и Eu3+

Провести сравнительный анализ сверхрешеток с различным периодом.

Описание образцов

Сверхрешетки CaF₂:Eu - CdF₂, выращенные на подложке Si(111) со следующими технологическими данными:

• Длиннопериодная: (32+32 ml)x5

• Среднепериодная: (16+16 ml)x10

• Короткопериодные: (2+4 ml)x42, (3+3.5 ml)x40, (4+2 ml)x50

(ml – монослой). (Исследуемые образцы помимо СР содержат буферные и «cap»-слои, более подробно технологические данные приведены в приложении 1).

Методы исследования

Метод рентгеновской дифрактометрии.
Метод рентгеновской рефлектометрии.
Катодолюминесценция (КЛ).
Рентгеноспектральный микроанализ (РСМА).

Сверхрешетки на основе фторидов кальция и кадмия

Фториды кальция (CaF₂) и кадмия (CdF₂) являются широкозонными материалами с ширинами запрещенной зоны 12.1 eV и 8.0 eV соответственно и имеют одинаковую кубическую гранецентрированную структуру флюорита, которая близка к структуре, реализуемой в Si. Они прозрачны в широкой области оптического диапазона: от 0.2 мкм в ультрафиолетовой области до 12 мкм в инфракрасной, что в значительной мере определяет их широкое применение в технике.

Несмотря на сходство кристаллических структур фторидов кальция и кадмия их электронные свойства сильно отличаются. Так, в результате легирования некоторыми трехвалентными примесями фторид кадмия обнаруживает полупроводниковые свойства. При этом концентрация свободных электронов при комнатной температуре достигает 4×10¹⁸ см^-3.

Противоположные знаки несоответствия параметров решеток по отношению к постоянной решетки кремния Si (0.6% для CaF₂ и -0.8% для CdF₂) обеспечивают возможность выращивания псевдоморфных сверхрешеток (СР) на Si подложках, т.к. напряжения, возникающие из-за этого несоответствия, в значительной мере компенсируются [1]. При этом наиболее подходящей ориентацией подложки является ориентация (111). Действительно, при данной ориентации подложки фториду навязывается направление роста [111], что, с учетом низкой свободной энергии плоскости (111) в решетке фторида, обосновывает тенденцию роста в виде слоев. Высокая энергия связи в этих фторидах обуславливает молекулярный характер их сублимации и позволяет, таким образом, существенно упростить технологические аспекты роста.

Оба фторида могут выступать в роли матрицы для внедрения редкоземельных примесей. При этом наблюдается эффективная люминесценция, в которой проявляются необычные нестационарные эффекты, представляющие интерес для создания систем записи оптической информации [2].

Рентгеновская дифрактометрия, рентгеновская рефлектометрия

На рисунке 1 приведены характерные кривые дифракции (образец 1879, 16х16 ml) в симметричной геометрии (111) и (222).
а)

б)

Рис.1. Кривые дифракции для образца 1879: а) плоскости (111) б) плоскости (222)
На кривых виден узкий интенсивный пик от подложки Si, пик среднего состава сверхрешетки (SL0), по положению которого можно определить соотношение толщин слоев, и несколько пиков – сателлитов, расположенных по обе стороны от пика среднего состава. Между сателлитами видны мелкие осцилляции, отвечающие толщине всей структуры.

Для расчета периода решетки для каждого сателлита считается выражение:

(1)

Здесь λ – длина волны рентгеновского излучения (в нашем случае Cu Kα1 линия, λ = 1.5405 А). График значений (1) для образца 1879 приведен на рисунке 2:

Рис.2. Зависимость выражения (1) от номера пика.
Полученная зависимость с большой точностью аппроксимируется линейной функцией, значения периода находится из коэффициента наклона по формуле:

(2)

Была посчитана погрешность линеаризации и показано, что точность определения периода составляет до 0.01 А. Аналогичным образом рассчитывается толщина всей структуры по периоду осцилляций между сателлитами (по периоду мелких осцилляций).

Для определения средней деформации в направлении перпендикулярном поверхности используется разделение пиков подложки и среднего состава:

(3)
Из значения деформации и величины периода в предположении об отсутствии релаксаций можно определить толщины слоев внутри периода с помощью следующей системы [1]:

(4)

Здесь p₁ и p₂ – значения коэффициентов Пуассона для CaF₂ и CdF₂, а₁ и а₂ – постоянные решетки ( a(CaF₂) = 0.5463 нм, a(CdF₂) = 0.5389 нм, p(CaF₂) = 0.96, p(CdF₂) = 1.35).

Типичная кривая (образец (1884)), полученная в асимметричной геометрии (224) представлена на рисунке 3. По оси абсцисс отложен угол скольжения (угол между направлением падающего луча и поверхностью). Для пересчета его в брэгговский угол (угол между лучом и кристаллическими плоскостями) нужно прибавить угол между плоскостями (111) и (224)

град. В такой геометрии на дифракционной кривой отсутствует пик подложки. Это связано с типом B интерфейса CaF₂/Si, при котором решетка пленки развернута на 180^o относительно нормали к границе раздела. Теоретическое положение пика подложки (рассчитанное с использованием параметра решетки кремния) показано на рис.3 красной линией. Его величина (величина положения пика подожки) будет нужна для вычисления продольной компоненты тензора деформации, которая, в свою очередь, понадобится для определения степени релаксации.

Кроме того, следует отметить, что на кривой слева от пика среднего состава виден широкий «пик-подставка», положение которого отвечает слою CaF₂ (предположительно пик верхнего cap-слоя).

Рис. 3. (224) – кривая для образца 1884.

На основе кривой (224) также можно рассчитать значение периода решетки по формуле [3]:

(5)

Здесь

- угловое расстояние между 2 соседними сателлитами.

Используя данные, полученные в симметричной и асимметричной геометриях, можно рассчитать продольную компоненту тензора деформации пленки, и, затем, степень релаксации:

(6)

Здесь

- угловая разность между пиком подложки и среднего состава (разделение пиков). Для образца 1884 значение релаксации в такой модели составило R = 8%.

Интересно рассмотреть отдельно короткопериодные СР, кривые для разных образцов приведены на рис. 4.

Рис.4. Кривые дифракции короткопериодных СР (111-) -отражения . Образцы 1884 3х3.5 ml, 1979 4x2 ml, 1980 2x4 ml.

Видно смещение пика среднего состава в зависимости от соотношения толщин слоев СdF₂/CaF₂. Смещение вправо от подложки соответствует большей толщине слоя CdF₂, т.к. его параметр решетки меньше. Видно также, что пик среднего состава и сателлиты достаточно широкие и представляют собой суперпозицию нескольких пиков.

Типичная кривая рефлектометрии приведена на рис. 5.

Рис. 5. Кривая рефлектометрии для образца 1879 (16х16 ml).
Видны большие осцилляции от периода решетки, а также мелкие – от всей структуры. Резкий спад интенсивности наблюдается при углах, больших угла полного внешнего отражения (2α_с ≈ 0.5 град.). Изменение характера спада (переход от более резкого к более плавному при больших углах) позволяет судить о шероховатости интерфейсов. На кривой также виден широкий «пик-подставка», который относится к верхнему «cap»-слою.

Для расчета периода СР используем следующее соотношение для больших пиков (отвечающих периоду СР) [4]:

(7)

Для кривых с двумя и более структурными пиками используется линейная интерполяция, из которой определяется

; для кривых с одним пиком – определяется критический угол из хода кривой, а период – из (7), подставляя

.

Для расчета толщины всей структуры по малым осцилляциям используется линейная аппроксимация:

(8)

Для оценки толщины «cap»-слоя используется формула (7) для широких «пиков-подставок».

Шероховатость интерфейсов можно оценить из значения угла

, начиная с которого экспоненциальный закон спадания интенсивности (

) сменяется степенным (

). Тогда среднеквадратичная амплитуда шероховатости выражается через значение угла следующим образом [5]:

(9)

Здесь

- модуль волнового вектора падающего света.

Приведенные выше расчеты по дифрактометрии и рефлектометрии были выполнены для всех образцов и приведены в приложении.1.