CC BY
10
ФИЗИКА
Вестник Омского университета, 2006. № 2. С. 47-49.
© В.А. Лиопо, А.Н. Сенько*, А.У. телег", УДК 548:53(063)
H.A. Давлеткильдеев, H.A. Семиколенова *, 2006
АСМ-ИЗУЧЕНИЕ МОРФОЛОГИИ ЮВЕИИЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ МОНОКРИСТАЛЛОВ СИСТЕМЫ TlIn(S, Se)
В.А. Лиопо, А.Н. Сенько*, А.У. Шелег**, Н.А. Давлеткильдеев, Н.А. Семиколенова***
* Гродненский государственный университет им. Янки Купалы 230023, Республика Беларусь, Гродно, ул. Ожешко, 221 ** Институт физики твердого тела и полупроводников НАН Республики Беларусь 220072, Республика Беларусь, Минск, ул. П. Бровки, 171 , ** * Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского, кафедра микроэлектроники и медицинской физики 644077, Омск, пр. Мира, 55а
Получена 10 марта 2006 г.
The results of an investigation of dynamic processes on juvenile surfaces of TlIn(S,Se) crystals by atomic-force microscopy are presented. A possibility of different types processes on the same juvenile crystal surfaces depending on structure and crystal defects is demonstrated.
1. Введение
В последние десятилетия все большее значение приобретают исследования поверхностных явлений, основанные на методах квантовой физики [1-5]. Несмотря на то, что исследователи, использующие разные модели для функции поверхностного потенциала, дают различные результаты расчетов поверхностных электронных состояний, абсолютно все сходятся в том, что эти состояния отличны от объемных.
Поверхность кристалла - это не просто разрыв регулярности в атомной последовательности. Возникающее поверхностное натяжение создает неустойчивое состояние в поверхностном слое атомов [1—3]. Релаксация внешнего атомного слоя приводит к смещению атомов в последующих от поверхности слоях на глубине нескольких единиц и даже десятков атомных слоев [3].
Изменения в поверхностных слоях (по сравнению с объемными состояниями) могут вызвать механические напряжения, которые приведут к растрескиванию кристалла, что в наибольшей степени будет проявляться в кристаллах с весьма совершенной спайностью, таких как слюды или другие слоистые силикаты, у которых время релаксации процессов на ювенильных поверхностях достигает 45 минут [6].
1 e-mail: [email protected]
2. Структура кристаллов Т11п(8, ве)
В данной работе исследовался кристалл системы Т11п(8, Яе), который относится к полупроводникам типа Т1АВ2, где А - Те, Са, 1п; В - Яе, Я, Те. Эти полупроводники имеют несколько устойчивых модификаций, причем ТПпЯег, ТЮаТег, ТПпТег характеризуются цепочечной структурой, а ТЮаЯег, ТПпЯг, ТЮаЯг имеют достаточно выраженную слоистую структуру [7]. Связь между отдельными слоями-блоками осуществляется через плоскость, в которой силы межатомного взаимодействия значительно слабее, чем в пределах блока. При расколе кристалла именно эти плоскости формируют наибольшую по площади грань кристалла, что и определяет совершенную спайность кристаллов Т11п(8, Яе).
В то же время необходимо учитывать, что структура кристаллов ТПпВ 2 (В - Я и Яе) сформирована из тетраэдров типа Т1В 2 и 1пВ 2 , которые сопряжены своими вершинами и могут разворачиваться относительно друг друга так, что может формироваться либо слоистая, либо цепочечная (относительно атомов Т1 и 1п) структура. При этом цепочечные кристаллы ТПпЯе 2 описываются пространственной группой 14/тст с параметрами ячейки а = 8,075(3)А, с=6,847(4)А, тогда как в решетке слоистого ТПпЯ 2 угол от-
48
В. А. Лиопо, А.Н. Сенько*, А.У. Шелег*, Н.А. Дав летки ль деев, Н.А. Семиколенова *
личается от 90° примерно на 10' [7], а параметры ячейки становятся равными а=7,768А, с=7,501 А. В кристаллах с составом TlIn(S, Se) возможна комбинация тетраэдров различных типов, которые, вероятно, размещены статистически. В любом случае структура кристалла TlIn(S 2-х 8еж), где 0 < х < 2, может отличаться от указанных выше, а главное — в ней возникают напряжения, связанные с искажением структурных тетраэдров ввиду различий их размеров. Кристаллы системы TlIn(S, Se) отличаются структурой межслоевого промежутка от структуры аналогичного слоя в кристаллах слоистых силикатов как наиболее типичных примеров кристаллов с весьма совершенной спайностью. В силикатах поверхность отдельного блока, а следовательно, и поверхность скола сформирована из граней структурных тетраэдров, тогда как в TlIn(S, Se) на эти грани выходят ребра этих полиэдров, что делает их более подвижными в поверхностном слое при расколе кристалла.
3. Исследование ювенильных поверхностей TlIn(S, Se) методом атомно-силовой микроскопии
В работе исследованы кристаллы с переменными составами TlIn(S2-a; Se^) при ж=0; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,2. Рентгенодифрактометрические исследования показали соответствие структуры кристаллов литературным данным. Изучение динамики поверхностных процессов проведено методом атомно-силовой микроскопии (АСМ). Изображения поверхности получены от одних и тех же участков через фиксированные временные интервалы, причем первый снимок получен не более чем через 40 секунд после раскола кристалла, обнажающего ювенильную поверхность спайности.
Наряду с адсорбционными процессами и выделением вещества из внутренних областей кристалла через микротрещины, описанными в работе [6], наблюдались процессы, обусловленные релаксацией напряжений в поверхностном слое. Эта поверхность создана из граней структурных тетраэдров, которые могут разворачиваться вокруг осей, параллельных поверхности, что может привести к гофрировке (рис. 1).
Отметим, что во всех случаях линейные размеры «волн гофрировки» существенно превышают атомные, что подтверждает представление о том, что даже отдельный точечный дефект приводит к искажению структуры в достаточно большом (по сравнению с объемом отдельного дефекта) объеме кристалла.
Наряду с гофрировкой на ювенильной поверхности кристаллов возможны обратимые процес-
в г
Рис. 1. АСМ-изображение ювенильной поверхности кристалла Т11п(8, Эе): а — после раскола; б, в, г — через 3, 10, 20 минут соответственно; площадь сканирования 25 х 25 мкм2
а б в
Рис. 2. Динамика изменения возбуждений на ювенильной поверхности Т11п(8, Эе): а — после скола; б, в, — через 15 и 30 минут соответственно; размер поля 25 х 25 мкм2
сы, когда поверхность возвращается в состояние «после скола» (рис. 2), причем последующих изменений поверхностной структуры не наблюдается. Другими словами, поверхностный потенциал, возникший после скола, осуществил одноактное изменение и затем перешел к первоначальному состоянию.
Указанные процессы наблюдаются при исследовании кристаллов Т11п(8, Эе) разного состава, но каких-либо зависимостей хода этих процессов от состава кристаллов не обнаружено.
В слоистых кристаллах со спайностью связи между слоями слабее, чем в пределах самих слоев. При расколе механические воздействия могут нарушить межатомные связи в структуре по плоскостям, расположенным от поверхности на расстоянии нескольких атомных слоев. В этом случае происходит образование двух поверхностей Р\ и Р2 (рис. 3). Поверхностное натяжение для поверхности Р\ больше, чем для Р2. В этом случае отщепленная чешуйка свернется в трубку.
АСМ-изучение морфологии ювенильной поверхности монокристаллов системы TlIn(S, Se)
49
Рис. 3. Динамика изменения возбуждений на ювенильной поверхности Т11п(8, Яе): а - после скола; б, в, - через 15 и 30 минут соответственно; размер поля 25 х 25 мкм2
А Нк
а б
Рис. 4. Трубчатая структура на ювенильной поверхности: плоское (а) и объемное (б) изображения. Размер поля 25 х 25 мкм2
Отметим, что структуры такого типа были обнаружены на ювенильных поверхностях многих слоистых силикатов, хотя механизм их образования не рассматривался. Очень часто эти трубчатые, или червеобразные, структуры наблюдались на сколах слоистых силикатов с составом (Mg.Ee, А1)(8;4-жА1ж)-О10(ОН)2-4Н2О,что даже нашло отражение в их названии «вермикулиты» (от итал. уепшси1о - червячок). Именно такие структуры были обнаружены нами на ювенильных поверхностях исследуемых кристаллов (рис. 4).
На плоском изображении (рис. 4а) эта структура просматривается как царапина или трещина. Ее «истинное» строение видно на объемном снимке (рис. 46). Структуры аналогичного типа встречаются нечасто. Нами было исследовано 38 сколов кристаллов, структуры такого типа обнаружены только в трех случаях, причем никаких изменений со временем в них обнаружено не было. Следовательно, для кристаллов Т11п(8, Яе) необходимо выполнение определенных условий, связанных с дефектностью, могущих привести к процессу, иллюстрируемому рис. 3.
ниям поверхностного потенциала в пределах одной и той же ювенильной поверхности, что объясняет проявление различных поверхностных динамических процессов.
В кристаллах, у которых на плоскости спайности выходят структурные тетраэдры, динамика процессов на их ювенильных поверхностях проходит одинаково, независимо от того, выходят на эту поверхность грани или ребра этих структурных полиэдров.
В кристаллах системы Т11п(8, Яе) на ювенильных поверхностях протекают динамические процессы, связанные с необратимым процессом гофрировки, а также с обратимым изменением потенциала поверхности.
Время релаксации динамических процессов на ювенильной поверхности кристалла Т11п(8, Яе) может достигать 4-5 минут.
Для кристаллов Т11п(8 2-х 8еж ) при 0 < х < 2 корреляции между характером протекания динамических процессов на ювенильных поверхностях и составом не обнаружено.
На ювенильных поверхностях кристаллов Т11п(8, Яе) возможно возникновение трубчатых структур с характерным диаметром ~ 7 мкм.
[1] Волъкепштейп Ф. Ф. Электронные процессы на поверхности полупроводников при хемосорбции. М.: Наука, 1987. 431 с.
[2] Джейкок М., Парфит Дж. Химия поверхности раздела фаз. М.: Мир, 1984. 269 с.
[3] Дункен X., Лыгин В. Квантовая химия адсорбции на поверхности твердых тел. М.: Мир, 1980. 202 с.
[4] Fortsmann F. Quantum Theory at Surfaces and Interfaces // Theory of imperfect crystalline Sol-ids. IAEA. Vienna, 1971. 511 p.
[5] Ferrer о M., Van der Merwe A. New developments on fundamental problems in quantum physics. Univ. of Denver. CO USA, 1997. 468 p.
[6] JIuono B.A., Шелег А.У., С'енько А.Ф., Kapmae-цее А.В. Исследование динамики изменения ювенильных поверхностей 7-облученных и необлу-ченных полупроводниковых кристаллов. ВИТТ-99. Минск: НАНБ, 1999. С. 127-129.
[7] Алиев В.А. Реальная структура, фотоэлектрические явления и фазовые превращения в кристаллах TIA3B2: Дис. ... д-ра физ.-мат. наук. Баку:. ИФ АМАР, 1996. 296 с.
4. Выводы
На основании выполненных исследований можно сделать следующие выводы.
Наличие структурных дефектов различного типа приводит к различным локальным измене-
