Использование Оже-электронной спектроскопии и спектроскопии характерных потерь энергии электронов для комплексного анализа двумерных покрытий и процесса их роста

Выявлены дополнительные возможности для комплексного анализа двумерных покрытий (толщиной <1 нм или <10 ML), выращенных физическим осаждением в паровой фазе на подложке монокристаллического кремния. Рост покрытий проводили при двух режимах осаждения: низкотемпературном (при пониженной температуре пучка); и обычном (при повышенной температуре пучка). Покрытия, в том числе в виде чистого металла и силицидной смеси, и их границу раздела с подложкой анализировали методами Оже-электронной спектроскопии (ЭОС) и спектроскопии характерных потерь энергии электронов (СХПЭ). Для обеспечения обоих режимов осаждения, была разработана технология осаждения из ленточного источника. Традиционное использование ЭОС ограничено определением состава элементов, энергетической электронной структуры и толщины покрытия. А применение СХПЭ — определением типа фаз (по плотности валентных электронов) и стадий их образования. Одновременное использование обоих методов и выбор равной (и минимальной) глубины зондирования, ~2,5 нм (за счет установки энергии первичных электронов 300 эВ) обеспечили новые возможности для исследования субнанометровых и двумерных покрытий. В частности, стало возможным сопоставление состава покрытий и их плотности. Выбранная глубина зондирования позволила охватить также их границу раздела. При этом одинаковая глубина зондирования дала возможность использовать толщину покрытия, полученную из данных ЭОС, для анализа данных СХПЭ. Рассмотрены зависимости: а) энергии плазмонного сателлита Оже-пика в зависимости от толщины покрытия для анализа изменений электронной плотности в приграничном слое кремния; б) затухания Оже-сигнала, генерируемого маркерными атомами на границе раздела между покрытием и подложкой, для локализации мест адсорбции осажденных атомов; в) интенсивности и энергии пиков потерь в спектрах СХПЭ от энергии первичных электронов для профилирования состава покрытий по глубине. Использование двух функций затухания по глубине для двух глубин зондирования сделало возможным количественный Оже-анализ неоднородных по толщине покрытий. Все это позволило более полно охарактеризовать как сами двумерные покрытия, так и приграничный слой подложки, а также процессы их образования. В частности, впервые идентифицирован смачивающий нанофазный слой металла на кремниевой подложке, исследован процесс его образования и показано, как его состав зависит от режимов парофазного физического осаждения.

же-электронная спектроскопия, спектроскопия характерных потерь энергии электронов, двумерные покрытия, смачивающий нанофазный слой, количественный Оже-анализ, локализация мест адсорбции, металл, силицид, кремний

1. Fiori G., Bonaccorso F., Iannaccone G., Palacios T., Neumaier D., Seabaugh A., Banerjee S. K., Colombo L. Electronics based on two-dimensional materials // Nature Nanotechnology. 2014. V. 9. P. 768—779. DOI:10.1038/nnano.2014.207

2. Gruznev D. V., Zotov A. V., Saranin A. A. One-atom-layer compounds on silicon and germanium // Jpn. J. Appl. Phys. 2017. V. 56, N 8S1. P. 08LA01. DOI: 10.7567/JJAP.56.08LA01

3. Плюснин Н. И. Металлические нанопленки на монокристаллическом кремнии: рост, свойства и применения // Известия вузов. Материалы электронной техники. 2015. Т. 18, № 2. С. 81—94. DOI: 10.17073/1609-3577-2015-2-81-94

4. Plusnin N. I. Atomic-scale AES-EELS analysis of structure-phase state and growth mechanism of layered nanostructures // Advances in Materials Physics and Chemistry. 2016. V. 6, N. 7. P. 195—210. DOI: 10.4236/ampc.2016.67020

5. Methods and phenomena: their applications in science and technology. V. 1: Methods of surface analysis / Ed. by A. W. Czanderna. Amsterdam; Oxford; New York; Tokyo: Elsevier, 1975. 480 p. DOI: 10.1016/B978-0-444-41344-4.50004-5

6. Lüth H. Solid surfaces, interfaces and thin films. V. 4. Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag, 2001. 589 p. DOI: 10.1007/978-3-662-04352-3

7. Topics in current physics. V. 4: Electron spectroscopy for surface analysis / Ed. by H. Ibach. Berlin; New York: Springer-Verlag, 1977. 255 p.

8. Brillson L. J. The structure and properties of metal-semiconductor interfaces // Surface Sci. Rep. 1982. V. 2, N 2. P. 123—326. DOI: 10.1016/0167-5729(82)90001-2

9. Palmberg P. W. Quantitative Auger electron spectroscopy using elemental sensitivity factors // J. Vacuum Science & Technology. 1976. V. 13, N 1. P. 214—218. DOI: 10.1116/1.568853

10. Practical surface analysis. Auger and x-ray photoelectron spectroscopy / Ed. by D. Briggs, M. P. Seah. Chichester; New York: John Wiley & Sons Ltd., 1983. 548 p.

11. Honig R. E. Surface and thin film analysis of semiconductor materials // Thin Solid Films. 1976. V. 31, Iss. 1–2. P. 89—122. DOI: 10.1016/0040-6090(76)90356-4

12. Briggs D., Grant J. T. Surface analysis by Auger and x-ray photoelectron spectroscopy. Chichester: IM Publications and Surface Spectra Limited, 2003. 840 p.

13. Transmission electron energy loss spectrometry in materials science and the EELS Atlas / Ed. by C. C. Ahn. Weinheim: Wiley-VCH, 2004. 457 p. DOI: 10.1002/3527605495

14. Howe J. M., Oleshko V. P. Application of valence electron energy-loss spectroscopy and plasmon energy mapping for determining material properties at the nanoscale // J. Electron Microscopy. 2004. V. 53, N 4. P. 339—351. DOI: 10.1093/jmicro/dfh044

15. Menyhard M., Konkol A., Gergely G., Barna A. Development in Auger depth profiling technique // J. Electron Spectroscopy and Related Phenomena. 1994. V. 68, Iss. C. P. 653—657. DOI: 10.1016/0368-2048(94)80028-6

16. Паршин А. С., Александрова Г. А., Долбак А. Е., Пчеляков О. П., Ольшанецкий Б. З., Овчинников С. Г., Кущенков С. А. Спектроскопия характеристических потерь энергии отраженных электронов в тонких пленках системы FexSi1-x // Письма в журнал технической физики. 2008. Т. 34, Вып. 9. С. 41—48.

17. Lifshits V. G., Saranin A. A., Zotov A. V. Surface phases on silicon: preparation, structures, and properties. Chichester (UK): Wiley, 1994. 462 p.

18. Wiesendanger R. Scanning probe microscopy and spectroscopy: methods and applications. Cambridge: Cambridge University Press, 1994. 637 p.

19. Linsmeier Ch. Auger electron spectroscopy // Vacuum. 1994. V. 45, N 6–7. P. 673—690. DOI: 10.1016/0042-207X(94)90108-2

20. Moretti G. X-Ray photoelectron and auger electron spectroscopy // Handbook of Heterogeneous Catalysis. Pt 3. Characterization of Solid Catalysts. 3.2. Chemical Properties. 3.2.3. Valence States. Weinheim: Wiley-VCH Verlag, 2008. P. 1029—1039. DOI: 10.1002/9783527610044.hetcat0052

21. Egerton R. F. Electron energy-loss spectroscopy in the electron microscope. New York; Dordrecht; Heidelberg; London: Springer Science & Business Media, 2011. 491 p.

22. Лифшиц В. Г., Луняков Ю. В. Спектры ХПЭЭ поверхностных фаз на кремнии. Владивосток: Дальнаука, 2004. 314 c.

23. Plusnin N. I. Application of AES and EELS for surface/interface characterization // J. Electron Spectroscopy and Related Phenomena. 2004. V. 137–140. P. 161—164. DOI: 10.1016/j.elspec.2004.02.091

24. Plusnin N. I., Milenin A. P., Iliyashenko B. M., Lifshits V. G. Elevated rate growth of nanolayers of Cr and CrSi2 on Si(111) // Phys. Low-Dim. Struct. 2002. V. 9–10. P. 129—146.

25. Plusnin N. I., Galkin N. G., Lifshits V. G., Lobachev S. A. Formation of interfaces and templates in the Si(111)-Cr system // Surf. Rev. Lett. 1995. V. 2, Iss. 4. P. 439—449. DOI: 10.1142/S0218625X9500039X

26. Plusnin N. I., Il’yashenko V. M., Kitan S. A., Krylov S. V. Formation of Co ultrathin films on Si(111): growth mechanisms, electronic structure and transport // Appl. Surf. Sci. 2007. V. 253, Iss. 17. P. 7225—7229. DOI: 10.1016/j.apsusc.2007.03.001

27. Плюснин Н. И., Ильященко В. М., Китань С. А., Тарима Н. А., Структурно-фазовые превращения на начальных стадиях конденсации меди на Si(001) // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2011. № 8. C. 29—40.

28. Плюснин Н. И., Ильященко В. М., Усачев П. А., Павлов В. В. Рост на подложке Si(100)2×1, структурные и магнитные свойства структур на основе нанослоев Fe, Co и Cu // Журн. техн. физики. 2015. Т. 85, Вып. 10. С. 87—93.

29. Wallart X., Zeng H. S., Nys J. P., Delmai G. Electron spectroscopy study of the Fe/Si (111) interface formation and reactivity upon annealing // Appl. Surf. Sci. 1992. V. 56–58, Pt 1. P. 427—433. DOI: 10.1016/0169-4332(92)90265-Y

30. Colavita E., De Crescenzi M., Papagno L., Scarmozzino R., Caputi L. S., RoseiR., Tosatti E. Single-particle and collective excitations in ferromagnetic iron from electron-energy-loss spectroscopy // Phys. Rev. B. 1982. V. 25. P. 2490—2502. DOI: 10.1103/PhysRevB.25.2490