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.

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