CC BY
31
Список использованной литературы
1. Беллами Л. Инфракрасные спектры молекул / Л. Беллами //М.: Изд-во иностр. лит., 1957. - 444 с.
МИКРОДИФРАКЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИПОВЕРХНОСТНОЙ ОБЛАСТИ НАНОГЕТЕРОСТРУКТУР AIIIBV- A2IПB3VI, ПОЛУЧЕННЫХ ОБРАБОТКОЙ В ПАРАХ СЕЛЕНА
С. В. Кузубов, к. ф.-м. н.
А. Б. Плаксицкий, к. ф.-м. н.
А. С. Мальцев, к. т. н.
Воронежский институт ГПС МЧС России, г. Воронеж
В данной работе проводились электронно-микроскопических микродифракционных исследований экспериментальных образцов наногетероструктур АШВУ-А2ШВ3У1 (GaAs - Ga2Seз).
После отжига поверхности GaAs (100) в парах селена в течение 1 минуты при температуре подложки 603К на микродифракционном изображении проявляются сверхструктурные рефлексы hkl={013}, {033}. Появление таких рефлексов свидетельствует об удвоении периода в реальном пространстве в обоих направлениях <110> (рис. 1).
а) б)
Рис. 1. Микродифракционное изображение поверхности ОяАб (100), обработанной в парах селена в течение 1 минуты, Тп = 603К (а), и соответствующая ей схема (б), где 1 - основные рефлексы, 2 - сверхструктурные рефлексы
Данные рефлексы для ГЦК решётки арсенида галлия запрещены, так как структурный фактор этих отражений равен нулю и, следовательно, брэгговское отражение не происходит. На представленном микродифракционном изобра-
жении отражения {011} визуально не проявляются ввиду их малой относительной интенсивности. Известно [1], что наличие сверхструктурных рефлексов (суперрефлексов) свидетельствует об образовании на поверхности сверхструктуры, упорядоченной каким-либо образом. Микродифракционное изображении на рис. 1 с учётом сверхструктурных рефлексов представляет собой типичную реконструкции с (2Х2). Поскольку сверхструктурные рефлексы hkl={011}, {013}, {033} запрещены и отсутствуют на микродифракционном изображении исходной поверхности GaAs (100), то их появление можно объяснить образованием новой упорядоченной фазы. Ранее установлено, что после отжига GaAs в парах селена на поверхности образуется селенид галлия a-Ga2Se3, который является изоэлектронным аналогом GaAs и также кристаллизуется в решётке сфалерита. Тогда систему сверхструктурных рефлексов можно отнести к слою наноразмерной толщины образовавшейся фазы a-Ga2Se3(100), которая должна быть реконструирована по типу с (2Х2). При этом экспериментальные значения d в решетке соединения a-Ga2Se3 ближе к табличным значениям для GaAs, чем к соответствующим значениям для a-Ga2Se3. Это является следствием псевдоморфизма тонких слоёв А2ШВУ13 к подложке из арсенида галлия, так как исследуемые соединения (GaAs и Ga2Se3) кристаллизуются в решетке сфалерита и имеют близкие значения параметров кристаллических решеток (0,565 нм и 0,542 нм, соответственно).
На рис. 2 представлена вакансионная модель атомной структуры поверхности a-Ga2Se3(100) с (2*2) с упорядоченными вакансиями галлия, в которой лишь 1/4 (25 %) узлов катионной подрешётки вакантна, несмотря на то, что для объёмной фазы a-Ga2Se3 концентрация катионных вакансий составляет 33 %. Элементарная ячейка такой поверхности по геометрическим размерам соответствует элементарной ячейке реконструированной поверхности GaAs (100) с (2*2). При этом, если в ближайшем к границе раздела слое атомов мышьяка в GaAs (100) 1/4 узлов будет замещена на атомы селена, то структура такого слоя будет соответствовать реконструкции с (2*2) и определять соответствующее количество вакансий в последующем слое атомов галлия уже в Ga2Se3(100). Таким образом, реконструированная поверхность GaAs (100) с (2*2) создаёт условия для формирования фазы a-Ga2Se3(100) с (2*2) с 25 % упорядоченных вакансий галлия, которая в свою очередь стабилизирует данную реконструкцию, которая сохраняется на воздухе.
После отжига поверхности GaAs (100) в парах селена в течение 5 минут при температуре подложки 603 К на микродифракционном изображении, представленном на рис. 3, сверхструктурные рефлексы реконструкции с (2*2) в явном виде не наблюдаются, а проявляются новые дополнительные отражения соответствующие «видимым» кристаллографическим плоскостям (310) и (110).
Появление новых дополнительных отражений можно объяснить тем, что c увеличением длительности отжига возрастает концентрация атомов селена в приповерхностном слое и, следовательно, возрастает концентрация вакансий галлия с 25 % до 33 %, соответствующих объёмной фазе a-Ga2Se3 с постоянной кристаллической решётки 0.541 нм и типом - F4 3m, что следует из анализа
микродифракционного изображения на рисунке 10.4 по Программе и методике экспериментальных исследований экспериментальных образцов наноструктур А2ШВ3У1-АШВУ и гетероструктур Ga2Se3-Si. В соответствии со стехиометрией в упорядоченной структуре объёмного Ga2Se3 2/3 атомов Se (тип 1) соседствуют с одной вакансией галлия, а 1/3 атомов Se (тип 2) - с двумя вакансиями галлия, то есть в селениде галлия существуют «различающиеся» атомы селена.
Рис. 2. Вакансионная модель атомной структуры поверхности а-0а28е3(100) с (2*2)
0
Рис. 3. Микродифракционное изображение поверхности GaAs (100), обработанной в парах селена в течение 5 минут при температуре подложки 603 К
На рис. 4 изображена атомная поверхность а^а^е3(100) с 33 % вакансий галлия, представляющая собой формальную реконструкцию (2*3) без дальнего порядка. Именно на такой поверхности существует 2/3 атомов Se первого типа и 1/3 - второго типа. Атомы селена второго типа смещаются (релаксируют) от двух ближайших вакансий галлия вдоль направления [010] на 0,825 А и тем самым, образуют дополнительные межплоскостные расстояния dlll, d220. Тогда в рамках вакансионной модели можно объяснить появление дополнительных рефлексов {111}, {220} на микродифракционном изображении (рис. 3) релаксацией атомов селена второго типа в слое Ga2Se3(100), растущем в направлении
[100], параллельном направлению ориентации подложки GaAs (100). Увеличение концентрации селена в свою очередь приводит к возрастанию концентрации вакансий галлия до 33,3 %. Поэтому изменение периода идентичности может быть связано с релаксацией в анионной подрешётке слоя халькогенида галлия Ga2Se3(100), содержащего уже 33,3 % стехиометрических вакансий галлия.
Рис. 4. Вакансионной модель атомной структуры поверхности Ga2Se3(100) со стехиометрическими вакансиями галлия
Таким образом, электронно-микроскопическим исследованием гетерост-руктур GaAs (100)^а^е3 установлена последовательность структурных превращений поверхности GaAs (100) при обработке в парах селена. Происходящая при этом, реакция гетеровалентного замещения в анионной подрешётке приводит к первоначальной реконструкции поверхности GaAs (100) по типу с (2^2) и образованию фазы Ga2Se3(100) с 25 % упорядоченных вакансий галлия. Следующим этапом структурно-фазовых превращений является релаксация анионной подрешётки селенида галлия, вследствие чего на электронограммах проявляются «псевдоплоскости» («квазиплоскости» или «видимые» плоскости) (110) и (310). Появление на элекронограммах дополнительных рефлексов соответствует образованию псевдоморфной к подложке фазы Ga2Se3(100) с 33 % неупорядоченных стехиометрических вакансий галлия. При увеличении времени обработки и температуры подложки, происходит перераспределение вакансий галлия в Ga2Se3, в результате чего образуется монокристаллическая фаза Ga2Se3(100) с неупорядоченными вакансиями галлия.
Список использованной литературы
1. Оура К. Введение в физику поверхности. / К. Оура, В. Г. Лифшиц, А. А. Саранин, А. В. Зотов, М. Катаяма - М.: Наука, 2006. - 490 с.
[010]
• - Са первый (верхний) слой О-ве второй слой
• - Оа третий слой I вакансия С а
