Способ определения энергии двумерных электронных зон субмонослойной пленки щелочного или щелочно-земельного металла на металлической подложке Советский патент 1991 года по МПК H01L21/66 

Изобретение относится к метрологии электрофизических параметров твердого теле а именно к гпогобам определения

энергии электронных состояний пленочных металлических покрытий, и может быть использовано при контроле иежфазных границ при выращивании много слойных пленочных структур в эпек-tpo- нике, в том Зисле при изготовлении фотоприемников и т.д., а также для расширения методов спектроскопии поверхности и в функциональных исследованиях в области физики поверхности.

Целью изобретения является повышение точности и чувствительности при одновременном его упрощении. I i На фиг.1 представлена схема установки, реализующей предлагаемый способ; на фиг.2 представлена ориентация электрического вектора с при различ- HtijK поляризациях возбуждающего фото- эмиссию излучения по отношению к поверхности образца; на фиг.З показана схема фотоэмиссионного процесса при облучении пленки поляризованным све- том; на фиг.4 приведены эксперимент . тальные спектральные фотоэмиссионные зависимости; на фиг.З приведены спектральные зависимости отношений фото- эмиссионных токов, генерируемых излу- чением различной поляризации, при ра э яичлых степенях покрытия -пленки.

Установка для реализации способа, представленная на фиг., состоит из

куумной камеры 1 с оптическим ок- м 2 для ввода излучения в вакуум и гическим окном 3 для вывода излуче

в а но оп

ни из вакуума. В вакуумную камеру помещены металлическая подложка 4, изготовленная в виде пластины, и ис- точник 5 для нанесения на поверхность металлической подложки субмонослойной пленки щелочного или щелочноземельного металла. Последовательно источнику 6 видимого света установлены конденсор 7, монохроматор 8, осуществляющий изменение длины волны света, объектив 9, поляроид (поляризатор) 10. Собирающий коллектор 11, источник 12 положительного напряжения, электрометр 13 и металлическая подложка 4 образуют электрическую цепь, в которой измеряется интегральный фото- эмиссионный ток.

Кривые 14, 15 - спектральные зависимости фотоэмиссионного тока 1(Д),1р(Л) при облучении излучени- ем с з-и р-поляризацией соответственно для субмонослойной пленки со степенью покрытия 9П.

Кривые 16, 17 - спектральные з.чпи- симости фотоэмиссионного тока Ig(A), 1р(Л) при облучении излучением с s и р-поляризацией соответственно дня

субмонослойной пленки со степенью покрытия 6 г.

Кривые , 19 - спектральные зави- симости отношений IpO)/IjGl) и 1р(Я)/15(Л) соответственно.

Пример. Определяют энергию ЕЈ двумерных электронных зон субмонослойной пленки щелочного металла цезия Сз на металлической подложке вольфрама W(110). Подложку W(110) готовят в виде круглой пластины диаметром 1 10 м и толщиной 3.-10-4 м. Перед установкой в камеру подложку изолируют механически и электролитически. Подложку W(1I0) помещают в вакуумную камеру, в которой поддерживают давление менее 1 -1СГ Па. Получение атомарно-чистой поверхности подложки достигается стандартной процедурой прогрева.

Для системы Сз - W (110) величина, степени покрытия 0 субмонослойной

i

пленки Сз на подложке W состав- ляет 0,6. Поэтому на первой стадии нанесения планки напыляют субмоно- слойную пленку Cs со степенью покрытия (, 0,6, которой соответствует

V.

5

0

5

кр

0

5

красная граница фотоэффекта 800 нм.

На субмонослойнук пленку, нанесенную на W (110), фокусируют монохроматический свет видимой спектральной области интенсивностью /1-10 Вт/см , полученный с помощью монохроматрра 8 от источника 6 видимого света. С помощью поляроида 10 осуществляют поляризацию электрического вектора излучения в плоскости падения облучения (выделяют излучение р-поляризации). Длину волны монохроматического света изменяют в пределах от L,3 800 км до длины волны видимого света Л « 400 нм. Линейная дисперсия монохрЬ- матора равна 2 нм/мм, что при ширине щелей монохроматора, равных 1 мм, позволяет использовать для облучения пленки участок указанного спектра шириной PAi 2 нм. Погрешность измерения длины волны монохроматического света составляет с/М, 0,05 нм. Облучение пленки светом осуществляют под углом 45°, Так как угол Брюстера v. для этой системы в видимой области спектра равен (ър 78°.

Интегральный фотоэмиссионный ток регистрируют в цепи подложка 4 с пленкой - собирающий коллектор - электрометр 13. Подложку 4 заземляют, на со5I

бирающин коллектор 1 1 подают напрячсе ние + 25 В от источника постоянного тока. Погрешность измерения тока составляет Г1 2 -1C)-14 Л.

При кажлом значении Д, меняя длину волны А в интервале им, измеряют величину интегрального фотоэмиссионного тока Т (Л).

Затем при помощи поляроида 10 осу ществляют поворот плоскости поляризации на 90° и вновь, менял длину волны А в интервале Л Ј 800 нм, при каждом значении А измеряют величину интегрального фотоэмнссионного тока

1(А).

На второй стадии нанесения пленки величина степени покрытия была доведена до значения 6 0,9, лежащего в интервале 0,.

Красная граница фотоэффекта пленки Cs со степенью покрытия 0i 0,9 сос

тавляет

кр689 нм.

После второй стадии нанесения пленки Cs на нее повторно фокусируют монохроматический свет видимой спектральной области. Меняя длину волны Л в интервале А Ј 689 нм, при каждом значении А изменяют величину интегрального фотоэмиссионного тока I (Д) (фиг.4).

Затем при помощи поляроида осуществляют поворот плоскости поляризации излучения на 90° и вновь, меняя длину волны А в интервале А .Ј689 нм, при каждом значении А измеряют величину интегрального фотоэмиссионного тока 15М (фиг.4).

По измеренным зависимостям 11(Л) и Ij(A) вычисляют отношение l f(A)/I s() и определяют положение его спектрального максимума 471 нм (фиг.5)

По измеренным зависимостям 1р(Л) и 1(А) вычисляют отношение 1р(Л)/15(А) И определяют положение его спектральных максимумов (С 626 нм, 585 нм, А(ке - 429 нм (фиг.5).

Искомые величины Е . определяются и

(J

Г.

-) при

f

условии

Е ; Е

де Et hc(-Л

1

I

-),

,

дц «КС Л кр

h - постоянная Планка; с - скорость света; i - номер спектрального максимума зависимости Iг(Л)/1 $(Л);

2,1/4; hc(

j t

УИЯСС

0,32 эВ; К,

) 0,182 эВ; кр

1,09 эВ.

Для проверки условия Е- # Е, вычисляют Е. :

Е, - hc(

л ,

1

Е .

м«к Поскольку Е

J

Л

-) - 1,09 эВ.

V

то значение

- 1,09 эВ не является истинным значением энергии :двумерной электронной 5 зоны субмонослойной пленки Cs.

Таким образом, определены следующие искомые значения энергий двумерных электронных зон субмоиослойной пленки Cs на металлической подложке W (110) относительно уровня Ферми пленки (фиг.З).

Et 0,182 эВ

Е , 0,320 эВ .

25

Относительная ошибка определения

и Е3 составляет

/Е, ГЕ,

.т - , г: -

;

21 7 , I А ,

30

Е.

Абсолютная погрешность определения и Е. равна

5

0

5

0

5

Е г 0,0 эй; ЕЭ 0,007 эВ .

Точность определения величины EJ в прототипе 50%.

Таким образом, способ согласно изобретению по сравнению с прототипом обеспечивает повышение точности определения, энергии двумерных электронных зон субмонослойнон пленки щелочного или щелочно-земельного металла на металлической подложке.

В способе производится регистрация всех фотоэмиттированных электронов, тогда как в прототипе доля собираемых электронов составляет 10% и определяс ется узким телесным углом.

Таким образом, чувствительность способа превышает чувствительность способа-прототипа.

Преимуществом изобретения является

простота и доступность источников видимого света и возможность получения заданной поляризации излучения для возбуждения фотоэмиссии по сравнению с ультрафиолетовым излучением. Кроме того, для способа не тр бутся сложного регистрирующего устрлигтпа типа энергоанализатора электронов, которое

усложняет процедуру эксперимента, значительно упрощается математическая обработка экспериментальных результатов.

Формула изобретения

Способ определения энергии двумерных электронных зон субмонослойной пленки щелочного или щелрчно-земель- ного металла на металлической подложке, включающий получение атомарно- чистой . поверхности подложки в условиях вакуума, нанесение на нее упомянутой пленки со степенью покрытия 9 , лежащей в интервале 9,4 , где 0, - степень покрытия, соответствующая минимуму работы выхода йодложки с пленкой, облучение пленки монохррматичес- кйм излучением под углом , лежащим

в интервале 0 7 3 бр где УБ угол Брюстера, с поляризацией элекрическог го вектора излучения в плоскости падения излучения, измерение фотоэмиссионного тока и определение искомой величины расчетным путем, отлит чающийся тем, что, с целью повышения точности и чувствительности способа при одновременном его упрощении, упомянутую.пленку наносят в две стадии, на первой из которых наносят пленку со степень покрытия 0, а на

второй доводят степень покрытия до

значения

et f. i

Qt, лежащего в интервале 6, после первой стадии нанесе0

. Q

5 Q

ния пленки ее облучают излучением видимой спектральной области, меняя длину волны А в интервале (К , где А - красная граница фотоэффекта пленки со степенью покрытия 9f, при каждом значении Л измеряют величину интегрального фотоэмиссионного тока I -U) поворачивают плоскость поляризации излучением на 90°, вновь менялу длину волны Д в интервале Л Д кр, при каждом значении А измеряют величину интегрального фотоэмиссионного тока (/0, после второй стадии нан.е- сения пленки повторяют её облучение и измерение величин интегральных фотоэмиссионных токов 1р(Я) и 1,(Л) при тех же условиях поляризации излучения, меняя при этом длину волны д в интер- вале А4АКР, где Акр- красная грани- v

HF

ца фотоэффекта пленки со степенью рытия $j, вычисляют отношение 1р(/1)/ /Ij(A), „находят положение его спектрального максимума А мвкс , вычисляют отношение 1р(А)/1$(Л), находят положение его спектральных максимумов м«ке н энергию двумерных электронных зон относительно уровня Ферми пленки определяют из соотношения

Ч

hc(Л«

---} при условии

Л«ц ,

fi ehc(« ),/

Л MQikfe - Vf h - постоянная Планка;, с - скорость - света.

маке Е .Ер где

Изобретение относится к метрологии электрофизических параметров твердых теп, а именно к способам определения энергии электронных состояний пленочных металлических покрытий. Цель изобретения - повышение точное ти и чувствительности при одновременном его упрощении. Способ включает получение атомарно-чистой поверхности подложки в условиях вакуума, нанесение на нее пленки щелочного или щелочноземельного метапла со степенью покрытия в, лежащей в интервале 6,Ј , где 01- степень покрытия, соответствующая минимуму работы выхода подложки с пленкой, облучение плен-. ки монохроматическим излучением под углом -vi, лежащим в интервале 0 v , где Tgp угол Брюстера, с поляризацией электрического вектора излучения в плоскости падения излучения. Упомянутую пленку наносят в две стадии, на первой - со степенью покрытия 0,, а на второй - до значения 6t, тцегЬ в интервале Q Qt$lt после первой стадии нанесения пленки ее облучают излучением в видимой спектральной области при разных режимах поляризации и измеряют величины интеграль-о ного фотоэмиссионного тока для разной поляризации облучаемого света I (Л)и /Л 1(Л). После второй стадии нанесения пленки повторяют ее облучение и измерение величин интегральных фотоэмис- сионных токов 1р (Л) и Is (Л) при тех Н же условиях поляризации излучения. Вычисляют отношение 1р(Д)/15(Л) .находят положение его спектральных максимумов Л к. и энергии двумерных электронных зон относительно уровня Ферми пленки определяют из соотношемякс / цр) Рн услония Е; ЬсО/Лмякс- /Л вин ,, где Е, he (,); h - постоянная Планка; с - скорость света; и кр красная граница фотоэффекта пленки со степенью покрытия 9j. 5 ил. У1 ;л 30 4 Л

7J

10 2

Фиъ,1

С Шф

ттибоц

O.W3

9Пф

ОУНМЦ

имщоц

ЈV8SЈSr

t з

2

1

17

400

see

Ifx/ftV) 5

Ю

400

дОО

3,0 1,В &6 М Z2 Zff 1,8

Фиг. 5

Фиг Л

Я,г

itiJ №

ЛНОКС

600

700

BOO

Ј,