Книги по разным темам
Pages: | 1 | 2 | Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 1 Структура интерфейсов многослойных систем в спектрах зеркального рассеяния рентгеновского излучения й В.П. Романов, С.В. Уздин, В.М. Уздин, С.В. Ульянов, Научно-исследовательский институт им. В.А. Фока, Санкт-Петербургского государственного университета, 198904 Санкт-Петербург, Петергоф, Россия Санкт-Петербургский государственный университет, 199178 Санкт-Петербург, Россия Санкт-Петербургский торгово-экономический институт, 194021 Санкт-Петербург, Россия E-mail: v.romanov@pobox.spbu.ru, serge@vu1864.spb.edu, uzdin@icape.nw.ru, ulyanov@infos.ru (Поступила в Редакцию 9 марта 2005 г.) Исследовано влияние пространственной структуры интерфейса в многослойных металлических пленках на форму спектра зеркального рассеяния рентгеновского излучения. Рассмотрено два типа структурных дефектов на интерфейсе Ч ступеньки, приводящие к переменной толщине слоев, и перемешивание атомов разных металлов в процессе эпитаксиального роста. Показано, что эти механизмы по-разному проявляются в спектрах зеркального рассеяния. Вследствие перемешивания заметно снижаются высоты брэгговских пиков, особенно высоких порядков. Шероховатости интерфейса приводят к уширению брэгговских пиков и исчезновению промежуточных пиков между ними.Работа частично поддержана грантами ИНТАС 01-0386, 03-51-4778 и Российского фонда фундаментальных исследований 04-02-16024.
PACS: 73.21.Ac, 78.70.Ck 1. Введение ся рентгеновская спектроскопия. Рентгеновские спектры, измеренные при скользящих углах падения, испольИсследование искусственных слоистых наноструктур, зуются для определения геометрических параметров состоящих из различных химических элементов, откры- многослойных систем; по ним судят и о гладкости грало область физики, объединяющую фундаментальную ниц раздела [2Ц5]. Однако однозначное восстановление науку с новейшими технологиями и промышленными атомной структуры интерфейса по данным рентгеноприложениями. Так, обнаружение антиферромагнитной скопии оказывается невыполнимой задачей и требует обменной связи и гигантского магнетосопротивления модельных представлений о шероховатости реального в металлических магнитных сверхрешетках не только интерфейса. Поэтому представляет интерес исследоваспособствовало развитию представлений о низкораз- ние вопроса о том, как проявляются различные типы мерном магнетизме, но и привело к созданию нового дефектов на интерфейсах в искажениях формы линий поколения запоминающих и считывающих устройств в зеркального рассеяния рентгеновского излучения. Иссовременных компьютерах [1]. При создании приборов следованию этого вопроса посвящена настоящая рабои устройств на основе многослойных систем особую та. В разделе 2 рассмотрены типичные особенности роль приобретает контроль качества интерфейсов, по- неидеальных интерфейсов Ч ступеньки на границе, скольку он в значительной степени определяет их приводящие к переменной толщине слоев, и перемемагнитные и транспортные свойства. Перемешивание шивание атомов в процессе роста образца, которое атомов, ступеньки и островки на интерфейсах невоз- ведет к образованию сплава и размыванию интерфейса.
можно исключить в процессе эпитаксиального роста. Для перемешивания предложена модель, предполагаюВ то же время такие дефекты могут привести и к щая ДвсплываниеУ атомов в процессе эпитаксиального улучшению используемых характеристик наноструктур роста и формирование асимметричного профиля конили формированию новых свойств, полезных для прак- центрации компонент с обеих сторон от интерфейса.
тических приложений. Определение шероховатости ин- В разделах 3, 4 выводятся формулы, описывающие спектерфейсов на атомном масштабе по данным различ- тры зеркального отражения рентгеновского излучения ных экспериментальных методик представляет собой в идеальной структуре и для каждого типа Днеидеважную задачу, которая пока не находит однозначного альногоУ интерфейса. Результаты численных расчетов решения.
при различных параметрах, характеризующих шерохоОдним из стандартных методов, применяемых для ватость интерфейсов, и их обсуждение приведены в контроля многослойных металлических систем, являет- разделах 5, 6.
Структура интерфейсов многослойных систем в спектрах зеркального рассеяния... 2. Пространственная структура при таком сценарии перемешивания. Обозначим через долю атомов в слое, которые обмениваются с атомами неидеального интерфейса подложки за время напыления этого слоя. Параметр может быть различным при нанесении атомов A на подЭпитаксиальный рост многослойной системы предложку B и атомов B на подложку A, но далее мы будем ставляет собой сложный процесс, зависящий от мнопренебрегать этим различием. Пусть очередной период жества факторов Ч типа химических элементов, темсверхрешетки, состоящий из n слоев элемента A и m пературы и гладкости подложки, скорости депозиции, элемента B, наносится на слой, в котором концентрации геометрии установки и др. Тем не менее можно выделить атомов A и B составляют x(0) и x (0) =1 - x(0) соотнесколько характерных типов дефектов, которые обычно A B A ветственно. До тех пор пока наносятся слои элемента A, имеют в виду, когда говорят о шероховатых интерфейсах на поверхности могут оказаться только атомы сорта B, металлических сверхрешеток.
поднявшиеся в результате обмена с вновь поступившими Первый тип дефектов Ч это ступеньки высотой в атомами A. Их концентрация x (k) к началу заполнения B несколько атомов на границе раздела слоев. Степень k + 1-го слоя (1 k n) дается формулой заполнения очередного слоя в металлических сверхре k k шетках обычно контролируется посредством измерения x (k) = x (0) = 1 - x(0).
B B A осцилляций коэффициента отражения быстрых электроПосле нанесения n слоев элемента A начинается напынов в процессе эпитаксиального роста. Однако даже если ление элемента B. Теперь для концентрации атомов A на такие осцилляции хорошо наблюдаемы и слои очередноповерхности заполненного k-слоя (n + 1 k n + m) го химического элемента начинают выращивать, когда имеем предыдущий слой максимально заполнен, ступеньки на k-n k-n n границе раздела все равно остаются. Будем считать, что x(k) = x(n) = 1 - 1 - x(0).
A A A характерные размеры ступенек в плоскости сверхрешетПотребовав выполнения условия x(n + m) =x(0), A A ки значительно превосходят их высоту. В этом случае получаем уравнение для определения концентраможно считать, что рентгеновское излучение отражается ции x(0). Учитывая, что в процессе эпитаксиального A на плоской границе, но толщины слоев в многослойной роста обмен атомов k-слоя происходит и когда этот системе различны и флуктуируют в зависимости от слой наносится на подложку, и когда он служит подкоординаты в плоскости сверхрешетки. Если размер ложкой при напылении k + 1 слоя, получаем следующие пятна рентгеновского излучения, падающего на образец, выражения для послойной концентрации элемента A в много больше размера ступенек, то падающее излучение сверхрешетке:
будет ДчувствоватьУ некоторое распределение слоев по m толщине. 1 - k xA(k) =1 - (1 - ) - k,n, 1 k n, n+m Другим типом дефектов является перемешивание ато1 - мов на интерфейсе, приводящее к образованию сплава n 1- k-n на границе раздела. Обычно такие дефекты характери- xA(k)= (1- ) + k,n+m, n k n + m, n+m 1- зуют толщиной переходной области. Однако последние (1) исследования [6Ц8] показали, что в большинстве металгде k,nЧ символ Кронекера.
ических сверхрешеток эта область неоднородна по концентрации, а профиль концентрации компонент сплава несимметричен относительно номинального интерфейса.
Остановимся на этом вопросе более подробно, поскольку игнорирование асимметрии интерфейса может привести к ошибочной интерпретации экспериментальных данных.
Одним из основных факторов, определяющих перемешивание на интерфейсе, является обмен адсорбированных атомов с атомами подложки. Исследования методом туннельной спектроскопии [9] показали, что в начальной стадии напыления атомов Cr на гладкую поверхность железа лишь один из четырех атомов остается на поверхности, в то время как остальные три внедряются в поверхностный слой железа. При напылении очередного слоя часть атомов подложки ДвсплываетУ на поверхность посредством такого обмена.
При дальнейшем росте образца атомы могут подниматьРис. 1. Зависимость доли атомов A в монослое от номера ся на несколько слоев вверх, но не могут опуститься монослоя при различных перемешиваниях. Бислой содержит глубоко вниз, поскольку там все места заняты. В резуль20 монослоев атомов A и 8 монослоев атомов B. Кружки, тате образуется асимметричный интерфейс. Выведем кресты и прямоугольники соответствуют значениям = 0.1, профиль концентрации компонент в сверхрешетке A/B 0.3 и 0.5.
10 Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 146 В.П. Романов, С.В. Уздин, В.М. Уздин, С.В. Ульянов Послойная концентрация элемента A при разных 3. Рассеяние рентгеновского значениях параметра представлена на рис. 1. Хаизлучения на идеальных рактерной особенностью этого распределения является интерфейсах асимметрия интерфейса, которая особенно сильно проявляется при промежуточных значениях 0.5. ПриРассмотрим слоистую структуру, состоящую из N мечиной асимметрии является существование выделенного таллических бислоев на подложке. Каждый бислой толнаправления Ч направления эпитаксиального роста.
щиной d = da + db состоит из слоя металла A толщиВ случае когда такое направление отсутствует, например ной da и слоя металла B толщиной db. В идеализированкогда перемешивание стимулировано отжигом образца, ной структуре будем считать подложку и границы между интерфейс будет симметричен.
металлами идеально плоскими и структуры всех бислоев Предложенная модель позволяет дать естественное одинаковыми.
объяснение ряду экспериментов, в которых для исслеНас будет интересовать упругое рассеяние мягкого дования интерфейсов использовались мессбауэровская рентгеновского излучения на такой структуре. Для рент57 спектроскопия с пробными слоями Fe и Sn [10].
геновского излучения диэлектрическая проницаемость Приведем несколько примеров.
среды меньше единицы. Пренебрегая ее мнимой чаВ работе [11] для исследования магнитной структуры стью, можно записать интерфейса в сверхрешетках Cr/V тонкие слои Sn были помещены на разных расстояниях от интерфейса.
(r) =1 - (r). (2) Сверхтонкие поля на атомах Sn вблизи интерфейВеличина (r) определяется плотностью рассеивающих са V/Cr и Cr/V оказались существенно различны. Если электронов (r). Для однокомпонентной плазмы [13] пробный слой вводился близко к границе слоя Cr и на нем выращивался слой V, то в спектре преобладали 4eатомы Sn с нулевым сверхтонким полем. Если на (r) = (r), mслой V наносился тонкий слой Cr, затем слой Sn, а потом продолжалось напыление хрома, на ядрах Sn где e и m Ч заряд и масса электрона, Ч чанаблюдалось значительное сверхтонкое расщепление.
стота падающего излучения. На границе вакуум-среда Это интерпретировалось как доказательство различной при углах падения c = наблюдается полное шероховатости интерфейсов V/Cr и Cr/V. Однако, если внешнее отражение. В окрестности угла c амплитуды предположить, что часть атомов Sn ДвсплываетУ в отраженной и преломленной волн являются величинами первом случае в немагнитном V, а во втором Ч в магодного порядка и сильно зависят от разности - c. Для нитном Cr, такое поведение сверхтонких полей вполне рентгеновского излучения с длиной волны 1 A отестественно и говорит, скорее, об асимметрии каждого клонение диэлектрической проницаемости от единицы интерфейса. Аналогичные выводы можно сделать при очень мало: 10-5-10-6, и угол полного внешнего анализе мессбауэровских спектров сверхрешеток Fe/Cr.
отражения, отсчитываемый от поверхности раздела сред, В экспериментах [6] пробные слои Fe наносились для составляет несколько mrad.
одних образцов только на интерфейс Fe/Cr (Fe на Cr), а В области малых углов, т. е. при 1, из формул для других Ч на интерфейс Cr/Fe (Cr на Fe). В остальФренеля [14] для коэффициентов отражения R и прохожном использовалось природное железо, содержащее вседения T получаем го 2% мессбауэровского изотопа Fe. Спектральный вклад линии 33T, отвечающий атомам Fe в массивном x - x2 - R R, железе, оказался примерно в полтора раза больше x + x2 - для образцов с пробным слоем на интерфейсе Fe/Cr.
В образцах с пробными слоями на интерфейсе Cr/Fe был 2x 57 T T, (3) больше вклад линии 20T, соответствующий атомам Fe, x + x2 - окруженным вблизи интерфейса атомами Cr [3]. Очевидгде x = /c, а знаками и обозначена поляризация но, что такое распределение сверхтонких полей нахоэлектрического поля в плоскости и перпендикулярно дится в согласии со сценарием всплывания атомов на плоскости падения. При
рах зеркального отражения рентгеновского излучения представляет большой интерес для контроля качества При расчете интенсивности рассеяния на многослойинтерфейса и адекватной интерпретации данных допол- ных структурах используются два подхода Ч киненительных экспериментальных методик. матический и динамический. В рамках динамического Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. Структура интерфейсов многослойных систем в спектрах зеркального рассеяния... ния гораздо больших c. В рамках первого борновского приближения для интенсивности рассеянного рентгеновского излучения I(q) имеем [13] I(q) | |2, (4) q где = (r)e-iqrdr, q = ks - ki Чволновой вектор q рассеяния, ki, ks Ч волновые векторы падающей и рассеянной волн. Для идеальной слоистой структуры вектор рассеяния ортогонален рассеивающим слоям, q =(0, 0, qz ), т. е. рассеяние является чисто зеркальным.
Здесь и далее считается, что подложка лежит в плоскости xy, а слоистая пленка занимает область z 0. Величину (z ) в многослойной пленке удобно формально представить в виде суммы вкладов отдельных бислоев N (z ) = z - (n - 1)d, (5) n= где функция z - (n - 1)d относится к бислою с номером n. Она отлична от нуля лишь в пределах n-го слоя (z ) =(z ) (d - z ) cb +(ca - cb)(da - z ), (6) где 1 для z (z ) = 0 для z < Ч функция Хевисайда, ca и cb Ч постоянные, соответствующие значениям величины в металлах A и B.
Функции (z ) и (z ) представлены на рис. 2.
Pages: | 1 | 2 | Книги по разным темам