научная статья по теме ЛОКАЛЬНАЯ АТОМНАЯ СТРУКТУРА СВЕРХТОНКИХ ОКСИДНЫХ ПЛЕНОК НА ПОВЕРХНОСТИ НИКЕЛЯ Физика

Текст научной статьи на тему «ЛОКАЛЬНАЯ АТОМНАЯ СТРУКТУРА СВЕРХТОНКИХ ОКСИДНЫХ ПЛЕНОК НА ПОВЕРХНОСТИ НИКЕЛЯ»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2006, < 12, с. 86-89

УДК 538.971

ЛОКАЛЬНАЯ АТОМНАЯ СТРУКТУРА СВЕРХТОНКИХ ОКСИДНЫХ ПЛЕНОК НА ПОВЕРХНОСТИ НИКЕЛЯ

© 2006 г. Д. Е. Гай, О. Р. Желтышева, Д. В. Сурнин, Ф. 3. Гильмутдинов

Физико-технический институт УрО РАН, Ижевск, Россия Поступила в редакцию 30.12.2005 г.

Получены протяженные тонкие структуры спектров энергетических потерь электронов (ЕЕЬРЗ) М-краев ионизационных потерь для чистой поверхности монокристаллического (110) N1, стехио-метрической сверхтонкой (1 нм) оксидной пленки N10 и сверхтонкой пленки нестехиометрической системы №-0. Из полученных ЕЕЬБЗ-спектров выделены соответствующие нормированные осциллирующие части. В приближении ОПВ проведен расчет амплитуд и интенсивностей возбуждения внутреннего уровня атома вещества электронным ударом. На основе расчетных данных, в рамках решения обратной задачи по Тихонову, найдены межатомные расстояния и координационные числа.

ВВЕДЕНИЕ

Атомная структура сверхтонких пленок является одной из основных характеристик, определяющих их физические и химические свойства. В случае негомогенных или неупорядоченных пленок традиционные дифракционные методы анализа атомной структуры оказываются чрезвычайно трудоемкими. Спектроскопические методы исследования локальной атомной структуры - методы XAFS (X-ray Adsorption Fine Structure) [1-3], которые с успехом используют при анализе объемных неупорядоченных систем, в случае сверхтонких пленок также не всегда дают удовлетворительные результаты. Это связано с необходимостью работы в режиме регистрации выхода фотоэлектронов и, в случае наличия в пленках легких элементов, работы с мягким рентгеновским излучением. Более перспективным методом анализа атомной структуры сверхтонких пленок является метод EELFS (Extended Energy Loss Fine Structure) [4, 5]. Так же, как XAFS, спектр EELFS формируется в результате когерентного рассеяния вторичного электрона на локальном атомном окружении ионизируемого атома и при этом является методом анализа поверхности (глубина анализируемого слоя ~2-3 нм) и реализуется в лабораторных условиях. Однако возбуждена атома электронным ударом в EELFS-процессе приводит к необходимости проведения ряда дополнительных расчетов по сравнению с традиционными расчетами в XAFS-методе.

ТЕОРИЯ

Интенсивность процесса потери энергии падающего электрона на возбуждение внутренне-

го уровня атома вещества определяется выражением:

3(Ек - Ви) = 3Ек - Ви)[_ 1 + Х(Р, ^)], (1)

где 3а1(Е„ - Еи) - интенсивность атомного процесса; закон сохранения энергии определяет выражение: Е„ - Еи = Ер + Еа (Ер - энергия вторичного электрона, Еа - энергия связи внутреннего уровня). В приближении однократного рассеяния на соседних атомах осциллирующая часть имеет вид [5-7]:

Х(p, Rj ) =

= exp ( 2 i S ) f ( p,n)

exp ( i p+2 R j ) (2)

2 ' iPR.

где Щ - межатомное расстояние,/(р, п) - амплитуда обратного рассеяния на ]-ом атоме, р+ = р + I у (у учитывает затухание конечного состояния). Мультипольность процесса возбуждения внутреннего уровня атома электронным ударом учитывается множителем

exp(2iS ) = £М-, У exp ( 2Й? ) = '

(3)

где Т(р) - матричные элементы, описывающие процесс безрадиационного перехода электрона с внутреннего уровня в состояние вторичного электрона. В приближении ортогонализированных плоских волн (ОПВ) имеем:

х(р)

(a)

Х(Р)

p, А-1

(б)

Х(Р)

p, А-1

(в)

Р, А-1

Рис. 1. Экспериментальные нормированные осциллирующие части спектров М-ЕЕЬББ (—) и соответствующие расчетные результаты (---): а - N1; б - стехио-метрический N10; в - нестехиометрический N1-0.

T(p) = <pu\V\wa) - <pu\waw) = 4n( —--X)*

vtf w J

<p\exp(i Kr)|a) - p|a')<a'|exp(i Kr)|a)

|a')

(4)

где подразумевается суммирование по всем волновым функциям электронов внутренних уров-

ней атомов. Представленное выражение (2) переходит в ХАББ-формулу при условии что = 0 при IФ 1а ± 1 (дипольные правила отбора).

ЭКСПЕРИМЕНТ И ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

Оксидные пленки на поверхности монокристаллического Ni (110) были получены в Институте катализа СО РАН (г. Новосибирск) в лаборатории проф. В.И. Бухтиярова и любезно предоставлены для проведения наших исследований. Оксидная пленка NiO (толщина ~0.1 мкм) была получена при окислении поверхности кислородом в условиях сверхвысокого вакуума, а пленка нестехиометричного соединения типа Ni-O (толщина ~10 нм) получена в процессе окисления пропана. Спектры энергетических потерь электронов были получены на оже-электронном спектрометре JAMP-10S при давлении не выше 10-7 Па, при энергии падающего пучка 1.5 кэВ (ток 10-8 А) в режиме BBM (Beam Brightness Modulation Mode). Накопление экспериментальных данных проводилось до тех пор, пока отношение сигнал - шум (интенсивность осцилляций - интенсивность шума) было не хуже 5%. Из полученных спектров энергетических потерь электронов M2, 3 EELFS-спектры Ni были выделены посредством вычитания "предкраевого" фона, который аппроксимировался обратным полиномом. Нормированная осциллирующая часть M2, 3 EELFS-спектров Ni была получена в соответствии с формулой (1), где интенсивность атомного процесса была аппроксимирована методом сглаживания по экспериментальным данным.

На рис. 1 представлены нормированные осциллирующие части M2, 3 EELFS-спектров Ni для чистой поверхности Ni, для стехиометрической оксидной пленки NiO и пленки системы Ni-O в сравнении с соответствующими данными, рассчитанными по формулам (2), (3), (4) с использованием атомных волновых функций [8] и параметров электронного рассеяния (FEEF-7) [3]. Пересчет из энергии потерь Ew - Eu (эксперимент) в величины волновых чисел вторичного электрона p проводился в соответствии с законом сохранения энергии и с использованием дисперсионного соотношения [9].

В соответствии с формулой (2), атомная парная корреляционная функция (ПКФ) и нормированная осциллирующая часть EELFS-спектра связаны интегральным уравнением

4nPatJdrgNi-Ni(r)%Ni-Ni(r> p) =

J Ni J at

для однокомпонентной исследуемой системы и

6

6

6

X

at

0

88

ГАЙ и др.

г, А

Рис. 2. Атомные парные корреляционные функции N1-N1, полученные из спектров ЕЕЬБ8 (—), соответствующие объемные атомные корреляционные функции (---) и результаты решения обратной задачи на рассчитанных осциллирующих частях (•••): а - №; б - стехиометри-ческий №10; в - нестехиометрический №-0.

г, А

Рис. 3. Атомные парные корреляционные функции N1-0, полученные из спектров ЕЕЬБ8 (—), соответствующие объемные атомные корреляционные функции (---) и результаты решения обратной задачи на рассчитанных осциллирующих частях (•••): а - №0 стехиометрический; б - N1-0 нестехиометрический.

4пра4|drg№-m(г)%№-№(г, р) ■

(6)

■ 4пра4|drgNi-o(г)%№-о(г, р) =

3

для бинарной.

Используя методы регуляризации по Тихонову [1], экспериментальные нормированные осциллирующие части и рассчитанные параметры электронного рассеяния, мы получили ПКФ (рис. 2, 3) и параметры локальной атомной структуры (таблица).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Параметры локальной атомной структуры (длины химических связей и координационные числа),

определенные ЕЕЬББ-методом, хорошо согласуются с результатами рентгеноэлектронных и рентге-ноструктурных исследований.

Полученные результаты показывают увеличение межатомных расстояний в стехиометриче-ской оксидной пленке N10 для №-N1 не более чем на 1.5% и для N1-0 - на 0.5% от кристаллографических параметров объемного стехиометриче-ского оксида N10. Данные по координационным числам показали дефицит катионов никеля в структуре оксидной пленки, что не противоречит общепринятым представлениям о дефектности катионной подрешетки монооксида никеля.

Параметры локальной атомной структуры сверхтонкой оксидной пленки N1-0, сформированной в процессе окисления пропана на поверхности никеля, можно интерпретировать как негомогенную структуру, образованную связями N1-0 и №-0Н. Методом рентгеноструктурного анализа структура исследуемой пленки была определе-

0

0

Параметры локальной атомной структуры поверхности монокристалла №(110), стехиометрической сверхтонкой оксидной пленки N10 и сверхтонкой пленки №-0

Параметр Ni NiO Ni -O

Ni-Ni Ni-O Ni-Ni Ni-O

R1 2.514 ± 0.1 3.14 ± 0.1 1.93 ± 0.5 3.07 ± 0.1 2.12 ± 0.5

N1 11.7 ± 0.9 1.4 ± 0.63 2.42 ± 4.17 1.53 ± 0.63 3.5 ± 4.2

R2 - 4.34 ± 0.1 3.90 ± 0.1 4.22 ± 0.1 3.79 ± 0.1

3.99 ± 0.1

N2 - 2.17 ± 0.17 5.22 ± 0.75 7.83 ± 1.67 2.39 ± 0.75

2.47 ± 0.75

R3 4.18 ± 0.3 5.19 ± 0.1 4.64 ± 0.5 5.18 ± 0.1 -

N3 28.72 ± 2.143 1.81 ± 1.56 7.06 ± 5.27 1.94 ± 1.56 -

R4 4.85 ± 0.1 - - - -

N4 96 ± 6.07 - - - -

на как двухфазная, состоящая из монооксида и гидроксида никеля. Согласно рентгеноэлектрон-ным данным, сверхтонкий поверхностный слой исследованного образца преимущественно состоит из №(0Н)2 с незначительной долей N10. Длины связей пар №-№, полученные методом ЕЕЬББ, в большей степени соответствуют структуре N10, но с завышенными значениями. При этом длины связей N1-0 первых двух сфер характерны как для структуры N10, так и гидроксида никеля ("раздвоение второй координационной сферы").

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные ЕЕЬББ-методом параметры локальной атомной структуры сверхтонких оксидных пленок на поверхности никеля показали удовлетворительное соответствие результатам кристаллографических и рентгеноэлектронных исследований. Однако для получения данных о межатомных расстояниях, координационных числах в бинарных системах с более высокой точностью необходимо проведение ЕЕЬББ-исследований на краях ионизационных потерь двух химических элементов и совместное решение обратной задачи из полученных данных.

Авторы выражают свою благодарность профессору Д.И. Кочубею, профессору В.И. Бухтияро-

ву (Институт катализа СО РАН, г. Новосибирск) и их сотрудникам за предоставленные образцы. Работа проведена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты № 04-03-96024 и № 06-03-32662).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Tikhonov A.N., Arsenin V.Ya. Methods of Solution of I11-Posed Problem. New York: Willey, 1977. 520 p.

2. Кочубей Д.И., Бабанов Ю.А., Замараев К.И. и др. Рентгеносп

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком