научная статья по теме ТЕОРИЯ ДИФРАКЦИИ РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ НА НЕИДЕАЛЬНОМ КРИСТАЛЛЕ ТРАПЕЦЕИДАЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ Химия

Текст научной статьи на тему «ТЕОРИЯ ДИФРАКЦИИ РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ НА НЕИДЕАЛЬНОМ КРИСТАЛЛЕ ТРАПЕЦЕИДАЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ»

КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2007, том 52, № 2, с. 215-222

ДИФРАКЦИЯ И РАССЕЯНИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

УДК 548.732

ТЕОРИЯ ДИФРАКЦИИ РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ НА НЕИДЕАЛЬНОМ КРИСТАЛЛЕ ТРАПЕЦЕИДАЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ

© 2007 г. В. И. Пунегов1' 2, С. И. Колосов2

1Коми научный центр УрО РАН, Сыктывкар, Россия 2Сыктывкарский государственный университет, Россия E-mail: punegov@syktsu.ru Поступила в редакцию 06.04.2006 г.

Разработана теория дифракции рентгеновских лучей на неидеальном латеральном кристалле трапецеидального сечения в борновском (кинематическом) приближении. Нарушения кристаллической структуры вызваны непрерывными (неслучайными) деформациями кристаллической решетки и хаотически распределенными дефектами. Непрерывные деформации решетки представляют собой комбинацию упругого изгиба атомных плоскостей и линейного изменения межплоскостного расстояния в глубь кристалла. В рамках трехкристальной рентгеновской дифрактометрии проведено численное моделирование углового распределения интенсивности когерентного и диффузного рассеяний в зависимости от величины непрерывных и случайных деформаций кристаллической решетки в латеральном и вертикальном направлениях.

PACS: 61.10.Dp, 68.65.La

ВВЕДЕНИЕ

Традиционно разработки в области теории дифракции рентгеновских лучей связаны с планар-ными структурами [1]. В последние годы значительное развитие получили методы литографии и селективного эпитаксиального роста. Поэтому появились уникальные возможности создания лате-рально ограниченных структур. Такие латеральные структуры являются важными элементами современной опто- и наноэлектроники. В большинстве случаев латеральные структуры создают в виде рельефа на поверхности кристалла. Такое расположение латеральных структур, в частности, квантовых нитей, в рентгенодифракци-онных исследованиях приводит к значительному увеличению интенсивности рассеяния. С другой стороны, латеральная периодичность является причиной формирования на дифракционной картине сателлитной структуры [2], которая усложняет получение информации о форме и внутреннем строении отдельного латерального объекта.

Рентгенодифракционные исследования эпи-таксиальных латеральных структур пока еще немногочисленны, поскольку весьма трудоемки для анализа дифракционных данных. В [3] предпринята попытка исследования методом двухкрис-тальной дифрактометрии латеральной структуры InGaAsP, выращенной в процессе селективного эпитаксиального роста. Подчеркивается, что для более полного исследования структурных характеристик селективно выращенных образцов требуется процедура численного моделирования дифракции с использованием соответствующих

экспериментальных измерений. В свою очередь, численное моделирование должно базироваться на последовательной теории рентгеновской дифракции от латеральных структур.

Цель настоящей работы состоит в развитии последовательной теории дифракции рентгеновских лучей для латеральной структуры с произвольным трапецеидальным сечением (рис. 1). Такой вид сечения выбран неслучайно, так как при определенных изменениях параметров формы может быть описана дифракция на кристалле с прямоугольным, треугольным сечением, а также с сечением в виде параллелограмма. Поскольку трехкристаль-ная схема дифракции является наиболее информативной, то рассмотрение будет проведено в рамках этой геометрии с учетом когерентного и диффуз-

Рис. 1. Поперечное сечение латерального кристалла с линейным изменением межплоскостного расстояния и упруго изогнутыми атомными плоскостями.

ного рассеяний. Отметим, что теоретический анализ дифракции рентгеновских лучей на совершенном кристалле с трапецеидальным сечением применительно к двухкристальной схеме дифракции проведен в [4]. Однако полученный в этой работе результат не позволяет исследовать дифракцию с учетом двух каналов дифракционного рассеяния -когерентного и диффузного, а также в композиционно неоднородных и несовершенных структурах. Такие задачи могут быть решены методом численного интегрирования уравнений дифракции [5]. К сожалению, такой подход нельзя назвать перспективным, поскольку он требует больших затрат времени вычислений, а также трудно поддается физическому анализу полученных результатов.

ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ

Так как размеры эпитаксиальных латеральных структур, как правило, от нескольких микрон до нескольких десятков нанометров, рассмотрение рентгеновской дифракции проведем в рамках кинематического приближения. Более трудоемкий подход к проблеме динамического рассеяния на латеральных структурах для двухкристальной геометрии предложен в [6]. Сам факт наличия латеральных границ кристалла является в определенном смысле простейшим типом нарушения идеальности структуры. Конечные размеры приводят к размытию 5-образных распределений интенсивности, характерных для бесконечного кристалла.

В кинематическом приближении для амплитуды волны когерентного рассеяния от кристаллического объекта толщиной I в обратном пространстве получено решение [7], которое с учетом пренебрежения эффектами преломления и поглощения рентгеновских лучей в среде, а также конечных латеральных размеров кристалла, может быть преобразовано и записано в виде

Еъ (Я) =

зовый фактор кристалла Ф(г) = ехр(/Ъ<и(г)}) зависит от функции неслучайных (непрерывных) атомных смещений (и(г)}, характеризующих конкретный вид деформаций решетки в результате, например, внешних воздействий (ультразвук, температурный градиент и т.д.) или структурных (композиционных) особенностей самого кристалла. Здесь h - вектор обратной решетки, = 2л/ёш, где - межплоскостное расстояние. Вектор q определяет отклонение вектора рассеяния къ - к0 от узла обратной решетки ^ где к0, ъ - волновые векторы падающего и дифракционного рентгеновского пучка. Отметим, что проекции вектора q в латеральном qx и вертикальном qz направлениях в схеме трехкристальной рентгеновской дифрактометрии связаны с угловым положением исследуемого кристалла ю и анализатора £ [7]. Поэтому значения этих проекций используют в качестве угловых переменных в обратном пространстве. В формуле (1) параметр П(г) введен как функция формы кристалла и задает пределы интегрирования по осям х и у, ось г направлена в глубь кристалла. Интенсивность когерентного рассеяния вычисляется по известному соотношению 11(ф = |Е^)|2 [1].

Распределение интенсивности диффузного рассеяния в обратном пространстве задается следующим выражением

I

4(Я) = |ёх|ёу\ак(г)| 2( 1 - /(г)2)ОДт(г, я). (2)

Здесь

1

т(г, я) = -2 I ёрО(г, р)

(2п)2 {

х

(3)

х ехр(I(яр + Ь[<и(г + р)} - <и(г)}]))

(1)

является корреляционным объемом [7], зависящим от корреляционной функции

21п|ёг|ёх|ёуаъ(г)/(г)й(г)Ф(г)ехр(1яг), О(г р) = < ехр ( 1Ь[5 и( г + р ) - 5 и( г )] )} -/(г)2

где аъ(г) = Сл%Ъ(г)/(А,уЪ), /(г) - статический фактор Дебая-Валлера, уъ = sin(0), 0 = 0В + ф - угол, определяющий направление дифракционного пучка относительно входной поверхности кристалла, ф - угол скоса отражающих плоскостей к поверхности образца, 0В - угол Брэгга, С - поляризационный фактор, Хъ(г) = -r0X2('кVc)~1FЪ(r) - фурье-компонента рентгеновской поляризуемости, Vc -объем элементарной ячейки, г0 = е2/(тс2) - классический радиус электрона, е, т - заряд и масса электрона соответственно. В выражении для рентгеновской поляризуемости присутствует Fъ(r) - структурный фактор кристалла, химический состав которого неоднороден по объему. Фа-

. (4)

1- / (г)2

Выражения (1-4) описывают когерентное и диффузное рассеяние от латеральных структур произвольной формы, которая задается функцией П(г).

В трехкристальной схеме измерений интенсивность когерентной дифракционной волны может быть получена интегрированием по переменной qy:

+ ^ + ^

К(qx, qz) = I ^уК(Я) = I ёу\К(q„ у, qz)| , (5)

где ЕЪ у, qz) - фурье-преобразование Есь по переменной qy.

0

0

ТЕОРИЯ ДИФРАКЦИИ РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ

217

Аналогичная процедура применима и к выражению для интенсивности диффузного рассеяния

4(Чх, Чг) = | q) =

I

(г)|2(1 - /(г)2)Щг)т(г, Чх, Чг).

(6)

В результате корреляционный объем трансформируется в корреляционную площадь [7]:

т(г, Чх, Чг) = | ¿дут(г, q). (7)

КОГЕРЕНТНОЕ РАССЕЯНИЕ

Рассмотрим дифракцию на кристалле трапецеидального сечения толщиной /. Химический (композиционный) состав и хаотически распределенные дефекты внутри кристалла однородны в пределах всего его объема. В этом случае рассеивающая способность ау(г) = ау и статический фактор Дебая-Валлера /(г) = / не зависят от пространственных координат.

Для трехкристальной дифракционной схемы угловое распределение интенсивности когерентного рассеяния имеет вид 1СЬ (чх, чг) = |Есь (чх, чг)|2, где с учетом нормировки в (5) амплитуда дифракционной волны

с !аъ ¡Г 1Ч.г С 1чх

Ес„(Чх, Чг) = |йге Ч | йхв Ч Ф(х, г). (8)

^ г)

72П

г)

Под интегралом в (8) присутствует двумерный фазовый фактор Ф(х, г) = ехр(/Ъ(и(х, г)>), определяемый видом деформации кристаллической решетки в латеральном вдоль х и вертикальном вдоль г направлениях. Пределы интегрирования для трапеции с верхним основанием Ь, нижним основанием а + Ь + с и высотой / (рис. 1) для произвольной координаты г запишутся как Пх(г) = -(аг// + Ь/2) и 02(г) = сг// + Ь/2.

Примем модель латерального кристалла в виде, в котором поле атомных смещений ^и(х, г)> = = ^(иЬ(х)> + (и(г)>) формируется за счет изгиба

отражающих плоскостей ^иЬ(х)> = -пх2/Ь2Х и линейного изменения межплоскостного расстояния

в глубь кристалла (г)> = -пг2//1. По аналогии с оптикой [8] мы ввели характерные параметры Ь1 = ^Яаш/2 и /1 =

^/^ум! , которые представляют размеры первых зон Френеля в латеральном и вертикальном направлениях. Здесь Я - радиус кривизны атомных плоскостей и £г = Ла?/аш - мак-

симальная деформация кристаллической решетки по толщине кристалла. Введенная модель нарушений кристаллической решетки соответствует постоянному градиенту деформации вдоль осей х и г. Согласно приведенной в [9] трактовке, в кристалле с постоянным по глубине градиентом деформации решетки формируются фазовые слои, аналогичные полосчатым зонам Френеля в оптике [8]. В нашем рассмотрении этот формализм распространяется на случай упруго изогнутых атомных плоскос

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