КОЛЛОИДНЫЙ ЖУРНАЛ, 2014, том 76, № 6, с. 691-697
УДК 544.72
ЗОННАЯ СТРУКТУРА СУБМОНОСЛОЙНЫХ ТОРИЕВЫХ ПОКРЫТИЙ НА ПОВЕРХНОСТИ ОКСИДА КРЕМНИЯ
© 2014 г. П. В. Борисюк, О. С. Васильев, А. В. Красавин, Ю. Ю. Лебединский, В. И. Троян
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" 115409 Москва, Каширское шоссе, 31 E-mail: VITroyan@mephi.ru Поступила в редакцию 07.05.2014 г.
Представлены результаты исследования электронной структуры торийсодержащих кластеров, сформированных при электрохимическом осаждении на поверхности естественного оксида кремния. Методами рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и спектроскопии характеристических потерь энергии электронов восстановлено взаимное расположение зон кластеров и подложки оксида кремния. Сделан вывод о том, что исследуемая система кластер/подложка может быть перспективной для исследований ядерного низколежащего изомерного перехода в изотопе 229Th.
DOI: 10.7868/S0023291214060032
ВВЕДЕНИЕ
Ядерный низколежащий изомерный уровень в изотопе 229Th является не только уникальным исключением в ядерной физике, обладая нехарактерно низкой энергией 7.8 ± 0.5 эВ [1], но и представляет исключительный интерес в связи с многочисленными возможностями использования в других областях. Ядерный переход, экранированный от внешнего мира электронной оболочкой и лежащий в области вакуумного ультрафиолета, находится в диапазоне, доступном лазерной спектроскопии, и может послужить основой оптического стандарта частоты, по своим характеристикам на несколько порядков превосходящего существующий на сегодняшний день стандарт на ионах Al+ [2]. Точное измерение энергии изомерного перехода позволит повысить точность навигационных спутниковых систем (GPS, ГЛОНАСС), непосредственно связанную с точностью используемых стандартов частоты; даст возможность регистрировать зависимость частоты перехода от гравитационного поля, т.е. измерять гравитационное поле Земли; позволит решить ряд задач фундаментальной физики, в частности, измерить с высокой точностью вариации некоторых фундаментальных констант и осуществить проверку основ общей теории относительности с недоступной сейчас точностью [3].
Однако значение энергии изомерного перехода было получено путем косвенных измерений, а прямая регистрация перехода сопряжена с серьезными трудностями и до сих пор не увенчалась успехом [4]. Это обусловлено радиоактивностью изотопа 229Th, его отсутствием в природе (может
быть получен только с использованием ядерных реакций), узостью спектральной линии и слабой силой осциллятора перехода, что делает задачу поиска точного значения энергии перехода путем сканирования диапазона 7.8 ± 0.5 эВ малоперспективной.
Для решения этой задачи предлагались различные механизмы возбуждения ядерного изомерного перехода, а также использовались различные физические системы, содержащие изотоп 229ТИ. Первый подход связан с помещением ионов 229ТЪ в ионную ловушку [5]. При этом используют в основном ионы 229ТЪ+ и 229ТЪ3+, первый из которых обладает сложной системой электронных уровней, однако относительно прост в получении и может быть использован при реализации механизма электронного мостика для возбуждения изомерного состояния [6], а второй наиболее удобен для поиска значения энергии изомерного уровня ввиду высокого потенциала ионизации (27 эВ) и относительно простой системы электронных уровней [3]. Второй подход заключается во внедрении ионов 229ТЪ в кристалл [7], при этом добротность ядерного перехода, чувствительная к дополнительным воздействиям, обусловленным наличием кристаллической структуры, остается много больше по сравнению с любыми электронными переходами [8]. Преимуществом использования кристаллов является высокая плотность ядер 229ТЪ, составляющая ~1019 см-3 и на много порядков превышающая значения, достигнутые в ионных ловушках (<108 ядер [9]). Это обстоятельство может значительно облегчить прямое наблюдение перехода. Подходящие для
(а)
(б)
А, нм
4 2
100
200 300
х, нм
,2 -
Рис. 1. АСМ-изображение размером 1 х 1 мкм2 кластеров ТЬ8Юх на поверхности 8Ю2/81(111) (а) и профиль высоты неоднородного кластера, показанного в правой верхней части АСМ-изображения (б).
этой цели кристаллы должны обладать прозрачностью в области вакуумного ультрафиолета для возможности возбуждения перехода внешним источником и регистрации флуоресценции. Кроме того, эти кристаллы должны принимать ионы 229ТЬ4+ на строго определенные места кристаллической решетки для минимизации неоднородного уширения линии. К таким кристаллам относятся LiCaAlF6, LiSrAlF6, У^4, CaF2, Na2ThF6 [10]. Задача синтеза этих кристаллов с необходимой степенью чистоты является сложной и ресур-созатратной.
В настоящей работе предлагается еще одна физическая система, позволяющая значительно увеличить флуоресцентный сигнал, образующийся в результате релаксации изомерного состояния, по сравнению со случаем ионов, захваченных в ловушку. Эта система является относительно простой с точки зрения экспериментальной реализации и представляет собой кластеры на основе оксида или фторида тория, находящиеся на подложке из широкополосного диэлектрика —
оксида кремния или фторида магния. Ключевой особенностью такой системы является то, что дно зоны проводимости (ЗП) кластера может находиться внутри запрещенной зоны (ЗЗ) подложки, и, в случае распада изомерного состояния через канал электронной конверсии, конверсионный электрон, попадающий в ЗП кластера, остается локализованным в пределах кластера, эффективно увеличивая время жизни возбужденного состояния и повышая вероятность его релаксации посредством флуоресценции. В работе представлены результаты исследования электронной структуры торийсодержащих кластеров, сформированных при электрохимическом осаждении из ацетонового раствора нитрата тория на поверхности SiO2/Si(111). Методами рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) и спектроскопии характеристических потерь энергии электронов (СХПЭЭ) восстановлены взаимное расположение и ширины ЗЗ кластеров на основе трехкомпонентного сплава типа ThSiOx и подложки оксида кремния. Показано, что такая система может быть перспективной для дальнейших исследований ядерного низ-колежащего изомерного перехода в изотопе 229ТИ.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Формирование кластеров ThSiOх на поверхности естественного оксида кремния проводилось методом электрохимического осаждения при комнатной температуре по методике, описанной в работе [11]. Подготовка поверхности подложки SiO2/Si(111) осуществлялась путем отжига при 500°С в течение 5 мин при атмосферном давлении. При электрохимическом осаждении катод и анод погружались в емкость с подготовленным ацетоновым раствором нитрата тория концентрацией 1 мкг/см3. Выбор ацетона в качестве растворителя обусловлен высокой эффективностью его использования при электролизе с участием солей тория. Разность потенциалов между анодом и катодом поддерживалась на уровне 5.00 ± 0.01 В при токе 18 мкА. Типичное изображение кластеров ThSiOх на SiO2/Si(111), полученное с помощью атомно-силового микроскопа, представлено на рис. 1. Видно, что кластеры ThSiOх, сформированные на поверхности подложки SiO2/Si(111) после 10 мин осаждения, имеют близкую к двумерной форму: латеральные размеры составляют 100—150 нм, а высота 2—3 нм. Вследствие высокой радиационной активности изотопа 22^Ь отработка методики формирования субмонослой-ных ториевых покрытий при электрохимическом осаждении проводилась на солях природного изотопа ^^И, что позволило снизить уровень радиоактивности образцов до разрешенного в обычных лабораторных условиях.
0
1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
БЕ, эВ
Рис. 2. Обзорные РФЭ- и Оже-спектры ТИ02, 8Ю2/81(111), а также кластеров ТИ8ЮХ, сформированных на поверхности естественного оксида кремния при электрохимическом осаждении из ацетонового раствора нитрата тория в течение 10 мин.
Химический состав и электронная структура слоев тория, нанесенных на поверхность SiO2/Si(111), контролировались ex situ методом РФЭС. Для этого непосредственно после электрохимического осаждения и выноса на атмосферу образец перемещался при помощи штока в камеру анализатора сверхвысоковакуумного (p ~ 1 х х 10-10 Торр) комплекса анализа поверхности Multiprobe MXPS (Omicron, Германия). Для возбуждения фотоэлектронов использовалось рентгеновское излучение линии MgKa12 с энергией hv = 1253.6 эВ. Экспериментальная погрешность измерения BE составляла 0.05 эВ. Калибровка спектров проводилась по линии Si2p подложки с BESi2p = 98.9 эВ. Ширина ЗЗ (Eg) подложки и сформированных на ее поверхности слоев измерялась методом СХПЭЭ. Снятие спектров характеристических потерь энергии рассеянных электронов проводилось также ex situ в камере сверх-высоковакуумного спектрометра XSAM-800. Энергия используемого пучка электронов составляла E0 = 500 эВ, ток в пучке I0 ~ 30 мкА, угол рассеяния ф0 = 125° ± 20° (Дф = ±20° — угол сбора обратно рассеянных электронов). Энергетический разброс электронов первичного пучка после отражения составлял ДЕ ~ 1.5 эВ. Размер и форма кластеров измерялись путем анализа изображений, полученных на атомно-силовом микроскопе (АСМ) марки СММ-2000 (Завод Протон-МИЭТ, г. Зеленоград) с использованием кантилеверов
SNL-10 фирмы Veeco c номинальным радиусом закругления зонда 2 нм.
РЕЗУЛЬТАТЫ
На рис. 2 представлены обзорные РФЭ- и Оже-спектры исходной поверхности
SiO2/Si(111), оксида тория, сформированного на поверхности объемного металла, а также поверхности кремния, подвергшейся электрохимическому осаждению из ацетонового раствора нитрата тория в течение 10 мин. На спектрах, полученных после осаждения Th, регистрируются линии Th4/, Th4d, Th5d, OLs, C1s, Si2s и 2p (подложка), а также линии F 1s и Na1s малой интенсивности, что свидетельствует о наличии конкурирующих примесей в ацетоновом растворе, концентрацией которых можно пренебречь.
Ранее [11] было установлено, что в результате электрохимического осаждения в течение 2 мин в приповерхностной области подложки формируется ансамбль кластеров, состоящий из соединений типа ThSiOx. Согласно [12], энергия связи (BE) уровня T
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.