Атомная структура поверхностного слоя

Атомная структура свободного поверхностного слоя отличается от атомной структуры поверхности конденсированной среды аналогичного состава. Например, структура кристалла с ковалентными связями (двойные линии), характерная для Si и Gc, представлена на рис. 3.1.

В процессе реконструкции свободной поверхности симметрия решетки в приповерхностной области резко отличается от симметрии в объеме вещества. Происходит изменение межплоскостного расстояния у поверхности па расстоянии двух-трех приповерхностных плоскостей. Приповерхностные слои состоят из атомов (светлые кружочки на рисунке), которые образуют между собой связь, формируя димеры.

Период решетки в приповерхностных слоях составляет 2d, а межплоскостные расстояния уменьшаются на величину б. Реконструкция поверхности существенно меняет поверхностный период расположения атомов по сравнению с периодами кристаллической решетки.

На рис. 3.2 приведена электронограмма поверхности кремния с ориентацией (111). Интенсивные точки — это рефлексы от объема кристалла. Электронограмма представляет собой изображение обратной решетки кристалла. В основе определения параметров кристаллической ячейки и симметрии кристалла лежит метод измерения расположения рефлексов на электронограмме.

Слабые рефлексы соответствуют атомам приповерхностных слоев. Эти рефлексы располагаются на расстоянии 1/7 от расстояния между объемными рефлексами. Данный эксперимент свидетельствует о том, что периодичность атомов в приповерхностных слоях в семь раз меньше периодичности атомов в объеме. Классическим примером реконструкции поверхности может служить поверхность кремния Si (111) 7×7. На рис. 3.3 приведено изображение такой поверхности, полученное с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Ромбиком выделена элементарная ячейка, состоящая из 12 адсорбированных атомов. Длины диагоналей соответственно равны d_i = 46,6 A, d₂ = 26,9 А. Модель поверхности представлена на рис. 3.3, б. На поверхности видны адсорбированные и Rest-атомы, угловые ямки, структуры в вершинах ромба, а также димеры.

Рис. 3.2. Электронограмма поверхности кремния с ориентацией (111).

Рис. 3.1. Схема атомной структуры кристалла с ковалентными связями.

Изображение отражает состояние поверхностной фазы. Она получила название 7×7, что означает, во сколько раз период решетки поверхностной.

Рис. 3.3. Изображение реконструированной поверхности Si (111)7X7 (а) и модель этой поверхности (б):

А — вид сверху; Б — вид сбоку фазы больше, чем период решетки кремниевой подложки. Однако уже на глубине трех-пяти слоев структура будет соответствовать структуре массивного кремния. При контакте двух твердых тел с одинаковым периодом кристаллической решетки формируются эпитаксиальные слои.

Эпитаксия (от греческого epi — «на, над» и taxis — «расположение, порядок») представляет собой процесс наращивания монокристаллических слоев вещества на подложку, в процессе которого кристаллографическая ориентация наращиваемого слоя повторяет кристаллографическую ориентацию подложки.

Методом эпитаксии удается получить тонкие и довольно однородные мопокристаллические слои толщиной от 1 нм до 10 мкм и более. Легированием соответствующей примесью можно менять электропроводность таких слоев от донорного до акцепторного типов проводимости.

Различают гетерои гомоэпитаксию. В процессе гетероэпитаксии вещества подложки и наращиваемого слоя различны по химическому составу и кристаллической структуре. Например, в настоящее время широко распространены эпитаксиальные слои GaAs. В этом случае образуется гетеропереход, на границе которого происходит изменение свойств материала: структуры энергетических зон, ширины запрещенной зоны, эффективных масс носителей, их подвижности. В процессе гомоэпитаксии (автоэпитаксии) происходит наращивание слоя вещества, одинакового по химическому составу с подложкой. Возможно только присутствие некоторых примесей для создания нужного типа проводимости.

Процесс автоэпитаксии используется для создания эпитаксиальных слоев на пластинах кремния, а также эпитаксиальных слоев соединений типа А*В⁵, А²В⁴, А⁴В⁶, гранатов, ортоферитов и т. п. Процесс эпитаксии может проводиться из газовой (ГФЭ), жидкой (ЖФЭ) или твердотельной фаз (ТФЭ).

На поверхности твердого тела происходит взаимодействие между структурой твердого тела и частицами газа или жидкости с образованием на поверхности адсорбированной пленки.

Под адсорбцией будем понимать преимущественное концентрирование молекул газа или растворенного в жидкости вещества (адсорбата) на поверхности твердого тела или жидкости (адсорбента). Это важнейшее поверхностное явление связано с тем, что силы межмолекулярного взаимодействия на границе раздела фаз не скомпенсированы. Возникает свободная поверхностная энергия.

Свободная энергия уменьшается в результате процессов притяжения поверхностью находящихся вблизи нее молекул адсорбата.

В зависимости от характера взаимодействия молекул адсорбата и адсорбента различают физическую и химическую адсорбцию. Физическая адсорбция обусловлена силами межмолекулярного взаимодействия. При этом происходит образование мономолекулярного либо полимолекулярного слоя. В процессе физической адсорбции адсорбированные молекулы обладают поверхностной подвижностью. Химическая адсорбция способствует образованию химической связи между молекулами адсорбента и адсорбата. По существу происходит химическая реакция на поверхности. Область протекания химической реакции ограничена поверхностным слоем. В процессе хемосорбции происходят существенное изменение электронной структуры адсорбированной молекулы, перенос зарядов, образование химических связей.

В некоторых случаях на поверхности могут одновременно протекать процессы физической адсорбции и хемосорбции.

Адсорбированные молекулы через некоторое время могут покинуть поверхность. Происходит обратный процесс, который получил название «десорбция».

Среди разновидностей поверхности раздела в твердом теле отметим границы между кристаллическими зернами, или межзеренные границы. Именно они и размеры кристаллических областей определяют основные характеристики поликристалических материалов.