Материалы микроэлектроники (стр. 2 )

[1] Dietrich S. Prospects of SiC Power Devices From the State of the Art to Future Trends // PSIM 2002: Power Electronics Conference. May 14 - 16, 2002, Nürnberg, Germany.

Модификация многокомпонентных материалов при ионной бомбардировке

МИФИ, г. Москва

Аннотация

Ионное и плазменное облучение может привести к изменению рельефа, а также структуры и состава поверхностных слоёв твёрдых тел. Характер таких изменений зависит от природы и структуры облучаемых материалов, параметров облучающих потоков (тип облучающих частиц, энергия и плотность потока, угол облучения и т. п.), условий облучения (температура поверхности, состав окружающего газа).

В лекции демонстрируются и анализируются результаты корпускулярного воздействия на металлы, сплавы, графиты, карбиды, окислы, гидриды, нитриды. На основании приведённых примеров выявляются и анализируются характерные типы изменений, происходящих в поверхностных слоях твёрдых тел при ионном и плазменном облучении, обсуждаются механизмы таких изменений, суммируются общие закономерности и специфические особенности модификации твёрдых тел различных типов под действием ионного и плазменного воздействия. Обсуждаются условия облучения, стимулирующие развитие определённых типов поверхностных модификаций

РЕНТГЕНОДИФРАКЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ АТОМНОЙ СТРУКТУРЫ ВЕЩЕСТВА

Нижегородский государственный университет им.

Стремительное движение современной физики к исследованию и использованию нанообъектов выводит на новый уровень актуальности вопросы исследования атомной структуры вещества. Как известно, одним из самых мощных методов определения атомной структуры и исследования электронной плотности в твердых телах является рентгеноструктурный анализ.

Рентгеноструктурный анализ представляет собой совокупность дифракционных методов исследования с использованием рентгеновского излучения с длиной волны порядка ангстрема. Начало рентгеноструктурно анализа связано с открытием 8 ноября 1895 г лучей, которые носят его имя, и М. Лауэ совместно с ассистентом Зоммерфельда Вальтером Фридрихом аспирантом Паулем Книппингом дифракции этих лучей на кристаллических решетках.

Дифракция рентгеновского излучения дает важную информацию о твердых телах – их атомной структуре, а также о жидкостях, аморфных телах и больших молекулах. Дифракционный метод применяется также для точного (с погрешностью менее 10–5) определения межатомных расстояний, выявления напряжений и дефектов и для определения ориентации монокристаллов. По дифракционной картине можно идентифицировать неизвестные материалы, а также обнаружить присутствие в образце примесей и определить качественный и количественный состав.

Дифракция рентгеновских лучей на кристаллической решетке представляет собой фраунгоферову дифракцию. При этом геометрия дифракционной картины и интенсивность дифракционных максимумов определяется атомным строением дифрагирующего образца, степенью его совершенства, наличием примесей и т. д.

Дифракция рентгеновских лучей происходит благодаря взаимодействию падающего рентгеновского излучения с электронами в кристалле. Вследствие того, что длина волны рентгеновского излучения того же порядка, что и размеры атома, длина волны рассеянного рентгеновского излучения та же, что и падающего. Этот процесс является результатом вынужденных колебаний электронов под действием падающего рентгеновского излучения. Электроны во всех направлениях одновременно рассеивают падающее и испускают собственное рентгеновское излучение той же длины волны, хотя и разной интенсивности. Интенсивность рассеянного излучения связана с атомным номером элемента, т. к. атомный номер равен числу электронов, которые участвуют в рассеянии.

Расшифровка атомной структуры кристалла включает: установление размеров и формы его элементарной ячейки; определение принадлежности кристалла к одной из 230 федоровских групп симметрии; построение распределения функции электронной плотности и получение координат базисных атомов структуры. Кроме того, с помощью РСА определяются характер и величина тепловых колебаний атомов, коэффициенты заполнения атомами (в частности примесью) различных позиций в кристаллическом пространстве и многое другое.

Первую и частично вторую задачи можно решить методами Лауэ и качания или вращения кристалла, т. е. анализируя лишь геометрические особенности рентгеновских дифракционных картин. Построение функции электронной плотности и определение координат атомов сложных структур возможно только с помощью сложного анализа и трудоёмкой математической обработки значений интенсивностей всех дифракционных отражений от данного кристалла.

Трехмерная периодичность атомной структуры кристаллов позволяет записать их функции электронной плотности в в виде разложения в ряд Фурье:

(1)

Здесь V - объем элементарной ячейки кристалла, - тройка индексов (hkl) узлов обратной решетки, -структурные амплитуды, которые являются коэффициентами разложения Фурье и представляют собой комплексные числа, определяющиеся распределением электронной плотности (координатами атомов) конкретного кристалла.

Каждая структурная амплитуда характеризуется тремя целыми числами hkl и связана с дифракционным максимумом с индексами hkl. Измеряя интенсивность всех экспериментально наблюдаемых рентгеновских дифракционных максимумов (обычно из несколько тысяч или десятков тысяч), можно рассчитать квадраты модулей структурных амплитуд (коэффициентов разложения электронной плотности в ряд Фурье).

Если бы было возможно экспериментально измерить не только модули, но и фазы структурных амплитуд, то задача структурного анализа решалась бы достаточно просто. Для получения полной информации об атомной структуре кристалла (построения функции электронной плотности) достаточно было бы просто «свернуть» ряд Фурье в заранее выбранных точках элементарной ячейки кристалла, используя экспериментально полученные коэффициенты . Однако, это можно будет сделать лишь при наличии источников когерентного рентгеновского излучения (рентгеновских лазеров). Таким образом, в настоящее время экспериментально можно получить лишь половину необходимой для рентгеноструктурного анализа информации. В этом существо т. н. фазовой проблемы в РСА.

Однако, анализ показывает, что и экспериментально определяемые модули коэффициентов Фурье содержат достаточно информации, чтобы успешно решать структурные задачи. Структурная амплитуда может быть рассчитана по известной структуре с помощью обычных выражений для коэффициентов Фурье трехмерно-периодических функций

. (2)

Здесь - функция, задающая интенсивность рассеяния рентгеновкого излучения l-м атомом, и суммирование ведется по всем атомам в элементарной ячейке кристалла. Можно составить систему уравнений для модуля каждой структурной амплитуды. Этих уравнений будет ровно столько, сколько экспериментально исследовали дифракционных максимумов. При этом это число уравнений оказывается на порядок больше, чем число неизвестных (координат атомов) структуры, т. е. в принципе из этой системы можно получить всю структурную информацию о кристалле.

На практике решение фазовой проблемы проводится двумя способами. Рассмотрим ряд Фурье, в котором в качестве коэффициентов используются квадраты модулей структурных амплитуд

(3)

Функция представляет собой самосвертку функции электронной плотности

(4)

Эта функция принимает максимальные значения на концах межатомных векторов и называется межатомной функцией или функцией Патерсона. Существует целый ряд методов получения функции электронной плотности из функции Паттерсона.

Другими способами решения фазовой проблемы являются так называемые прямые методы определения фаз структурных амплитуд. Учитывая тот факт, что значение функции электронной плотности в кристалле всегда отрицательно (или равно нулю), можно получить большое число неравенств, которым подчиняются коэффициенты Фурье (структурные амплитуды). Для более сложных структур применяются методы, основанные на вероятностном подходе к проблеме: структурные амплитуды и их фазы рассматриваются как случайные величины; из физических представлений выводятся функции распределения этих случайных величин, которые дают возможность оценить с учётом экспериментальных значений модулей структурных амплитуд наиболее вероятные значения фаз. Эти методы реализованы на ЭВМ и позволяют расшифровать структуры, содержащие 100-200 и более атомов в элементарной ячейке кристалла.

В настоящее время число расшифрованных атомных структур кристаллов исчисляется сотнями тысяч. Вершиной достижений рентгеноструктурного анализа является расшифровка трёхмерной структуры белков, нуклеиновых кислот и других макромолекул. Белки в естественных условиях, как правило, кристаллов не образуют. Чтобы добиться регулярного расположения белковых молекул, белки кристаллизуют и затем исследуют их структуру. Для решения этой проблемы необходимо получить и исследовать кристаллы самого белка, а также его производных с включением тяжёлых атомов. Первую рентгенограмму кристаллов пепсина получили в 1934 г. англичане Джон Бернал и Дороти Хочкин. Наличие четкой дифракционной картины (системы рентгеновских пятен, или рефлексов) показало, что все молекулы белка имеют упорядоченную структуру. Однако расшифровать строение белка на основании дифракционной картины в то время не смогли вследствие больших трудностей решения фазовой проблемы. Эту задачу решил М. Перутц с сотрудниками в 1954 г., используя рентгенограммы производных кристаллов, содержащих атомы тяжелых металлов. С помощью такого метода изоморфного замещения Дж. Кендрью с сотрудниками в 1958г. получили пространственную конфигурацию миоглобина с разрешением 6, а еще через два года - с разрешением 2. Одновременно Перутц с сотрудниками установили строение гемоглобина с разрешением 5.5. В нашей стране изучение структуры белков методами рентгеновской кристаллографии и электронной микроскопии было начато с сотрудниками в 1959-1960гг. в лаборатории структуры белка, созданной в Институте кристаллографии АН СССР. В 1975-1978 гг. расшифровали структуру растительного аналога гемоглобина, леггемоглобина, сначала с разрешением 5, а затем 2.8.