Спектральные методы изучения поверхности твёрдых тел. Структура раздела поверхности кристалл/пар.

ВВЕДЕНИЕ

Развитие современной микро- и наноэлектроники характеризуется все большим ростом степени интеграции и функциональной сложности микросхем, дальнейшим увеличением числа элементов на кристалле и уменьшением характерных размеров элементов. В настоящее время основой полупроводниковых электронных устройств являются многослойные гетероструктуры.

ГЛАВА 1. СПЕКТРАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ТВЁРДЫХ ТЕЛ

1.1. Классификация спектроскопических методов исследования поверхности и приповерхностных слоев твердых тел

Спектроскопия — раздел физики и аналитической химии, изучающий взаимодействие вещества и различные виды воздействия на него и применяющий полученные результаты для решения различных прикладных задач. Методика измерений в спектроскопии основана на получении зависимости некоторой величины (обычно интенсивности) от параметра, характеризующего взаимодействие или реакцию на воздействие, называемого спектром.
Существует множество методов, которые можно отнести к спектроскопическим. Подавляющее большинство методов анализа твердых веществ используют различные типы явлений, которые возникают, когда поверхность подвергается воздействию частиц и радиации. Согласно «диаграмме Пропста», каждая комбинация первичных частиц, зондирующих поверхность (стрелка направлена внутрь), и регистрируемых частиц, по которым можно судить о состоянии твердого тела (стрелка направлена наружу), имеет свою собственный экспериментальный метод.
Таких комбинаций 36. Однако число возможных спектроскопических методов гораздо больше, поскольку каждой комбинации обычно соответствует несколько методов в зависимости от свойств изучаемых частиц. Например, если первоначальное воздействие электронов или электромагнитного излучения на поверхность приводит к эмиссии электронов и информация о свойствах поверхности получается путем анализа электронных спектров, то это называется методами электронной спектроскопии.

1.2. Спектральный анализ и его применение при проведении экспертных исследований

В современной науке и технике используется множество различных методов определения химического состава веществ. Минералы, открытые геологами, и новые вещества, полученные химиками, характеризуются прежде всего своим составом.
Для правильного осуществления технологических процессов в различных отраслях промышленности необходимо точное знание химического состава данного сырья. Методы химического анализа не всегда отвечают требованиям техники и науки.
В связи с этим в практику внедряются более точные физико-химические и физические методы исследования. Среди этих методов одно из важнейших мест занимает спектральный анализ, имеющий множество достоинств и преимуществ. Этот анализ был открыт более ста лет назад, в 1960 году, Бунзеном и Кирхгофом. Открытие произвело огромное впечатление на современников и имело большое значение для развития знаний об окружающем мире.
Спектральный анализ с первых дней своего существования позволил сделать ряд важных открытий. Направив спектроскоп на Солнце, Кирхгоф доказал наличие железа в хромосфере и предположил существование содержащихся в ней элементов: Ca, Mg, Na, Ni.
Спектральный анализ — физический метод определения состава вещества, основанный на изучении спектров излучения, поглощения, отражения и люминесценции. Атомы каждого элемента излучают излучение определенных длин волн, что, в свою очередь, помогает определить, какие элементы входят в состав данного вещества. Спектры определяются свойствами электронных оболочек атомов и молекул, а также влиянием структуры и массы атомных ядер на положение энергетических уровней. Спектральный анализ позволяет обнаружить элементы в сложном веществе, даже если их масса не превышает 10 граммов [1].
При использовании методов спектрального анализа необходимо учитывать порядок проведения анализов, чувствительность анализа, а также иметь в виду, что некоторые методы приводят к уничтожению вещественных доказательств, что приводит к необходимости дальнейших исследований. вещество невозможно. Существуют атомный и молекулярный спектральный анализы, задачами которых является определение состава вещества. Спектральный анализ основан на разложении белого света на составляющие. Если луч света спроецировать на край трехгранной призмы, то, преломляясь в стекле, лучи, составляющие белый свет, создадут на экране радужную полосу, называемую спектром. В спектре все цвета классифицированы в строгом порядке. Каждый цвет соответствует определенной длине волны или частоте. Длина волны спектра уменьшается от красного к фиолетовому на 0,7–0,4 мкм, а частота увеличивается с 390 ТГц до 750 ТГц [2].
Некоторые преимущества спектральных методов исследования поверхности твердых тел:
Надежность и информативность. Методы позволяют определить химический состав поверхностного слоя исследуемого вещества, а в ряде случаев также дают информацию о химических связях содержащихся в нем атомов.
ГЛАВА 2. СТРУКТУРА РАЗДЕЛА ПОВЕРХНОСТИ КРИСТАЛЛ ПАР

2.1. Кристаллическая структура поверхности. Основные понятия кристаллографии

Твердые тела делятся на кристаллические и аморфные. При нагревании кристаллические тела остаются твердыми до определенной температуры (точки плавления), при которой они переходят в жидкое состояние. Аморфные тела размягчаются при нагревании в широком диапазоне температур; Сначала они становятся вязкими, а потом только превращаются в жидкость.[6]
Все металлы и их сплавы представляют собой кристаллические тела. Металлы – это химические элементы, характеристиками которых являются непрозрачность, блеск, хорошая электро- и теплопроводность, пластичность, а для многих металлов – также способность к сварке. Не утратило своего научного значения определение металлов, данное более 200 лет назад великим русским учёным М.В. Ломоносовым: «Металлы — это лёгкие тела, которые можно ковать». Для металлов характерно то, что они, вступая в химические реакции с элементами, не являющимися металлами, отдают последним свои внешние валентные электроны. Это связано с тем, что атомы металлов имеют внешние электроны, слабо связанные с ядром. У металлов на внешней оболочке всего 1-2 электрона, а у неметаллов их много (5-8). Чистые химические элементы в металлах (например, железе, меди, алюминии и т. д.) могут образовывать более сложные вещества. который может содержать несколько металлических элементов, часто смешанных с заметными количествами неметаллических элементов. Эти вещества называются сплавами металлов. Простые вещества, образующие сплав, называются компонентами сплава.
Твердые кристаллы представляют собой трехмерные образования, характеризующиеся строгой повторяемостью одного и того же структурного элемента (элементарной ячейки) во всех направлениях. Элементарная ячейка — это наименьший объем кристалла в форме параллелепипеда, повторяющийся в кристалле бесконечное число раз.
Геометрически правильная форма кристаллов определяется прежде всего их строго регулярной внутренней структурой. Если вместо атомов, ионов или молекул в кристалле представить точки как центры тяжести этих частиц, мы получим правильное трехмерное распределение этих точек, называемое кристаллической решеткой. Сами точки называются узлами кристаллической решетки. В зависимости от частиц, составляющих кристаллическую решетку, и характера химической связи между ними различают различные типы кристаллов.

2.2. Структура твёрдых кристаллов

Большинство природных или промышленных твердых материалов являются поликристаллическими, то есть состоят из множества мелких, хаотично ориентированных отдельных кристаллических зерен, иногда называемых кристаллитами. В состав этих кристаллов входят многие горные породы, промышленные металлы и сплавы. Монокристаллы называются монокристаллами. [10]
Разнообразие форм кристаллов очень велико. Кристаллы могут иметь от четырех до нескольких сотен граней. Но в то же время они обладают замечательным свойством: независимо от размера, формы и количества граней одного и того же кристалла, все плоские грани пересекаются под определенными углами. Углы между соответствующими гранями всегда одинаковы. Кристаллы каменной соли, например, могут иметь форму куба, параллелепипеда, призмы или более сложной формы тела, но их грани всегда пересекаются под прямым углом. Грани кварца имеют форму неправильных шестиугольников, но углы между гранями всегда одинаковы – 120°. Закон постоянства углов, открытый в 1669 году датчанином Николаем Стено, является важнейшим законом науки о кристаллах: кристаллографии. Кристаллы правильной геометрической формы в природе встречаются редко.
Совместное действие неблагоприятных факторов, таких как колебания температуры и тесное окружение соседних твердых тел, не позволяет растущему кристаллу приобрести характерную форму. Кроме того, значительная часть кристаллов, имевших в далеком прошлом идеальный размер, успела потерять его под воздействием воды, ветра и трения с другими твердыми телами.[11]
Так, многие из округлых прозрачных зерен, обнаруженных в прибрежном песке, представляют собой кристаллы кварца, потерявшие края в результате длительного трения друг о друга. Существует несколько способов определить, является ли твердое тело кристаллом. Самый простой из них, но весьма малопригодный, был открыт случайным наблюдением в конце XVIII века.
Французский ученый Р. Гаюи случайно уронил один из кристаллов из своей коллекции. Изучив фрагменты кристаллов, он заметил, что многие из них представляют собой уменьшенные копии исходного образца. Замечательное свойство многих кристаллов при дроблении образовывать фрагменты, по форме схожие с исходным кристаллом, позволило Гаюи выдвинуть гипотезу, что все кристаллы состоят из плотно расположенных рядов мелких частиц, невидимых для микроскопа, имеющих присущую им правильную геометрическую форму. в кристалле. данное вещество. Разнообразие геометрических фигур Гаюй объяснял не только разной формой составляющих их «кирпичиков», но и разными способами их укладки. Гипотеза Хаюи правильно отразила суть явления — упорядоченное и плотное расположение структурных элементов кристаллов, но не ответила на ряд важных вопросов. Есть ли предел оставаться в форме? Если да, то какой наименьший составной элемент? Имеют ли атомы и молекулы вещества форму многогранников?[12]

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Спектральные методы исследования поверхности твердых тел основаны на анализе энергетических спектров отраженного излучения, возникающего при облучении исследуемого материала электронами, ионами и фотонами.