Анотація до роботи:

Булавенко С.Ю. Дослідження взаємодії вісмуту та водню з поверхнями Si(111) та Si(100) методом скануючої тунельної мікроскопії. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.04 - фізична електроніка. - Київський національний університет ім. Тараса Шевченка, Київ, 2002.

Дисертація присвячена вивченню взаємодії вісмуту та водню з поверхнями Si(111) та Si(100) на атомному рівні з допомогою скануючої тунельної мікроскопії. Побудовано детальну схему фазових змін системи Bi/Si(111)77 та досліджено структуру кожної з фаз з атомною роздільною здатністю. Розроблено нову методику із застосуванням Bi/W вістер в скануючому тунельному мікроскопові для дослідження раніше недоступних атомів в кутових ямах реконструкції Si(111)77. Досліджено початкову стадію адсорбції атомарного водню та його перерозподіл на поверхні при прогріві, включаючи його десорбцію з атомів в кутових ямах. Всупереч теоретичним передбаченням, виявилися, що атоми в кутових ямах вдвічі менше активні, ніж адатоми та залишкові атоми. Вивчено коадсорбцію вісмуту та водню на поверхні Si(111)77. Вперше знайдено існування вісмутових димерів в А-позиціях при початкових стадіях адсорбції вісмуту на поверхні Si(100)21 при кімнатній температурі. Досліджено рух А-, Б-димерів та їх взаємне перетворення. Знайдено існування нового, антифазного, типу вісмутових нанониток на поверхні Si(100)21. Вивчено природу дефектів в нанонитках.

1. Побудовано схему фазових змін на поверхні Bi/Si(111)77 в широкому діапазоні покриттів q_Ві та температур прогріву. Кожна з фаз вивчена на атомному рівні. При утворенні фази вбудованого вісмуту, атоми Ві вбудовуються переважно на дефектній половині елементарної комірки 77 на місцях центральних адатомів. Поодинці вбудовані атоми Ві мають як вільні, так і зайняті електронні стани на ~0,8 еВ віддалені від E_F, а поблизу E_F їх ГЕС значно менша, ніж над адатомами Si. Густини вільних та зайнятих електронних станів Ві суттєво не залежать від місця вбудовування атома. Виявлено вплив вбудованих атомів вісмуту на густину електронних станів сусідніх атомів кремнію. Цей вплив пояснюється перерозподілом заряду на поверхні Si(111)77 .

2. Гідрогенізація поверхні Si(111)77 протидіє утворенню суцільної плівки Ві. Механізм росту плівки Ві змінюється від механізму Странського –Крастанова на чистій поверхні змінюється до механізму Вольмера – Вебера на гідрогенізованій, що супроводжується формуванням вже при моношарових покриттях досить помітної, характерної для об’ємного Ві, густини електронних станів біля E_F. Розміри острівців Ві залежать від ступеню гідрогенізації поверхні кремнію. Структура інтерфейсу та його електронні властивості при q_Bi 1 МШ не залежать від послідовності коадсорбції водню та Ві на поверхні Si(111)77. Суттєві відмінності структури інтерфейсу від послідовності коадсорбції спостерігаються при q_Bi > 3 МШ. У випадку адсорбції Ві на попередньо експоновану поверхню у водні спостерігається утворення плівки острівцевого типу. При дії ж водню на попередньо сформований інтерфейс Bi/Si(111)77 при q_Bi » 3 - 6 МШ структура плівки залишається лабіринтно-подібною, а при q_Bi > 8 - 10 МШ, коли плівка вісмуту суцільна, експозиція (принаймні до ~ 1600 L H₂) на структуру плівки не впливає. Виявилося, що структуру інтерфейсу можна модифікувати на нанометровому масштабі вістрям СТМ.

3. Створено та використано для досліджень методику Bi/W вістер в СТМ. Показано, що такі вістря дають можливість візуалізувати атоми Si в кутових ямах поверхні Si(111)77 та досліджувати адсорбцію в ці ями атомів водню. Виявилося, що при кімнатній температурі хімічна активність атомів в кутових ямах поверхні Si(111)77 по відношенню до атомарного водню в ~2 рази менша за хімічну активність адатомів та залишкових атомів. Кількість адсорбованого водню в CH місцях при прогріві до ~400C не змінюється завдяки високому активаційному бар'єру дифузії водню (2,4 еВ), що оточує кутову яму. Температура десорбції водню з усіх місць (A,R,CH) становить ~500С. Адсорбція водню в кутових ямах приводить до збільшення густини зайнятих станів адатомів на недефектних половинах комірки Si(111)77, що узгоджується з передбаченнями теорії. Цю зміну густини зайнятих станів можна спостерігати на СТМ-зображеннях, отриманих як з Bi/W, так і звичайними вістрями. Тому вона може слугувати індикатором адсорбції в кутову яму.

4. Запропоновано методику “розрізів” для розширення часового діапазону динамічних явищ, що досліджуються за допомогою СТМ. Знайдено, що вісмут при кімнатній температурі адсорбується на поверхні Si(100)21 у вигляді димерів двох типів (в А- та Б-позиціях), а при наявності великої кількості дефектів і в інших позиціях (В та Г). Вивчено дифузію А- та Б-димерів, а також їх взаємне перетворення при кімнатній температурі. Зроблено оцінки енергій активацій для А-А (0,82 еВ), Б-Б (1,05 еВ), А-Б (0,87 еВ) та Б-А (1,04 еВ) процесів. Встановлено збільшення енергії зв'язку А-димера (на ~0.1 еВ) у випадку наявності А- чи Б-димера в сусідньому ряді. Знайдено, що сусідні Б-димери в одному ряду можуть рухатися узгоджено.

5. Виявлено існування нового (антифазного) типу нанониток Ві на поверхні Si(100)21. Встановлено, що першим етапом деградації нанонитки є утворення дефектів заміщення вісмутових димерів в нанонитці на кремнієві димери. Виявилося, що антифазна нитка є стабільнішою за синфазну.

Публікації автора:

1. Булавенко С.Ю., Зосим М.Л., Лисенко В.М., Мельник П.В., Находкін М.Г. Дослідження взаємодії субмоноатомних шарів Ві з поверхнею Si(111)77 методом Скануючої Тунельної Мікроскопії // Вісник Київського Університету. – 1997. – №3. – C.265-280.

2. Булавенко С.Ю., Зосім М.Л., Мельник П.В., Находкін М.Г. Дослідження інтерфейсу Bi/Si(111)77 методами скануючої тунельної мікроскопії та спектроскопії // Вісник Київського Університету. – 1998. – №2. – С.279-302.

3. Булавенко С.Ю., Зосім М.Л., Мельник П.В., Находкін М.Г. СТМ-зображення залишкових атомів на поверхні Si(111)77 та можливість дослідження атомів на дні кутових ям // Укр.фіз.журн. – 1998. – Т.43, №11. – C.1465-1468.

4. Булавенко С.Ю., Мусатенко Ю.С., Курашов В.Н., Находкін М.Г. Методика кількісної обробки СТМ-зображень частково-упорядкованих систем // Вісник Київського Університету. – 1998. – №4. – C.243-248.

5. Булавенко С.Ю., Мельник П.В., Находкін М.Г., Федорченко М.І. Коадсорбція вісмуту та водню на поверхні Si(111)77 // Вісник Київського Університету. – 1999. – №2. – С.363-372.

6. Булавенко С.Ю., Зосим М.Л., Мельник П.В., Находкін М.Г. Скануюча тунельна мікроскопія інтерфейсу Ві/Si(111)7x7 // Вопросы атомной науки и техники. – 1998 – Вып. 6(7),7(8). – C.258-260.

7. Bulavenko S.Yu., Fedorchenko M.I., Melnik P.V., Nakhodkin M.G. Coadsorption of hydrogen and bismuth on the Si(111)77 // Surf. Sci. – 2000. – Vol.454-456. – P.213-217.

8. Bulavenko S.Yu., Melnik P.V., Nakhodkin M.G. STM-images of the atoms in the corner holes on the Si(111)77 surface with bismuth-covered tips // Surf. Sci. – 2000. – Vol.469. – P.127-132.

9. Bulavenko S.Yu., Koval I.F., Melnik P.V., Nakhodkin N.G. and Zandvliet H.J.W. STM investigation of the initial adsorption stage of Bi on Si(100)21 and Ge(100)21 surfaces // Surf. Sci. – 2001. – Vol.482. – P.370-375.

10. Булавенко С.Ю., Коваль И.Ф., Мельник П.В., Находкин Н.Г. Исследования динамических характеристик взаимодействия Bi с поверхностью Si(100)21 с помощью СТМ // Известия РАН: физическая серия. – 2002. – Т.66, №1. – С.103-105.