Поверхностные процессы в слоистых структурах и акустоэлектронные методы их исследования

• Автор: Симаков, Иван Григорьевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Улан-Удэ
• Количество страниц: 141 с. : ил.

Глава 1. Процессы формирования и методы исследования граничных
слоев и тонких пленок на поверхности твердого тела
1.1. Влияние поверхности твёрдого тела на процессы атомно-молекулярной адсорбции
1.2. Основные представления теории зарождения и роста твердых плёнок
1.3. Поверхностные процессы в островковых и сплошных тонких пленках
1.4. Применение поверхностных акустических волн для исследования поверхностных явлений и процессов
1.5. Выводы и постановка задачи
Глава 2. Поверхностные процессы и акустоэлектронное взаимодействие
в граничных слоях и тонких пленках
2.1. Влияние адсорбции на теплофизические свойства твердой поверхности
2.2. Особенности формирования граничного слоя при полимолекулярной адсорбции паров воды
2.3. Взаимодействие рэлеевских волн с тонкими слоями на поверхности изотропного твёрдого тела
2.4. Взаимодействие поверхностных акустических волн с тонкими плёнками
на поверхности пьезоэлектрика
2.5. Разработка интерференционного метода измерения затухания и скорости поверхностных акустических волн
2.6. Выводы
Глава 3. Акустоэлектронное исследование физических свойств воды
в граничной фазе
3.1. Измерительная ячейка и особенности методики исследования
3.2. Дисперсия поверхностных акустических волн в граничных слоях воды
3.3. Диэлектрическая релаксация в адсорбированной воде
3.4. Полимолекулярная адсорбция паров воды на поверхности ниобата лития
3.5. Тепловое расширение адсорбированной воды
3.6. Выводы
Глава 4. Экспериментальное исследование формирования тонких
плёнок и акустоэлектронного взаимодействия в них
4.1. Экспериментальная установка и методика исследования
4.2. Взаимодействие поверхностных акустических волн с носителями заряда
в островковых металлических плёнках
4.3. Релаксационные явления в процессе роста островковой пленки
4.4. Акустоэлектронное взаимодействие в быстроконденсированных
плёнках антимонида индия
4.5. Особенности затухания ультразвука в пленках халькогенидного стекла
4.6. Выводы
Заключение
Список литературы

Изучение поверхностных явлений и процессов в слоистых структурах необходимо для понимания их физической природы, раскрытия роли меж-фазных границ, для развития фундаментальных познаний в этой области и создания на их основе новых функциональных устройств. Важным инструментом изучения поверхностных процессов выступают акустоэлектронные (АЭ) методы исследования. Анализ взаимодействия акустических волн с поверхностными объектами позволяет определять параметры граничных слоев и тонких пленок, а также физические свойства пленочных материалов [1,2].
Основу АЭ методов исследования составляют волны рэлеевского типа -упругие возмущения, распространяющиеся вдоль плоской поверхности твердых тел (обычно пьезоэлектрических и пьезополупроводниковых кристаллов) в относительно тонком приповерхностном слое. Энергия поверхностных волн сосредоточена в слое толщиной порядка длины волны. В пьезоэлектрической подложке поверхностные акустические волны (ПАВ) рэлеевского типа сопровождаются переменными электрическими ПОЛЯМИ, проникающими как в слой, в котором распространяется волна, так и за его пределы. На скорость и затухание поверхностной волны влияет обмен энергией между акустической и электронной подсистемами в приповерхностном слое подложки и в пленках, сформированных на ее поверхности [3].
Исследование распространения акустических волн в твердых телах с учетом поверхностных явлений и процессов необходимо для лучшего понимания динамики приповерхностного слоя, имеет значение при экспериментальной оценке параметров неоднородных, образовавшихся при технологической обработке, приповерхностных слоев [4, 5]. Кроме того, результаты исследования представляют практический интерес для акустоэлектроники.
В связи с развитием акустоэлектроники формализм описания ПАВ, распространяющихся в тех или иных неоднородных средах, в основном разработан [6-10]. Основные соотношения получены в рамках упругой континуальной модели. Как правило, при этом не учитывались ни способы получения реальной поверхности твердого тела, ни технологические особенности ее обработки, ни влияние адсорбции на параметры твердой поверхности.
Сорбционные процессы на поверхности твердого тела неизбежно влияют на упругие характеристики приповерхностной решетки [11]. Упругая и пьезоэлектрическая анизотропия пьезоэлектрических подложек в рамках одной кристаллографической плоскости позволяет акустически охарактеризовать поверхностные сорбционные процессы [1, 12]. Например, процессы селективной адсорбции влияют на акустические параметры приповерхностного слоя и играют решающую роль в работе интегральных решеток газовых ПАВ-датчиков системы «Электронный нос» [13]. Необходимо отметить, что связь величин, характеризующих процесс адсорбции, и акустических параметров твердого тела не изучена даже феноменологически.
Значительный физический интерес представляет изучение поверхностных процессов в островковые металлических пленках [14], которые успешно применяются в качестве холодных катодов, датчиков физических величин и элементов микроэлектроники [15]. Получение оптимальных эксплуатационных характеристик (эффективности, экономичности, долговечности) остров-ковых пленок сопряжено с технологическими трудностями [16]. Для контроля эмиссионных характеристик холодных катодов в процессе их изготовления могут быть использованы ПАВ [17]. Следовательно, важным аспектом специального изучения являются процессы электрон-фононного взаимодействия в системе «подложка - островковая металлическая пленка».
Для исследования поверхностных процессов в слоистых структурах необходимы чувствительные методы измерения затухания и скорости ПАВ. Чувствительность существующих методов [18] либо не достаточно высокая, либо не позволяет с необходимой точностью регистрировать изменение затухания и скорости одновременно на одном и том же образце, либо для реализации метода необходимо применение прецизионных приборов. Поэтому разработка акустоэлектронных методов определения малых изменений затухания и скорости ПАВ [19, 20] представляется весьма актуальной.
Для их подбора функции А(у) и Ду) определялись численно для твердых тел всего диапазона значений коэффициента Пуассона. Точность аппроксимации лучше 0,5 % для материала звукопровода (подложки) со значениями у ~ (0-0,45). Для физически нереализуемого случая - идеально упругой жидкости (у = 0,5) ошибка аппроксимации ~ 1 %.
Основные упругие параметры материала тонких слоев можно вычислить, если известны толщина, плотность, и скорости продольных и поперечных упругих волн, распространяющихся в слое. Во многих случаях плотность материала слоя может быть принята равной плотности материала массивного образца. Толщина слоя определяется независимым методом (например, методом кварцевых микровесов). Для определения двух неизвестных х и у в уравнении (2.31) необходимо проводить измерения ДVIV для разных, в пределах одной плоскости подложки, направлений распространения ПАВ с одним и тем же исследуемым слоем на пути распространения волн. Зная характеристики ПАВ в каждом направлении распространения, т. е. зная Р(у)> Рг(у), /КУ), /г(у) и измеряя соответствующие значения Ди/и, получим систему линейных уравнений, решение которой однозначно.
Таким образом, аналитический вид выражения (2.31) позволяет по величине относительного изменения скорости ПАВ, полученного для двух различных направлений распространения волны в системе подложка - твердый слой, определить фазовые скорости продольных и поперечных волн в материале слоя. Используя формулы теории упругости из акустических измерений можно оценить упругие параметры материала слоя.
2.4. Взаимодействие поверхностных акустических волн с тонкими пленками на поверхности пьезоэлектрика
При учете акустоэлектронного взаимодействия в слоистых структурах строгий расчет параметров ПАВ возможен, но сопряжен с большими математическими трудностями. Трудности удается преодолеть, применяя предло-