Применение электронной микроскопии высокого разрешения в физике твердого тела

Количество исследований, в которых используется электронная микроскопия высокого разрешения, в последнее время неуклонно растет. Даже грубый анализ таких публикаций выявляет несколько характерных тенденций. Если на ранних стадиях применения микроскопии высокого разрешения (HREM) предпочтение отдавалось изучению структуры единичных дефектов (точечные дефекты, дислокации, дефекты упаковки, межзеренные границы и др.), то в настоящее время интерес исследователей больше связан с изучением процессов взаимодействия дефектов различной природы, природы групп атомов, окружающих дефекты (примесные атмосферы), и их перемещения в материале кристалла. Особое место в исследованиях, связанных с применением электронной микроскопии высокого разрешения, по-прежнему занимают работы по идентификации положений атомов различной природы на ЭМ-изображениях (структурные исследования).

Очень плодотворными оказались два направления развития: микроскопия высокого разрешения в сочетании с высоким вакуумом 10~⁷— 1СГ¹⁰ торр (1 паскаль [Па] = 0,750 061 682 704 торр) и использование техники видеозаписи с одновременной обработкой видеоизображения с помощью иногда весьма сложных программ. Наиболее впечатляющие результаты здесь получены при исследовании чистой поверхности и межзеренных границ в кристаллах различной природы.

Успехи, достигнутые в электронной микроскопии высокого разрешения, знаменуют качественно новый этап в развитии структурного анализа. В настоящее время методами микроскопии высокого разрешения решается много задач по прямой расшифровке структурного мотива ранее неизвестных кристаллических веществ. Впервые возможность прямого наблюдения атомного узора была продемонстрирована в работе [11] на примере структуры Ti₂Nbj₀O₂9.

Возможности электронной микроскопии высокого разрешения в решении структурных задач можно продемонстрировать на примере наблюдения структуры простых кристаллов [11—16]. Изображения простых структур типа Si или Ge часто используются для калибровки микроскопов и демонстрации их разрешения. На рис. 3.14 представлен полученный на микроскопе JEM-4000EX снимок с изображением решетки кремния вдоль направления [110] [12]. На врезке показано расположение атомов в элементарной ячейке кремния и приведены некоторые характерные межатомные расстояния.

Рис. 3.14. Решетка кремния вдоль направления [110] (толщина кристалла — 150 А; дефокусировка — 1140 А; светлые пятна соответствуют атомным колонкам) [12].

В последние годы большое число работ посвящено электронно-микроскопическим исследованиям кристаллической структуры и дефектов высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) материалов. На рис. 3.15 представлено ЭМ-изображение высокого разрешения монокристалла (HREM-изображение) YBa₂Cu₃0₆ 74 [13]. На снимке отчетливо видно, как располагаются атомы кислорода в элементарной ячейке кристалла.

Рис. 3.15. Структура монокристалла YBa₂Cu₃0_{6 74} вдоль направления оси Ь:

на врезке — проекция модели структуры на плоскость (110);

О (светлые пятна) — положения вакансий кислорода [13].

Как уже отмечалось выше, очень много исследований посвящено изучению атомной структуры различных единичных дефектов. На рис. 3.16, а приведено ЭМ-изображение краевой дислокации в монокристалле германия [14]. На изображении хорошо видна структура ядра дислокации: дополнительная полуплоскость и поле смещений атомов в окрестности оси дислокации, ограничивающей полуплоскость. На рис. 3.16, б приведен пример структуры микродвойниковых прослоек в монокристаллах кремния, выращенных на углеродной подложке [15]. Изображение высокого разрешения показывает, что наблюдаемые границы являются когерентными.

Рис. 3.16. Монокристалл германия;

а — ЭМ-изображение ядра краевой дислокации [14]; б — двойниковые прослойки, образующиеся при деформации [15].

Исследования нестабильности частиц малого размера. Прогресс в области создания высокоразрешающих электронных микроскопов, развитие техники видеозаписи и возможность оптико-математической обработки изображений высокого разрешения на ЭВМ позволили наблюдать динамические явления на атомном уровне. Одним из ярких примеров этого направления являются работы [16], в которых исследовалась нестабильность частиц золота малого размера (в поперечнике менее 50 А). Как правило, такие частицы образуются при высоковакуумном (1СГ⁸ торр) осаждении частиц золота на поверхность кремния большего размера.

В целом ряде экспериментов было обнаружено, что такие частицы:

• а) имеют вполне определенную внешнюю огранку в виде кубододекаэдра, сдвойникованного кубододекаэдра, икосаэдра с множественным двойникованием или декаэдра с множественным двойникованием;
• б) непрерывно изменяя свою форму, двигаются по поверхности кремния, на которой осаждены (см. рис. 3.17).

Первоначально было высказано предположение, что последнее вызвано либо нагревом под электронным пучком, либо зарядкой поверхности частиц за счет эмиссии вторичных электронов. Однако исследования в режиме микропучка показали, что даже при уменьшении диаметра зонда до 30 А и его смещении на край микрочастицы золота, ее движение и перестройка формы продолжаются [16]. Это позволило авторам сделать вывод, что непрерывная перестройка формы происходит не только за счет температурного фактора. Скорее всего, движущей силой этого процесса может рассматриваться возникновение электростатических зарядов. На рис. 3.17 приведены три фотографии (ЭМ-изображения) одного и того же кластера золота, полученные с интервалом 0,5 с. Из данного фоторяда следует, что перераспределение атомов происходит на основе двойникования. Вначале (рис. 3.17, а) наблюдаются две двойниковые плоскости, разделенные расстоянием 3d{_111}. Через 0,5 с расстояние возрастает до (рис. 3.17, б), и далее через 0,5 с двойниковая прослойка поглощает верхнюю часть кластера. В результате происходит сдвиг всего кластера и изменение его формы (рис. 3.17, в). Модель этого процесса приведена на рис. 3.18.

Электронная микроскопия высокого разрешения оказалась чрезвычайно мощным методом в изучении свойств реальной поверхности.

Рис. 3.17. Динамика изменений двойниковой прослойки в средней части кластера золота (интервал съемок — 0,5 с; ось зоны [110] перпендикулярна плоскости рисунка; стрелками обозначено положение плоскостей двойникования) [16]

Рис. 3.18. Модель изменений двойниковой прослойки

В настоящее время техника получения изображений высокого разрешения со специально приготовленных срезов монокристаллов, выявляющих структуру поверхности, разработана в достаточной степени. Такие работы проводятся, как правило, с использованием высоковакуумных микроскопов. Одним из таких исследований является работа [17], в которой подтверждается идея возникновения поверхностных дефектов для релаксации напряжений несоответствия в объеме материала и на его поверхности. На рис. 3.19 приведено ЭМ-изображение профиля реконструированной поверхности (111) золота, на которой видны ступеньки и поверхностная дислокация Шокли (отмечена стрелкой).

Рис. 3.19. Профиль реконструированной поверхности (111) золота в направлении перпендикулярном плоскости рисунка [110]) [17]

Исключительно важным в технологическом плане и интересным с точки зрения кристаллизации являются процессы молекулярно-эпитаксиального роста. Получаемые способом наращивания кристаллов в сверхвысоком вакууме (МВЕ) (Molecular Beam Epitaxy — молекулярнопучковая эпитаксия) многослойные кристаллические структуры нашли широчайшее применение в современной микроэлектронике.

Рис. 3.20. Поперечное сечение кремния, выращенного на сапфировой подложке (ось [110] решетки кремния перпендикулярна плоскости рисунка) [12]

Для исследования кристаллической структуры многослойных систем, полученных методом МВЕ, очень перспективным методом оказалась электронная микроскопия высокого разрешения [12]. В качестве примера на рис. 3.20 показано изображение с атомным разрешением поперечного сечения кремния, выращенного на сапфировой подложке. На снимке хорошо видны область сопряжения двух решеток и различного рода дефекты: микродвойники и дефекты упаковки, возникающие в процессе роста слоя кремния на сапфире.

Даже небольшое число приведенных выше примеров применения электронной микроскопии высокого разрешения убедительно показывают, насколько многообразны области физики твердого тела и физического материаловедения, где эти методы оказались практически незаменимыми для изучения происходящих процессов.