Спектроскопия поверхностного фотонапряжения (фото-ЭДС)

ДЕК142018

Спектроскопический анализ наноструктур с помощью АСМ серии

Общие положения

Оксид цинка (ZnO) все больше и больше привлекает внимание в научном сообществе из-за своих превосходных объемных свойств – высокая энергия связи экситона, высокая чувствительность к переносу заряда адсорбата и высокая подвижность носителя – а также из-за исключительной способности к росту наноструктур. Было проведено много исследований в области разработки процедур роста и улучшения понимания их механизмов для индуцирования наностуктур и их использования в устройствах [1,2].

Однако была проделана незначительная работа при исследовании электронных свойств на уровне наномасштабов и того, как данные свойства способствуют ядрообразованию и росту вышеупомянутых наноструктур, или того, как данные электронные свойства влияют на возможность создания контактов Шоттки с Zn [3]. Кроме того, при исследовании таких наноструктур необходимо учитывать их самопроизвольный рост.

Способность понять и, таким образом, теоретически контролировать как электронные, морфологические и химические несоответствия вместе играют синергетическую роль в работе устройств из ZnO, должна быть первоочередной во всех текущих исследованиях ZnO в качестве электронного материала, особенно для тех, кто стремится создавать устройства на уровне наномасштабов. Исследование этих трех дефектов в наномасштабах: электронного, морфологического и химического, – далеко не самая простая задача, поэтому можно объяснить относительное отсутствие работ по данной теме.

Существует несколько методик, которые позволяют рассмотреть одно или два из этих свойств на ограниченном масштабе. Самой значительной является СЭМ с катодной люминесценцией с разрешением по глубине, а также атомно-силовая микроскопия, в частности, силовая микроскопия с зондом Кельвина. Но возможность оптимального изучения одновременно всех трех свойств не увенчалась успехом даже после нескольких, изначально довольно оптимистичных, попыток.

На рис. 1 представлена одна из трех самопроизвольных структур, образованных на цинк-полярной поверхности ZnO. Изображение получено с помощью атомно-силового микроскопа ХЕ7 компании Park Systems. Расположение данных наноструктур вдоль кристаллографических осей показано на рис. 1 вместе с крупным планом полосы нановозвышений, выделяя впадины, окружающие основания каждого возвышения, показанного с правой стороны рисунка. Данное изображение отображает сложную природу спонтанного роста наноструктур, которое может возникать самопроизвольно.

Считается, что благодаря вращению сканирующего зонда, мы можем предоставить аналитическую возможность анализа по трем методикам в совокупности, которые позволяют исследовать электронную, морфологическую и химическую природу любого полупроводникового образца в условиях окружающей среды. Использование атомно-силовой микроскопии и силовой микроскопии с зондом Кельвина (KPFM) позволяет выполнять одновременное картографирование морфологических и электронных свойств образца, а также проводить одновременную регистрацию поверхностного фотонапряжения, что позволяет анализировать химические дефекты изолированных областей, которые могут быть выбраны как на картах АСМ и KPFM, так и на бóльших областях.

Рис. 1. Спонтанный рост наноструктур на цинк-полярной поверхности ZnO.

Обзор АСМ серии ХЕ и спектроскопии поверхностного фотонапряжения

Основным рабочим элементом в спектроскопии поверхностного фотонапряжения (фото-ЭДС) (СПФ/SPS) является атомно-силовой микроскоп. В ходе данного исследования использовался АСМ модели XE7 компании Park Systems в режиме KPFM с улучшенным модулем для EFM. Уникальная открытая конструкция сканирующей головки позволяет подводить оптическое волокно в непосредственную близость к поверхности исследуемого образца.

Данная геометрия позволяет подсвечивать поверхность образца с помощью монохроматического света с одновременным запуском режима  сканирования. При увеличении энергии фотонов падающего излучения свыше порогового значения, носители начинают переходить из основного состояния в энергетической запрещенной зоне полупроводника, изменяя изгиб границ энергетической зоны и уровень Ферми вблизи поверхности, что можно одновременно исследовать с помощью режима KPFM.

Изменения, которые наблюдаются в уровне сигнала можно интерпретировать как движение энергетического уровня Ферми, которое происходит из-за заполнения/опустошения такой поверхности или дефектных состояний через оптическое возбуждение. Энергия фотонов, при которой изменяется KPFM сигнал, представляет собой относительную энергию перехода и, следовательно, характеристическую энергию уровня дефекта. Знак изменения данного сигнала определяет, относится ли характеристическая энергия к валентной зоне или же к зоне проводимости. Это способствует точному определению дефектных состояний через ширину зоны в локальном масштабе.

Данный метод имеет заметное улучшение по сравнению с традиционными методами люминесценции, в которых можно определить только разницу энергий. На рис. 2 представлен схематический вид микроскопа, работающего по принципу СПФ: металлизированный кантилевер, фотодиод, чувствительный к положению (PSPD) и лазерный диод являются составными частями атомно-силового микроскопа XE7.

Рис. 2. Схема измерения методом СПФ с помощью АСМ XE7: волокно находится на расстоянии 2 см от рабочего KPFM кантилевера и подсвечивает область на образце диаметром 5 мм.

Исследование наноструктуры ZnO

На рис. 3 представлено два изображения (а) и (b), одновременно полученные с помощью атомно-силового микроскопа XE7 в режиме KPFM с улучшенным модулем для EFM. Оба изображения были получены при анализе цинк-полярной поверхности одиночного кристалла ZnO, находящегося в воздухе. На изображения видны три отдельные области двух различных типов.

Эти три области промаркированы как ①, ② и ③. Области ① и ③ отображают высокую концентрацию нановозвышений, что замено на соответствующем изображении, а также демонстрируют более низкий EFM сигнал по сравнению с областью ②, которая является относительно сглаженной топографически. На рис. 3(с), (d) и (е) показаны соответствующие спектры СПФ в определенных точках областей①, ② и ③.

Для областей с высокими наноструктурами на СПФ спектре наблюдается очевидная дополнительная компонента, выраженная в виде энергетического отклика при 3.34 эВ, который отсутствует на гладкой области спектра. Данная компонента на рис. 3(с) и (е) возникает из-за дефекта поверхности при 1.7-1.8 эВ ниже зоны проводимости, что подтверждается другими экспериментальными исследованиями V_Zn [4]. Совместное использование этих трех методик позволяет получить полную картину топографической, электронной и химической структуры на уровне наномасштабов.

На рис. 4(а) представлено изображение, на котором показана одна исследуемая область, находящаяся рядом с изолированным нановозвышением. Четыре СПФ спектра были сняты в четырех отдельных точках данной области. Каждый последующий спектр был снят в точке, которая удалена от изолированного нановозвышения на все большее расстояние по сравнению с предыдущей.

Рис. 4(b), (с), (d) и (е) показывают СПФ спектры для данных четырех точек, которые соответствуют следующим положениям: (b) – вершина нановозвышения, (с) – подножие нановозвышения, (d) – 350 нм от подножия, (e) – 750 нм от подножия. На каждом из этих положений есть очевидное изменение в количестве дефектов при 2.1 эВ, что показывает разрешение для химического анализа лучше, чем 100 нм. Более полный анализ и демонстрация возможностей СПФ описаны в других источниках [5].

Рис. 3. (а) Топографическая карта поверхности ZnO (0001 структура) с двумя смежными поверхностными морфологиями: гладкая область ② со значением СКО по перепаду высот в 1.27 нм, ограниченная областями ① и ③ с ярко выраженными кластерами нановозвышений. (b) Карта с данными KPFM для той же самой области. Области ① и ③ имеют меньшую контактную разность потенциалов по сравнению с областью ②. СПФ спектры на рис. 3(с) и 3(е) соответственно показывают образования при 1.7-1.8 эВ, которые отсутствуют на спектре 3(d) для области ②.

Рис. 4. (а) Топографическая карта поверхности изолированного нановозвышения на поверхности ZnO. СПФ спектры показывают: отсутствие зазора межу энергетическими состояниями на вершине нановозвышения (b); большое изменение наклона контактной разности потенциалов при 2.1 эВ у подножия нановозвышения (c); (d) положительное изменение контактной разности потенциалов при 2.1 эВ; (e) отсутствие характерной компоненты перехода при 2.1 эВ.

Заключение

Способность одновременного отображения топографических, химических и электронных локальных характеристик в нанометровом масштабе является не только чрезвычайно эффективной методикой для понимания физических основ материалов, но и очень полезным свойством при исследовании структуры устройств и их механизмов разрушения и отказов [6].

С помощью данной возможности полного исследования и интерпретации поведения материалов неразрушающим способом, можно управлять поведением материала за счет полученной информации. Сочетание АСМ, СПФ и KPFM методик позволяет создать уникальный комплекс для исследования трех различных, но связанных между собой локальных свойств. В данном исследовании было показано, что атомно-силовой микроскоп XE7 компании Park Systems с режимом KPFM (SKPM) превосходит другие устройства, так как имеет открытую конструкцию, в которую конечный пользователь может включить дополнительные устройства и оборудование для гибкой подстройки внешних условий системы измерения с целью для выполнения уникальных и конкретных задач.

Подробные характеристики атомно-силового микроскопа Park XE7

Ссылки

1. S. J. Pearton, D.P. Norton, D.P., K. Ip, Y.W. Heo, T.Steiner, Prog. Mater. Sci. 50 (2005) 293.
2. L. Schmidt-Mende, J.L. MacManus-Driscoll, Mater. Today 10 (2007) 40.
3. L.J. Brillson, H.L. Mosbacker, M.J. Hetzer, Y. Strzhemechny, G.H. Jessen, D.C. Look. G. Cantwell, J. Zhang, and J.J. Song, Appl. Phys. Lett. 90 (2007) 102116.
4. Y. Dong, F. Tuomisto, B.G. Svensson, A.Y. Kuznetsov and L.J. Brillson, Phys. Rev. B. 81 (2010) 081201.
5. T.A. Merz, D.R. Doutt, T. Bolton, Y. Dong, and L.J. Brillson, Surf. Sci. Lett (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0039602810004991?via%3Dihub).
6. C. Lin, T.A. Merz, D.R. Doutt, M.J. Hetzer, J. Joh, J.A. del Alamo, U.K. Mishra, L.J. Brillson, Appl. Phys. Lett. 95 (2009) 033510.