Методы исследования квантово-размерных структур

 

Для исследования квантово-размерных структур применяется ряд методов:

Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ);

Атомно-силовая микроскопия (ACM);

Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ);

Сверхвысоковакуумная отражательная электронная микроскопия (СВВ ОЭМ).

В основе метода CTM лежит эффект квантового туннелирования, т.е. переноса электронов сквозь потенциальный барьер между двумя проводящими поверхностями, разделенными вакуумным или диэлектрическим зазором шириной в несколько нанометров. Сканирование обычно производится двух режимах: или режиме постоянного тока, или в режиме постоянного уровня кантилевера. В первом случае предполагается, что постоянный ток соответствует постоянному зазору между поверхностью и кантилевером, и при сканировании снимается положение кантилевера, что фактически соответствует рельефу поверхности. Во втором случае снимаются токовые зависимости.

Метод АСМ основан на использовании сил взаимодействия кантилевера и поверхности образца. Природа этих сил может быть различна: взаимодействие электронных оболочек атомов, электростатическая, магнитная и т.д. Режимы движения кантилевера аналогичны СТМ, только вместо силы тока используется силы взаимодействия кантилевера и поверхности.

При исследовании методом ПЭМ получают картины дифракции электронов на исследуемом образце с малым углами рассеяния (~ 1°). Контрастные, пригодные для анализа картины формируются при направлении пучка вблизи кристаллографических направлений с малыми индексами[1].

Поскольку обратная задача дифракции - восстановление исходной структуры по полученной дифракционной картине - до сих пор не решена, используют следующий подход. Берут несколько наиболее вероятных структур, для них получают теоретические дифракционные картины и полагают истинной ту структуру, для которой теоретическая дифракционная картина наиболее близка к экспериментальной. Для большей достоверности используют сразу несколько дифракционных картин, полученных в различных рефлексах.

В методе СВВ ОЭМ пучок высокоэнергетических электронов (100 кэВ) падает под малым углом к поверхности, что обуславливает высокую чувствительность получаемых ОЭМ-изображений к структурному совершенству исследуемой поверхности. Следует однако отметить, что из-за малого угла падения пучка электронов к исследуемой поверхности реальные масштабы изображений в ОЭМ искажены: отношение продольного масштаба к поперечному на изображениях определяется углом падения пучка электронов и составляет 30-50.

Серьезной проблемой при формировании гетероструктур, включая квантовые структуры, является несоответствие параметров решеток подложки и эпитаксиальных структур. Для компенсации этого несоответствия могут возникать различные дефекты структуры на межфазной границе, например, дислокации несоответствия. Эти дефекты возникают, когда толщина пленки или высота островков превышают некоторую критическую величину, зависящую от температуры роста.

Вышеперечисленные методики дают достаточно полную информацию о структурных особенностях наноразмерных структур. Они достаточно эффективны, однако являются уникальными и дорогостоящими, что не дает возможности применять их в массовых, рутинных измерениях, которые бывают необходимы для получения достоверной информации, особенно при изменении условий проведения эксперимента. В этом направлении очень хорошо в последние годы зарекомендовали себя методы сканирующей микроскопии: туннельный и атомно-силовой. Полученные в данной работе экспериментальные результаты базируются именно на таких методах.

Структурные методы не дают возможности однозначного доказательства проявления эффектов размерного квантования. Для этой цели, как показала мировая практика, наиболее эффективными являются оптические и фотоэлектрические методы исследования, такие как комбинационное рассеяние света (рамановское рассеяние), а также люминесценция (прежде всего фотолюминесценция). Эти методы максимально были использованы в наших исследованиях. Именно с их помощью были получены однозначные доказательства проявления эффектов размерного квантования в исследуемых нами материалах.

Анализ полученных в мировой практике результатов показал, что наиболее важные параметры приборов наноэлектроники и нанофотоэлектроники зависят от упорядоченности структур с квантово - размерными элементами и от их параметров, в частности от величины разброса по размерам таких элементов[2].