Влияние атомной структуры поверхности металла на потенциальный рельеф близкорасположенной поверхности полупроводника
В рамках метода диэлектрического формализма для системы трёх сред с пространственной дисперсией рассчитан структурный потенциал ΔVjst (r) в системе полупроводник—вакуум—металл, который обусловлен атомной (микроскопической) структурой каждой из поверхностей. Взаимосвязь между полупроводником и металл...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
|---|---|
| Datum: | 2011 |
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
2011
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/74452 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Влияние атомной структуры поверхности металла на потенциальный рельеф близкорасположенной поверхности полупроводника / Л.Г. Ильченко, В.В. Ильченко, В.В. Лобанов // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2011. — Т. 9, № 2. — С. 313-324. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860185038390296576 |
|---|---|
| author | Ильченко, Л.Г. Ильченко, В.В. Лобанов, В.В. |
| author_facet | Ильченко, Л.Г. Ильченко, В.В. Лобанов, В.В. |
| citation_txt | Влияние атомной структуры поверхности металла на потенциальный рельеф близкорасположенной поверхности полупроводника / Л.Г. Ильченко, В.В. Ильченко, В.В. Лобанов // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2011. — Т. 9, № 2. — С. 313-324. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
| description | В рамках метода диэлектрического формализма для системы трёх сред с пространственной дисперсией рассчитан структурный потенциал ΔVjst (r) в системе полупроводник—вакуум—металл, который обусловлен атомной (микроскопической) структурой каждой из поверхностей. Взаимосвязь между полупроводником и металлом, которая обусловлена экранированием поверхностного заряда полупроводника свободными электронами близко расположенного металла и усилена образованием потенциального барьера в вакуумном промежутке при L < 10 нм, существенно возрастает с уменьшением его толщины L < 0,1 нм. Показано, что рассчитанный структурный потенциал ΔVjst (r), который является суперпозицией вкладов микроскопической структуры каждой из двух поверхностей, является несимметричным и обусловливает не только локальное изменение высоты потенциального барьера в вакуумной щели, но и латеральное изменение суммарного потенциала Vj (r) на поверхности полупроводника и в его приповерхностной области.
В межах методи діелектричного формалізму для систем з трьох середовищ з просторовою дисперсією розраховано структурний потенціял ΔVjst (r) в системі напівпровідник—вакуум—метал, який обумовлений атомарною (мікроскопічною) структурою кожної з поверхонь. Взаємозв’язок між напівпровідником та металом, який обумовлений екрануванням поверхневого заряду напівпровідника вільними електронами близько розташованого металу та підсилений утворенням потенціяльного бар’єру у вакуумному проміжку при L < 10 нм, істотно зростає зі зменшенням його товщини L < 0,1 нм. Показано, що розрахований структурний потенціял ΔVjst (r), який є суперпозицією внесків мікроскопічної структури кожної з двох поверхонь, є несиметричним та обумовлює не тільки локальну зміну висоти потенціяльного бар’єру у вакуумній щілині, але й латеральну зміну сумарного потенціялу Vj (r) на поверхні напівпровідника та в його приповерхневій області.
Within the scope of the dielectric formalism for three media with spatial dispersion, structural potential in a semiconductor—vacuum—metal system, ΔVjst (r), is calculated. This potential is caused by atomic (microscopic) structure of each surface. Interconnection between semiconductor and metal, which is caused by shielding of surface-bound charge of semiconductor by free electrons of closely located metal and enhanced by formation of potential barrier in a vacuum gap at L < 10 nm, increases substantially with the decrease of its thickness, L < 0.1 nm. As shown, the calculated structural potential, ΔVjst (r), which is a superposition of contributions of microscopic structures of each of two surfaces, is asymmetric and causes not only local change of the height of potential barrier in the vacuum gap, but also a lateral change of total potential, Vj (r), on the surface of semiconductor and in its near-surface area.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:03:37Z |
| format | Article |
| fulltext |
313
PACS numbers: 73.30.+y, 77.22.Ch, 79.70.+q, 85.30.De, 85.30.Hi, 85.30.Tv
Влияние атомной структуры поверхности металла
на потенциальный рельеф близкорасположенной поверхности
полупроводника
Л. Г. Ильченко, В. В. Ильченко*, В. В. Лобанов
Институт химии поверхности им. А. А. Чуйко НАН Украины,
ул. Генерала Наумова, 17,
03164 Киев, Украина
*Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко,
радиофизический факультет,
ул. Владимирская, 64,
02033 Киев, Украина
В рамках метода диэлектрического формализма для системы трёх сред с
пространственной дисперсией рассчитан структурный потенциал ( )
st
j
VΔ r
в системе полупроводник—вакуум—металл, который обусловлен атомной
(микроскопической) структурой каждой из поверхностей. Взаимосвязь
между полупроводником и металлом, которая обусловлена экранировани-
ем поверхностного заряда полупроводника свободными электронами
близко расположенного металла и усилена образованием потенциального
барьера в вакуумном промежутке при L < 10 нм, существенно возрастает с
уменьшением его толщины L < 0,1 нм. Показано, что рассчитанный струк-
турный потенциал ( )
st
j
VΔ r , который является суперпозицией вкладов
микроскопической структуры каждой из двух поверхностей, является
несимметричным и обусловливает не только локальное изменение высоты
потенциального барьера в вакуумной щели, но и латеральное изменение
суммарного потенциала ( )
j
V r на поверхности полупроводника и в его при-
поверхностной области.
В межах методи діелектричного формалізму для систем з трьох середовищ
з просторовою дисперсією розраховано структурний потенціял ( )
st
j
VΔ r в
системі напівпровідник—вакуум—метал, який обумовлений атомарною
(мікроскопічною) структурою кожної з поверхонь. Взаємозв’язок між на-
півпровідником та металом, який обумовлений екрануванням поверхне-
вого заряду напівпровідника вільними електронами близько розташова-
ного металу та підсилений утворенням потенціяльного бар’єру у вакуум-
ному проміжку при L < 10 нм, істотно зростає зі зменшенням його товщи-
ни L < 0,1 нм. Показано, що розрахований структурний потенціял ( )
st
jVΔ r ,
який є суперпозицією внесків мікроскопічної структури кожної з двох по-
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies
2011, т. 9, № 2, сс. 313—324
© 2011 ІМФ (Інститут металофізики
ім. Г. В. Курдюмова НАН України)
Надруковано в Україні.
Фотокопіювання дозволено
тільки відповідно до ліцензії
314 Л. Г. ИЛЬЧЕНКО, В. В. ИЛЬЧЕНКО, В. В. ЛОБАНОВ
верхонь, є несиметричним та обумовлює не тільки локальну зміну висоти
потенціяльного бар’єру у вакуумній щілині, але й латеральну зміну сума-
рного потенціялу ( )
j
V r на поверхні напівпровідника та в його приповерх-
невій області.
Within the scope of the dielectric formalism for three media with spatial dis-
persion, structural potential in a semiconductor—vacuum—metal system,
( )
st
jVΔ r , is calculated. This potential is caused by atomic (microscopic) struc-
ture of each surface. Interconnection between semiconductor and metal,
which is caused by shielding of surface-bound charge of semiconductor by free
electrons of closely located metal and enhanced by formation of potential bar-
rier in a vacuum gap at L < 10 nm, increases substantially with the decrease of
its thickness, L < 0.1 nm. As shown, the calculated structural potential,
( )
st
jVΔ r , which is a superposition of contributions of microscopic structures
of each of two surfaces, is asymmetric and causes not only local change of the
height of potential barrier in the vacuum gap, but also a lateral change of total
potential, ( )
j
V r , on the surface of semiconductor and in its near-surface area.
Ключевые слова: нелокальная электростатика, структурный потенциал,
потенциальный барьер.
(Получено 18 ноября 2010 г.)
1. ВВЕДЕНИЕ
Известно, что возникновение области пространственного заряда
(ОПЗ) в полупроводнике связано с присутствием на его поверхности
заряда с плотностью σ1. Параметры ОПЗ для свободной поверхности
полупроводника (толщина ОПЗ LОПЗ и значение потенциала (0)jV σΔ
на его поверхности – изгиб зоны) определяются величиной и зна-
ком заряда на поверхности полупроводника и его объёмными ха-
рактеристиками [1—4].
В [5, 6] в отсутствие контакта металл—полупроводник и внешнего
напряжения U = 0 определено влияние близкорасположенного ме-
талла и зарядового состояния его поверхности на параметры ОПЗ по-
лупроводника. Было показано, что рассчитанный в рамках метода
диэлектрического формализма [5—10] электростатический потенци-
ал ( )jV x точечного заряда e в системе полупроводник—вакуум—
металл (ПВМ) [10] непрерывен на границах раздела при корректном
учёте эффектов пространственной дисперсии в функциях диэлек-
трической проницаемости полупроводника 1
( )ε k и металла 3
( )ε k .
Когда толщина вакуумного зазора L между полупроводником и
металлом уменьшается до расстояний L < LОПЗ, усиливается экра-
нирование поверхностного заряда полупроводника (с плотностью
σ1) свободными электронами металла. При последующем уменьше-
нии вакуумного интервала L < 10 нм между полупроводником и ме-
таллом образуется потенциальный барьер, который обусловлен от-
ВЛИЯНИЕ АТОМНОЙ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛА НА РЕЛЬЕФ ПОЛУПРОВОДНИКА 315
личием в объёмных свойствах каждой из трёх сред (j = 1, 2, 3) и
определяется распределением потенциала сил изображения
0
( )jV x
[10]. Дальнейшее уменьшение толщины вакуумной щели L < 1 нм
приводит к увеличению вклада микроскопической структуры по-
верхностей в распределение потенциала ( )
j
V r , который определяет-
ся структурным потенциалом ( )
st
jVΔ r [11—15].
В данной работе для легированных полупроводников n-типа рас-
считан суммарный потенциал ( )jV r в ПВМ-системе с учётом зарядо-
вого состояния и атомной (микроскопической) структуры каждой из
поверхностей. Определено влияние микроскопической структуры
металлической поверхности на потенциальный рельеф поверхности
полупроводника. Показано, что структурный потенциал ( )
st
jVΔ r ,
который является суперпозицией вкладов микроскопической
структуры каждой из двух поверхностей, является несимметрич-
ным и обусловливает латеральное (вдоль границ раздела) изменение
суммарного потенциала ( )
j
V r во всей ПВМ-системе.
Присутствие металла на расстояниях L < LОПЗ от поверхности по-
лупроводника изменяет не только величину поверхностного изгиба
зон полупроводника, но и при уменьшении толщины вакуумной
щели до расстояний L < 1 нм может стимулировать латеральное пе-
рераспределение плотности заряда не только на поверхности полу-
проводника, но и в его приповерхностной области.
2. ТЕОРИЯ
Рассмотрим несимметричную трехслойную структуру, которая со-
стоит из полуограниченного полупроводника с диэлектрической
функцией 1
( )ε k в области 0x ≤ и с плотностью заряда σ1(y, z) на его
поверхности и из полуограниченного металла с диэлектрической
функцией ε3(k) в области x L≥ и плотностью заряда σ2(y, z) на по-
верхности, которые разделены вакуумным промежутком 0 x L≤ ≤
(ε2(k) = 1) [7—10, 12—15].
Диэлектрическую функцию 1
( )ε k легированного полупроводни-
ка зададим в следующем виде [5, 6, 10]:
( )
2
1 1
1 2
2
2 1
1
1
( ) 1
1 1
kk
ε − κ
ε = + +
+ ε − λ
k ,
2 2 2k k q⊥= + , (1)
где ε1 – диэлектрическая постоянная кристаллической решётки
(при k → 0),
1
1
−λ – эффективный радиус экранирования связанны-
ми (валентными) электронами ионных остовов кристаллической
решетки, который по порядку величины равен размеру атома
(иона) и который рассчитывается с учетом зонной структуры полу-
проводника [5, 6, 10],
2 2
1 1 1
4 Be n k Tκ = π ε в приближении Дебая—
316 Л. Г. ИЛЬЧЕНКО, В. В. ИЛЬЧЕНКО, В. В. ЛОБАНОВ
Хюккеля (ПДХ) в случае невырожденного электронного газа, kB –
постоянная Больцмана; n1 – концентрация невырожденного газа
свободных электронов (дырок) (рассматриваем случай полупровод-
ников n-типа).
Для определения диэлектрической функции металла 3
( )ε k вос-
пользуемся общеизвестным длинноволновым приближением Тома-
са—Ферми (ПТФ), в котором 3
( )ε k имеет следующий вид:
2
3
3 2
( ) 1
k
κ
ε = +k , { },k k q⊥= ; (2)
2 2 3
3 3
6 Fe n Eκ = π , n3 – концентрация,
3 2 2 2 3
3 3
(3 ) 2FE n m= π – энергия
Ферми, m3 – эффективная масса свободных электронов в металле.
Учтём зарядовое состояние и микроскопическую структуру по-
лупроводниковой и металлической поверхностей при L > LОПЗ, счи-
тая, что латеральное распределение плотностей заряда на поверх-
ностях σ1(y, z) полупроводника (x L≤ ) и σ2(y, z) металла (x L≥ )
сформировано упорядоченными решётками поверхностных атомов
или адсорбируемых ионов с двумерной концентрацией
2
, ,i n i nN b−= ,
стороной решетки ,i nb и эффективным зарядом ,i ne∗
на поверхност-
ных зарядах i,n-го типов. Для упрощения расчётов в данной работе
мы рассматриваем квадратные решётки, так что Фурье-компонента
плотности заряда σ1(y, z) на упорядоченных решётках может быть
представлена в следующем виде [11—16]:
1 1
2
1
1 1
2 2( ) ( ) (2 ) ( ) ( )i i i y z y z
i ii i
q q e N q q q q
a a
ν ν
∗
= =
π πσ = σ = π δ δ + δ − δ −
,
(3)
2 2
2
2
1 1
2 2( ) ( ) (2 ) ( ) ( ) ,n n n y z y z
n nn n
q q e N q q q q
b b
ν ν
∗
= =
π πσ = σ = π δ δ + δ − δ −
(4)
где ν1,2 – количество типов атомных решёток. Первые члены в (3),
(4) соответствуют однородной (немодулированной) плотности заря-
да на полупроводниковой и металлической поверхностях соответ-
ственно.
Суммарный потенциал ( )jV r в ПВМ-системе с учётом микроско-
пической структуры границ раздела (3), (4) имеет следующий вид
0
( ) ( ) ( )j j jV V x V= + Δr r , ( ) ( ) ( )
st
j j jV V x VσΔ = Δ + Δr r , (5)
где
0
( )jV x – потенциал сил изображения, который обусловлен отли-
чием в объёмных свойствах каждой из трёх сред (j = 1, 2, 3) [5—10],
( )jV xσΔ
– зарядовый потенциал, связанный с наличием однородных
плотностей заряда σ1,2 на поверхностях полупроводника и металла [5,
ВЛИЯНИЕ АТОМНОЙ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛА НА РЕЛЬЕФ ПОЛУПРОВОДНИКА 317
6, 11—15], и ( )
st
jVΔ r – структурный потенциал, обусловленный атом-
ной (микроскопической) структурой их поверхностей [11—15].
Используя результаты работ [5, 6], для расчёта зарядового по-
тенциала ( )jV xσΔ в ПВМ-системе получаем:
[ ] ( )
1 2
1
1 3
1 13 1
4 (0; )
( ) 1
1 (0;0)
i i n n
i n
ea x
V x e N L e N
L a
ν ν
σ ∗ ∗
= =
± π
Δ = + κ + + κ +
( 0x ≤ ), (6)
[ ]
[ ] [ ]
1 2
2
3 1
1 3 1
1 1
4
( )
1 (0;0)
(0;0) 1 ( ) (0;0)i i n n
i n
e
V x
L a
e N a L x e N a x
σ
ν ν
∗ ∗
= =
± πΔ = ×
+ κ +
× + κ − + +
( 0 x L≤ ≤ ), (7)
( )
[ ]
[ ]
3
1 2
3
3 1
1 1
1 1
4
( )
1 (0;0)
(0;0) (0;0)
x L
i i n n
i n
ee
V x
L a
e N a e N a L
−κ ⋅ −
σ
ν ν
∗ ∗
= =
± πΔ = ×
+ κ +
× + +
(x L≥ ). (8)
Здесь
( )
2 2 2 2
2 21 1
1 2 2
1 1
1
0;
x x
e e
a x
+ −− β − β
+ −
+ −+ −
κ Λ κ Λ
= β − − β − β ε β εβ − β
, (9)
2 2
2 2 2 2 21
1
1
1 4
(1 ) (1 )
2 2
±
κ Λ β = κ + Λ ± + Λ − ε
, 1 1
1 1
1
λ ε
Λ =
κ ε −
.
Для расчёта структурного потенциала ( )
st
jVΔ r в каждой из трёх
сред получаем следующие уравнения:
1
2
1
1
2 2
( ) 4 ( ) cos cos
2 2
( ) cos cos ,
st
j i i i j
i i i
n n n j
n n n
y z
V e e N x
a a
y z
e N x
b b
ν
∗ α
=
ν
∗ β
=
π π Δ = − π Η +
π π + Η
r
(10)
где
( ) ( )
( ) ( )
1 1 3 1 1
1
1 1 3 1 11
1
( ) ( ) ( )ch sh
1
( ) ( ) ( )ch sh
i i i
i
n n n
n
x A x A L L L
x A x A L L L
α α α
α
β β β
β
Η = α α + α χ
Η = β β + β χ
(j = 1); (11)
318 Л. Г. ИЛЬЧЕНКО, В. В. ИЛЬЧЕНКО, В. В. ЛОБАНОВ
( ) ( ){ }
( ) ( ){ }
1 1 1 3 12
1 1 1 3 12
1
( ) (0) sh ( )ch
1
( ) (0) sh ( )ch
i i i
i
n n n
n
x A L x A L L x
x A L x A L L x
α α α
α
β β β
β
Η = − α + α − α χ
Η = − β + β − β χ
(j = 2);
(12)
3 1 1 3 1 13 3
1 1
( ) ( ) (0), ( ) ( ) (0)
i n
i nx A x A x A x Aα α α β β β
α β
Η = α Η = β χ χ
(j = 3); (13)
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
2
1 1 3 1 1 1 3 1 1
2
1 1 3 1 1 1 3 1 1
( ) (0) ( )sh (0) ( ) ch sh
;
( ) (0) ( )sh (0) ( ) ch sh
i i i i i
n n n n n
A A L L A A L L L
A A L L A A L L L
α α α α
α
β β β β
β
χ = α α + α + α + α
χ = β β + β + β + β
(14)
( ) ( )
( ){ }
( ) ( )
2
1
,, 1
1 12 2 ,
11
,1 1, ,
exp
1
( )
B x
A x B
BB B
+
α βα β +
+ α β+ −
α β
α β α β
− Λ= − − ε −
( ){ }
( ) ( )
2
1
, 1
1
,
11
,
exp B x
B
B
−
α β −
− α β
α β
− Λ − − ε
; (15)
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
2 2
2 2
2 2 2 2 1 1
1 1 1 1 1 1
1
2 2
2 2
2 2 2 2 1 1
1 1 1 1 1 1
1
41
2
41
2
i
n
B
B
±
α
±
β
Λ κ = α + κ + Λ ± κ + Λ −
ε
Λ κ= β + κ + Λ ± κ + Λ −
ε
; (16)
( )
( )
( )
( )
2 2
2 2
1 3 1 3
3 3
2 2
2 2
1 3 1 3
exp ( ) exp ( )
( ) , ( ) ;
i n
i n
x L x L
A x A xα β
− − α + κ − − β + κ
= =
α + κ β + κ
(17)
1
2 2
i
ia
πα = ;
1
2 2
n
nb
πβ = ; 1
1 1
1
1
ε
Λ = λ
ε −
. (18)
3. РЕЗУЛЬТАТЫ
Влияние микроскопической структуры близкорасположенной ме-
ВЛИЯНИЕ АТОМНОЙ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛА НА РЕЛЬЕФ ПОЛУПРОВОДНИКА 319
таллической поверхности на потенциальный рельеф поверхности
полупроводника определим на примере широко используемой в по-
лупроводниковой микроэлектронике системы n-Si—вакуум—Au,
объёмные параметры которой хорошо известны [5, 6, 10]. Для не-
вырожденного полупроводника n-типа (n-Si): диэлектрическая
константа – ε1 = 11,9, температура – T = 293 К, концентрация –
n1 = 3⋅1017
см
−3, эффективная масса электронов m⊥ = 0,98 (попереч-
ная), ml = 0,19 (продольная), λ1 = 5,917⋅10 см
−1
и χ1 = −Ec = 4,05 эВ –
положение дна зоны проводимости в объёме полупроводника. Для
металла (Au): ϕ3 = 5,1 эВ – работа выхода, n3 = 5,9⋅1022
– концен-
трация и m3 = 0,87325m0 – эффективная масса электронов, где m0
– масса свободного электрона.
Распределение зарядового потенциала ( )jV xσΔ для системы n-Si—
вакуум—Au, рассчитанное согласно уравнениям (6)—(9) для крем-
ния с однородной плотностью заряда σ1 = 1,36⋅1012
e/см
2
и для золо-
та с квазинейтральной поверхностью, когда
2
2
1
0n n
n
e N
ν
∗
=
σ = = , при
изменении толщины L вакуумного промежутка между ними, при-
ведено на рис. 1 пунктирными кривыми.
Учтём микроскопическую структуру поверхности кремния, счи-
тая, что распределение плотности заряда σ1(y, z) вдоль свободной
поверхности (L > LОПЗ) сформировано одним типом поверхностных
атомов (ионов) ν1 = 1, образующих квадратную решетку с эффек-
тивным зарядом 1
0,002e∗ = и двумерной концентрацией N1 =
= 6,8⋅1014
см
−2.
Оценим влияние микроскопической структуры поверхности ме-
талла (Au) на распределение электростатического потенциала в си-
стеме n—Si—вакуум—Au, считая, что квазинейтральность металличе-
ской поверхности обеспечена двумя типами 2
2ν = поверхностных
решёток с параметрами 1
0,1e∗ = , N1 = 1015
см
−2
на поверхностных
атомах металла и 2
0,9e∗ = − , N2 = 1,11⋅1014
см
−2
в субмонослойном по-
крытии адсорбированных атомов, образующих структуру (3×3).
Распределение структурного потенциала ( ,0,0)
st
jV xΔ (пунктир-
ные кривые), рассчитанного согласно уравнений (10)—(18), и потен-
циала ( ,0,0)
j
V xΔ (5) (сплошные кривые), обусловленного зарядо-
вым состоянием границ раздела и их атомной структурой, при из-
менении вакуумного промежутка L между поверхностями кремния
и золота приведено на рис. 1.
Из рисунке 1 видно, что структурный потенциал ( )
st
jVΔ r , рассчи-
танный с учётом эффектов пространственной дисперсии в диэлек-
трических функциях полупроводника (1) и металла (2), является
несимметричным и обусловливает изменение высоты потенциально-
го барьера как в разделяющей вакуумной щели, так и в приповерх-
ностной области полупроводника.
320
Распр
ности кр
когда по
показано
Рис. 2. Ра
кремния
кривая) и
веденным
Рис. 1. Р
тирные
( ,0,0
j
V xΔ
для сист
верхностн
Л. Г. ИЛ
ределение с
ремния (x =
оверхность
о на рис. 2
аспределени
при L = 0,4
и L = 10 нм (п
ми выше объ
Распределен
кривые), з
0) (сплошны
емы n-Si—в
ными парам
ЛЬЧЕНКО, В.
структурно
= 0) и в его
ь металла р
2 и рис. 3
ие структурн
нм (штрих
пунктирная
ъёмнымиип
ние потенци
зарядового
ые кривые)
вакуум—Au
метрами.
В. ИЛЬЧЕН
ого потенц
приповерх
расположе
пунктирно
ного потенци
хпунктирная
я кривая) дл
поверхностн
иалов, – ст
( )jV xσΔ (
), – рассчи
с приведен
НКО, В. В. ЛО
циала 1
stVΔ
хностной о
ена на рас
ой кривой
иала 1
(0stVΔ
я кривая), L
ля системы n
ымипараме
труктурног
(штрихпунк
итанное при
нными выш
ОБАНОВ
( , ,0)
t x y на
области x =
стоянии L
. При умен
0, ,0)y на по
L = 0,5 нм (
n-S—вакуум—
етрами.
о ( ,0,st
jV xΔ
ктирные кр
и L = 0,4, 0,
ше объёмны
а поверх-
= −0,2 нм,
L = 10 нм,
ньшении
оверхности
(сплошная
—Au с при-
0) (пунк-
ривые) и
,6, 0,8 нм
ыми и по-
ВЛИЯНИЕ
вакуумн
1
( ,
stV x yΔ
ности 1
V
На ри
располож
(сплошн
распреде
согласно
(x = 0; ри
Из ри
женной
деление
кости по
области,
плотност
высоты п
На ри
верхност
суммарн
гласно у
работы [
между п
металли
кривые)
ческой п
Рис. 3. Ра
поверхно
вая), L =
системы
ностными
Е АТОМНОЙ С
ного проме
,0)y в поте
( )r (5) увел
сунках 2 и
женной L =
ная кривая
еление стр
о (10), (12
ис. 2) и в ег
исунков 2
металличе
структурн
оверхности
, что може
ти поверхн
потенциал
исунке 4 п
ти полупр
ного элект
уравнений
[9], при ум
поверхност
ической (Au
и со струк
поверхност
аспределени
остной обла
0,5 нм (спл
n-Si—вакуу
и параметра
СТРУКТУРЫ
жутка L <
енциальны
личивается
и 3 показан
= 0,4 нм (ш
я) металли
руктурного
2) с учётом
го приповер
и 3 видно
еской пове
ного компо
и полупров
ет стимули
ностных со
ьного барь
показано и
роводника
тростатичес
(6), (10), (1
меньшении
тью полуп
u) поверхн
ктурой (4×4
ти обеспече
ие структур
асти кремни
лошная кри
ум—Au с пр
ами.
Ы МЕТАЛЛА Н
0,1 нм вкл
ый рельеф
я.
но влияние
штрихпунк
ической п
о потенциа
м (14)—(18
рхностной
о, что мик
ерхности су
онента пот
водника, т
ировать лат
остояний, а
ьера в разде
изменение
( )
j
V r (5)
ского поте
12) с учёто
и толщины
проводника
ностью со ст
4), когда к
ена двумя
рного потен
ия при L = 0
ивая) и L =
риведенным
НА РЕЛЬЕФ П
лад структ
полупров
е атомной
ктирная кр
поверхност
ала 1
( ,
stV x yΔ
8), на пов
й области (x
крострукту
ущественн
тенциала Δ
ак и в его
теральное
а также ло
еляющей в
потенциал
(латераль
енциала),
м (9), (14)—
ы L вакуу
а (n-Si) и
труктурой
квазинейтр
типами ν2
нциала 1
stVΔ
0,4 нм (штр
10 нм (пунк
ми выше об
ПОЛУПРОВОД
урного пот
одниковой
структуры
ривая) и L
ти на лат
,0)y , рассч
ерхности
x = 0,2 нм;
ура близко
о изменяет
( )
st
jVΔ r , как
приповерх
перераспр
кальное из
вакуумной
льного рел
ное распр
рассчитан
—(18) и рез
много про
квазинейт
(3×3) (пун
ральность м
= 2 поверх
( 0,2 нм, ,t y−
рихпунктир
ктирная кр
бъёмными и
ДНИКА 321
тенциала
й поверх-
ы близко-
L = 0,5 нм
теральное
читанное
кремния
рис. 3).
орасполо-
т распре-
к в плос-
хностной
ределение
зменение
й щели.
льефа по-
ределение
нного со-
зультатов
омежутка
тральной
нктирные
металли-
хностных
,0) в при-
рная кри-
ривая) для
и поверх-
322
решёток
атомах м
покрыти
Из ри
тура бли
ственное
водника
L вакуум
Струк
цией вк
верхност
толщины
только л
поверхн
и локаль
ной щел
Как в
локальн
щели вд
пической
Рис. 4. Ра
когда пов
(сплошны
нм (кривы
денными
ные штри
учёта стру
Л. Г. ИЛ
к с параме
металла и
ии адсорби
сунков 2—4
изкораспол
е влияние
а, причём э
мной щели
ктурный по
кладов мик
тей (3), (4)
ы вакуумн
латерально
ости полуп
ьное измен
и, что и пр
видим, учё
ое изменен
оль плоско
й (атомной
аспределени
верхность зо
ые кривые)
ые 2) и L = 0
выше объё
иховые кри
уктурного к
ЛЬЧЕНКО, В.
трами 1
e∗ =
и 2
1,6e∗ = − ,
рованных
4 видно, ч
ложенной
на потенц
то влияние
и между пов
отенциал
кроскопич
), является
ного пром
ое изменен
проводник
нение высо
родемонстр
ёт структу
ние высоты
ости повер
й) структур
ие потенциал
олота со стр
находится н
0,6 нм (крив
мными и по
вые – знач
компонента.
В. ИЛЬЧЕН
0,1= , N1 =
, N2 = 6,25
атомов (сп
что микрос
поверхнос
иальный р
е усиливае
верхностя
( )
st
jVΔ r , к
еской стру
я несимме
межутка L
ние суммар
ка и в его пр
оты потенц
рировано н
урного пот
ы потенциа
рхностей, с
рой.
ла 1
(0, ,0)V y
руктурой (3×
на расстоян
вые 3) для си
оверхностны
чение сумма
.
НКО, В. В. ЛО
= 1015
см
−2
⋅1015
см
−2
плошные к
скопическа
сти металл
рельеф пов
ется с умен
ми.
оторый яв
уктуры ка
етричным и
L < 0,1 нм
рного потен
риповерхн
циального
а рис. 5.
тенциала Δ
ального ба
стимулиру
) на поверхн
×3) (пункти
нии L = 0,4 н
истемы n-Si
ыми параме
арного поте
ОБАНОВ
на поверх
в субмоно
ривые).
ая (атомная
ла оказыва
верхности п
ньшением т
вляется су
аждой из
и при умен
обусловли
нциала (
j
V
ностной обл
барьера в
( )
st
jVΔ r оп
арьера в ва
уемое их м
ности кремн
рные кривы
нм (кривые
i—вакуум—A
етрами. Гор
нциала 1
(0V
хностных
ослойном
ая) струк-
ает суще-
полупро-
толщины
уперпози-
двух по-
ньшении
ивает не
( )r (5) на
ласти, но
в вакуум-
пределяет
акуумной
микроско-
ния (x = 0),
ые) и (4×4)
1), L = 0,5
Au с приве-
ризонталь-
0, ,0)y без
ВЛИЯНИЕ
4. ВЫВО
В рамка
сред с пр
суммарн
ческой с
Прису
полупро
в вакуум
мосвязь
экранир
ными эл
ального
дальнейш
ственно
структур
В дан
циала VΔ
не тольк
вакуумн
припове
может п
верхност
Рис. 5. Ра
= 0,4 нм и
со структ
жению м
го потенц
учёта стр
Е АТОМНОЙ С
ОДЫ
ах метода д
ространств
ный потенц
труктуры
утствие ме
водника п
мной щели
между пол
ованием п
лектронам
барьера в
шем умень
возрастает
ры каждой
ной работе
( )
st
jV r в ПВ
ко локальн
ной щели,
рхностной
привести к
тных состо
аспределени
и L = 0,6 нм
турой (4×4)
инимально
циала (
st
jVΔ r
руктурного п
СТРУКТУРЫ
диэлектрич
венной дис
циал ( )
j
V r
границ раз
еталла на
риводит к
и, так и в О
лупроводн
поверхност
и металла
вакуумно
ьшении тол
т взаимное
й из поверх
е рассчита
ВМ-системе
ное измене
но и изме
й области и
латеральн
ояний, сти
ие 2 1,2
( , ,V x y
м для систем
при y1 = 1,9
го и максим
)r . Пункти
потенциала
Ы МЕТАЛЛА Н
ческого фо
сперсией [
в ПВМ-си
здела.
расстояни
изменени
ОПЗ полупр
ником и ме
тного заря
а, усилива
ом промеж
лщины вак
е влияние м
хностей [11
ано распред
е, и показа
ение высот
енение сум
и на повер
ному перер
имулирова
0) внутри
мы n-Si—вак
98 нм и y2 =
мального зн
ирные крив
а.
НА РЕЛЬЕФ П
ормализма
3—6] теоре
истеме с уч
иях О
L L<
ю распред
роводника
таллом, ко
яда полуп
ается образ
жутке при
куумной щ
микроскоп
1—15].
деление ст
ано, что VΔ
ты потенци
ммарного п
рхности по
распределе
нное микр
вакуумной
куум—Au с
= 2,5 нм, что
начения амп
вые – расп
ПОЛУПРОВОД
а для систе
етически р
чётом мик
ОПЗ от пове
еления VΔ
а [5, 6]. Так
оторая обус
роводника
зованием п
L < 10 нм
щели L < 1 н
пической (а
труктурног
( )
si
jV r обусл
иального б
потенциал
лупроводн
ению плотн
роструктур
щели L = 0
поверхност
о соответств
плитуды стр
пределение
ДНИКА 323
емы трёх
рассчитан
кроскопи-
ерхности
( )jV xσ
как
кая взаи-
условлена
а свобод-
потенци-
[9]. При
нм суще-
атомной)
го потен-
ловливает
барьера в
ла ( )jV r в
ника, что
ности по-
рой близ-
0,2 нм, L =
тью золота
вует поло-
руктурно-
2
( )V x без
324 Л. Г. ИЛЬЧЕНКО, В. В. ИЛЬЧЕНКО, В. В. ЛОБАНОВ
корасположенной металлической поверхности.
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. W.Monch, Semiconductor Surfaces and Interfaces (Berlin—Heidelberg:
Springer-Verlag: 1995).
2. Р. Фишер и Х. Нойман, Автоэлектронная эмиссия полупроводников
(Москва: Наука: 1971).
3. Г. П. Пека, В. І. Стріха, Поверхневі та контактні явища в напівпровідни-
ках (Київ: Либідь: 1992).
4. М. Г. Находкін, Д. І. Шека, Фізичні основи мікро- та наноелектроніки (Ки-
їв: Київський університет: 2005).
5. Л. Г. Ільченко, В. В. Ільченко, В. В. Лобанов, Радіофізика та електроніка:
Вісник Київського національного університету імені Тараса Шевченка, 33:
29 (2009).
6. Л. Г. Ільченко, В. В. Ільченко, В. В. Лобанов, Радіофізика та електроніка:
Вісник Київського національного університету імені Тараса Шевченка, 1:
174 (2010); L. G. Il’chenko, E. A. Pashitskii, and Yu. A. Romanov, Surf. Sci.,
121: 375 (1982).
7. L. G. Il’chenko and T. V. Goraychuk, Surf. Sci., 478: 169 (2001).
8. L. G. Il’chenko and T. V. Goraychuk, Ultramicroscopy, 95: 67 (2003).
9. Л. Г. Ільченко, В. В. Ільченко, В. В. Лобанов, Радіофізика та електроніка:
Вісник Київського національного університету імені Тараса Шевченка, 11:
29 (2008).
10. L. G. Il’chenko, V. V. Il’chenko, T. V. Goraychuk, and I. W. Rangelow, Chemis-
try, Physics and Technology of Surfaces, 4—6: 186 (2001).
11. Л. Г. Ильченко, В. В. Лобанов, Физико-химия наноматериалов и супрамо-
лекулярных структур (Ред. А. П. Шпак, П. П. Горбик) (Киев: Наукова
думка: 2007), т. 2, с. 52.
12. Л. Г. Ільченко, В. В. Ільченко, В. В. Лобанов, Химия, физика и технология
поверхности, 14: 43 (2008).
13. Л. Г. Ільченко, В. В. Лобанов, О. О. Чуйко, Наносистеми, наноматеріали,
нанотехнології, 2, вип. 4: 1145 (2004).
14. Л. Г. Ильченко, В. В. Лобанов, О. О. Чуйко, Химия, физика и технология
поверхности, 11—12: 4 (2006).
15. Л. Г. Ільченко, В. В. Лобанов, О. О. Чуйко, Фізика і хімія твердого тіла, 6,
№ 3: 471 (2005).
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-74452 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1816-5230 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:03:37Z |
| publishDate | 2011 |
| publisher | Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Ильченко, Л.Г. Ильченко, В.В. Лобанов, В.В. 2015-01-20T21:05:48Z 2015-01-20T21:05:48Z 2011 Влияние атомной структуры поверхности металла на потенциальный рельеф близкорасположенной поверхности полупроводника / Л.Г. Ильченко, В.В. Ильченко, В.В. Лобанов // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2011. — Т. 9, № 2. — С. 313-324. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 1816-5230 PACS numbers: 73.30.+y, 77.22.Ch, 79.70.+q, 85.30.De, 85.30.Hi, 85.30.Tv https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/74452 В рамках метода диэлектрического формализма для системы трёх сред с пространственной дисперсией рассчитан структурный потенциал ΔVjst (r) в системе полупроводник—вакуум—металл, который обусловлен атомной (микроскопической) структурой каждой из поверхностей. Взаимосвязь между полупроводником и металлом, которая обусловлена экранированием поверхностного заряда полупроводника свободными электронами близко расположенного металла и усилена образованием потенциального барьера в вакуумном промежутке при L < 10 нм, существенно возрастает с уменьшением его толщины L < 0,1 нм. Показано, что рассчитанный структурный потенциал ΔVjst (r), который является суперпозицией вкладов микроскопической структуры каждой из двух поверхностей, является несимметричным и обусловливает не только локальное изменение высоты потенциального барьера в вакуумной щели, но и латеральное изменение суммарного потенциала Vj (r) на поверхности полупроводника и в его приповерхностной области. В межах методи діелектричного формалізму для систем з трьох середовищ з просторовою дисперсією розраховано структурний потенціял ΔVjst (r) в системі напівпровідник—вакуум—метал, який обумовлений атомарною (мікроскопічною) структурою кожної з поверхонь. Взаємозв’язок між напівпровідником та металом, який обумовлений екрануванням поверхневого заряду напівпровідника вільними електронами близько розташованого металу та підсилений утворенням потенціяльного бар’єру у вакуумному проміжку при L < 10 нм, істотно зростає зі зменшенням його товщини L < 0,1 нм. Показано, що розрахований структурний потенціял ΔVjst (r), який є суперпозицією внесків мікроскопічної структури кожної з двох поверхонь, є несиметричним та обумовлює не тільки локальну зміну висоти потенціяльного бар’єру у вакуумній щілині, але й латеральну зміну сумарного потенціялу Vj (r) на поверхні напівпровідника та в його приповерхневій області. Within the scope of the dielectric formalism for three media with spatial dispersion, structural potential in a semiconductor—vacuum—metal system, ΔVjst (r), is calculated. This potential is caused by atomic (microscopic) structure of each surface. Interconnection between semiconductor and metal, which is caused by shielding of surface-bound charge of semiconductor by free electrons of closely located metal and enhanced by formation of potential barrier in a vacuum gap at L < 10 nm, increases substantially with the decrease of its thickness, L < 0.1 nm. As shown, the calculated structural potential, ΔVjst (r), which is a superposition of contributions of microscopic structures of each of two surfaces, is asymmetric and causes not only local change of the height of potential barrier in the vacuum gap, but also a lateral change of total potential, Vj (r), on the surface of semiconductor and in its near-surface area. ru Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Влияние атомной структуры поверхности металла на потенциальный рельеф близкорасположенной поверхности полупроводника Article published earlier |
| spellingShingle | Влияние атомной структуры поверхности металла на потенциальный рельеф близкорасположенной поверхности полупроводника Ильченко, Л.Г. Ильченко, В.В. Лобанов, В.В. |
| title | Влияние атомной структуры поверхности металла на потенциальный рельеф близкорасположенной поверхности полупроводника |
| title_full | Влияние атомной структуры поверхности металла на потенциальный рельеф близкорасположенной поверхности полупроводника |
| title_fullStr | Влияние атомной структуры поверхности металла на потенциальный рельеф близкорасположенной поверхности полупроводника |
| title_full_unstemmed | Влияние атомной структуры поверхности металла на потенциальный рельеф близкорасположенной поверхности полупроводника |
| title_short | Влияние атомной структуры поверхности металла на потенциальный рельеф близкорасположенной поверхности полупроводника |
| title_sort | влияние атомной структуры поверхности металла на потенциальный рельеф близкорасположенной поверхности полупроводника |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/74452 |
| work_keys_str_mv | AT ilʹčenkolg vliânieatomnoistrukturypoverhnostimetallanapotencialʹnyirelʹefblizkoraspoložennoipoverhnostipoluprovodnika AT ilʹčenkovv vliânieatomnoistrukturypoverhnostimetallanapotencialʹnyirelʹefblizkoraspoložennoipoverhnostipoluprovodnika AT lobanovvv vliânieatomnoistrukturypoverhnostimetallanapotencialʹnyirelʹefblizkoraspoložennoipoverhnostipoluprovodnika |