grubość krytyczna SRT
6. Podłoża stosowane w pracy
Omawiane w niniejszej pracy pomiary i próbki wykonywane były na 3 różnych kryształach wolframu: (i) o atomowo płaskiej powierzchni W(110), (ii) o wicynalnej powierzchni W(540) oraz (iii) na krysztale, którego powierzchnia dzieliła się na 2 makroskopowe obszary W(110) i W(540). Ze względu na sposób mocowania wszystkich wymienionych kryształów na stosowanych uchwytach ich grubość, a tym samym objętość, jest stosunkowo duża. Oznacza to, że każdy kryształ bezpośrednio po procesie produkcji i polerowania powierzchni musiał zostać poddany długotrwałemu czyszczeniu w warunkach UHV, w celu usunięcia nie tylko zanieczyszczeń znajdujących się na jego powierzchni ale przede wszystkim w jego objętości. Czyszczenie kryształu, choć często o wiele krótsze niż to ma miejsce bezpośrednio po jego zakupie, jest również konieczne po każdym jego zapowietrzeniu lub dłuższym pobycie w warunkach stosunkowo słabej próżni (ciśnienia większego niż 1*10-9Tr). W zależności od stopnia zanieczyszczenia kryształu jego proces czyszczenia składa się z kilku do kilkudziesięciu cykli naprzemiennego wygrzewania w temperaturze ok. 2000ºC (przez zaledwie kilka sekund) i znacznie dłuższego wygrzewania w atmosferze tlenu. Temperatura wygrzewania w atmosferze tlenu, ciśnienie parcjalne tlenu w komorze w jego trakcie oraz czas trwania takiego wygrzewania, jakie można spotkać w literaturze oraz jakie były stosowane przez autora należą do przedziałów odpowiednio: (1000 – 1300ºC), (0.5*10-7 - 1.5*10-7 Tr) oraz (3 – 60 minut). Wygrzewanie takie powoduje segregację zanieczyszczeń (zwłaszcza C) znajdujących się w objętości kryształu do jego powierzchni i utlenianie powstałych w takim procesie węglików wolframu. Następujące później krótkotrwałe zagrzanie podłoża do temperatury 2000ºC (tzw. „flesz”) ma na celu ich usunięcie z czyszczonej powierzchni. Stosowanie tak wysokich temperatur „flesza” (2000ºC lub wyższych) możliwe jest dzięki niezwykle wysokiej temperaturze topnienia wolframu, wynoszącej 3420ºC (najwyższa spośród temperatur topnienia metali). Czystość podłoża przed rozpoczęciem preparatyki próbek sprawdzana była za pomocą metod LEED i AES. Dobra jakość powierzchni W(110) lub W(540) objawia się wysoką ostrością odpowiednich refleksów w obrazach dyfrakcyjnych LEED, brakiem innych refleksów poza refleksami struktury (1x1) danej powierzchni oraz niskim poziomem tła. Taka obserwacja stanowi pierwsze, jakościowe kryterium czystości badanego podłoża. Za ilościowe kryterium czystości kryształu wolframu można np. przyjąć odpowiednio małą wartość wyznaczonego z pomiarów AES stosunku amplitudy piku C do piku W. Proces czyszczenia jest najczęściej
kontynuowany do momentu, aż ilość zanieczyszczeń powierzchniowych (w tym przypadku chodzi głównie o C) kryształu sięga granic czułości pomiarów AES.
Dla omawianych w niniejszej pracy zagadnień niezwykle istotna jest nie tylko czystość podłoży, na których preparowane były próbki, ale również ich powierzchniowa struktura krystaliczna i morfologia. Analiza strukturalna przy pomocy metody LEED wykonywana była na większości etapów czyszczenia kryształów oraz na każdym etapie późniejszych preparatyk. Bezpośrednie obrazowanie struktury krystalicznej jak również morfologii badanych powierzchni W(110) i W(540) możliwe było dzięki zastosowaniu techniki STM w pracowni znajdującej się Instytucie Katalizy i Fizykochemii Powierzchni PAN w Krakowie. Rysunek 6.1a przedstawia obraz STM powierzchni kryształu W(110). Widać, że nominalnie płaska (kąt wycięcia kryształu mniejszy niż 0.2º) powierzchnia (110) charakteryzuje się obecnością stopni atomowych zorientowanych wzdłuż kierunku krystalograficznego [1-10]. Potwierdza to obraz o mniejszym polu widzenia na rysunku 6.1b, na którym widać jednak, że szerokość tarasów atomowych cechuje duży rozrzut i brak dobrze określonej periodyczności.
a. b.
Rys. 6.1. Obrazy STM powierzchni kryształu W(110) o polach widzenia: a) 1000x1000nm2 oraz b) 100x100nm2. Wstawka na rysunku 6.1a to obraz dyfrakcyjny LEED powierzchni W(110) dla energii padających elektronów wynoszącej 67eV.
_
[110]
[001]
100x100nm2
a. b.
Obecność takich stopni na powierzchni nominalnie atomowo płaskiej jest, zwłaszcza z punktu widzenia omawianych w niniejszej pracy zagadnień, zjawiskiem wysoce niepożądanym. Średnia szerokość tarasów atomowych jest stosunkowo duża i wynosi ok. 20nm, a widoczne stopnie atomowe nie wykazują periodycznej struktury. Należy jednak dodać, że obrazy STM mogły być zbierane tylko ze środka kryształu, bo stosowany mikroskop nie ma możliwości
wybierania dowolnego punktu na powierzchni. W tym miejscu badanego kryształu W(110) znajduje się widoczny gołym okiem defekt zaburzający jego gładkość. Można się spodziewać, ze w innych miejscach kryształu tarasy są znacznie większe. Potwierdza to obraz LEED prezentowany jako wstawka na rysunku 6.1a, z którego widać, że powierzchnia kryształu W(110) po procesie czyszczenia charakteryzuje się bardzo ładną strukturą o prostokątnej centrowanej komórce elementarnej. Brak istotnego poszerzenia refleksów (110), charakterystycznego dla stopni atomowych, uzasadnia wniosek, że obserwowane w obrazach STM stopnie nie powinny mieć decydującego wpływu na badane w pracy właściwości magnetyczne warstw Fe i Au/Co preparowanych na podłożu W(110).
Zupełnie odmienna sytuacja ma miejsce w przypadku kryształów z powierzchnią wicynalną W(hk0). Powierzchnię taką uzyskuje się poprzez planowe wycięcie kryształu pod określonym kątem w stosunku do kierunku [1-10] płaszczyzny (110), co zostało schematycznie przedstawione na rysunku 6.2.
α
Rys. 6.2. Model wicynalnej powierzchni (hk0) o kącie wicynalności α. Konkretny przypadek na rysunku odpowiada analizowanej w pracy powierzchni W(540), powstałej wskutek wycięcia kryształu wolframu pod kątem α = 6.34º do powierzchni W(110).
Powierzchnia taka powinna się charakteryzować periodyczną strukturą gęsto upakowanych stopni atomowych o okresie (szerokości tarasu atomowego) W określonym wzorem:
k h k h a tg a W − + ⋅ = = 2 2 2 2 α , (6.1)
gdzie a oznacza stałą sieci, w przypadku kryształu wolframu równą 3.165Å. Dla kąta wicynalności 6.34º otrzymuje się powierzchnię (540), dla której tarasy atomowe o szerokości ok. 2nm zawierają 9 rzędów atomowych skierowanych wzdłuż kierunku [001]. Każdy taras leży w płaszczyźnie (110) i ma prostokątną centrowaną komórkę elementarną. W rzeczy samej, taki przewidywany obraz powierzchni został potwierdzony dla badanych w pracy kryształów W(540) poprzez pomiary LEED i STM. Rysunek 6.3a prezentuje obraz dyfrakcyjny LEED powierzchni W(540) kryształu po procesie czyszczenia.
Rys. 6.3. Wicynalna powierzchnia W(540): a) obraz dyfrakcyjny LEED powierzchni kryształu W(540), b) obraz STM wraz z profilem wysokościowym wzdłuż skanu zaznaczonego niebieskim odcinkiem.
a. b.
pozycja na próbce [nm]
Widać wyraźnie, że oprócz związanej z uporządkowaniem atomów wewnątrz tarasów atomowych struktury (110), obecne jest też dwukrotne rozszczepienie plamek dyfrakcyjnych, charakterystyczne dla periodycznej struktury stopni atomowych na powierzchni. Z wielkości obserwowanego w sieci odwrotnej rozszczepienia można oszacować rzeczywistą średnią szerokość tarasów atomowych. Wynosi ona w przybliżeniu 2nm i pozostaje w zgodności z wartością przewidywaną. Dodatkowym potwierdzeniem periodyczności i gęstości upakowania stopni atomowych na omawianej powierzchni jest obraz STM na rysunku 6.3b, na którym pokazano również profil wysokościowy dla wybranego, zaznaczonego na obrazie STM niebieską linią skanu. Potwierdza on, że okres nadstruktury związanej ze stopniami atomowymi wynosi ok. 2.1 nm.