Магистрант 2 курса Физического факультета Новосибирского государственного университета Надежда Соловова исследует условия формирования монокристаллических пленок мультищелочных соединений сурьмы и висмута. Эти материалы используются в качестве фотокатодов – эффективных источников свободных электронов и важных элементов различных фотоэлектронных преобразователей, позволяющих регистрировать слабые световые сигналы, вплоть до одиночных фотонов.
Фотокатоды – это приборы, работающие на принципе внешнего фотоэффекта. Они позволяют получить пучок электронов с необходимыми характеристиками для различных применений: в электронных микроскопах, для ускорителей, коллайдеров, систем ночного видения и т.д.
В качестве материалов для фотокатодов применяются GaAs, GaN, а также различные композиты щелочных металлов в сочетании с сурьмой (Sb). На сегодняшний день фотокатодные материалы обладают естественным поверхностным беспорядком, что влияет на их квантовую эффективность, яркость электронного пучка, и другие характеристики. Мультищелочные соединения (Cs3Sb, Na2KSb, K2CsSb) используются в качестве источников электронов с 1930-х годов. В 2022 году в Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН была открыта возможность эмиссии спин поляризованных электронов из мультищелочного Na2KSb/Cs3Sb фотокатода. Это открытие вызвало всплеск интереса к этому и другим мультищелочным материалам. И в данный момент одним из важных вопросов является возможность получения кристаллически-упорядоченных пленок этих соединений. Ответ на этот вопрос требует развития технологии эпитаксиального роста мультищелочных материалов.
— Несмотря на то, что мультищелочные материалы давно используются для изготовления фотокатодов, монокристаллические пленки мультищелочных соединений ранее не были получены, поэтому исследовать их электронную структуру экспериментальными методами не представлялось возможным, существовали лишь расчеты. В настоящее время мы обладаем методом, который позволит изучить электронную структуру, и теперь наша задача – получить кристаллически упорядоченные соединения. Они нужны, чтобы управлять характеристиками фотокатодных материалов. Например, рост фотокатодных материалов на кристаллически упорядоченной подложке может позволить изменять соотношения постоянных решеток и температурные коэффициенты расширения, что может увеличить спиновую поляризацию фотоимитируемых электронов, а также повлиять и на другие характеристики. Например, может измениться длина диффузии или увеличится квантовая эффективность фотокатодных материалов. И, что важно, у нас появится возможность управлять их свойствами в процессе роста, — объяснила Надежда Соловова.
На данный момент в литературе предложена методика роста эпитаксиальных пленок Cs3Sb на поверхности 3C-SiC(001). Эксперименты по эпитаксиальному росту мультищелочных соединений сурьмы (Na2KSb, K2CsSb и т.д.) на различных подложках в литературе не описаны.
Изучение таких материалов должно улучшить характеристики фотокатодов, однако помимо практической задачи в рамках данного исследования поставлена еще и фундаментальная: получение кристаллически упорядоченных пленок для того, чтобы экспериментально изучить их электронную структуру.
Проект Надежды Солововой «Изучение условий формирования монокристаллических пленок мультищелочных соединений Sb и Bi» вошел в число победителей молодежного конкурса научно-исследовательских проектов «Рентгеновские, синхротронные, нейтронные методы междисциплинарных исследований» в прошлом году.
В рамках проекта перед молодой исследовательницей поставлена задача — получить такие пленки и установить, как повлияет на их свойства замена сурьмы на висмут. Предполагается, что использование монокристаллических пленок твердых растворов Cs3BixSb1-x позволит сместить рабочий диапазон фотокатодов в инфракрасную область и повлиять на спиновую поляризацию фотоэмитируемых электронов(?). На данный момент Надежда Соловова под руководством к.ф.-м.н., научного сотрудника ИФП СО РАН Владимира Голяшова получила достаточно интересные результаты: впервые удалось получить монокристаллические пленки Na2KSb.
— Мы смогли не только получить кристаллически упорядоченные пленки, но и с помощью фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением получить экспериментально первое измерение электронной структуры. В научных журналах публикаций о таких работах мы не обнаружили. Теперь нам предстоит обширная работа по расшифровке полученной структуры, выполнению необходимых расчетов и публикации наших результатов, однако первые шаги уже сделаны, и они оказались достаточно продуктивными, — сказала Надежда Соловова.
Пленки выращивались по двум методикам. Сначала, в рамках сотрудничества с новосибирским предприятием ЗАО «Экран-ФЭП» ученые следовали способу, используемому при производстве электронно-оптических преобразователей, и получили первые кристаллически-упорядоченные пленки. Однако их не устроило, что в таких условиях рост фотокатодов сложно контролировать из-за избыточного давления щелочных металлов.
Другая методика роста была полностью реализована в лаборатории Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН, и была более близка к молекулярно-лучевой эпитаксии:
— В нашей лаборатории имеются условия, позволяющие создать молекулярные источники, из которых рост пленок будет задаваться соотношением нескольких потоков, а избытка определенного химического элемента при этом не произойдет и стехиометрический состав пленки будет задаваться именно соотношением этих потоков. Опробовав оба способа, мы пришли к выводу, что нужно создавать новые источники роста таких материалов. Сейчас лабораторная установка находится в процессе доработки, — рассказала Надежда Соловова.
Все изучаемые Надеждой Солововой соединения крайне нестабильны в атмосфере, поэтому для их изучения требуется развитие методов in-situ сверхвысоковакуумной фотоэлектронной спектроскопии. Подготовка атомарно-чистых поверхностей подложек, синтез и эпитаксиальный рост (Na,K,Cs)3(Sb,Bi), а также их последующий анализ проводится непосредственно в сверхвысоковакуумных камерах установки фотоэлектронной спектроскопии SPECS Proven-X ARPES в ИФП СО РАН. На ней реализованы такие методы анализа поверхности твердых тел, как фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением (ФЭСУР), рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС), рентгеновская фотоэлектронная дифракция (РФД) и дифракция медленных электронов (ДМЭ). ДМЭ позволяет быстро определить, является структура выращенных пленок кристаллической, поликристаллической или аморфной. РФЭС используется для изучения стехиометрического состава пленок, их толщины и химического состояния атомов на поверхности.
— Электронная структура выращенных монокристаллических пленок изучается с помощью фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (ФЭСУР). Однако, в полной мере РФЭС, ФЭСУР и РФД реализуются только при использовании источников монохроматического ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения на базе синхротронов. Поэтому если наш проект покажет высокий потенциал для дальнейших исследований, мы продолжим работу на строящемся в Новосибирске синхротроне СКИФ. Одной из подходящих станций, на которой могут быть реализованы похожие измерения, станет станция 1-6-2 «Электронная структура», — объяснила Надежда Соловова.
