Экспериментальные методы физики твердого тела

Д. В. Фомин 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ 
МЕТОДЫ Ф И З И К И 
ТВЕРДОГО ТЕЛА 

Учебное пособие 

Издание второе, стереотипное 

| DirectMEDIA 

УДК 538.94 
ББК 22.37я73 
Ф76 

Рекомендовано 
учебно-методическим советом университета 
Рецензенты: 
Барышников СВ., профессор кафедры физики и методики обучения 
физике БГПУ, д-рфиз. -мат. наук, профессор; 
Стуков а Е.В., зав. кафедрой физики АмТУ, в.не. НОЦАмГУ, 
канд. физ.-мат. наук, доцент 

Ф о м и н , Д . В . 

Ф76 
Экспериментальные методы физики твердого тела : 
учебное пособие / Д. В. Фомин. — Изд. 2-е, стер. — 
Москва ; Берлин : Директ-Медиа, 2019. — 186 с. 

ISBN 978-5-4499-0151-4 

Учебное 
пособие 
подготовлено для бакалавров и магистров 
инженерно-физических направлений подготовки высшего просрессионального 
образования 
изучающих 
дисциплины 
«Экспериментальные 
методы 
физики твердого тела» и «Теоретические и экспериментальные методы 
физики твердого тела». Будет интересно аспирантам и молодым ученым 
естественнонаучного блока. 
Данное учебное пособие не претендует на энциклопедичность в 
рассматриваемой 
области 
знаний, 
поскольку в нем представлены 
экспериментальные методы физики твердого тела на основе приборной 
базы Амурского государственного университета. Тем не менее пособие 
охватывает большой спектр методов, построенных на использовании 
различных 
физических 
явлений. Таких как вторичная 
электронная 
эмиссия, дифракция, квантовые эффекты, взаимодействия поверхности с 
твердотельными нанозондами. 

В 
пособии 
достаточно 
подробно 
рассмотрены 
вопросы, 
касающиеся работы со сверхвысоковакуумными установками, имеются 
схемы in-situ экспериментов. 

УДК 538.94 
ББК 22.37я73 

ISBN 978-5-4499-0151-4 
© Фомин А- В., текст, 2019 
© Издательство «Директ-Медиа», оформление, 2019 

ВВЕДЕНИЕ 

В данном учебном пособии основное внимание уделено экспериментальной составляющей физики твердого тела. Несмотря на динамично развивающиеся в последние годы теоретические методы, получившие поддержку в виде 

мощных компьютеров, современного программного обеспечения и, конечно же, 

усовершенствованных математических алгоритмов, экспериментальные методы 

по-прежнему остаются основным инструментом получения знаний в этой области науки. 

Для исследования объектов и явлений материального мира ставится специальный научный опыт - эксперимент, в котором целенаправленно изучают 

явление природы, материальный объект в строго учитываемых условиях. При 

проведении эксперимента обеспечивается возможность следить за изучаемым 

физическим объектом, воздействовать на него другими объектами, изменять 

условия протекания изучаемого физического процесса или явления, воссоздать 

или вызвать явление. Добытые с помощью эксперимента сведения представляют собой отдельные факты физической науки; устанавливаются частные законы. По мере накопления экспериментальных фактов и частных законов в процессе исторического развития физики возникает потребность их теоретического 

обобщения, которое достигается с помощью некоторых новых положений - исходных принципов или общих законов, составляющих основу большой группы 

уже открытых частных законов, физических явлений, свойств, фактов и т. п. 

С точки зрения физики твердого тела, как и всей физики, одним из исходных понятий в науке является понятие структуры. Структура есть множество 

объектов, которые имеют прочные устойчивые связи между собой. Физика изучает простейшие материальные структуры - элементарные частицы, атомы, молекулы, тела, поля, системы тел и полей, их строение, взаимодействие и движение. В рамках теоретической физики структуру связывают с моделью. Под моделью подразумевается мысленно представляемая или материально реализуемая система, которая, отражая или воспроизводя объект исследования, способна заменить его так, что ее изучение даст новую информацию об этом объекте. 

3 

Особенно важны так называемые знаковые модели, где объекты заменяются 

словами или символами - знаками. В физике, как и в некоторых других науках, 

широко применяются специальные знаковые модели - математические. 

Итак, предметом теоретической физики, в отличие от экспериментальной, 

являются математические модели, заменяющие реальные физические объекты. 

Методы теоретической физики представляют собой математический анализ 

этих моделей, направленный на выявление их особенностей, свойств, связей 

между собой в тех или иных конкретных условиях. Полученный математический результат обязательно отображается на материальную структуру: выводы 

теории применяются на практике, проверяются в экспериментах. 

В отношениях и связях между теоретической физикой и математикой 

имеются важные особенности. Математический объект (число, вектор, функция, уравнение и т. д.) не полностью адекватен заменяемому им физическому 

объекту. Он отражает его главные черты, связи, но не охватывает всего многообразия свойств и связей объекта. Это всегда модель, ирезультатыееизучения 

имеют характер относительной, а не абсолютной истины, они применимы в определенных рамках, границах. Например, понятие материальной точки в механике как объекта бесконечно малых размеров применимо примерно до 10
-6 см. 

Для объектов меньших размеров - атомов и молекул - понятие микрочастицы 

имеет другое содержание. Приведем еще пример. Чрезвычайно широкое применение в физике имеют математические понятия непрерывности и бесконечно 

малых (элементарных) величин. Однако понятие непрерывности материи в механике и макроскопической электродинамике применимо лишь до тех пор, пока 

имеют дело с малыми объемами, содержащими очень большое количество дискретных микрочастиц. Соответственно элемент объема в физике - вовсе не математическая бесконечно малая величина, он может уменьшаться лишь до тех 

пор, пока не скажется дискретность вещества ( атомно-молекулярная структура). 

Математическое исследование модели имеет смысл при условии, что его 

выводы реализуются в материальных объектах, заменявшихся моделью. Но не 

4 

все математические решения какой-либо задачи имеют физический смысл. Конечным критерием истинности математического результата служит соответствие его данным опыта и наблюдения. Точное решение математических задач, 

возникающих в теоретической физике, часто либо недостижимо, либо не имеет 

большого практического значения. Дело в том, что применение выводов на 

практике связано с измерениями, а последние всегда ограничены той или иной 

точностью. Отсюда приближенный расчет в рамках необходимой степени точности вполне удовлетворяет потребности практики. Это, однако, не означает, что 

в теоретической физике вообще низка точность результата. Внекоторых разделах 

и задачах достигается высокая степень точности, еще недоступная эксперименту. 

Итак, физика в отличие от математики имеет дело с материальными 

структурами. Лишь на определенном этапе изучения они заменяются математическими моделями. Из истории науки известно, что потребности физики побуждали к развитию целые математические отрасли (например, дифференциального и интегрального исчисления в связи с задачами механики). В свою очередь физика находила в математике готовый математический аппарат (например, теория линейных самосопряженных операторов в квантовой механике, 

теория групп). 

Теперь рассмотрим, что является объектом исследования современной 

физики твердого тела. В последние годы особый интерес представляет изучение 

различных наноструктур. Это обусловлено тем, что указанные объекты обладают рядом уникальных свойств, нехарактерных для материалов в массивном 

состоянии. По мере приближения размеров твердотельных структур к наномет-

ровой области все больше проявляются квантовые свойства электрона. В его 

поведении преобладающими становятся волновые закономерности, характерные для квантовых частиц, и это открывает перспективы создания принципиально новых материалов для различных областей деятельности человека. К наноструктурам в первую очередь относят поверхность. Принято называть поверхностью твердого тела несколько атомных монослоев толщиной 1 нм, которые расположены на границе раздела твердого тела с вакуумом, газом, жидкостью, другим твердым телом (показано на рис. 1). 

5 

Поверхность 
1-3 атомных слоя (~1 нм) 

Объем 
>1 мкм 

Рис. 1. Классификация наноструктур поверхности 

и приповерхностной области объемного тела в зависимости от толщины. 

Даже в случае идеальной системы, например, скола монокристалла в вакууме, структура поверхностных слоев будет отличаться от таковой в объеме за 

счет релаксации (в ряде случаев структурной перестройки) атомов с целью минимизации полной энергии системы. В обычных условиях при взаимодействии с 

газами, парами воды и т.д. состав поверхности сильно отличается от состава 

объема вещества, соответственно отличаются и свойства поверхности. Вцелом, 

говорят о существовании поверхностных фаз - тонких слоев на поверхности материалов, находящихся в термодинамическом равновесии с объемом. По сути 

это сверхтонкие слои, обладающие своей собственной кристаллической и электронной структурой с новыми свойствами двумерного материала. Если изучаются объекты большей толщины - от 1 до 10 нм, то оперируют такими понятиями 

как ультратонкие слои и пленки, от 10 нм до 1 мкм - тонкие пленки и покрытия, далее (>1 мкм) говорят о свойствах и характеристиках объема материала. 

6 

Исследование формирования, параметров электронной структуры, оптических и других свойств нанометровых структур и является на сегодня актуальной задачей физики твердого тела и ее самостоятельного раздела - физики 

поверхности. 

Большинство современных методов исследования физики твердого тела 

получили свое развитие благодаря использованию высокого и сверхвысокого 

вакуума (СВВ). Когда исследования проводятся непосредственно в СВВ установках, говорят об in situ ( от лат. «на месте») исследованиях, в противном случае - об ex situ (от лат. «вне места») исследованиях. Поскольку это очень важный аспект экспериментальных методов, то с него и начнем, посвятив ему первую главу учебного пособия. 

Библиографический 
список 

1. Мултановский, В.В. Курс теоретической физики. - Т. 1. - М.: Просвещение, 1988. - 304 с. 

2. Фомин, Д.В. Формирование и полупроводниковые свойства тонких слоев на основе Fe и Ca2Si на Si(111): Дис. канд. физ.-мат. наук. -

Владивосток: Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения РАН, 2010. 

7 

Рис. 2. Сверхвысоковакуумная 

камера прибора PHI-590. 

Глава 1. УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ 

ЭКСПЕРИМЕНТОВ 

Для 
исследования 
поверхности 

твердого тела в СВВ-камере (см. рис. 2) 

на атомарном уровне необходимо, чтобы 

на протяжении эксперимента состав поверхности оставался практически неизменным. Это означает, что поток молекул из окружающей газовой среды на 

поверхность должен быть очень мал. 

Уравнение потока молекул выглядит так, как показано ниже: 

^2mnkbT 
(1) 

здесь р - давление; т - масса молекулы; 
= 1,3806488x10 
Дж/К - постоянная Больцмана; T- температура. 

Концентрация молекул определяется из формулы: 

kbT 

длина свободного пробега: 

•42na 

а время образования монослоя: 

na^2mnkbT 
Т = I 
p 

(2) 

(3) 

(4) 

где а - сечение молекулы; no - число молекул (атомов) вмонослое. 

Пример изменения с давлением концентрации n молекул, потока I на поверхность, длины свободного пробега к и времени образования монослоя т для 

молекул азота при комнатной температуре (T ~ 293 K) представлен в табл. 1. Коэффициент прилипания принят |)авным единице, поверхностная концентрация 
одного монослоя n = 10

15 
(данные значения близки к значениям для поверхностей твердых тел). 

p 
I 

-23 

8 

Таблица 1 

Изменение с давлением концентрации n, потока I, длины свободного пробега к и времени образования монослоя т для молекул азота 

Давление, р, 
Па 

Концентрация молекул, 
п, с м
- 3 

Поток молекул на 
поверхность, 
I, с м
- 2 с
- 1 

Длина свободного пробега, X 

Время образования 
монослоя, г 

10
6 
2 х 10
1 9 
3 х 10
2 3 
70 нм 
3 не 

133 
3 х 10
1 6 
4 х 10
2 0 
50 мкм 
2 мке 

1,33 х 10
- 1 
3 х 10
1 3 
4 х 10
1 7 
5 см 
2 мс 

1,33 х 10
- 4 
3 х 10
1 0 
4 х 10
1 4 
50 м 
2 с 

1,33 х 10
- 7 
3 х 10
7 
4 х 10
1 1 
50 км 
1 час 

Следует отметить, что в лабораториях, как правило, используются приборы (в частности для измерения давления), выпущенные 
в 
разных 

странах и в разное время. Иллюстрацией этому служит рис
. 3 3 на ко
- 
рис. 3. щ
к
а
л
ы приборов из состава оже-спектро-

тором показаны шкалы 
метра PHI-590 

приборов из состава оже-спектрометра PHI-590, используемого в лаборатории 

физики поверхности АмГУ. 

Поэтому ниже приведена табл. 2 преобразования наиболее распространенных единиц давления. Общепринято готовить научные материалы, представляя полученные измерения в единицах Международной системы СИ. 

Таблица 2 

Преобразования для наиболее распространенных 
единиц давления 

Перевести 
В 
Умножить на 

мбар 
Па 
100 

мбар 
Торр 
0,75 

Па 
мбар 
0,01 

Па 
Торр 
7.5 х 10
- 3 

Торр 
мбар 
1,33 

Торр 
Па 
133 

9 

Техника сверхвысокого вакуума 

Проведение экспериментов в сверхвысоком вакууме (СВВ) требует использования специального оборудования. Любая СВВ установка (см. рис. 4) 

для экспериментов в области физики поверхности включает камеру, систему 

откачки, вентили, оборудование для работы с образцом - такое, например, как 

системы загрузки и перемещения образца, нагреватели и испарители, вспомогательное оборудование - такое как система электрического питания и управления, а также оборудование для анализа поверхности. 

СВВ системы откачки 

Для получения и поддержания вакуума в камере используют системы откачки. Основные элементы системы откачки - это насосы, вакуумные лампы и 

вентили. Рассмотрим модель откачной системы с вакуумной камерой, соединенной с насосом трубой цилиндрической формы (см. рис. 5а). 

Во время откачки газ перетекает из камеры в насос под действием разности давлений на концах трубы. Проходя через трубу, небольшой объем газа на 

входе будет расширяться и займет больший объем на выходе трубы. Производительность или пропускная способность Q (Па лс

- 1) при этом определится как: 

Q = 
Р
~
Г
,
(
5
)  

dt 

а скорость откачки >У(лс
-1): 

S =

 Q . 
(6) 

p 

Скорость откачки в вакуумных системах всегда ограничена конечной 

проводимостью труб, через которые откачивается газ. Проводимость С вакуумного элемента, скажем, трубы, характеризует, насколько легко газ протекает 

через этот элемент: 

C =
Q 
,
(
7
) 
Ар 

где Ар - разность давлений на входе и выходе вакуумного элемента. 

10