Исследование силицида FeSi методами электронной спектроскопии

Для подсчета потерь энергии на генерацию ЭДП вначале создается таблица ионизационных потерь энергии на каждом участке трека с указанием начальной и конечной точек участка. Энергия сгенерированной электронно-дырочной пары для кремния равна Ее-ь = 3,6 эВ. С использованием данной оценки рассчитываются количество и координаты сгенерированных ЭДП с допущением, что генерация равновероятна на всем участке трека. Пространство полупроводника разбивается на элементарные объёмы, и проводится подсчет количества ЭДП и соответствующей выделившейся энергии в каждом объеме.

На рис. 2, б приведен график суммарной энергии ЭДП, генерируемой слоями никеля с разным удалением. Общая энергия, излучённая слоем, равна 1, т. е. фактически приведен график КПД генерации ЭДП. Видно, что не более 18 % исходной энергии вызывает генерацию ЭДП. Приведённая зависимость аппроксимируется экспонентой а • ехр(-Лу/Т у), где а = 0,1878, Т у = 0, 7987 мкм. Слой толщиной 3 • Т у = = 2,4 мкм генерирует 95 % полезной энергии, увеличение толщины практически не дает прибавки. На основании рассчитанного показателя экспоненты можно проводить расчет экономически оправданной толщины изотопа. Общий КПД генерации для полубесконечного слоя изотопа можно рассчитать как

( Л ^

Ду

П = J a -exp

Ty

dl = aTy =0,15.

y

В результате проведенного моделирования процессов генерации электронно-дырочных пар в кремнии, вызванного излучением изотопа 63Ni в системе GEANT4 с использованием моделей ионизации и перехода электронов в зону проводимости для низких энергий, определена максимальная эффективная толщина слоя изотопа - 2,4 мкм.

Библиографические ссылки

1. Нагорнов Ю. С. Современные аспеты применения бета-вольтаического эффекта. Ульяновск : Ул-ГПУ, 2012. 113 с.

2. Optimization design and analysis of Si- 63 Ni betavoltaic battery / XiaoBin Tang, Ding Ding, YunPeng Liu, Da Chen // SCIENCE CHINA. Technological Sciences. 2012. Vol. 55(4). P. 990-996.

References

1. Nagornov U. S. Sovremennie aspekty primeneniya betavoltaicheskogo effekta. Ulyanovsk : UlGPU, 2012. 113 p. ISBN 978-5-86045-493-4.

2. Optimization design and analysis of Si- 63 Ni betavoltaic battery / XiaoBin Tang, Ding Ding, YunPeng Liu, Da Chen // SCIENCE CHINA. Technological Sciences. 2012. vol. 55(4). pp. 990-996, doi:10.1007/s11431- 012-4752-6.

© Зеленков П. В., Сидоров В. Г., Хорошко А. Ю., Лелеков Е. Т., Лелеков А. Т., 2015

УДК 543.428

ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛИЦИДА FeSi МЕТОДАМИ ЭЛЕКТРОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

А. Ю. Игуменов1*, А. С. Паршин1, Ю. Л. Михлин2, О. П. Пчеляков1,3, В. С. Жигалов1,4, С. А. Кущенков1

1 Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: neutronstar982@gmail.com

2Институт химии и химической технологии СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/24

3Институт физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН Российская Федерация, 630090, г. Новосибирск, просп. Академика Лаврентьева, 13

4Институт физики им. Л. В. Киренского СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/38

Для создания наногетероструктур на основе железа и кремния необходим строгий контроль элементного состава и фазообразования, в том числе силицидообразования. Моносилицид железа - перспективный материал для создания источников и детекторов света в ближней инфракрасной области, которые могут быть использованы в ракетно-космической отрасли. В данной работе проведено исследование силицида FeSi методами рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, спектроскопии характеристических потерь энергии отраженных электронов и сечения неупругого рассеяния электронов. Проведено исследование тонкой структуры спектров сечения неупругого рассеяния электронов посредством аппроксимации этих спектров Лорен-цевоподобными пиками Тоугаарда.

Ключевые слова: силициды железа, спектроскопия сечения неупругого рассеяния электронов, спектроскопия характеристических потерь энергии электронов.

Решетнеескцие чтения. 2015

SILICIDE FeSi INVESTIGATION WITH THE ELECTRON SPECTROSCOPY METHODS

A. Yu. Igumenov1, A. S. Parshin1, Yu. L. Mikhlin2, O. P. Pchelyakov1'3, V. S. Zhigalov1'4, S. A. Kuschenkov1

1Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation. E-mail: igumenovau@mail.ru 2Institute of Chemistry and Chemical Technologies SB RAS 50/24, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation 3Rzhanov Institute of Semiconductor Physics SB RAS 13, Academician Lavrentjev Av., Novosibirsk, 630090, Russian Federation 4L. V. Kirensky Institute of Physics SB RAS 50/38, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation

The creation of iron-silicon based nanoheterostructures requires precise control of the elemental composition and phase formation' including silicide formation. Iron monosilicide is a promising material to create light sources or detectors in the near infrared region' which can be used in the space industry. In this work' the silicide FeSi investigation with X-ray photoelectron spectroscopy' electron energy loss spectroscopy and inelastic electron scattering cross-section is carried out. The inelastic electron scattering cross-section spectra fine structure investigation approximating of these spectra with the Lorentzian-type Tougaard peaks is performed.

Keywords: iron silicides' inelastic electron scattering cross-section' electron energy loss spectroscopy.

В синтезе наногетероструктур на основе железа и кремния, открывающих широкие возможности для прикладного применения в устройствах наноэлектро-ники, нанофотоники и спинтроники, важную роль играет образование силицидов. Моносилицид железа FeSi, узкозонный полупроводник с шириной запрещенной зоны 0,55 эВ, перспективен для создания источников или детекторов света в ближней инфракрасной области [1], что имеет значение и для ракетно-космической отрасли. Для исследования силицидов железа часто применяются методы электронной спектроскопии, такие как Оже-электронная спектроскопия (ОЭС) [2], рентгеновская фотоэлеткронная спектроскопия (РФЭС) [3] и спектроскопия характеристических потерь энергии электронов (СХПЭЭ) [4]. В работе [4] с помощью спектроскопии характеристических потерь энергии электронов и сечения неупругого рассеяния электронов, а также моделирования последних в рамках теории диэлектрического отклика проведено исследование системы Fe/Si(100) и показана необходимость учета силицидообразования для количественного элементного анализа слоистых железокрем-ниевых структур.

В данной работе исследован образец FeSi, полученный сплавлением смеси кремния и железа в высоком вакууме в атомном соотношении 1*1. Экспериментальные спектры РФЭС и ХПЭЭ получены на сверхвысоковакуумном фотоэлектронном спектрометре SPECS (Германия) при энергиях первичных электронов 300, 600, 1 200, 1 900, 3 000 эВ. По результатам РФЭС элементный состав полученного сплава близок к составу исходной смеси. Определены энергии связи фотоэлектронных линий Si 2p, Fe 2p.

Проведено детальное исследование моносилицида железа методами спектроскопии ХПЭЭ и сечения неупругого рассеяния электронов. Спектры сечения неупругого рассеяния электронов (KX-спектры [5]) представляют собой произведения средней длины неупругого пробега электронов X и дифференциального сечения неупругого рассеяния K(E0, E0 - E), где E0 и E - соответственно энергии первичных и отраженных электронов, T = E0 - E - потери энергии электронов. Спектры сечения неупругого рассеяния электро-

нов получены из экспериментальных спектров потерь энергии отраженных электронов с помощью программного пакета QUASESTM XS REELS [6] согласно алгоритму [5].

Из СХПЭЭ и ХХ-спектров в интегральном и дифференциальном видах определены энергии пиков потерь. Показано, что энергии пиков в СХПЭЭ практически не зависят от энергии первичных электронов, в то время как в ХХ-спектрах энергия основного максимума (соответствующего возбуждению объемного плазмона в FeSi) увеличивается с ростом энергии первичных электронов. Это объясняется тем, что с увеличением энергии первичных электронов возрастает глубина выхода отраженных электронов и соответственно увеличиваются интенсивности объемноподоб-ных возбуждений и уменьшаются интенсивности по-верхностноподобных. Таким образом, спектры сечения неупругого рассеяния электронов более чувствительны к изменению глубины выхода отраженных электронов, и поскольку интенсивность потерь в этих спектрах определяется в абсолютных единицах, они лучше подходят для количественной оценки вкладов различных процессов потерь энергии электронов.

Для исследования тонкой структуры ХХ-спектров FeSi и получения дополнительных сведений о механизмах неупругого рассеяния электронов в моносилициде железа была проведена аппроксимация этих спектров Лоренцевоподобными трехпараметрически-ми функциями Тоугаарда [7].

Из зависимости площади подгоночных пиков (определяющих интенсивность потерь) от энергии первичных электронов определена их природа: при увеличении энергии первичных электронов площади по-верхностноподобных пиков монотонно уменьшаются, а объемноподобных - возрастают.

Впервые проведено исследование моносилицида железа FeSi методом ХХ-спектроскопии, а также исследование тонкой структуры ХХ-спектров.

Библиографические ссылки

1. Kolel-Veetil M. K. Organometallic Routes into the Nanorealms of Binary Fe-Si Phases (Review) // Materials, 2010. Vol. 3. P. 1049-1088.

2. Self-organization of P-FeSi2islands on Si(111)7*7 / N. G. Galkin, V. O. Polyarnyi, A. S. Gouralnik // Thin Solid Films, 2004. Vol. 464/465. P. 199-203.

3. Dependence of core-level XPS spectra on iron silicide phase / N. Ohtsu, M. Oku, K. Satoh, K. Wagatsuma // Applied Surface Science. 2013. Vol. 264. P. 219-224.

4. Новые возможности количественного анализа в спектроскопии потерь энергии отраженных электронов структур Fe/Si / А. С. Паршин, С. А. Кущенков, Г. А. Александрова и др. // ЖТФ. 2011. Т. 81 (5). С. 69-74.

5. Tougaard S. Differential inelastic electron scattering cross sections from experimental reflection electron-energy-loss spectra: Application to background removal in electron spectroscopy // Phys. Rev. B. 1987. Vol. 35 (13). P. 6570-6577.

6. QUASES - Software packages to characterize surface nano-structures by analysis of electron spectra. [Электронный ресурс]. URL: http:// www.quases.com (дата обращения: 09.09.2015).

7. Тонкая структура спектров сечения неупругого рассеяния электронов и поверхностный параметр Si / А. С. Паршин, А. Ю. Игуменов, Ю. Л. Михлин и др. // ФТП. 2015. Т. 49 (4). С. 435-439.

References

1. Kolel-Veetil M. K. Organometallic Routes into the Nanorealms of Binary Fe-Si Phases (Review) // Materials, 2010. Vol. 3. P. 1049-1088.

2. Self-organization of P-FeSi2 islands on Si(111)7*7 / N. G. Galkin, V. O. Polyarnyi, A. S. Gouralnik // Thin Solid Films, 2004. Vol. 464/465. P. 199-203.

3. Dependence of core-level XPS spectra on iron silicide phase / N. Ohtsu, M. Oku, K. Satoh, K. Wagatsuma // Applied Surface Science, 2013. Vol. 264. P. 219-224.

4. New opportunities for quantitative analysis as applied to reflected electron energy loss spectroscopy of Fe/Si structures / A. S. Parshin, S. A. Kushchenkov, G. A. Aleksandrova и др. // Technical physics, 2011. Vol 56 (5). P. 656-661.

5. Tougaard S. Differential inelastic electron scattering cross sections from experimental reflection electron-energy-loss spectra: Application to background removal in electron spectroscopy // Phys.Rev. B, 1987. Vol. 35 (13). P. 6570-6577.

6. QUASES - Software packages to characterize surface nano-structures by analysis of electron spectra. URL: http:// www.quases.com (accessed: 09.09.2015).

7. On the Fine Structure of Spectra of the Inelastic-Electron-Scattering Cross Section and the Si Surface Parameter / A. S. Parshin, A. Yu. Igumenov, Yu. L. Mikhlin и др. // Semiconductors, 2015. Vol. 49 (4). P. 423-427.

© Игуменов А. Ю., Паршин А. С., Михлин Ю. Л., Пчеляков О. П., Жигалов В. С., Кущенков С. А., 2015

УДК 621.762:539.2

УСТРОЙСТВА ДЛЯ ВВЕДЕНИЯ МОДИФИКАТОРОВ В АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ

Г. Г. Крушенко1,2, М. В. Резанова2*

1Институт вычислительного моделирования СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/44 E-mail: genry@icm.krasn.ru

2Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Разработаны устройства для введения модификаторов в алюминиевый расплав при литье слитков с целью измельчениия структуры и повышения механических свойств получаемого из них листового проката, применяемого в аэрокосмической отрасли.

Ключевые слова: слитки, устройства для введения модификатора, листовой прокат, механические свойства.

DEVICES TO INTRODUCE MODIFIERS IN ALUMINUM ALLOYS

G. G. Krushenko1* 2, M. V. Resanova2

institute of Computational Modeling SB RAS 50/44, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation. E-mail: genry@icm.krasn.ru 2Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

The research develops a device to introduce modifiers into the aluminum melt during casting of ingots with the purpose of refining structure and improving mechanical properties of the resulting rolled sheets used in the aerospace industry.

Keywords: ingots, the device for the introduction of the modifier, sheet metal, mechanical properties.

В аэрокосмической отрасли широко применяется листовая продукция, получаемая прокаткой слитков, отливаемых из алюминиевых сплавов полунепрерывным способом с использованием жидкой шихты

(электролизный алюминий). С целью измельчения структуры в находящийся в миксере расплав вводятся в объеме чушковых лигатур модифицирующие агенты (титан, цирконий, бор).