WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 1998, том 40, № 3 Нанокластеры меди в аморфном гидрированном углероде © В.И. Иванов-Омский, В.И. Сиклицкий, С.Г. Ястребов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт–Петербург, Россия (Поступила в Редакцию 1 сентября 1997 г.) Представлены результаты исследования геометрических характеристик медных нанокластеров, внедренных с матрицу аморфного гидрированного углерода. С этой целью применены методы малоуглового рентгеновского рассеяния и просвечивающей электронной микроскопии (100 keV). Из анализа зависимости индикатрисы рассеяния рентгеновского излучения определены фрактальная размерность и диаметр нанокластеров для разных концентраций меди. Проведен анализ электронно-микроскопических изображений медных нанокластеров и построена функция распределения кластеров по размерам. Вид функции распределения обсуждается в рамках теории образования новой фазы.

Интерес к физике проводящих кластеров частично температура подложки в процессе распыления близка стимулирован возможностью их применения в микро- и к 200C. Средняя мощность магнетрона варьировалась наноэлектронике [1]. Модификация свойств аморфного в пределах 0.35–0.45 kW. Давление рабочей смеси в гидрогенизированного углерода (a-C : H) с помощью вве- реакторе регулировалось в пределах 1–10 mTorr. Быдения металлических нанокластеров также представляет ли выращены пленки с толщинами 0.1–1.5 µm. Для интерес с точки зрения получения новой информации о прямого наблюдения микроструктуры a-C : H(Cu) и ее структуре a-C : H [2]. Используя такой карбидонеобразу- идентификации с помощью анализа картины селективной ющий металл, как медь, можно формировать различные электронной дифракции применялся просвечивающий типы проводящих кластеров в диэлектрической матрице электронный микроскоп Philips 400 TEM, работающий a-C : H [3]. Основная цель настоящего исследования — при ускоряющем напряжении 100 keV. Для этой цели получить информацию о форме, размерах и функции рас- изготавливались пленки a-C : H(Cu) толщиной примерно пределения по размерам порождаемых медью кластеров, 100 nm на подложке KBr, а затем подложка удалявведенных в a-C : H. С этой целью используется анализ лась растворением в воде. МУРР регистрировалось с изображений, полученных с помощью просвечивающей помощью рентгеновского дифрактометра RIGAKU на электронной микроскопии (ПЭМ), а также угловой за- длине волны 1.541 (CuK-линия) c угловым разревисимости интенсивности малоуглового рентгеновского шением < 10. Измерения проводились при 50 keV в рассеяния (МУРР). Установлена зависимость фракталь- геометрии отражения. Дифракционная картина анализиной размерности поверхности кластеров и их размеров ровалась в диапазоне углов рассеяния от 1.0 до 7.0.

от концентрации меди в исследуемом материале. Результаты исследования угловой зависимости рентгеновско2. Экспериментальные результаты го рассеяния интерпретированы в рамках фрактальных представлений о геометрии рассеивателей.

1) МУ Р Р. На рис. 1 приведены типичные угловые зависимости интенсивности рентгеновского излучения, рассеянного пленкой a-C : H(Cu), содержащей 6 at.% ме1. Экспериментальные методы ди, для двух ширин спектральных щелей. На кривых ясно видно наличие максимума в малых углах рассеяСлои a-C : H выращивались методом плазменного ния. Сужение спектральной щели улучшает разрешение распыления графитовой мишени с помощью плоского положения пика интенсивности рассеяния и фактически магнетрона на постоянном токе в аргон-водородной не оказывает никакого влияния на наклон кривой справа плазме (80 % Ar и 20 % H2). В качестве подложек от него.

использовались монокристаллический кремний и KBr.

Держатель образцов крепился к планетарной системе, Прямое сравнение интенсивностей излучения, рассеобеспечивавшей при своем вращении однородность со- янного безмедными (a-C : H) и легированными медью става по площади растущей пленки. Медь вводилась при (a-C : H(Cu)) пленками, показало, что вклад матрицы распылении графитово-медной мишени, представляющей a-C : H довольно мал, т. е. за рассеяние рентгеновского собой графитовый кольцеобразный катод с равномерно излучения при малых углах рассеяния отвечают именно распределенными по его поверхности медными пластин- введенные медью рассеиватели, встроенные в матрицу ками. Процентное содержание меди, введенной в пленки a-C : H.

a-C : H(Cu), как показали калибровочные измерения ме- Классическая теория МУРР с длиной волны l на тодом вторичной ионной масс-спектроскопии, с точно- множестве регулярных сфер [4] предсказывает максимум стью до 2 % соответствует соотношению площадей гра- интенсивности рассеянного излучения для угла =l2d, фитовой и медной компонент мишени. Первоначальная где d — диаметр сферы. Форма и положение пика на Нанокластеры меди в аморфном гидрированном углероде тельным целым показателем степени [5] I(q) q-, q =(4/) sin(/2). (1) Здесь — длина волны рассеянного излучения. Для сферических рассеивателей, ограниченных гладкой поверхностью, показатель = 4 [4]. Это означает, что log I(q) является линейной функцией логарифма волнового вектора log q, и поэтому представление экспериментальных данных в двойных логарифмических координатах является наиболее удобным (рис. 2). Как видно из рис. 2, для всех измеренных образцов амплитуда рассеянного излучения действительно является степенной функцией импульса излучения при не очень малых углах рассеяния.

Показатель функции оказывается нецелым числом, как об этом можно судить по данным, приведенным в таблице. С целью оценки точности определены величины покаРис. 1. Интенсивность малоуглового рентгеновского рассеязателя степени в уравнении (1) были поставлены экспения для образцов a-C : H, легированных медью. Спектральная рименты по воспроизводимости экспериментальных данщель (mm): 1 — 0.32, 2 — 0.55.

ных для трех образцов с одинаковым содержанием меди (6 at.%), результаты которых представлены на рис. 3.

Различие в амплитудах рассеяния может быть приписано различию геометрических размеров образцов, при этом средний наклон кривых хорошо воспроизводится, если судить по величине разброса показателя = 3.8 ± 0.1.

На этом основании мы оцениваем ошибку определения показателя в пределах ±0.1.

Хотя система двойных логарифмических координат сглаживает пики (ср. рис. 1 и 2), можно видеть, что положение максимума интенсивности рассеянного излучения практически неизменно, за исключением образца № 4.

Это означает, что средний размер рассеивателей фактически не зависит от концентрации при содержании в образце меди < 24 at.%, (см. таблицу). Некоторое отклонение от монотонного хода экспериментальных точек справа от пика на рис. 2 является результатом Рис. 2. Интенсивность малоуглового рентгеновского рассеяния для образцов с различной концентрацией меди. CCu (at.%):

1 —4, 2 —6, 3 — 14, 3a —14 (образец отжигался в вакууме при T = 240C в течение 2 h), 4 — 24.

рис. 1 показывают, что средний размер (диаметр d) кластера в ансамбле медных рассеивателей хорошо определен и равен 30. Последняя величина в свою очередь неплохо согласуется с оценками из оптических измерений размеров медных кластеров, вводимых в a-C : H при сораспылении графитовой и медных мишеней [3].

Согласно традиционной теории [4], в рамках которой предполагается, что рассеиватели ограничены гладкой поверхностью, угловая зависимость интенсивности рассеянного излучения I(q) должна быть пропорциональна Рис. 3. Воспроизводимость данных по рассеянию для трех степенной функции от переданного импульса q с отрица- образцов a-C : H, легированных медью (6at.%Cu).

Физика твердого тела, 1998, том 40, № 570 В.И. Иванов-Омский, В.И. Сиклицкий, С.Г. Ястребов Параметры рассеивающих кластеров Номер Концентрация Параметр Фрактальная Диаметр Комментарии образца меди, at.% уравнения (1) размерность D рассеивателя, 1 4 5.4 2.0 32 Множество сфер различного радиуса с гладкой поверхностью 2 6 3.9 2.1 30 Рассеиватель с фрактальной поверхностью 3 14 3.7 2.3 32 Тот же 3a 14 2.9 2.9 30 Объемный массовый фрактал 4 24 3.6 2.4 > 48 Рассеиватель с фрактальной поверхностью Образец № 3 после отжига в вакууме.

Фрактальная размерность сферической оболочки D = 2.

Фрактальная размерность объемного (массового) фрактала D = -.

пренебрежения более высокими порядками дифракции но улучшила разрешение пика и существенно изменила в уравнении (1), возникающими, в частности, из-за наклон кривой (рис. 2).

несферичности рассеивающих кластеров. 2) П Э М. На рис. 4 приведено темнопольное изображение медьсодержащих кластеров, полученное с Отжиг образца № 3 в вакууме при T = 240Cв течепомощью ПЭМ, для образца a-C : H(Cu), содержащего ние 2 h не оказал заметного влияния на положение пика, 9 at.% Cu. Данные рис. 4 использованы для построения как показывает сравнение данных для образцов № 3 и 3 a, функции распределения кластеров по размерам, которая приведенных в таблице и на рис. 2. Образец был выбран представлена на рис. 5. Квадраты соответствуют экспепотому, что положение пика было хорошо определено риментальным точкам, а сплошная линия представляет уже до процесса отжига. Тепловая обработка фактически собой результат аппроксимации экспериментальных тоне оказала влияния на средний размер медных кластеров, чек с помощью гауссового закона распределения в форме (d - dav)P(d) exp -. (2) 2b2dav Здесь dav — средний диаметр кластера. Наилучшее согласие достигается при следующих параметрах функции Гаусса: b = 0.63, dav = 2.8 nm. Таким образом, средний диаметр кластеров в a-C : H, которые, согласно картине селективной электронной дифракции, можно рассматривать как медные [6], оказывается порядка 3 nm. Совпадение этой оценки с размерами рассеивателей рентгеновских лучей при малых углах рассеяния (см. таблицу) дает основание для предположения, что на рис. 4 изображены именно эти рассеиватели.

3. Обсуждение результатов Наблюдаемые в нашем эксперименте величины показателя степени в уравнении (1) (см. таблицу) для образца с наименьшим содержанием меди могут быть связаны в рамках модели сферических рассеивателей с их распределением по размерам. Было показано, что показатель может определять показатель степенной функции = 7 -, описывающей функцию распределения по размерам d сферических рассеивателей, ограРис. 4. Темнопольное изображение медьсодержащих кластениченных гладкими поверхностями, которая может быть ров для образца a-C : H(Cu) с 9 at.% Cu.

Физика твердого тела, 1998, том 40, № Нанокластеры меди в аморфном гидрированном углероде низких концентрациях меди расстояния между кластерами достаточно велики, и кластеры имеют возможность сохранять форму и размер, целиком определяемые этими параметрами. В этих условиях сферическая форма с гладкой поверхностью оказывается естественной из-за слабого межкластерного взаимодействия, с одной стороны, и отсутствия Cu–C-химического взаимодействия — с другой. Это означает, что при малых концентрациях меди в отсутствие межкластерного взаимодействия средний размер кластеров должен определяться только соотношением их поверхностной и объемной свободных энергий [8], т. е. свойствами материала кластера и матрицы, и не зависит от концентраций меди. Как следует из таблицы, при концентрациях меди менее 24 at.% средний размер кластеров в 30 может рассматриваться Рис. 5. Функция распределения, полученная из анализа как характер для медных кластеров в данной среде. С электронно-микроскопического изображения медных кластеувеличением содержания меди свыше 24 at.% внутренров (рис. 4).

няя (объемная) энергия медных кластеров становится достаточно большой для преодоления сопротивления среды увеличению размеров рассеивателей. Отметим записана в форме P(d) d- [7]. По этой причине также, что отожженный в вакууме образец с 14 at.% Cu кластерам в образце с наименьшей концентрацией меди перестраивает свою структуру (см. таблицу). В рамках приписана фрактальная размерность D = 2 (см.таблицу).

фрактальных представлений [4] возникшая структура Для случая наименьшей концентрации меди показакластера может быть охарактеризована как результат тель оказывается равным примерно 1.6. Однако коагуляции шероховатостей поверхности рассеивателя в распространение этой модели на большие концентрации более сглаженную структуру. Это следует из величины меди привело бы к нереалистически обостренному распоказателя фрактальной размерности D = 2.9. В свою пределению. Поэтому мы предлагаем наряду с вкладом очередь это означает, что по своей структуре рассеивафункции распределения рассеивателей по размерам в ющий объект напоминает ”снежок”.

формирование угловой зависимости интенсивности расСогласие экспериментальной функции распределесеяния учитывать и топологию поверхности, ограничиния, полученной с помощью анализа электронновающей рассеиватель. Более того, вклад этих факторов микроскопического изображения кластеров, с функцией предполагается зависящим от концентрации рассеиватеГаусса можно приписать тому, что изображение на рис. лей. При большей концентрации меди мы будем следосоответствует начальной фазе образования медных клавать предложенному в [5] подходу, согласно которому стеров в стадии их зарождения. Происходящее одновревеличины показателя степенной зависимости в уравнеменно формирование окружающей матрицы препятствунии (1) находятся в интервале значений 3 < < ет их дальнейшему росту. В этом случае средний размер и связаны с фрактальной размерностью поверхности dav кластера является функцией отношения свободной рассеивателей D соотношением D = 6 -. Из приэнергии, приходящейся на единицу его поверхности, к веденных выше соображений и данных, представленных свободной энергии, запасенной в единице его объема [8].

в таблице, следует, что рассеяние рентгеновского излуВеличина поверхностной энергии определяется взаимочения на малые углы в образцах с концентрацией меди действием кластера с матрицей.

более 4 at.% вызывается рассеивателями с усложненной Авторы благодарят А.А. Ситникову и А.А. Суворову за топологией поверхности, которая может быть описана проведение электронно-микроскопических исследований в рамках фрактальных представлений нецелым показаи М.В. Байдакову за измерение рентгеновского рассеятелем размерности D < 3. Оказалось, что показатель ния, а также А.М. Седых и Т.К. Звонареву за изготовление D возрастает по мере роста концентрации меди. Это образцов.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.