WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 5 Спектры отражения и оптические постоянные тонких квазикристаллических пленок Al–Cu–Fe в инфракрасной области © В.А. Яковлев, Н.Н. Новикова, Дж. Матеи, А.А. Теплов, Д.С. Шайтура, В.Г. Назин, Г.В. Ласкова, Е.Д. Ольшанский, Д.И. Долгий Институт спектроскопии Российской академии наук, 142190 Троицк, Московская обл., Россия Istituto dei Sistemi Complessi ISC, CNR, C.P. 10, I-00016 Monterotondo Sc. (RM), Italy Российский научный центр „Курчатовский институт“, 123182 Москва, Россия E-mail: teplov@isssph.kiae.ru (Поступила в Редакцию 10 марта 2005 г.

В окончательной редакции 31 августа 2005 г.) Методом ИК-отражения в средней и дальней ИК-областях исследованы оптические свойства близких по составу квазикристаллических и для сравнения кристаллических пленок системы Al–Cu–Fe. Исследовались пленки толщиной 0.1-0.3 µm на сапфировых подложках. По экспериментальным данным рассчитана комплексная диэлектрическая проницаемость пленок. Обнаружено, что если для кристаллических пленок действительная часть диэлектрической проницаемости отрицательна, то для квазикристаллических пленок она положительна и слабо зависит от частоты, за исключением области вблизи 245 cm-1. Оптическая проводимость квазикристаллических пленок характеризуется отсутствием пика Друде, имеющегося в кристаллических пленках, и наличием пика при 245 cm-1, связанного, по-видимому, с возбуждением оптических фононов и отсутствующего в кристаллических пленках.

Работа выполнена в рамках государственного контракта № 02.434.11.2011.

PACS: 78.20.Ci, 78.66.Bz 1. Введение образцах. В системе Al–Cu–Fe известны исследования на ленточных образцах, приготовленных быстрой закалкой Отличительной особенностью квазикристаллов явля- из расплава [4], или на массивных образцах, полученных ется присутствие в их структуре апериодического даль- сплавлением [5].

него порядка: на дифракционных картинах проявляется Характерной особенностью спектров является отсутсимметрия, несовместимая с периодичностью и поэтому ствие подъема действительной части оптической прово„запрещенная“ в традиционной кристаллографии. На- димости квазикристаллов при понижении частоты в ИКпример, икосаэдрические квазикристаллы демонстриру- области — так называемого пика Друде, что свидетельют симметрию пятого порядка [1].

ствует о низкой плотности электронов на уровне Ферми Квазикристаллы проявляют ряд свойств, не харак- или их малой подвижности.

терных для обычных металлических сплавов. Они об- Целью настоящей работы было исследование оптичеладают низкой теплопроводностью и высоким удель- ских свойств тонких квазикристаллических и для сравненым элекросопротивлением. К наиболее привлекатель- ния кристаллических пленок в системе Al–Cu–Fe в средным свойствам квазикристаллов относятся их высокая ней и дальней ИК-областях спектра. Для исследования твердость и низкий коэффициент трения, химическая использовались квазикристаллические пленки Al–Cu–Fe, стойкость и стойкость к коррозии, а также радиационная методика получения, структура и морфология которых стойкость. К сожалению, массивные образцы обладают описаны в работе [6].

высокой хрупкостью, что ограничивает возможность их Представляет интерес определить наличие или отсутприменения. В отличие от массивных образцов пленки ствие пика Друде в квазикристаллических и кристалликвазикристаллов являются достаточно пластичными.

ческих (металлических) пленках Al–Cu–Fe почти одинаИнтерес к квазикристаллическим пленкам во многом кового состава. В квазикристаллических ленточных [4] связан с перспективами их практического применения. и массивных [5] образцах Al–Cu–Fe и Al–Mn–Si [7] Известна попытка использовать квазикристаллические начиная с самых малых исследованных частот наблюпленки для селективных поглотителей солнечного излу- далось близкое к линейному возрастание оптической чения [2,3]. В то же время физические свойства квази- проводимости с увеличением частоты. В других квазикристаллических пленок недостаточно изучены (в част- кристаллах, однако, близкого к линейному возрастания ности, это касается и оптических свойств). Ранее ис- обнаружено не было [8,9], так что его нельзя считать хаследования оптических свойств различных систем ква- рактерным для всех квазикристаллов. С другой стороны, зикристаллов проводились в основном на массивных возникают следующие вопросы: зависит ли это линей776 В.А. Яковлев, Н.Н. Новикова, Дж. Матеи, А.А. Теплов, Д.С. Шайтура, В.Г. Назин, Г.В. Ласкова...

ное возрастание от способа получения квазикристалла, свойственно ли оно только массивным образцам и будет ли оно наблюдаться в пленках 2. Экспериментальная часть Квазикристаллическая икосаэдрическая фаза в тройной системе Al–Cu–Fe образуется при определенном соотношении компонент (в узкой области около состава Al0.65Cu0.23Fe0.12). Пленочные образцы для исследований были приготовлены методом ионно-плазменного напыления с поочередным нанесением слоев компонентов и последующим вакуумным отжигом. Пленки Al–Cu–Fe икосаэдрической фазы толщиной 0.1 µm (образцы QCи QC3) и 0.3 µm (образец QC4) были получены на полированных монокристаллических сапфировых подложках с ориентацией поверхноcти перпендикулярно оптической оси. Исследовалась также металлическая пленка -фазы толщиной 0.1 µm кристаллического структурного типа CsCl, характерного для соединения Al(Cu,Fe) (образец C2). Непосредственно при вакуумном отжиге проводились измерения электросопротивления образцов, что позволяло контролировать получение качественных квазикристаллических пленок. По возрастанию сопротивления образцов и возникающему неметаллическому ходу электросопротивления можно было судить об образовании и совершенствовании квазикристаллической фазы в пленках. Кристаллический Рис. 1. Рентгенограммы образцов C2 (a) и QC4 (b).

образец получался по той же технологии, но имел несколько отличный от квазикристаллических образцов состав Al0.62Cu0.26Fe0.12 и после термообработки, аналонапыленными на сапфировые подложки, до образования гичной использованной для получения квазикристалликвазикристаллической фазы. Для квазикристаллических ческих пленок, в нем наблюдался слабый металлический образцов получаются картины электронной дифракции, температурный ход сопротивления. Удельное сопросоответствующие симметрии пятого, третьего и второго тивление для квазикристаллических пленок составляло порядков, обычно наблюдаемые в квазикристаллах с 2-5m ·cm (разброс обусловлен очень сильной чувикосаэдрической структурой.

ствительностью удельного сопротивления квазикристаллических образцов к небольшим отклонениям в усло- Спектры отражения исследуемых образцов были измерены на Фурье-спектрометрах Bruker IFS66V виях приготовления), а для кристаллической пленки — и Bio-Rad FTS-40A в широкой области длин волн 0.4m ·cm.

Фазовый состав пленок исследовался методом рент- (100-5000 cm-1).

геноструктурного анализа на установке ДРОН-4 на На рис. 2 показаны спектры отражения образизлучении CuK. На рис. 1 показаны рентгенограммы цов QC1, C2 и QC4. Характерной особенностью этих образцов C2 и QC4 в интервале углов 2 = 39-49: спектров является сильное влияние колебательного рефлекс (110) для кристаллической -фазы и рефлек- спектра подложки на отражение полупрозрачных (даже сы (18,29) и (20,32) для квазикристаллической фазы в кристаллической фазе) образцов. Действительно, для с икосаэдрической структурой соответственно. Индексы кристаллического образца C2 на фоне общего высодля квазикристаллического образца указаны в соответ- кого отражения наблюдаются изменения отражения в ствии со схемой индицирования Кана [10]. области 400-1000 cm-1, обусловленные частотной заАналогичным образом приготовленные образцы ква- висимостью оптических свойств сапфира. Для квазизикристаллических пленок предназначались для иссле- кристаллических пленок QC1, QC3 и QC4 этот эффект дований методами электронной микроскопии и элек- еще сильнее, но можно заметить и другие особенности, тронографии, в этом случае в качестве подложек ис- которые связаны уже со свойствами пленки. Во-первых, пользовались кристаллы NaCl. Кристаллы NaCl раство- на рис. 2 в высокочастотной области хорошо видны рялись в воде, а пленки вылавливались на молибде- интерференционные полосы, зависящие от толщины новые сетки и затем отжигались вместе с пленками, пленки.

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. Спектры отражения и оптические постоянные тонких квазикристаллических пленок Al–Cu–Fe... ная диэлектрическая проницаемость () подложки на частоте описывалась суммой семи гармонических (лоренцевы) осцилляторов () = + f /(i2 - 2 - ii), (1) i где — высокочастотная диэлектрическая проницаемость, i — частота лоренцевского осциллятора (фонона), f — сила осциллятора, i — его затухание.

i Комплексная диэлектрическая проницаемость металлической пленки описывалась формулой Друде () = + p/(-2 - ip), (2) где p — плазменная частота, p — затухание плазмона.

Рис. 2. Спектры отражения образцов Al–Cu–Fe QC1, CДля квазикристаллических пленок () задавалась в и QC4.

виде 2 2 () = + p/(-2 - ip) + f /(1 - 2 - i1), (3) при этом к плазмону добавлялся фонон с параметрами 1 = 245 cm-1, f = 600 cm-1, 1 = 30 cm-1. Полученные после подгонки значения параметров, p и p из формул (2) и (3) приведены в таблице.

На рис. 4 показаны полученные нами частотные зависимости действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости (Re иIm) для образцов QC1 и C2.

Действительная часть диэлектрической проницаемости кристаллического образца C2, как и следовало ожидать, отрицательна. Для квазикристаллической пленки QCона положительна и слабо зависит от частоты. Мнимая часть диэлектрической проницаемости квазикристаллических образцов много меньше, чем для металлического образца.

На рис. 5 показаны частотные зависимости дейРис. 3. Спектр отражения (a) и спектр комбинационного ствительной части оптической проводимости opt. Как рассеяния света (b) для образца QC1.

и в случае с ленточными образцами [4], оптическая проводимость квазикристаллических пленок QC1, QCи QC4 имеет малую величину в области низких частот и Во-вторых, в низкочастотной области заметен пик при 245 cm-1, соответствующий оптическим фононам икосаэдрической фазы [4]. На рис. 3, a показан низкочастотный участок спектра отражения образца QC1, а на рис. 3, b — участок спектра комбинационного рассеяния света в этом же образце. Здесь также заметен пик, связанный с возбуждением оптического фонона.

Если для ленточных [4] и массивных [5] образцов коэффициент отражения определяется комплексной диэлектрической проницаемостью образца, то для тонких пленок на подложке необходимо учитывать как отражение от границы воздух-пленка, так и отражение от границы пленка-подложка [11,12].

Был проведен расчет оптических постоянных пленок на основе спектров отражения. Для этого применялась программа SCOUT [11], позволяющая использовать экспериментальные данные по отражению, полученные в Рис. 4. Частотные зависимости действительной и мнимой ограниченном интервале энергий фотонов. Соотношечастей диэлектрической проницаемости образцов Al–Cu–Fe ния Крамерса-Кронига не использовались. Комплекс- QC1 и C2.

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 778 В.А. Яковлев, Н.Н. Новикова, Дж. Матеи, А.А. Теплов, Д.С. Шайтура, В.Г. Назин, Г.В. Ласкова...

Параметры плазмона в формулах (2), (3) Элементный состав Alx CuyFez Образец Толщина, µm Re Im p, cm-1 p, cm-x y z QC1 68 21 11 0.1 40.7 14.5 22 060 22 C2 62 26 12 0.1 5 0 25 708 QC3 66 23 11 0.1 43.3 16.5 22 497 22 QC4 64 24 12 0.3 34.4 16.2 23 557 23 линейно возрастает с частотой, за исключением области пленкой C2 близкого состава наблюдается сильное понивблизи оптического фонона 245 cm-1. Наклон оптиче- жение opt() в области очень малых частот (т. е. отсутской проводимости в 2.5–3 раза меньше, чем в случае ствие пика Друде). Сравнение результатов, полученных массивных образцов [4,5]. нами на квазикристаллических пленках и массивных обСогласно [14], opt() в максимуме, имеющем место разцах Al–Cu–Fe [4,5], показывает, что отсутствие пика при = 1/, составляет Друде и почти линейный рост оптической проводимости в низкочастотной области спектра является общим для max() =a(/8)( / ), (4) обоих типов образцов. В [5] отмечается сходство такого поведения с поведением высокорезистивных сплавов.

где a =(1/62)(e2G/ ) 1200 ( · cm)-1, — шириСуществуют другие подходы. Один из них объясняет на псевдощели, — время релаксации, G — среднизкую статическую проводимость [13] и подавление нее значение модуля вектора обратной решетки, сопика Друде [14] в рамках так называемой зонно-струкответствующее наиболее интенсивным линиям с интурной гипотезы, основанной на предположении о „взадексами (18,29) и (20,32). Поскольку эксперименимодействии“ псевдозоны Бриллюэна с поверхностью тальная зависимость opt() близка к линейной при Ферми, благодаря чему уменьшается плотность элек 1 eV, ее наклон можно считать приближенно рав2 тронных состояний на уровне Ферми, т. е. образуется ным a(/8)( / ), так что различие наклонов в псевдощель. В икосаэдрических квазикристаллах изпленках и массивных образцах, возможно, связано с за высокой симметрии псевдозоны Бриллюэна имеют различием параметров и.

большое число граней [13] (при учете брэгговских Отметим, что параметры плазмона для образца QCплоскостей, отвечающих лишь двум самым интенсивным заметно отличаются от параметров для образцов QCпикам дифрактограмм, число граней равно уже 42) и QC3. Однако это различие может быть обусловлено и приближаются по форме к сфере, вследствие чего недостаточной точностью определения толщины. Предэффект „взаимодействия“ поверхности Ферми с граняположив, что параметры плазмона для образцов QCми псевдозоны Бриллюэна усиливается многократно и и QC4 близки, получаем, что толщина образца QCприводит к ярко выраженной псевдощели [13]. В свое равна не 0.3 µm, а 0.26 µm.

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.