WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 7 Спектральная эллипсометрия наноалмазного композита © С.Г. Ястребов¶, С.К. Гордеев, М. Гаррига+, И.А. Алонсо+, В.И. Иванов-Омский Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия ФГУП „Центральный научно-исследовательский институт материалов“, 191014 Санкт-Петербург, Россия + Барселонский институт материаловедения, 08193 Беллатерра, Испания (Получена 22 ноября 2005 г. Принята к печати 7 декабря 2005 г.) Методы спектральной эллипсометрии применены для анализа оптических свойств наноалмазного композита в диапазоне энергий фотонов 1.4-5 эВ, характерных для --переходов в аморфном углероде.

Нанокомпозит синтезировался формовкой порошка наноалмаза и последующим связыванием алмазных наночастиц пироуглеродом за счет гетерогенной химической реакции разложения метана. Восстановлена дисперсия мнимой и действительной частей диэлектрической функции. Показано, что мнимую часть диэлектрической функции можно представить как сумму двух компонент, порождаемых двумя типами оптических переходов -. Максимальный вклад переходов первого и второго типов проявляется при энергиях 2.6 и 5.6 эВ соответственно, что при переходе к оптической плотности дает энергии 2.9 и 6.11 эВ.

Установлено, что основные особенности нормированной оптической плотности наноалмазного композита и поли(пара-фениленвинилена) практически совпадают. Определена энергия + -плазмона пироуглеродной составляющей наноалмазного композита, 24.2 эВ, на основании этого значения сделана оценка плотности матрицы пироуглерода, которая оказалась равной 2 г/см3. С использованием представлений об оптимальном заполнении элементарного объема атомами углерода в аморфном материале такой плотности восстановлен аллотропный состав матрицы пироуглерода.

PACS: 78.20.Ci, 78.66.Sq, 77.84.Df 1. Введение степени сформирована атомами углерода в состоянии гибридизации sp2, измерения производились в области В последние годы проявляется большой интерес к оптических переходов, характерной для графитоподобных типов углерода, 1-5эВ.

разработке и исследованию углеродных наноматериалов.

Одно из направлений работ — создание и изучение композиционных наноматериалов. Возможно получение 2. Методика эксперимента углеродных нанокомпозитов с использованием порошков наноалмаза. Метод получения состоит в том, что Для исследования были выбраны образцы материала сформованную из порошка наноалмаза заготовку обраNDC-30 [3,4]. Они характеризуются объемным содержабатывают в среде углеводородов, синтезируя тем самым нием наноалмаза 28%, пироуглерода 15%. Пористость пироуглеродную матрицу, связывающую наноалмазные материала составляет величину 57%. Средняя толщина частицы в единый композит [1,2]. Такие материалы слоя пироуглерода на поверхности частиц наноалмаза получили название „наноалмазный композиционный масоставляет 0.6 нм, а средний размер зерен наноалматериал“ (NDC) [3,4]. Материалы имеют высокую пори- за 4 нм. Относительно высокая прочность материала стость (50-65%), которая активна в процессах сорбции NDC-30 (более 10 МПа при изгибе) позволила отпонизкомолекулярных веществ. NDC обладают полупро- лировать поверхность образца (диаметр 20 мм, толщиводниковым характером проводимости, зависящим от на 1 мм) до уровня, необходимого для эллипсометричесодержания в них пироуглерода. Свойства материалов ских измерений.

описаны в [3,4]. Измерения поляризационных углов проводились с использованием эллипсометра с вращающимся поляриЦель настоящей работы заключалась в исследовании затором. В качестве источника света использовалась дисперсии оптических констант NDC.

ксеноновая лампа мощностью 75 Вт. Для детектироваПроблема восстановления оптических констант из ния оптического сигнала использовался многоканальэкспериментальных данных может быть решена при ный фотоумножитель, расположенный у выходной щеиспользовании эллипсометрических методов [5]. В нали решеточно-призменного монохроматора с фокусным стоящей работе восстановлены оптические константы расстоянием 750 мм. Описываемая установка позволяобъемных образцов наноалмазного композита по резульет проводить исследования в спектральном диапазоне татам эллипсометрического исследования.

1.4-5.1 эВ с разрешением менее 1 мэВ. Спектральная С учетом того обстоятельства, что в состав материала зависимость эллипсометрических углов и снималась входит пироуглерод, структура которого в значительной в указанном спектральном диапазоне с шагом 20 мэВ ¶ E-mail: yastrebov@mail.ioffe.ru при угле падения 65.

Спектральная эллипсометрия наноалмазного композита 3. Результаты и их обсуждение бодные -электронов (-) и -электронов ( - ) определяют зависимость мнимой части диэлектрической На рис. 1 приведены спектры эллипсометрических функции от энергии фотонов. Известно [7], что пере углов исследованных образцов. На рис. 2 представлена ходы (-) и переходы ( - ) происходят в передисперсия мнимой ( ) и действительной ( ) частей крывающихся лишь частично спектральных диапазонах:

диэлектрической функции, восстановленная в приближе- при энергиях 0 8эВ и 8 эВ соответственно.

нии отражения света от границы раздела двух сред [5]. Это дает основание рассматривать экспериментально наблюдаемый спектр мнимой части диэлектрической Из рис. 1 видно, что максимальное значение энергии, доступное в эксперименте, не превосходит энергии фо- функции как наложение спектров нескольких переходов типа j-, j = 1,..., n.

тона, соответствующей краю оптического поглощения j Для этого случая суммарный диэлектрический отклик алмаза и равной 5.25 эВ [6]. Поскольку оптические переa-C можно записать в виде ходы в наноалмазе не должны проявляться в доступном n спектральном диапазоне, предлагаемый в работе подход = j. (1) основан на сравнении экспериментальных данных со j=спектральной зависимостью мнимой части диэлектрической функции пироуглерода. Для этого предположим, Здесь j — вклад переходов j-типа в мнимую часть что строение пироуглерода по многом схоже со строенидиэлектрической функции.

ем аморфного углерода (a-C). Известно, что электроны Как было показано нами ранее [8], зависимость мнидвух подсистем, и, определяют вклад в поглощение мой части диэлектрической функции j от энергии a-C [7]. Далее мы примем упрощающее предположение, фотона для a-C имеет вид впервые сделанное в работе [7] и касающееся симметрии Aj (2EGj + Egj - )оптических переходов в аморфном углероде (a-C). Бу j () = exp 2 4sдем считать, что переходы из занятых состояний в своj - Egj erf, Egj, 2sj j () =0, < Egj. (2) Здесь Aj — константа, EGj — значение энергии, при которой плотность состояний электронов достигает максимального значения, sj — величина, характеризующая степень размытия функции плотности состояний, Egj — величина энергетического зазора между занятыми и свободными состояниями электронного спектра [9]. Выражения (1) и (2) можно использовать для оценки вклада переходов различных типов в диэлектрический отклик алмазного нанокомпозита. Результаты такой оценки, выполненной с использованием метода наименьших квадратов (МНК), представлены на рис. 3. С помощью МНК определялись численные значения переменных Aj, EGj, Рис. 1. Эллипсометрические углы, для образца наноалsj, Egj ( j = 1,..., n), входящие в выражения (1) и (2), мазного композита.

т. е. относительно этих параметров минимизировался функционал невязки вида F(n; A1,..., An; EGj,..., EGn; sj,..., sn; Eg1,..., Egn) n = j (i ) - i. (3) i j=Здесь i — номер экспериментальной точки на кривой (), i = 0,..., 181.

Расчет, проведенный в предположении, что только один тип переходов (n = 1) вносит вклад в диэлектрический отклик исследуемого материала, представлен на рис. 3. Численные значения переменных, индексы которых в данном случае опущены, приведены в подписи к рисунку. Из рисунка видно, что в области значений Рис. 2. Дисперсия действительной и мнимой частей диэлек- энергии = 1.4-3 эВ расчетная кривая, полученная с трической функции для образца наноалмазного композита. помощью подстановки подгоночных параметров в вы6 Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 852 С.Г. Ястребов, С.К. Гордеев, М. Гаррига, И.А. Алонсо, В.И. Иванов-Омский основных пиков PPV с увеличением энергии поглощаемых фотонов. Существенное уширение наблюдаемых спектральных линий по сравнению с PPV может свидетельствовать о степени аморфности матрицы, связывающей алмазные зерна. При этом структура вещества матрицы, по-видимому, так же как и PPV, содержит попарно связанные графеновые кольца. Аморфизация в реализуемом в пироуглероде варианте структуры аморфного углерода может быть связана не только с обрывом соседних связей, но и с флуктуациями межатомных расстояний в ближнем порядке расположения атомов.

С целью дальнейшего анализа разумным представляется сравнить величину энергии фотонов, при которой Рис. 3. Экспериментальные данные рис. 2 (точки) в сравнении с расчетом согласно (1), (2). Параметры расчета: n = 1, Eg = 0эВ, EG = 3.9эВ, A = 67 эВ2, s = 1.55 эВ.

ражения (1), (2) значительно отклоняется от экспериментальных данных. Поэтому был выполнен также расчет для n = 2. Рассчитанные для этого случая значения искомых параметров приведены в таблице. На рис. 4 сплошной линией показан результат расчета, выполненного с помощью выражений (1) и (2) после подстановки в них параметров из таблицы для j = и j = 2. Видно хорошее соответствие между экспериментальными и расчетными данными. Из рис. 4 видно, что вклад оптических переходов j = 1 максимален при энергии 2.6 эВ, а для j = 2 энергия максимума 5.62 эВ.

Параметры расчета Рис. 4. Экспериментальные данные рис. 2 (точки) в сравнении с расчетом согласно (1), (2) с учетом двух типов оптичеj Aj, эВ2 Egj, эВ EGj, эВ sj, эВ ских переходов при подстановке параметров, приведенных в 1 1.95 0.5 1.33 0.таблице (сплошная линия). Штрихпунктирная и штриховая 2 47.56 0 3.25 1.кривые — отдельные вклады в переходов первого ( j = 1) и второго ( j = 2) типов.

Сравним спектральную зависимость оптической плотности для двух типов оптических переходов в NDC с аналогичной экспериментальной зависимостью для слоя незамещенного поли(пара-фениленвинилена) (PPV), т. е. полимера, содержащего попарно связанные графеновые кольца. С этой целью восстановим с помощью представленных в таблице данных оптическую плотность NDC, используя известное соотношение, связывающее оптическую плотность j и j :

j j.

Восстановленные таким образом зависимости совместно с экспериментальным спектром поглощения для PPV [10] представлены на рис. 5. Из рисунка видно, что основные особенности нормированной оптиРис. 5. Восстановленная оптическая плотность для двух типов ческой плотности PPV и NDC, лежащие в областях оптических переходов в NDC: штрихпунктирная линия — и 6 эВ, совпадают. Более того, выделенные вклады j = 1, штриховая — j = 2. Точки — эксперимент для слоя различных оптических переходов в NDC не только понезамещенного поли(пара-фениленвинилена) [10]. Стрелками казывают совпадение частот основных особенностей, но отмечены положения максимумов для оптической плотности и соответствуют тенденции возрастания интенсивности переходов в наноалмазном композите.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Спектральная эллипсометрия наноалмазного композита достигается наиболее интенсивный максимум на рис. 4, ma = 5.62 эВ, с известной из обработки литературных данных [7] зависимостью, приведенной на рис. 6. Здесь показана связь между наиболее интенсивным максимумом m на зависимостях мнимой части диэлектрической функции в области --переходов от энергии + -плазмона, E +, в аморфном углероде различной плотности. Из рисунка видно, что энергии ma соответствует энергия + -плазмона (E +)a 24 эВ.

Далее используем известное соотношение для энергии плазмона 1/neeE + =, (5) m где e — заряд электрона, m 0.87m0 его эффективная масса [11], ne — плотность электронов. Предполагая, Рис. 7. Зависимость наиболее вероятного аллотропного сочто каждый атом углерода отдает четыре электрона в става a-C от плотности: точки — объемные концентрации составляющих sp1 (1), sp2 (2), sp3 (3) по данным [12], ансамбль, принимающий участие в плазменных колебасплошные кривые — результат полиномиальной интерполяниях, из (5) можно оценить плотность пироуглерода, коции. Стрелка — экспериментальный результат данной работы;

торая, как оказалось, в нашем случае составляет 2 г/см3.

пересечение штриховой вертикали со сплошными кривыми Эта величина совпадает с величиной плотности пиродает наиболее вероятный аллотропный состав аморфной фазы углерода, определенной из зависимости изменения пориисследованного образца.

стости материала от массы синтезированной пироуглеродной матрицы [3]. Используя приведенные значения, можно оценить доли sp1-, sp2- и sp3-гибридизированных = 2г/см3 показано на рисунке стрелкой. Из рисунка атомов, формирующих остов a-C. Оценка может быть видно, что в фазе пироуглерода объемное содержание выполнена с помощью сравнения полученных значений составляющих sp1, sp2 и sp3 соответственно равно 8, плотности с литературными данными. В работе [12] и 37%.

наиболее вероятные конфигурации атомов, формирующие скелет a-C в диапазоне изменения его плотности от 1.2 до 3.5 г/см3, моделировались методами молеку4. Заключение лярной динамики. На рис. 7 по этим данным построена диаграмма, связывающая плотность a-C и его наиболее Выполненный анализ оптических свойств наноалмазвероятный аллотропный состав. Значение плотности ного композита свидетельствует о том, что пироуглерод, связывающий наноалмазные зерна, представляет собой аморфную углеродную субстанцию с некоторой степенью упорядоченности. Если об аморфности свидетельствует подобие оптических свойств исследованного материала аналогичным свойствам a-C, то упорядочение подтверждают две неоднородно уширенные спектральные линии, при 3 и 6эВ.

Анализ оптических свойств наноалмазного композита позволил восстановить плотность и аллотропный состав пироуглеродной матрицы, связывающей наноалмазные гранулы.

Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ (грант № 03-02-16289), а также программы Президиума РАН „Влияние атомной и электронной структуры на свойства конденсированной среды“ и гранта DGI MAT2001-1873.

Рис. 6. Зависимость положения максимума в спектре мнимой части диэлектрической функции, сформированного --переходами, от энергии + -плазмона в аморфном уг- Список литературы лероде различной плотности по данным работы [7]. Сплошная прямая проведена через точки с использованием метода наи- [1] S.K. Gordeev, S.G. Zhukov, P.I. Belobrov, A.N. Smolianinov, меньших квадратов. Стрелкой показана энергия + -плазмо- Ju.P. Dikov. Patent USA 6083614. Publ. 04.07.2000.

на, соответствующая энергии максимума --переходов [2] С.К. Гордеев, С.Г. Жуков, Ю.И. Никитин, В.Г. Полторацma = 5.62 эВ (см. рис. 4). кий. Неорг. матер., 31, 470 (1995).

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.