WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 7 Структурно-фазовые превращения в пленках олово–фуллерит © Л.В. Баран, Г.П. Окатова, В.А. Ухов Белорусский государственный университет, 220050 Минск, Белоруссия Институт порошковой металлургии Белорусского государственного научно-производственного концерна порошковой металлургии Национальной академии наук Белорусcии, 220071 Минск, Белоруссия Научно-исследовательское конструкторско-технологическое республиканское унитарное предприятие „Белмикросистемы“, 220064 Минск, Белоруссия E-mail: brlv@mail.ru (Поступила в Редакцию 29 апреля 2005 г.

В окончательной редакции 31 октября 2005 г.) Методами рентгеновской дифракции, растровой электронной микроскопии, рентгеноспектрального микроанализа и электронной Оже-спектроскопии исследованы изменения структуры, элементного и фазового составов в пленках олово–фуллерит при хранении на воздухе. Установлено образование новой фазы SnxC60, нитевидных кристаллов олова, фуллеритовых „цветков и лепестков“ под действием сжимающих внутренних механических напряжений.

PACS: 73.61.Wp, 61.10.Nz 1. Введение рентгеновского микроанализа с помощью энергодисперсионного микроанализатора „Rntec“. Концентрация Открытие в 1985 г. фуллеренов положило начало легких элементов (C, O) опрелелялась по интенсивности линий K-серии с погрешностью не более 5 at.%, конширокомасштабным исследованиям новой аллотропной формы углерода. Обнаруженная сверхпроводимость фул- центрация олова — по интенсивности линий L-серии с погрешностью не более 1 at.%.

леридов щелочных металлов [1–3], безгистерезисный ферромагнетизм соединений BrC60, IC60, нелинейность их оптических свойств [4] стимулируют поиск и изуче3. Результаты эксперимента и их ние свойств фуллеридов других металлов.

обсуждение В настоящей работе представлены результаты исследования структуры и фазовых изменений в пленках Свежеприготовленные пленки фуллерита имеют мелолово–фуллерит при хранении на воздухе.

кокристаллическую структуру со средним размером зерен 30-50 nm (рис. 1, a). Олово при конденсации на слой C60 образует продолговатые зерна дли2. Методика эксперимента ной 0.7-1.2 µm, которые, срастаясь, создают сложную лабиринтную структуру (рис. 1, b).

Пленки изготавливались методом последовательного На рентгенограмме свежеприготовленных пленок олоосаждения из паровой фазы на установке „ВУП-5М“.

во представлено узкими интенсивными линиями (рис. 2), В качестве подложек служили окисленные монокоторые индицируются в тетрагональной сингонии (проклисталлические кремниевые пластины. На подложку странственная группа симметрии 14/amd). Параметсначала конденсировалась пленка фуллерита толщиной ры решетки олова, рассчитанные по центру тяже150 nm, затем пленка олова толщиной 130 nm.

сти линий (103) и (400), составляют a = 0.5778 nm, Рентгенофазовые исследования выполнялись на диc = 0.3194 nm, что на 0.9% больше и на 0.4% меньше, фрактометре „ДРОН-3.0“ в Cu K-излучении. Структура чем параметры a и c соответственно для эталона пленок исследовалась на растровом электронном микромассивного олова -модификации. При конденсации на скопе „LEO-1455 VP“ при ускоряющих напряжениях фуллеритовый слой в пленке олова могут возникать и 20 kV. Определение элементного состава пленок по внутренние механические напряжения, обусловленные глубине осуществлялось методом оже-анализа на элекнесоответствием параметров решеток контактирующих тронном сканирующем спектрометре „PHI-660“ фирмы материалов (фуллерита и олова), различием коэффициPerkin Elmer (США). Распыление пленки проводилось ентов термического расширения (C = 40 · 10-6 K-1, ионами Ar+ (E = 3.5keV) со скоростью 15 nm/min. Sn = 30 · 10-6 K-1) и структурными дефектами.

Детальная запись оже-пиков осуществлялась при уско- В области малых углов на рентгенограмме наблюряющем напряжении U = 3 kV и дозах электронного дается гало, образованное линиями, соответствующими облучения не более 1016 cm-2. Анализ элементного отражениям от плоскостей решетки фуллерита. Часть состава новообразований также проводился методом линий индицируется в гексагональной сингонии, хотя Структурно-фазовые превращения в пленках олово–фуллерит Рис. 2. Рентгенограмма свежеприготовленных пленок олово–фуллерит.

Рис. 1. Структура свежеприготовленных пленок: a — фуллерит, b —олово.

кристаллиты порошка, используемого для сублимации, имели ГЦК-решетку. Трансформация ГЦК-решетки в ГПУ обусловлена высокой скоростью осаждения молекул C60 [5]. В слое фуллерита присутствуют напряжения сжатия, о чем свидетельствует смещение центра тяжести линий из положения равновесия в сторону больших углов.

После длительного хранения на воздухе на поверхно- Рис. 3. Вид поверхности пленок олово–фуллерит после хранения на воздухе.

сти пленок олово–фуллерит обнаружены лепестковые, цветкоподобные и нитевидные образования (рис. 3).

Размер зерен пленки уменьшается до 200-700 nm. Лепестковые образования имеют малую толщину, они прозрачны для электронного луча, благодаря чему через них просматривается структура поверхностного слоя.

Длина лепестков изменяется от единиц до нескольких десятков микрометров.

Элементный анализ лепестка, проведенный методом Оже-спектроскопии, показал наличие олова и углерода.

В течение первых трех минут распыления лепестка атомная доля углерода и олова постоянны и составляют 25 и 75% соответственно (рис. 4). При дальнейшем распылении наблюдается плавное изменение концентрации олова до 15% и углерода до 85%. Выявленная неоднородность по составу может быть обусловлена тем, что площадь анализируемой поверхности превы- Рис. 4. Концентрационные профили распределения элементов шает поперечные размеры лепестка, и регистрируется по глубине пленок олово–фуллерит в области лепестка, полученные методом Оже-спектроскопии.

сигнал от пленки олова.

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 1338 Л.В. Баран, Г.П. Окатова, В.А. Ухов Методом рентгеновской дифракции выявлены фазовые изменения, происшедшие в пленках олово–фуллерит после хранения на воздухе. На рентгенограммах пленок появляются новые линии с межплоскостными расстояниями 0.3366, 0.3754, 0.4332 и 0.4484 nm, уменьшается интенсивность линий, соответствующих отражению рентгеновского излучения от плоскостей олова, увеличивается интенсивность линий на углах дифракции 15-23 deg, что свидетельствует о росте кристаллической фазы с параметрами решетки, близкими к параметрам решетки фуллерита. В результате твердофазоного взаимодейтвия олова и фуллеренов образуется новая фаза Snx C60.

Атомы олова диффундируют в слой фуллерита, при этом сильно деформируя кристаллическую решетку.

Радиус октаэдрической поры в ГПУ решетке фуллерита составляет 0.207 nm, тетраэдрической — 0.112 nm, радиус атома олова — 0.158 nm. Атомы олова могут размещаться как в октаэдрических, так и в тетраэдричеких порах, поскольку тетраэдрическая пора не такая жесткая, как октаэдрическая и может увеличивать размер в направлении наименьшей диагонали. Сжимающие напряжения, возникающие в результате взаимодействия олова и фуллерита, могут служить причиной роста наблюдаемых на рис. 3 образований.

Самопроизвольный рост нитевидных кристаллов был обнаружен на оловянных покрытиях в начале 50-х годов прошлого столетия. С тех пор опубликованы тысячи статей о механизмах роста выращенных структур и методах их получения. Рост лепестковых и цветкоподобных кристаллов, наблюдаемых на поверхности пленок олово–фуллерит, можно объяснить, используя диффузионно-дислокационную модель Сирса [6], суть которой заключается в следующем. Вдоль оси кристалла Рис. 5. Распределение элементов в области „цветка“, попроходит винтовая дислокация, которая создает на торце лученное методом рентгеноспектрального микроанализа при незарастающую ступеньку и тем самым обеспечивасканировании электронным лучом вдоль направления AB.

ет непрерывный, почти безбарьерный рост кристалла.

Наиболее вероятным источником винтовой дислокации является подложка, точнее, отдельные ее кристаллы.

Методом рентгеноспектрального микроанализа иссле- Винтовая дислокация может возникать также при обрасдован элементный состав цветкоподобного образования тании примесной частицы.

размером 10 µm. Установлено, что „цветок“ состоит Известно, что нитевидные кристаллы металлов с из углерода (атомная доля составляет 94%) и кисло- низкой температурой плавления (Sn, Cd, Zn, Sb, In рода (6 at.%). Сканирование электронным лучом вдоль и другие) способны расти на тонких слоях металла выделенного напряжения AB также выявило присут- без всякого постороннего воздействия при комнатной ствие кислорода в цветкоподобном образовании. На температуре. Фуллерит является кристаллом с низкой рис. 5 видно, что олово в состав „цветка“ не вхо- температурой сублимации (650 K), поэтому возможен дит, чего нельзя сказать о кислороде. В центральной самопроизвольный рост нитевидных кристаллов фуллеобласти цветка наблюдается отличный от нуля сигнал рита при комнатной температуре.

от кислорода. Пленка фуллерита осаждалась на окис- Для самопроизвольноо роста нитевидных кристаллов ленный кремний. Если бы этот сигнал соответство- характерно существование длительного инкубационного вал кислороду, входящему в состав оксида кремния, периода. В обычных условиях рост зависит от подто на спектре должен был бы наблюдаться и сигнал слоя, на который нанесено покрытие. Например, для от олова, так как олово конденсировалось на пленку олова, нанесенного на сталь, инкубационный период фуллерита. Следовательно, на спектре виден сигнал от составляет 2.5-3 года, на медь — 1-3 месяца [6].

кислорода, который находится в цветкоподобном обра- Сокращение инкубационного периода и ускорение роста зовании. вызывают введение в оловянное покрытие в качестве Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. Структурно-фазовые превращения в пленках олово–фуллерит примеси металлов, нерастворимых в олове. В нашем случае инкубационный период для самопроизвольного роста нитевидных кристаллов на поверхности олова, конденсированного на слой фуллерита, составил более двух лет.

В основе самопроизвольного роста нитевидных кристаллов лежит дислокационный механизм. Источником энергии являются внутренние механические напряжения. Рост в виде тонких „лепестков“ может быть вызван спиралевидными источниками, выходящими на две взаимно перпендикулярные поверхности.

Неконтролируемые атомарные или молекулярные примеси, адсорбируемые на торце нитевидных кристаллов, также могут стимулировать расширение граней, после чего послойное или цепочечное формирование граней идет уже беспрепятственно. Взаимодействие лепестковых кристаллов приводит к образованию цветкоподобных форм.

4. Заключение Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что в пленках олово–фуллерит, осажденных на окисленный кремний, возникают термические, структурные и фазовые напряжения, приводящие к самопроизвольному росту лепестковых и цветкоподобных фуллеренсодержащих кристаллов. Инкубационный период составляет свыше двух лет. При хранении на воздухе в пленочной системе олово–фуллерит образуется новая фаза SnxC60.

Список литературы [1] L. Palmetshofer, M. Geretschlager, J. Kastner, H. Kuzmany, K. Piplits. J. Appl. Phys. 77, 3, 1029 (1995).

[2] A. Nikolaev. J. Chem. Phys. 108, 12, 4912 (1998).

[3] P. Launois. Phys. Rev. Lett. 81, 20, 4420 (1998).

[4] Т.Л. Макарова. Физика и техника полупроводников 35, 3, 257 (2001).

[5] Л.В. Баран, Э.М. Шпилевский, Г.П. Окатова. Перспективные материалы 4, 76 (2004).

[6] Г.В. Бережкова. Нитевидные кристаллы. Наука, М. (1969). 155 с.

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып.




© 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.