WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 9 Центры зарядовой неоднородности и восстановление оксида меди CuO при облучении ионами азота © Н.Н. Лошкарева, Ю.П. Сухоруков, С.В. Наумов, Б.А. Гижевский, Т.А. Белых, Г.Н. Татаринова Институт физики металлов Уральского отделения Российской академии наук, 620219 Екатеринбург, Россия Уральский государственный технический университет, 620002 Екатеринбург, Россия E-mail: magsemi@ifm.e-burg.su (Поступила в Редакцию 28 декабря 1998 г.) При облучении поликристаллов и различных плоскостей монокристаллов CuO ((110) и (020)) ионами азота с энергией 16 MeV и флюенсом 1017 cm-2 обнаружено восстановление CuO до Cu2O и Cu, имеющее дальнодействующий характер. Спектры поглощения в инфракрасном диапазоне свидетельствуют об увеличении числа дырочных [CuO4]5- и электронных [CuO4]7- центров. Наибольшая концентрация элекронных центров и восстановление имеют место вблизи поверхностей образцов.

Оксид меди CuO является модельным объектом для Рентгеновский фазовый анализ проводился на аппаизлучения полупроводниковой фазы медь-кислородных рате Дрон-2.

ВТСП [1]. В CuO отсутствует система подвижных Объемное удельное электросопротивление образцов носителей заряда, а носители заряда с малой подвижноизмерялось стандартным четырехконтактным методом.

стью образуют фазово-неоднородную наноскопическую Токовые контакты из сплава In–Ga наносились на торструктуру — зародыши фазы полярных (электронных цевые грани, потенциальные контакты наносились на и дырочных) центров в основной матрице CuO [2].

облученную или необлученную грани. Оценивалось такПоскольку из-за узкой области гомогенности путем отже поверхностное электросопротивление на различных жигов и легирования не удается заметно влиять на гранях образца. При этом токовые и потенциальные фазово-неоднородную структуру, то особенности заряконтакты наносились на исследуемые грани в один ряд.

довой структуры CuO исследовались нами путем соСпектры поглощения естественного и линейно поляздания дополнительных центров зародышеобразования ризованного света измерялись на модернизированном и при облучении различными высокоэнергетическими чаавтоматизированном спектрометре ИКС-21 в диапазоне стицами — электронами [2] и ионами He+ [3]. При энергий фотонов 0.12–1.5 eV. В качестве поляризаторов исследовании монокристаллов CuO, облученных ионаиспользовались решеточные поляризаторы на фтороплами He+ с энергией 4.6 MeV [3,4], был обнаружен ряд стовой и полиэтиленовой основах. При расчете коэффинеобычных явлений: эффект дальнодействия, появление циента поглощения учитывался коэффициент отражения новых линий в спектрах поглощения в инфракрасной кристалла из [5].

области, в том числе линии, связанной с рассеянием 1.1. Р е н т г е н о в с к и е д а н н ы е. Непосредственно света на центрах зарядовой неоднородности. Задачей напосле облучения ионами азота изменился фазовый состоящей работы является выяснение характера изменестав образцов: на облученной и противоположной обний зарядово-неоднородной структуры CuO при замене лученной гранях монокристаллов рентгеновский анализ имплантированных ионов He+ на более тяжелые ионы показал наличие Cu2O и меди, причем на противоазота с большей энергией — 16 MeV.

положной грани в большем количестве, чем на облученной. Такой дальнодействующий характер облучения высокоэнергетическими частицами наблюдался нами и 1. Образцы и экспериментальные при облучении CuO ионами H+ [3]. Рассчитанная результаты по программе TRIM [6] проективная глубина в нашем случае составляет 6.2 µm. Визуально металлическая Исследовались три монокристалла CuO, полученные медь наблюдалась лишь на гранях, противоположных методом из раствора в расплаве, а также поликристаллы облученным, причем для образцов CuO-(110) в виде CuO. Для монокристалла имели естественную огранку: сплошного медного зеркала, а для образца CuO-(020) грани кристалла — плоскость (110), третий был вырезан в виде отдельных вкраплений. По рентгеновским данв виде пластинки так, что плоскость кристалла совпадала ным после двухмесячной выдержки образцов на воздухе с плоскостью (020). Образцы облучались ионами азота металлическая медь на облученных гранях исчезла, на на циклотроне У-120 в УГТУ-УПИ. Энергия ионов противоположных гранях количество меди лишь немного азота составила 16 MeV, флюенс — 1017 cm-2, вакуум — уменьшилось. Электрические и оптические измерения 10-6 Torr. Поток ионов был равен 1012 ion/cm2·s. проведены на таких ”выдержанных” образцах.

Центры зарядовой неоднородности и восстановление оксида меди CuO при облучении ионами... Вид текстурыCu2O на гранях и в объеме монокристаллов CuO На рис. 1 представлено соотношение интенсивностей рентгеновских дифракционных линий фаз Cu2O и Cu, №1 №2 №Образец появившихся на поверхности монокристалла CuO-(020) CuO-(110) CuO-(110) CuO-(020) после облучения в сравнении с соотношением интенТолщина, µm 1000 270 сивностей линий для поликристалла Cu2O. Повышенная Облученная грань Нет [200] [220] по сравнению с нормальным распределением интенНеоблученная грань [200] Нет Нет сивность некоторых рефлексов, по-видимому, связана После шлифовки [110] - [200] с наличием текстуры фазы Cu2O в направлении [110] облученной грани CuO-(020). Отметим, что при шлифовке монокристаллов После шлифовки [200] - Нет со снятием слоя 10-15 µm обнаружена смена харакнеоблученной грани тера текстуры (см. таблицу, в которой также указана толщина образцов). Другой причиной изменения соотношения интенсивностей линий может быть воздействие ее количество убывает при дальнейшей шлифовке обеих облучения ионами азота на появившуюся фазу Cu2O, поверхностей монокристаллов. Для различных монокриприводящее к смещению ионов меди в вакантные места структуры Cu2O. Однако отсутствие какого-либо изме- сталлов и поликристаллов глубина залегания второй нения соотношения интенсивностей линий для поликри- фазы Cu2O различна. Так, для поликристалла толщиной сталлического образца CuO после облучения и специ- 1.5 mm со стороны облученной грани восстановленная ально облученного поликристаллического образца Cu2O фаза Cu2O наблюдалась вплоть до глубин 50 µm от делает первую причину (текстуру) более вероятной. поверхности, с необлученной — 20 µm. Для монокриДля изучения характера изменений, происходящих в сталла № 2 CuO-(110) фаза Cu2O отсутствовала уже объеме кристаллов, проводился послойный анализ — на глубине 10 µm от облученной грани и 30 µm от измерение спектров и электросопротивления при шли- необлученной.

фовке и полировке граней монокристаллов с контролем 1.2. Электросопротивление. После сошлифовфазового состава на поверхности граней по рентгенов- ки выделений металлической меди объемное удельное ским данным. Послойный анализ указывает на преиму- электросопротивление облученных моно-и поликрищественное присутствие вторых фаз Cu и Cu2O вблизи сталлов CuO оказалось близким к исходной величине поверхностей граней. При сошлифовке медной пленки до облучения (1-3)102 · cm. Поверхностное элек(снятии слоя 10µm) закись меди Cu2O остается и тросопротивление как облученной, так и грани, противоположной облученной, увеличилось примерно на порядок. После снятия слоя толщиной 20–40 µm для монокристалла № 1 (см. таблицу) и поликристалла поверхностное электросопротивление уменьшилось до исходных значений. При этом фазы Cu2O или не видно, или имеются лишь ее следы. Увеличенное значение поверхностного электросопротивления связано с присутствием в приповерхностных слоях большого количества фазы Cu2O, которая имеет более высокое удельное электросопротивление, чем CuO. Уменьшение поверхностного электросопротивления коррелирует с уменьшением количества фазы Cu2O.

1.3. О п т и ч е с к и е с п е к т р ы. На рис. 2 и 3 представлены спектры поглощения монокристаллов CuO-(110) и CuO-(020) до облучения и после облучения (образцы № 2 и № 3 в таблице). Как видно из рисунков, наблюдается значительное увеличение коэффициента поглощения облученных образцов в исследованном диапазоне. При полировке необлученной грани монокристалла CuO-(110) был снят слой 10 µm и спектр такого образца приблизился к спектру необлученного кристалла (кривая 3 на рис. 2), при этом на необлученной грани вторая фаза Cu2O осталась. При дальнейшей шлифовке необлученной грани со снятием слоя еще 20 µmспектр практически не изменился. Снятие слоя 10 µm с облуРис. 1. Соотношение интенсивностей рентгеновских дифракченной грани также не привело к изменению спектра. На ционных линий Cu2O: a — на поверхности монокристалла этой стадии шлифовки (30 µm с необлученной стороны и CuO-(020) после облучения, пунктиром показана линия Cu;

10 µm с облученной) с обеих сторон наблюдались лишь b — поликристаллический Cu2O, наши данные и [10], приведеследы фазы Cu2O.

ны индексы Cu2O.

Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 1566 Н.Н. Лошкарева, Ю.П. Сухоруков, С.В. Наумов, Б.А. Гижевский, Т.А. Белых, Г.Н. Татаринова Для монокристалла CuO-(020) представлены спектры поглощения до и после облучения для света, поляри зованного вдоль направления [101] —оси наибольшей анизотропии в плоскости (020). Наибольшее увеличение поглощения наблюдается в области больших энергий.

Так же как и в случае плоскости (110), полировка необлученной грани (снятие слоя 10 µm) привела к уменьшению коэффициента поглощения (кривая 3 на рис. 3). Следующая шлифовка необлученной грани на 20 µm приблизила спектр к исходному (кривая 4). Такая тенденция наблюдалась и при дальнейшей шлифовке.

Однако поглощение осталось больше исходного даже Рис. 4. Разность спектров поглощения до и после облучения для двух монокристаллов: 1 — CuO-(110); 2 — CuO-(020) нешлифованный образец; 3 —CuO-(020) после сошлифовки 10 µm с необлученной грани.

при снятии 80 µm с необлученной и 100 µmс облученной стороны. При этом фаза Cu2O с облученной стороны еще наблюдалась.

Из разности коэффициентов поглощения до и после облучения, представленной на рис. 4 для обоих образцов, видны две области наибольшего увеличения поглощения вблизи энергии 0.2 и 0.8 eV.

2. Обсуждение результатов Рис. 2. Спектры поглощения монокристалла CuO-(110) до (1) и после облучения ионами азота (2, 3) (естественный свет);

Вид спектров поглощения монокристаллов CuO, облу2 — нешлифованный образец; 3 — сошлифован слой 10 µm с необлученной грани. ченных ионами азота, в инфракрасной области формируется как изменениями, произошедшими в зарядовонеоднородной структуре, так и наличием дополнительных фаз Cu2O и металлической меди. Наибольший вклад в поглощение вносит фаза меди. В исследуемом диапазоне пленка меди имеет большое и практически независящее от длины волны поглощение. Коэффициент поглощения монокристалла Cu2O, как показали наши измерения, по крайней мере в 2 раза меньше, чем коэффициент поглощения монокристалла CuO. В спектрах облученных кристаллов отсутствует наиболее интенсивная в исследуемом диапазоне линия Cu2O при энергиях 0.14 eV. Следовательно, закись меди Cu2O как вторая фаза не вносит изменений в спектр облученных образцов. Разность спектров до и после облучения как для плоскости (100), так и для (020) не является независящей от длины волны, как было бы, если бы разность определялась только включениями металлической меди. Разность спектров свидетельРис. 3. Спектры поглощения монокристалла CuO-(020) до ствует о том, что после облучения происходит увели (1) и после облучения (2–4) (поляризованный свет, E [101]);

чение интенсивности поглощения вблизи энергий 0.2 — нешлифованный образец; 3 — сошлифовано 10 µmс необи 0.8 eV. Эти энергии соответствуют полосам поглолученной грани; 4 — сошлифовано еще 20 µmс необлученной грани. щения, связанным с переходами в дырочном и элекФизика твердого тела, 1999, том 41, вып. Центры зарядовой неоднородности и восстановление оксида меди CuO при облучении ионами... тронном ян-теллеровских центрах соответственно [1]. Таким образом, облучение ионами азота с энергией Известно [1], что оптические переходы в триплетном 16 MeV и флюенсом 1017 cm-2 моно- и поликристаллов электронном ян-теллеровском центре в CuO запреще- CuO приводит к образованию электронных и дырочны. Таким образом, в монокристаллах CuO, облучен- ных ян-теллеровских центров и восстановлению CuO до Cu2O и Cu с текстурой Cu2O. Дефектообразование ных ионами азота, при сильных локальных искажениях происходит разрешение оптических переходов в элек- и восстановление носит дальнодействующий характер.

Возникновение центров и восстановление CuO происхотронном центре аналогично тому, как это происходит дит преимущественно вблизи облученной и необлученв кристаллах CuO, облученных ионами H+ [3]. При ной поверхстей образцов.

общем увеличении числа дырочных и электронных центров, преимущественно увеличивается число электронАвторы благодарны А.С. Москвину и В.Е. Найшу за ных центров.

полезное обсуждение.

Полученные при послойном анализе рентгеновские Работа выполнена по проекту РФФИ (грант № 96данные и результаты измерения электросопротивления 16063).

свидетельствуют о том, что процесс восстановления CuO до Cu2O и меди преимущественно происходит на границах кристаллов, т. е. облученной и необлученной гранях.

Список литературы Замечено также выделение меди в царапинах и раковинах [1] А.С. Москвин, Н.Н. Лошкарева, Ю.П. Сухоруков, М.А. Сикристаллов. Приближение к первоначальным спектрам доров, А.А. Самохвалов. ЖЭТФ 105, 4, 967 (1994).

поглощения при шлифовке кристаллов указывает на [2] Ю.П. Сухоруков, Н.Н. Лошкарева, А.С. Москвин, В.Л. Арто, что количество центров зарядовой неоднородности бузов, А.С. Овчинников, Н.М. Чеботаев, А.А. Самохвалов.

также наибольшее в областях, прилегающих к границам ФТТ 39, 12, 2141 (1997).

кристалла. Возможно, образование большого числа элек[3] Н.Н. Лошкарева, Ю.П. Сухоруков, Б.А. Гижевский, тронных центров является первым этапом в процессе А.С. Москвин, Т.А. Белых, С.В. Наумов, А.А. Самохвалов.

восстановления CuO-Cu2O–Cu, происходящем вблизи ФТТ 40, 3, 419 (1998).

границ. Электронный ян-теллеровский центр является [4] Б.А. Гижевский, Т.А. Белых. С.В. Наумов, Н.Н. Лошкарева, кластером [CuO4]7- с пониженной валентностью катио- Ю.П. Сухоруков, Т.М. Пяткова, Н.М. Чеботаев, А.А. Самохвалов. Физика и химия обраб. материалов 1, 9 (1998).

на (формально Cu+) и, таким образом, служит предвест[5] А.А. Самохвалов, Н.Н. Лошкарева, Ю.П. Сухоруков, ником фазы Cu2O. Аналогичный эффект дальнодействия В.А. Груверман, Б.А. Гижевский, Н.М. Чеботаев. Письма в с образованием преимущественно электронных центров ЖЭТФ 49, 8, 456 (1989).

и восстановлением CuO до Cu2O и Cu наблюдался [6] J. Brersack, L. Hullmark. Nucl. Instrum. Methods 174, нами и при исследовании кристаллов CuO, облученных (1980).

ионами H+ с энергией 4.6 MeV [3].

[7] Б.А. Гижевский, Т.А. Белых, В.А. Теплов, С.В. Наумов, Наиболее вероятным механизмом дальнодействия, поН.Н. Лошкарева, Ю.П. Сухоруков, Н.М. Чеботаев. В сб.:

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.