WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 1997, том 39, № 10 Фотоакустическая спектроскопия алмазных порошков и поликристаллических пленок © А.Н. Образцов, Х. Окуши, Х. Ватанабе, И.Ю. Павловский Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119899 Москва, Россия Электротехническая лаборатория, Цукуба, Ибараки 305, Япония (Поступила в Редакцию 25 октября 1996 г.

В окончательной редакции 16 мая 1997 г.) Методом фотоакустической (ФА) спектроскопии оптического поглощения проведено исследование в алмазных порошках и поликристаллических пленках. ФА-спектры синтетических алмазных порошков с размером кристаллитов в диапазоне от 100 µm до 4 nm и алмазных пленок, выращенных методом химического газофазного осаждения (CVD — chemical vapor deposition), имели ряд общих характерных особенностей, соответствующих краю фундаментального поглощения для света с энергией квантов, превышающей ширину запрещенной зоны алмаза (5.4eV), и поглощению в видимом и инфракрасном диапазонах, обусловленному дефектами кристаллической структуры и присутствием неалмазного углерода. Для образцов тонких (10 µm) алмазных пленок на кремнии в ФА-спектрах выявлены особенности, связанные с поглощением в Si-подложке света, прошедшего через алмазную пленку. Форма спектральной зависимости амплитуды ФА-сигнала в ультрафиолетовой области спектра свидетельствует о заметном рассеянии света зеркального отражения от хаотично расположенных граней алмазных кристаллитов как в алмазных поликристаллических пленках, так и в порошках. Зависимость формы ФА-спектров от частоты модуляции света позволила оценить теплопроводность алмазных пленок, которая оказалась значительно ниже, чем теплопроводность монокристаллического алмаза.

Среди разнообразных уникальных свойств алмаза его 1. Приготовление образцов и методика оптические свойства, очевидно, наиболее ”заметны”.

эксперимента Оптические свойства определяют многие технические применения алмазов. Не удивительно, что именно на В качестве объектов для исследования использовались различиях оптических свойств базируется классификаполикристаллические CVD-алмазные пленки, полученция алмазов [1]. Обусловленный этими обстоятельные двумя способами: в плазме разряда постоянного ствами, интерес к оптическим исследованиям алмаза тока и в плазме высокочастотного разряда. Пленки были усиливается благодаря тесной взаимосвязи оптических выращены на полированных кремниевых подложках при характеристик с другими параметрами этого материала, стандартных для этой технологии условиях [1]: темв первую очередь с электронными [1,2].

пература подложки 900C, давление газовой смеси, В связи с развитием в последнее время технолосостоявшей из метана и водорода, 8 kPa, концентрация гии выращивания алмазных поликристаллических племетана 2%. Толщина пленок определялась длительнок методом химического газофазного осаждения (CVD) ностью процесса роста и составляла около 10 и 50 µm появились перспективы более широкого технического (1 и 6 h роста соответственно) для образцов, полученных использования алмазных материалов. Как правило, такие с помощью разряда постоянного тока, и около 50, 100, CVD-пленки наносятся на непрозрачные подложки (W, 200 µm (4, 12 и 29 h роста соответственно) для пленок, Mo, Si и т. п.), что затрудняет их исследование стандартвыращенных на установке с высокочастотным разрядом.

ными оптическими методами ”на просвет”. Кроме того, в Исследовались также образцы синтезированных при поликристаллической пленке наблюдается значительное высокой температуре и давлении алмазных порошков диффузное рассеяние света, которое может существенно типа ACM с различным размером зерна в диапазоне от влиять на спектры пропускания даже свободных ал 100 до 1 µm, а также образцы ультрадисперсных мазных пленок, отделенных тем или иным образом от алмазных (УДА) порошков, синтезированных методом подложки.

взрыва. Максимум распределения по размерам частиц в В настоящей работе предпринята попытка преодолеть УДА-порошках находится около 4 nm [6–8].

указанные проблемы, используя для исследования алмазИспользовавшийся нами метод определения спекных пленок метод фотоакустической (ФА) спектроскотральных особенностей поглощения света основан на пии [3–5]. С учетом возможной аналогии оптических ФА-эффекте, заключающемся в возбуждении акустичесвойств поликристаллических пленок и порошков, а ской волны в газовой среде, окружающей исследуемый также особой эффективности ФА-метода при изучении объект, вследствие нагрева последнего периодически порошковых материалов было проведено сравнительное изучение алмазных CVD-пленок и синтетических алмаз- модулированным светом. При этом амплитуда акустиченых порошков. ской волны (ФА-сигнала), измеряемая чувствительным 1788 А.Н. Образцов, Х. Окуши, Х. Ватанабе, И.Ю. Павловский микрофоном, определяется энергией светового потока, поглощенной в приповерхностном слое исследуемого материала толщиной порядка длины термодиффузии µ = (2k/C)1/2 (где k — коэффициент теплопроводности, — плотность, C — удельная теплоемкость исследуемого материала, — частота модуляции света), и может считаться пропорциональной коэффициенту поглощения света в широком интервале его значений.

Фазовый сдвиг ФА-сигнала отражает наличие временной задержки теплового возмущения, распространяющегося в образце, по отношению к модулированному световому потоку; его величина зависит от соотношения толщины образца, характерной длины поглощения света (1/), и длины термодиффузии µ. Взаимосвязь величины фазового сдвига и коэффициента поглощения света не Рис. 1. Оптическая микрофотография показывающая типичстоль очевидна, как для амплитуды, однако спектральная ную морфологию CVD-алмазной поликристаллической пленки.

зависимость фазы ФА-сигнала также должна иметь особенности, соответствующие спектрам поглощения света [3–5].

ФА-спектры (спектральные зависимости амплитуды и фологию кремниевой подложки. На рис. 1 приведена фазы ФА-сигнала) регистрировались с помощью модероптическая микрофотография одной из таких пленок.

низированного спектрометра фирмы Princeton Applied Микронные алмазные порошки, как правило, имеResearch Corporation (Model 6001). В качестве источли форму неправильно ограненных кристаллитов. Хоника света использовалась ксеноновая лампа мощностью тя исследование формы нанокристаллических алмазных 1 kW. Решеточный монохроматор выделял свет в полосе порошков было недоступно для методов, имевшихся со спектральной шириной 2 nm. Запись спектров пров нашем распоряжении, однако хорошо известно, что водилась в диапазоне от 200 до 1500 nm (6.2–0.8 eV) отдельные частицы в таких порошках имеют близкую с шагом 4 nm при различной частоте модуляции света к сферической форму и обычно образуют относительно (от 20 до 1500 Hz). Двойная нормировка спектральных крупные агломераты размером около 200 nm [6–8].

зависимостей амплитуды ФА-сигнала (на спектр углеВ спектральных зависимостях амплитуды ФА-сигнала родной сажи (carbon black standart) и на сигнал от пировсех исследованных алмазных пленок было зарегиэлектрического детектора, измерявшего интенсивность стрировано значительное увеличение нормированного падающего на образец излучения) позволяла учесть как ФА-сигнала в УФ-диапазоне для квантов с энергией, спектральные характеристики лампы, так и возможное превышающей величину 5.5 eV (225 nm), близкую к изменение интенсивности света в ходе измерений. Все краю фундаментального поглощения алмаза. В видимом измерения проводились при комнатной температуре в диапазоне света, начиная с 3 eV ( 400 nm), амплиФА-ячейке, заполненной воздухом.

туда ФА-сигнала (пропорциональная поглощению свеВсе образцы были исследованы также методом рата) монотонно уменьшалась с уменьшением энергии мановского рассеяния света (РРС) с использованием квантов. Отметим, что опубликованные ранее исслеRenishaw Raman Microscope System (с возбуждением дования CVD-алмазных пленок методом, аналогичным на линии 633 nm гелий-неонового лазера). МорфологиФА-спектроскопии [9], хорошо коррелируют с нашими ческие особенности порошков и пленок определялись данными. Однако спектральный диапазон в работе [9] с помощью оптической и электронной сканирующей был ограничен с коротковолновой стороны 400 nm. В микроскопии.

то же время именно в УФ-области от 3 до 5.5 eV ход спектральной зависимости ФА-сигнала, как показали наши измерения, существенно изменяется, что свиде2. Результаты и их обсуждение тельствует об уменьшении света в пленке.

Как показали исследования с помощью оптической Перечисленные особенности ФА-спектров иллюстрии электронной сканирующей микроскопии, все образцы руются на рис. 2, где показаны спектральные зависимополикристаллических алмазных пленок имели типичную сти амплитуды ФА-сигнала для алмазных пленок, выраморфологию с отчетливо выраженными хаотично распо- щенных в высокочастотном разряде. Частота модуляции ложенными гранями алмазных кристаллитов на внешней света для спектров, представленных на рис. 2, состаповерхности. Свободные алмазные пленки, отделенные вляла 90 Hz. Спектры алмазных пленок, отделенных от от подложки, на стороне, примыкающей к подложке, подложек, зарегистрированные при освещении пленок имели зеркально-гладкую поверхность, морфология ко- с внешней (шероховатой) и тыльной (гладкой) стоторой (царапины, ямки и т. п.), очевидно, повторяла мор- рон, практически не отличались друг от друга. Никаких Физика твердого тела, 1997, том 39, № Фотоакустическая спектроскопия алмазных порошков и поликристаллических пленок вид в УФ-диапазоне имели зависимости фазы и для других исследованных пленок. В видимом и ИК-диапазонах величина фазового сдвига ФА-сигнала оставалась примерно постоянной как для тонких, так и для толстых (50 µm и более) алмазных пленок.

Очевидно, амплитуда и фаза ФА-сигнала на коротковолновом краю исследуемого спектрального диапазона определяются зона-зонным поглощением света в алмазе.

Поглощение света, определяющее ФА-сигнал в видимом и ИК-диапазонах, может быть связано с разнообразными дефектами в кристаллической структуре поликристаллических алмазных пленок, а также с присутствием в составе пленок некоторого количества аморфного углерода, что приводит к появлению дополнительных локализованных состояний в запрещенной зоне. Эти состояния определяют возможность не только электронных переходов между - и -зонами алмазного углерода, но и --переходов между зонами, образованными локализованными состояниями, обусловленными аморфным углеродом, или комбинированных переходов между - и -зонами [9]. В соответствии с этим предположением уменьшение величины ФА-сигнала с ростом толщины пленки (рис. 2) означает снижение концентрации поглоРис. 2. Спектральные зависимости амплитуды фотоакустичещающих центров (дефекты кристаллической структуры ского сигнала для алмазных пленок, выращенных в плазме выи неалмазный углерод) при увеличении длительности сокочастотного разряда толщиной 50 (1), 100 (2) и 200 µm (3).

процесса роста пленки.

Спектры получены при частоте модуляции света 90 Hz.

Эти выводы подтверждаются исследованием пленок методом РРС. Спектры РРС состояли из двух основных линий: 1332 cm-1, соответствующей кристалличезначительных изменений формы ФА-спектров не было скому алмазу, и 1580 cm-1, обусловленной неалмазным обнаружено также при изменении частоты модуляции света в пределах 20–500 Hz. Дальнейшее увеличение частоты в соответствии с теорией [3–5] приводило к снижению амплитуды ФА-сигнала ниже доступного для измерений уровня во всем спектральном диапазоне.

На рис. 3 показаны ФА-спектры тонкой (10 µm) алмазной пленки, выращенной с использованием разряда постоянного тока. В УФ- и видимом диапазонах спектральная зависимость амплитуды ФА-сигнала (кривая на рис. 3) для этой пленки аналогична спектрам для более толстых пленок независимо от метода осаждения (рис. 2). Однако в инфракрасном (ИК) диапазоне наблюдалось заметное уменьшение величины ФА-сигнала для квантов с энергией меньше 1.1 eV, совпадающей с шириной запрещенной зоны кремния. При этом форма спектра в ИК-диапазоне была аналогичной ФА-спектрам кремния [10].

Энергия квантов 1.1 eV была характерной и для спектральной зависимости фазы ФА-сигнала (кривая 2 на рис. 3), так же как и энергия 5.5 eV вблизи ширины запрещенной зоны алмаза. В отличие от амплитудных ФА-спектров фазовые зависимости в УФ-диапазоне имеРис. 3. Спектральные зависимости амплитуды (1) и фазы (2) ли вид монотонно изменяющихся кривых: фазовый сдвиг фотоакустического сигнала для тонкой (10 µm) алмазной пленувеличивался при уменьшении энергии квантов, в то ки на кремниевой подложке, выращенной с помощью разряда время как в том же спектральном диапазоне амплитуда постоянного тока. Спектры регистрировались при частоте мосначала уменьшалась, а затем увеличивалась. Такой же дуляции света 90 Hz.

Физика твердого тела, 1997, том 39, № 1790 А.Н. Образцов, Х. Окуши, Х. Ватанабе, И.Ю. Павловский Рис. 4. Амплитудные фотоакустические спектры синтетических алмазных порошков с различным размером кристаллитов (125– 100 (1), 60–40 (2), 28–20 (3), 20–14 (4), 7–5 (5), 5–3 (6), 2–1 (7) и 1–0 µm (8), 4 nm (9)), зарегистрированные при частоте модуляции света 90 (a) и 1350 Hz (b).

аморфным углеродом. С увеличением толщины пленки подложки. Как уже отмечалось, уменьшение интенсивинтенсивность линии 1332 cm-1 возрастала, а линии ности света за счет зеркального отражения от граней не 1580 cm-1 — уменьшалась. Как правило, из-за различия изменяет спектральных зависимостей фазы ФА-сигнала, в эффективности РРС для алмаза и графита (примерно так как соотношение глубины поглощения света и длины в 55 раз) наблюдение линии 1332 cm-1 на фоне более термодиффузии, определяющих фазовый сдвиг, не завиширокой линии 1580 cm-1 возможно при содержании сит от интенсивности света.

аморфного углерода в CVD-пленках не более 3% [11].

Как известно, алмаз имеет относительно большой Соотношение интенсивностей указанных линий РРС в коэффициент теплопроводности (20 W · cm-1 · K-1 [1], спектрах исследованных пленок указывает на то, что со- который для всего использовавшегося нами диапазона держание аморфного углерода в них не превышает долей частот модуляции света соответствует длине термодифпроцента. Вероятно, основная часть аморфного углерода фузии, значительно меньшей толщины всех исследованнаходится на внешней поверхности CVD-пленок и на ных алмазных пленок; следовательно, ФА-сигнал должен границе с подложкой [12].

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.