WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 11 Структура пленок аморфного гидрированного углерода, легированного медью © Т.Н. Василевская, С.Г. Ястребов, Н.С. Андреев, И.А. Дроздова, Т.К. Звонарева, В.Н. Филипович Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук, 199155 Санкт-Петербург, Россия Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Поступила в Редакцию 18 ноября 1998 г.

В окончательной редакции 2 марта 1999 г.) Представлены результаты исследования наноструктуры пленок a = C : H : Cu методами рентгеновского малоуглового рассеяния, рентгенофазового анализа, просвечивающей электронной микроскопии и спектроскопии в видимой и ультрафиолетовой областях.

Установлено, что введение 9–16 at.% Cu не только декорирует исходные углеродные фрагменты пленок, но и формирует достаточно протяженные (до 4 µm) образования из вытянутых в линию эллипсов, декорированных медью. При концентрациях меди 14-16 at.% Cu эти линейные кластеры представляют собой медные нанотрубки, сердцевина которых состоит из исходных вытянутых в линию эллипсов. Именно эти проводящие медные образования являются основной причиной резкого увеличения проводимости при содержании 12-16 at.% Cu в пленках a-C : H.

Аморфный гидрированный (гидрогенизированный) Очевидно, что на пути к этой цели необходимо исуглерод a-C : H является материалом, обладающим та- следовать не только свойства отдельных наноразмерных кими уникальными свойствами как оптическая прозрач- кластеров, входящих в a-C : H : Cu, но и особенности их ность в видимом и ИК диапазонах, химическая и ра- геометрии, а также свойства сетей протекания электридиационная стойкость, высокое электрическое сопроти- ческого тока в мезо- микроскопических масштабах. В настоящее время существует ряд работ, посвященных вление и износоустойчивость. Указанные характеристики материала проявляются благодаря особенностям строе- исследованию структуры таких пленок рентгеноструктурными методами, в частности с помощью рентгения его структуры, содержащей наноразмерные блоки (нанокластеры) двух основных аллотропных модифи- новского рассеяния при малых углах отражения [6,7].

Отметим, что эти результаты о свойствах рассеивателей каций углерода — графита и алмаза [1]. Вводя в в a-C : H : Cu могут рассматриваться лишь как предвариматериал легирующие добавки, можно существенным тельные.

образом модифицировать наноструктуру и тем самым Для восполнения отмеченного пробела в настоящей варьировать электрофизические и спектральные свойработе используются взаимодополняющие методы рентства a-C : H. Известно, что при введении в материал генофазового анализа (РФА) и рентгеновского малометаллов, не образующих карбиды, формируются среуглового рассеяния (РМУ) для исследования свойств ды, содержащие кластеры на основе металла. Проводиматериала. Кроме того, для увеличения достоверности мость таких сред варьируется в широких пределах — результатов приводятся данные просвечивающей элекот проводимости диэлектрической матрицы до провотронной микроскопии (ПЭМ) и устанавливается корредимости объемного металла. Наряду с большим разляция между структурными характеристиками вещества нообразием экспериментальных данных по различным и высокочастотной (оптической) электропроводностью с композиционным материалам [2] это подтверждается целью выявления поверхностных и геометрических хаданными работы [3], в которой получена нелинейная рактеристик нанокластеров меди на физико-химические зависимость электропроводности a-C : H, легированного свойства пленок a-C: H: Cu.

медью от концентрации меди, а для состава, соответствующего максимуму электропроводности, обнаружены признаки высокотемпературной сверхпроводимости при 1. Экспериментальная часть азотных температурах. В последующих работах было показано, что медь формирует в a-C: H: Cu нанокластеры РМУ исследование проводилось на излучении CuK проводников двух типов, различающиеся как физико- ( = 1.54 ) в интервале изменения модуля волновых химическими характеристиками, так и формой. Имеются векторов s = 4(sin )/ от 0.0083 до 0.65 -1. При в виду графитоподобные кластеры, легированные медью углах рассеяния 2 от 0.1 до 10 применение метода по механизму образования интеркалятоподобной фазы РМУ позволяет получать информацию о неоднородно(размеры кластеров 1.5-2nm) и медные нанокласте- стях с линейными размерами от 1 до 75 nm [8–10].

ры с размерами от единицы до десятков nm [4]. С Экспериментальные кривые получены при использоватакими средами, содержащими нанометровые кластеры нии рентгеновской малоугловой установки с коллимапроводников, связываются надежды на их применение ционной системой по Кратки. Введены коллимационные для создания приборов одноэлектроники [5]. поправки на высоту и ширину пучка. Значения интенсивСтруктура пленок аморфного гидрированного углерода, легированного медью Рис. 1. Спектральная зависимость оптической плотности аморфного гидрированного углерода, легированного медью с концентрацией, at.% Cu: 1 —0, 2 —9, 3 — 14, 4 — 24.

ности выражены в абсолютных электронных единицах. В 2. Результаты и их обсуждение качестве эталона использовалось особо чистое кварцевое 2.1. Спектроскопические данные о возстекло, для которого интенсивность рассеяния теплобуждении поверхностных плазменных ковыми флуктуациями плотности I(0) равна 0.552 e.u./3.

л е б а н и й. На рис. 1 представлена типичная картиИзмерения интенсивности РМУ осуществлялись с точна оптической плотности пленки аморфного a-C: H: Cu.

ностью ±1%.

Для нелегированного образца зависимость оптической РФА осуществлялся на дифрактометре ”Phillips” при плотности от частоты претерпевает характерное для CuK излучении в интервале углов рассеяния 2 от аморфного материала размытие в высокочастотной обладо 180. ПЭМ и электронография осуществлялись на сти спектра. Аппроксимация формулой Тауца зависимоЭМ-100. Спектры пропускания образцов a-C: H: Cu сти края поглощения от длины волны дает значение исследовались с помощью спектрофотометра Хитачиэнергии запрещенной зоны порядка 2-2.1eV. Из рис. U3410.

следует также, что с ростом концентрации меди край 1.1. Методика получения пленок a-C : H и поглощения модифицируется полосой поглощения, что a-C : H : Cu. Для получения пленок a-C : H, легированных приводит при росте концентрации к увеличению наклона медью, применялось ионно-плазменное сораспыление рассматриваемой зависимости в высокочастотной облапиролитической графитовой и медной мишеней в атмости спектра. Это явление сопровождается появлением сфере аргон-водородной (4: 1) плазмы [11]. Начальная с ростом концентрации меди другой заметной полосы температура подложки до осaждения пленки составила поглощения, лежащей в центральной части спектра. От200C. Скорости роста слоев составляли 250-350 nm/h.

сутствие полос поглощения в промежуточной области Состав и толщины слоев контролировались методом спектра свидетельствует о формировании оптических вторичной ионной масс-спектроскопии и эллипсометрии.

свойств аморфного гидрированного углерода, легироВ данной работе исследовались исходные пленки ванного медью, двумя типами наноразмерных частиц a-C : Hбез меди ипленки a-C: H: Cu с содержанием меди и об отсутствии в образце оптически активных метал9, 12, 14, 15, 16, 17, 18 и 24 at.% Cu. Толщина пленок лических частиц с размерами, превышающими длину составляла от 2 до 4.5 µm для иccледования методами волны использовавшегося при измерениях излучения.

РФА и PМУ, а для ПЭМ и оптики 30-100 nm. Для Анализ экспериментальных данных с помощью формаизучения структуры пленок методом РМУ были приголизма лорентцевых осцилляторов [12] показывает, что товлены плоскопараллельные полированные пластинки формирование полосы поглощения, центр которой наиз монокристаллического Si толщиной 100 µm, на кото- ходится вблизи 2 eV (1.8 eV), может быть приписано рые наносились пленки a-C : H и a-C : H : Cu. Выбор Si возбуждению поверхностного плазмона в сферических подложки был обусловлен отсутствием (кроме фоново- частицах (формфактор 1/3), а изменение поглощения го) рассеяния кремнием в области углов исследования в области хвоста в высокочастотной области спектра методом РМУ. (полоса поглощения с максимумом вблизи 3.5 eV) может 13 Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 2090 Т.Н. Василевская, С.Г. Ястребов, Н.С. Андреев, И.А. Дроздова, Т.К. Звонарева, В.Н. Филипович быть приписано возбуждению поверхностных плазмо- анализа электронографических данных в отличие от нанов в несферических проводящих включениях, таких стоящего исследования было продемонстрировано прикак двумерные образования или их агрегаты (форм- сутствие в этих исходных пленках некоторого количества факторы 1/2, 1/2, 0, соответствующие возбуждению нанокристаллических алмазоподобных и графитоподобповерхностного плазмона в вытянутых цилиндрических ных образований.

частицах при направлении электрического поля элек- 2.3. Интегральные характеристики метотромагнитной волны поперек оси цилиндра). Отмед а Р М У. Оценка интегральных характеристик, таких тим, что поскольку последние значения резонансных как корреляционная длина частот близки к частоте поверхностного плазмона меди (3.5 eV) [13], то это также позволяет приписать наличие lcor = 2 (r)dr таких резонансов возбуждению поверхностного плазмона в плоских проводящих наноразмерных включениях на основе меди (формфакторы 1, 0). С использова нием теории ограничения длины свободного пробега = sI(s)ds s2I(s)ds электрона размерами кластера [12] удается определить средние размеры медьсодержащих кластеров различной 0 формы из положения на спектре максимумов поглощеи радиус инерции рассеивающих частиц ния. Для определения размеров использовалось значение диэлектрической проницаемости матрицы = 4.62, m L L определенное эллипсометрически для нелегированной R2 = p(r)r2dr 2 p(r)dr g пленки при энергии 1.96 eV. Параметры массивной меди 0 p = 1.35 · 1016 s-1, inf = 6.9 · 10-15 s и linf = 11 nm брались из работы [14]. Получено, что времена релакса(где (r) корреляционная функция, p(r) = r2(r), ции для несферических проводящих частиц изменяются L — максимальное расстояние в частице) для пленок в широких пределах от 3.4-4.0 · 10-16 s для энергии с содержанием 0-24 at.% Cu, позволяет сделать вывод, 3.5-3.6 eV до величины, близкой к времени релаксации что интегральные размеры рассеивающих частиц практимассивной меди, а соответствующие им геометрические чески неизменны. На рис. 2, a представлены концентраразмеры — (0.57-0.72 nm)–10 nm. Для частиц сфериционные зависимости интегрального радиуса инерции Rg ческой формы также сохраняется аналогичная ситуация:

и корреляционной длины lcor.

время релаксации для частоты резонанса — 3 · 10-16 s и Корреляционная длина сначала меняется незначительразмер частиц — 0.52-10 nm.

но. Только для 24 at.% эта величина немного больше 2.2. Д а н н ы е м е т о д а Р Ф А и э л е к т р о н о г р а соответствующего радиуса инерции. Это может свиф и и. Рентгенограммы пленок с медью выявляют широдетельствовать как о том, что рассеивающие частицы кие дифракционные максимумы, которые соответствуют существенно неоднородны и далеки от сферичности (для межплоскостным расстояниям 2.08, 1.808, 1.278, 1.090.

однородной сферы с таким радиусом инерции корреляциЭтот набор позволяет установить, что в исследуемых онная длина должна быть почти в 2 раза больше), так ио пленках присутствует в некотором количестве металлизначительной полидисперсности рассеивающих частиц.

ческая медь (ASTM N4–836), относящаяся к кубической Приближенная оценка удельной поверхности раздела сингонии. По полуширине рефлексов дифрактограммы по соотношению Порода Ssp = 4/lcor представлена ( 1.5) оценка средних размеров кристаллов Cu по на рис. 2, b. В пленке, не содержащей медь, удельная первому и второму пикам дает значения 6, 5, 6.4 nm поверхность раздела составляет 4.5 m2/cm3. В легиропри содержании меди 9, 14 и 24 at.% Cu соответственно.

ванных медью пленках величина Ssp на порядок больше Следовательно, магнетронное сораспыление медной и и составляет от 40 до 76 m2/cm3, увеличиваясь пропорграфитовой мишеней приводит к образованию медных ционально содержанию меди. Такие высокие значения нанокластеров, внедренных в a-C : H. Их размеры 5-6nm удельной поверхности обычно наблюдаются только в мало меняются с ростом концентрации меди, что хообъектах, имеющих кластеры, образованные из наноразрошо коррелирует с оптическими данными, приведенмерных частиц [10]. Однако морфология поверхности ными выше, и с работой [4]. Однако, судя по увераздела, форма и геометрические параметры частиц, личению интенсивности первого пика (158 : 293 : 1449), образующие эту поверхность, изменяются значительно их количество значительно возрастает с увеличением в зависимости от содержания меди в пленках.

концентрации меди. (Следует отметить, что в нашем 2.4. Распределение частиц по размерам.

случае толщина исследуемых пленок весьма далека от В большинстве методов определения функции распредеоптимальной толщины, необходимой для прецизионного ления рассеивателей по размерам постулируется опреколичественного РФА).

Изучение исходных пленок без меди методом электро- деленная форма (и внутренняя структура) рассеиватенографии позволило зафиксировать только два размытых лей. В нашем случае, что следует из анализа оптирефлекса, характерные для аморфизированного графита ческих данных, в материале присутствуют рассеиватес плотностью 2.265 g/cm3 [15]. В работе [12] на основе ли разной формы, а именно плоские частицы, сфериФизика твердого тела, 1999, том 41, вып. Структура пленок аморфного гидрированного углерода, легированного медью Рис. 2. Концентрационные зависимости: a — корреляционная длина lcor (1) и интегральный радиус инерции Rg (2); b —удельная поверхность раздела Ssp.

Рис. 3. Функция распределения рассеивателей для различных концентраций меди, at,.% Cu: 1 —0, 2 —9, 3 — 14, 4 — 24.

(Оценка полидисперсности для глобулярных частиц по Плавнику [16,17]. Rg — радиус инерции частицы).

ческие медные частицы и их агрегаты. Для полидис- с данными, полученными как из обработки оптичеперсных систем в [16,17] предложен метод приближен- ских спектров, так и методами РФА и ПЭМ. Налиной оценки функции распределения размеров рассеи- чие максимума на функции распределения для размевателей по радиусам инерции. На рис. 3 изображена ра 0.5 nm можно связать с рассеянием рентгеновского функция распределения рассеивателей, содержащихся в излучения на графитоподобной составляющей скелета a-C : H : Cu. Это распределение неплохо коррелирует a-C : H.

Pages:     || 2 | 3 |



© 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.