WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 1 Металлические пленки на поверхности ЩГК, образованные в процессе термодиффузии внутрикристаллической примеси © Л.И. Брюквина, Е.А. Ермолаева, С.Н. Пидгурский, Л.Ф. Суворова, В.М. Хулугуров Иркутский филиал Института лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук, 664033 Иркутск, Россия Институт геохимии им. А.П. Виноградова Сибирского отделения Российской академии наук, 664033 Иркутск, Россия E-mail: rubin@ilph.irk.ru (Поступила в Редакцию 15 марта 2005 г.

В окончательной редакции 20 мая 2005 г.) Впервые обнаружено, что на поверхности щелочно-галоидных кристаллов LiF и NaF, активированных переходными металлами Co, Ni, Mn, в процессе термодиффузии внутрикристаллических примесей образуются пленки, состоящие из структур преимущественно переходного металла. Показано, что толщина и плотность пленки, а также состав различаются в зависимости от условий термообработки кристаллов.

Образцы отжигались при температурах от 473 до 1073 K в вакууме и на воздухе. Поверхностные структуры, полученные обработкой кристаллов в вакууме, проявляют магнитные свойства. Исследования, проведенные методами оптической, рентгенофлуоресцентной и электронной спектроскопии, позволяют предположить механизмы образования пленок переходного металла в процессе термического отжига.

PACS: 61.72.Ji, 66.30.Jt Широкое применение тонкопленочных структур на лась со скоростью нагрева/охлаждения 150 K/h и поддероснове переходных металлов вызывает постоянный ин- живалась на заданном уровне с точностью ±5 K. После терес к их получению и исследованию. Методы целе- высокотемпературного отжига кристаллы охлаждались направленного создания тонких металлсодержащих пле- до 573 K, после чего вынимались из печи на воздух.

нок хорошо известны, однако о пленочных структурах Оптические спектры поглощения измерялись в УФ- и видимом диапазонах на спектрофотометре Carl Zeiss переходных элементов, образующихся на поверхности кристаллов щелочных галоидов в процессе их термооб- Specord UVVIS, в ИК-диапазоне — на IFS 25. Рельеф и структура поверхности, а также ее состав изучались работки, ранее не сообщалось.

с помощью оптического отражательного микроскопа Авторы работы [1] обнаружили в спектре поглощения термообработанного кристалла LiF : Co2+ две новые от- Carl Zeiss Axio-Lab при увеличении 103 и растрового электронного микроскопа SEM 525M фирмы Phillips, носительно широкие полосы с максимумами при 282 и методика исследования на котором включала напыление 416 nm, не связанные с поглощением внутрикристаллина поверхность кристаллов слоя золота толщиной около ческих примесей, природу которых они не исследовали.

5 nm. Изучение структуры поверхности и элементный Нами выяснено, что эти полосы обусловлены кобальтсоанализ на содержание кобальта и никеля в пленках были держащими поверхностными структурами [2].

проведены также с помощью растрового электронноБыло обнаружено также, что в процессе высокотемзондового микроанализатора Superprobe-733 фирмы Jeol пературной обработки на поверхности исходных или (Япония). Измерения проводились при ускоряющем на-облученных кристаллов LiF и NaF с примесями Co, пряжении 15 kV, токе поглощенных электронов 20 nA и Ni, Mn образуются тонкие пленки, представляющие размере зонда 1 µm. На поверхность кристалла напылялзначительный интерес в связи с выяснением механизся проводящий слой углерода толщиной около 25 nm.

мов термостабилизации лазерных центров, механизмов В качестве образцов сравнения использовались японские встраивания примесей в кристаллы, структуры примесстандартные образцы — металлические Ni и Co. Ананых центров, а также в связи с возможным применением лизировались различные точки поверхности кристаллов таких пленок в нелинейных оптических приборах, для вдоль профиля по сколу и различные точки поверхнозаписи информации при использовании их в качестве сти на глубине порядка 1 µm. Анализ на содержание оптических и магнитных носителей и др.

кислорода в пленке, полученной на воздухе, проводился на рентгеновском спектрофлуориметре S4 Pioneer 1. Экспериментальные методики немецкой фирмы Bruker AXS. Исследование магнитных свойств полученных пленок проводилось методом враи образцы щательных моментов на вращательном анизометре с Кристаллы отжигались в лабораторной печи Snol в H 10 kOe.

температурном интервале от 473 до 1023 K в вакууме Изучались щелочно-галоидные кристаллы (ЩГК) LiF 10-4-10-5 Torr и на воздухе. Температура устанавлива- и NaF, выращенные в инертной атмосфере с примесями Металлические пленки на поверхности ЩГК, образованные в процессе термодиффузии... переходных металлов Ni, Co и Mn, а также с примесями Mg, Ca, Ba, Sr, и щелочно-земельные фториды CaF2, MgF2 с примесями Co и Ni.

2. Экспериментальные результаты В кристаллах LiF и NaF значительная доля примесей встраивается в решетку методом замещения катионов матрицы, о чем свидетельствует наличие соответствующих полос поглощения в УФ- и видимой областях спектра [3]. Кристаллы с никелем окрашены в светлозеленый цвет, с кобальтом — в розовый. Цвет образующихся пленок лежит в интервале от серого до коричневого и черного. Установлено, что такие пленки образутся только на ЩГК с примесями переходных Рис. 2. Температурная зависимость поглощения пленки на металлов и не образуются на кристаллах щелочноповерхности кристалла LiF : Ni, отожженного на воздухе.

земельных фторидов с примесями переходных металлов и на ЩГК, активированных другими двухвалентными катионными примесями. На рис. 1 приведены спектры поглощения термообработанных кристаллов с пленками.

до времени отжига около 7 h. Дальнейшее увеличеСпектр LiF : Co содержит две полосы с максимумами при ние времени отжига привело к образованию пленки, 282 и 416 nm, в спектрах NaF : Co и NaF : Mn содержится плотность которой была столь высока, что в спектре по одной явно выраженной полосе поглощения в обла- наблюдалось сплошное поглощение в УФ- и видимой сти 400–450 nm, в спектре LiF : Ni присутствует полоса областях. Длительность отжига, при которой происходит при 285–294 nm. Спектр кристалла LiF : Ni, отожженного насыщение роста плотности пленки, определялась на в вакууме, отличается тем, что в нем нет каких-либо образце LiF : Ni, с которого пленку сошлифовывали и заметных полос, а имеется ровное „плато“ в области вновь подвергали термическому отжигу (873 K). Вы200–500 nm. яснено, что после 40 h отжига скорость роста пленки Изучалась зависимость интенсивности поглощения начинает уменьшаться. Следует особо отметить, что поверхностных структур на длине волны 600 nm (такая при этих экспериментах не изменялась интенсивность длина волны была выбрана потому, что в этой обла- полосы поглощения в видимой области, принадлежащей сти не поглощают внутрикристаллические примеси) от двухвалентным ионам никеля в узлах решетки [3]. Также времени термообработки при постоянной температуре изменялась в процессе отжига интенсивность широких (873 K). В кристалле LiF : Co с учетом погрешности полос колебательных инфракрасных спектров поглощеэксперимента зависимость носит линейный характер ния кристаллов в области комплексов с водородной связью типа OH...Oи OH...F (1800–4000 cm-1). Наличие этих полос свидетельствует о том, что, несмотря на то что выращивание кристаллов производилось в инертной атмосфере, кислородсодержащие примеси присутствуют в исходных образцах.

В кристаллах NaF : Co и NaF : Mn при отжиге при 873Kв течение 1–7 h интенсивность линий в спектре поглощения пленки линейно увеличивается, одновременно наблюдается сдвиг максимума полосы поглощения пленки с 400 до 488 nm в NaF : Co и c 408 до 444 nm в NaF : Mn. Кроме того, при температурах отжига выше 723 K в кристалле LiF : Ni наряду с широкой полосой в области 285–294 nm появляется более коротковолновая широкая полоса с максимумом при 221 nm.

Во всех изучаемых кристаллах исследовалась зависимость интенсивности полосы поглощения пленки на длине волны 294 nm от температуры отжига при постоянном времени выдержки (1h). Установлено, что она носит нелинейный характер (рис. 2). При 623 K начинается заметное образование пленки, а наиболее Рис. 1. Спектры поглощения пленок на кристаллах.

интенсивно она образуется в интервале температур 1 —LiF : Co, 2 — LiF : Ni, 3 —LiF : Ni (отожжен в вакууме), 4 —NaF : Co, 5 —NaF : Mn. 873–1073 K.

5 Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 66 Л.И. Брюквина, Е.А. Ермолаева, С.Н. Пидгурский, Л.Ф. Суворова, В.М. Хулугуров Рис. 3. Электронные снимки поверхностей кристаллов. a — исходный необработанный LiF : Ni; b, c — LiF : Co и LiF : Ni, отожженные на воздухе при температуре 873 K (1h); d — LiF : Ni, отожженный в вакууме. Параметры, имеющие значение для интерпретации полученных изображений (масштаб, ускоряющее напряжение и увеличение), указаны в нижней части снимков.

Наблюдения динамики образования пленок, проведен- мок поверхности кристалла LiF : Ni, отожженного при ные с помощью оптического отражательного микроско- 873 K в вакууме. Видно, что пленка структурирована, па, выявили образование на начальной стадии отжига (от размеры этих структур составляют порядка 200–300 nm.

573 до 873 K при длительности отжига 1 h) отдельных Элементный анализ показал существенно повышенное „островков“ диффундирующей на поверхность примеси содержание кобальта и никеля в пленках по сравнению (зерна примеси имеют коричневый оттенок), а на пос отжигаемым кристаллом LiF (табл. 1). В действительследующих стадиях — их укрупнение и объединение.

ности кобальта и никеля в пленке больше, поскольку Вдоль границ блоков и линий роста кристалла зерна электронный зонд захватывал не только пленку, но и примеси расположены более густо, а на расстоянии от часть кристалла под ней с общим размером 1 µm, что них — менее плотно и равномерно, при этом имеются соответствует диаметру зонда.

области неправильной формы размером 2-3 µm, где С помощью микроанализатора Superprobe-733 было зерна примеси вообще отсутствуют. Отжиг при 873 K определено содержание примеси никеля вдоль профиля в течение 1 h приводит к образованию неоднородной по сколу кристалла в образцах без пленки и с пленкой поверхностной пленки с большей средней плотностью, (начиная от пленки на верхней поверхности кристалла, чем на предыдущих стадиях отжига. При этом наряду с затем в глубь кристалла, заканчивая пленкой на нижгранулами примеси размером менее 1 µm наблюдаются ней поверхности). Расстояние между анализируемыми области выделения примеси площадью до 140 µm2. В отточками (диаметр зонда равнялся 1 µm) изменялось дельных областях проявляются кристаллики примеси от 1 µm вблизи поверхности кристалла (десять первых размером до 1 µm.

На снимках, полученных с использованием растрового электронного микроскопа, на поверхности отожженных Таблица 1. Результаты определения концентрации Co и Ni при температуре 873 K на воздухе (в течение 2 h) в кристаллах LiF кристаллов видно наличие „ямок“ произвольной формы площадью около 1-2 µm2 (рис. 3, b, c). Увеличение Co в кристалле, Co в пленке, Ni в кристалле Ni в пленке wt.% wt.% wt.% wt.% в 4 · 104 раз, позволяющее получить разрешение для частиц размером порядка 100 nm и менее, не выявило 0.171 16.356 0.924 7.каких-либо отдельных структур в пленке.

0.187 13.688 1.070 7.Электронный снимок кристалла, отожженного в ва0.215 22.128 1.167 10.кууме 10-4-10-5 Torr, отличается от снимка кристалла, 0.163 16.258 1.083 9.0.183 14.079 1.066 8.отожженного на воздухе. На рис. 3, d представлен сниФизика твердого тела, 2006, том 48, вып. Металлические пленки на поверхности ЩГК, образованные в процессе термодиффузии... Таблица 2. Результаты определения концентрации Ni в образце с пленкой и в необработанных образцах Верхняя Нижняя Образец 2 µm 3 µm 5 µm 350 µm 500 µm 999 µm пленка пленка Ni в LiF с пленкой, wt.% 6.935 0.169 0.206 0.450 0.614 0.561 0.245 10.Ni в LiF без пленки, wt.% 1.058 1.096 1.086 1.058 1.070 0.924 1.083 1.точек по сколу) до 50 µm по его глубине (осталь- 3. Обсуждение результатов ные точки кристалла). Из всех анализируемых точек в Результаты проведенных исследований позволяют сдетабл. 2 приведены восемь значений концентрации никеля лать вывод о том, что на поверхности кристаллов LiF и в произвольно выбранных точках, расположенных по NaF, активированных примесями переходных металлов вертикали вдоль скола и отражающих наблюдающуюся Ni, Co и Mn, в процессе термического отжига образуютзакономерность.

Исследование кристаллов LiF : Ni с пленкой на растро- ся пленки, в составе которых находятся малоразмерные структуры с преобладающим содержанием переходных вом микроскопе, которым снабжен микроанализатор Superprobe-733, подтвердило наличие пленки на поверх- металлов. На основании анализа спектров поглощения можно предположить, что это рассеивающие частицы, ности кристалла с более высоким, чем внутри кристалла, поскольку полуширина полос значительна (рис. 1) и содержанием Ni. Из рис. 4, a, b следует, что пленка после не изменяется с температурой. В пользу рассеивающей двухчасового отжига не сплошная и имеет различную природы частиц свидетельствует и то, что при увеличетолщину, что согласуется с результатами определения нии времени отжига максимум полосы в спектре смещасодержания никеля на поверхности кристалла с пленкой.

Толщина пленки зависит от времени отжига и изменяет- ется в сторону длинных волн, что может быть связано с укрупнением рассеивающих металлсодержащих частиц.

ся от десятков нанометров до нескольких микрон. На Появление при температурах отжига на воздухе выше рис. 4, c показана пленка в другом месте кристалла.

Результаты анализа рентгенофлуоресцентным мето- 723 K в кристалле LiF : Ni наряду с широкой полосой дом показали, что кислород в пленке, полученной обра- в области 285–294 nm более коротковолновой, также боткой на воздухе, в 2 раза больше, чем на поверхности широкой полосы с максимумом при 221 nm может укамонокристалла без пленки. Анализ на содержание угле- зывать на два типа центров разного размера и, вероятно, рода не проводился, но, поскольку углеродсодержащих разного состава.

газов в атмосфере воздуха существенно меньше, чем Результаты элементного анализа показывают, что кислорода, наличие углерода в пленке может быть среднее содержание кобальта в пленке на два, а никеля незначительным. на порядок выше, чем в монокристалле LiF (табл. 1).

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.