WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 5 04;10;11;12 Тонкие пленки углерода. II. Строение и свойства © А.П. Семенов, А.Ф. Белянин, И.А. Семенова, П.В. Пащенко, Ю.А. Барнаков Бурятский научный центр СО РАН, 670047 Улан-Удэ, Россия e-mail: semenov@pres.bsc.buryatia.ru (Поступило в Редакцию 28 марта 2003 г. В окончательной редакции 18 августа 2003 г.) Исследованы процессы выращивания тонких пленок углерода различных структурных модификаций распылением графита ионным пучком и воздействием на структуру углеродного конденсата либо электронным, либо ионным пучками при низких температурах и давлениях. Изучены фазовый состав, строение, морфология поверхности и автоэмиссионные свойства полученных тонких пленок методами рентгенофазового анализа, спектроскопии комбинационного рассеяния света и атомно-силовой микроскопии.

Введение Методика эксперимента Современный этап развития технологии выращива- Выращивание тонких пленок углерода реализуется на ния тонких пленок углерода характеризуется значи- основе процессов двух типов: физическое распыление тельным вниманием к алмазу, как к полупроводни- графита ионным пучком и воздействие на структуру ковому материалу для создания структур твердотель- углеродного конденсата мощным электронным пучком;

ной микро, акусто, эмиссионной электроники [1] и наращивание тонких пленок углерода распылением и расширением использования алмаза как материала с облучением одним широким ионным пучком. Ростовые рекордной твердостью для изготовления абразивного и процессы первого типа осуществляются распыляющим режущего инструмента. Такие свойства алмаза, как ре- ионным и облучающим электронным пучками [2]. На кордно высокая теплопроводность 20-25 W/cm · K при первой стадии тонкие углеродные пленки наращивали 300 K, дрейфовая скорость насыщения носителей тока распылением графита марки 99.99 пучком ионов сме2.7 · 107 cm/s, напряженность поля электрического про- си аргона и водорода на кремниевые подложки при боя 2 · 107 V/cm, твердость 10 по шкале Мооса, стой- давлении 6.6 · 10-3 Pa и температуре ростовой поверхкость к потоку быстрых нейтронов 2 · 1014 neutron/cm2 ности 673 K. Ток ионного пучка 5-10 mA, энергия и к -изучению 5 · 105 Gy, позволяют использовать его ионов 4 keV. На второй стадии проводили облучение в качестве элементарной базы быстродействующей, ра- рентгеноаморфных тонких пленок углерода электрондиационно стойкой электроники, сенсоров мощных по- ным пучком секундной длительности, обеспечивающим токов частиц и ионизирующих электромагнитных из- проведение разнообразных режимов нагрева. Мощность лучений, холодных электронных эмиттеров, теплоот- электронного пучка не превышает 100-200 W. Тонкие водов, оптических окон, рентгеновских диафрагм, за- пленки алмазоподобного углерода выращивали распыщитных просветляющих интерференционных покрытий лением и облучением пучком ионов смеси аргона и солнечных элементов. Алмаз обладает наивысшей сре- водорода при температуре подложки 293 K. Пучок ионов ди известных материалов скоростью распространения наклонно падал на графитовую мишень и под углом поверхностных акустических волн 9 km/s, что делает 85-90 на ростовую поверхность. В процессе распыего перспективных для акустоэлектроники. Возможность ления одним широким ионным пучком при наклонном использования в качестве источника электронов алмаз- падении ионов на графитовую мишень и скользящем ных материалов базируется на присущем им свойстве падении ионов на ростовую поверхность ионный пучок отрицательного электронного сродства, что дает воз- выполняет сразу две функции: распыление графитовой можность понизить порог эмиссии при изготовлении мишени и облучение наращиваемой пленки скользящим ненакаливаемых катодов устройств эмиссионной элек- падением ионов. Таким образом достигаются необхотроники.

димые условия выращивания тонких пленок алмаза, к Значительные успехи в выращивании тонких пленок которым относятся проведение процесса при больших углерода различных структурных модификаций (алмаза, пересыщениях, обеспечивающих высокую вероятность алмазоподобного углерода и карбина) достигнуты низ- образования алмазных зародышей, предотвращение обкотемпературными вакуумными ростовыми процессами, разования как графитовой структуры, так и перехода которые основаны на распылении графита ионным пуч- образовавшейся алмазной фазы в графит [3]. Условия ком и воздействии на структуру углеродного конденсата нанесения пленок таковы, что основным фактором явлибо ионным, либо электронным пучками и являются ляется рассеяние падающих ионов растущей пленкой, одним из развивающихся направлений применения газо- благодаря которому атомами отдачи на ростовой поверхразрядных источников ионов. ности пленки могут создаваться сжимающие напряже102 А.П. Семенов, А.Ф. Белянин, И.А. Семенова, П.В. Пащенко, Ю.А. Барнаков ния 10 GPa, достаточные для образования алмазной фазы. В таком процессе участвуют два потока атомов.

С одной стороны, поток выбитых атомов углерода, падающих на подложку, где в результате их наращивания происходит движение ростовой поверхности с некоторой скоростью, определяемой плотностью потока. С другой стороны, поток атомов углерода отдачи, возникающих от рассеяния ионов в глубине растущей пленки и движущихся к ее поверхности, создавая некоторую предельную концентрацию междоузельных атомов, определяющих величину напряжений в растущем слое, соответствующую области стабильности алмазной фазы. Фазообразование, строение и морфологию Рис. 1. Спектр комбинационного рассеяния поликриповерхности тонких пленок углерода исследовали метосталлической тонкой пленки алмазоподобного углерода дами рентгенофазового анализа (дифрактометр Rigaku (1 — 1330 cm-1).

с CuK-излучением), спектроскопией комбинационного рассеяния света (спектрометр T6400TA of DilorJobin Y von-spex, использовалась линия 488 nm аргоно алмазном типе составляющего ее углерода. Широкая нового лазера) и атомно-силовой микроскопией (Digital линия в области 1580 cm-1 обусловлена углеродом в Instruments, Nanoscope 3, contact mode, Si3N4 type).

форме аморфизованного графита. В спектрах комбиЭлектронные эмиссионные свойства углеродных пленок национного рассеяния пленок, полученных при других изучали методом измерения зависимости эмиссионного параметрах ростового процесса, относительные интентока от напряженности приложенного электрического сивности линий, их ширина и в определенной степени поля. Величина напряженности электрического поля спектральное положение изменялись, свидетельствуя об в зазоре между анодом и катодом принималась равизменении фазового состава пленок, размеров кристалной E = V /d, где V — разность потенциалов между литов и степени аморфизации [3]. Выводы о фазовом катодом и анодом, разделенными вакуумным промесоставе, сделанные на основе данных комбинационного жутком толщиной d. Измерение эмиссионного тока рассеяния света, были подтверждены рентгеновскими выполнялось в вакууме 1.33 · 10-4 Pa при подаче исследованиями и электронной микроскопией высокого импульсного напряжения частотой 50 Hz и длительноразрешения. На рентгенограммах наблюдается дифракстью импульса 30 µs. Толщина пленки 50 nm, эмитционный максимум (d = 0.20364 nm, 2 = 44.452 deg), тирующая поверхность 0.25 cm2. Электрическое поле соответствующий структуре алмаза (рис. 2). Результаты до 5.6 kV прикладывалось между кремниевой плосисследования поверхности углеродных пленок (рис. 3) кой подложкой и плоским анодным электродом. Просвидетельствуют о глобулярной стадии роста с потяженность межэлектродного вакуумного промежутка верхностным размером частиц 50 nm и высотой 5 nm.

эмиттирующая поверхность пленки-анодный электрод Средняя высота неровностей поверхности составлясоставляла 160 µm.

ет 6.425 nm. Для алмаза характерны следующие стадии Результаты и обсуждение Полученные распылением и облучением пучками заряженных частиц тонкие пленки углерода были сплошными и имели толщину от 50 nm до 6 µm. При двустадийном выращивании распылением ионным пучком и облучением электронным пучком в результате воздействия электронного пучка в тонкой углеродной пленке происходит кристаллизация гексагонального карбина.

Карбин является линейной модификацией углерода на основе sp-гибридизации углеродных атомов и обладает полупроводниковыми свойствами (ширина запрещенной зоны 1eV). На рис. 1 представлен спектр комбинационного рассеяния поликристаллической углеродной пленки толщиной 6 µm, полученной методом одностадийного выращивания. Для этой пленки характерным является наличие сильной узкой алмазной линии на ча- Рис. 2. Рентгенограмма тонкой пленки алмазоподобного углестоте 1330 cm-1, свидетельствующей о преимуществен- рода.

Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. Тонкие пленки углерода. II. Строение и свойства Известно, что эмиссионные свойства алмазных пленок значительно улучшаются с увеличением их дефектности вплоть до формирования аморфного материала, существенным признаком которого остается алмазный тип гибридизации связей валентных электронов атомов углерода. Для таких эмиттеров пороговое значение напряженности электрического поля, при которой наблюдается полевая эмиссия электронов, находится в пределах от 2 до 20 V/µm [8].

Как показали наши исследования, практически все полученные при описанных выше условиях углеродные пленки эмиттировали электроны при приложении определенной разности потенциалов между пленочным катодом и анодом. Для алмазных нанокристаллических пленок в согласии с описанными ранее экспериментами пороговая напряженность электрического поля в зазоре катод–анод, при которой наблюдалась автоэлектронная Рис. 3. Поверхность углеродной пленки.

эмиссия, составила 30 V/µm. Плотность эмиссионного тока 1.2 · 10-5 A/cm2. На рис. 4 представлена зависимость тока автоэлектронной эмиссии от напряженности электрического поля. Резкий рост электронного роста: глобулярная; образования граней {100} на глотока, так называемый порог эмиссии, наблюдается при булах; геометрического отбора; первичной аксиальной 3 · 105 V/cm, хотя начальная эмиссия уже заметна при текстуры 100 ; вторичной конической текстуры 110 и меньшей величине поля 1.5 · 105 V/cm. Из экспери 111 [4]. В зависимости от температуры стадии роста ментальной эмиссионной характеристики рассчитали раполучают неодинаковое развитие. В низкотемпературботу выхода электронов в вакуум по теории Фаулера– ной области рост ограничивается глобулярной стадией.

Нордгейма, связывающей плотность тока электронной Толщина слоя алмаза глобулярного строения может эмиссии с напряженностью электрического поля выраизменяться от десятков нанометров до десятков микрожением [9], метров в зависимости от условий получения. Управляя 1/2 характеристиками ионного распыления, параметрами J = 1.4 · 10-6(E2/) · 104.39/ · 10-2.82·10 (3/2/E), (1) процесса выращивания можно регулировать содержание где — работа выхода, eV; j — плотность тока элекуглеродных фаз в тонких пленках.

тронной эмиссии, A/cm2; E — напряженность электриУглеродные пленки различных структурных модифического поля, V/cm.

каций перспективны в качестве основы для создания эффективных катодов, использующих явление полевой эмиссии электронов [5]. Такая эмиссия происходит без дополнительного нагрева катода, что позволяет получить поток электронов с низкими начальными скоростями и в результате существенно упростить конструкцию электровакуумных устройств. Возможность использования в качестве источника электронов алмазных материалов базируется на присущем им свойстве отрицательного электронного сродства (ОЭС), которое было предсказано теоретически и обнаружено экспериментально как для монокристаллов алмаза, так и для поликристаллических алмазных пленок [6]. Наличие ОЭС на поверхности эмиттера, в частности, означает возможность существенного снижения напряженности электрического поля, требуемого для возникновения полевой эмиссии электронов, от характерных для большинства металлов и полупроводников значений 103-104 до 1-10 V/µm [7].

В то же время в поликристаллических алмазных пленках электропроводность может быть обусловлена различными структурными дефектами, формирующими системы дополнительных уровней в запрещенной зоне алмаза Рис. 4. Вольт-амперная характеристика ненакаливаемого каили протяженные образования из неалмазного углерода.

тода.

Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 104 А.П. Семенов, А.Ф. Белянин, И.А. Семенова, П.В. Пащенко, Ю.А. Барнаков Подставляя j 1.2 · 10-5 A/cm2, E 3 · 105 V/cm в [4] Белянин А.Ф., Пащенко П.В., Бляблин А.А. и др. // Тр. XII Междунар. симпозиума „Тонкие пленки в электронике“.

соотношение (1), имеем 0.332 eV. Таким образом, Харьков, 2001. С. 96–105.

для углеродных пленок, выращенных пучками заряжен[5] Елинсон М.И., Васильев Г.Ф. Автоэлектронная эмиссия.

ных частиц, отмечается сравнительно высокая эффективМ.: ГИФМЛ, 1958. 243 с.

ность автоэлектронной эмиссии.

[6] Himpsel F.J., Knapp J.A., Van Vechten J.A., Eastman D.E. // Phys. Rev. B. 1979. Vol. 20. P. 624–630.

[7] Armatunga G.A.J., Silva S.R.P. // Appl. Phys. Lett. 1996.

Заключение Vol. 68. P. 2529–2531.

[8] Образцов А.Н., Павловский И.Ю., Волков А.П. // ЖТФ.

2001. Т. 71. Вып. 11. С. 76–81.

Предложен способ выращивания тонких пленок угле[9] Месяц Г.А. Эктоны. Ч. I. Екатеринбург: Наука, 1993. 184 с.

рода различных структурных модификаций распылением [10] Семенов А.П., Семенова И.А. // ЖТФ. 2004. Т. 74. Вып. 4.

ионным пучком. Показано, что распыление графита С. 102–107.

ионным пучком и воздействие на структуру углеродного конденсата либо ионным, либо электронным пучками обеспечивает необходимые условия образования алмазной фазы и может быть использовано для выращивания тонких пленок алмазоподобного углерода или карбина при низких температурах и давлениях. Рассмотрен фазовый состав, внутреннее строение, морфология поверхности и автоэмиссионные свойства полученных углеродных пленок. Установлено, что дополнительное воздействие на структуру углеродного конденсата ионным или электронным пучками приводит к образованию кристаллических фаз в тонких пленках. В низкотемпературной области рост ограничивается глобулярной стадией с высокой концентрацией рентгеноаморфной фазы. Выращенные тонкие углеродные пленки различной структурной модификации (алмаз, карбин) пригодны для использования в качестве теплоотводящих, эмиссионных, защитных и прочных покрытий. На основе выращенных углеродных пленок толщиной 50 nm, имеющих работу выхода 0.33 eV, изготовлены тонкопленочные полевые катоды со сравнительно высокой эффективностью автоэлектронной эмиссии, наблюдаемой при напряженности электрического поля 3 · 105 V/cm.

Источник заряженных частиц [10] высокоэффективен для реализации процессов выращивания тонких пленок углерода пучками ионов и электронов при низких температурах и давлениях с высоким содержанием алмазной фазы.

Работа получила частичную финансовую поддержку Лаврентьевского конкурса молодых ученых СО РАН (проект № 37).

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.