Исследование структурно-морфологических свойств поликристаллических углеродных пленок, страница 4

Формирование наноалмазной фракции вызвано разрушением фронта ростаграней{111}.Значениемакроскопическогопараметраαопределяетразмермикрокристаллического ядра глобул, составляющих пленку.В соответствии с предложенной моделью разрастание кристаллитов, составляющихпленку, в отличие от стандартной модели Ван дер Дрифта определяется не только значениемпараметра α (соотношением скоростей роста граней α = 3V100), но и интенсивностьюV11116вторичной нуклеации и поверхностной плотностью двойникования на различных гранях.Большая скорость роста в зоне формирования грани {111} приводит к ее более высокойдефектности и интенсивной вторичной нуклеации, являющейся причиной формированиядендритной структуры.Малые размеры нанокристаллической фазы материала пленок приводят к тому, что ихокисление (с последующим удалением из состава пленки в виде газообразной окисиуглерода)происходитпризаметноболеенизкихтемпературах,чемокислениемикрокристаллов.Справедливость сделанных выводов была подтверждена с помощью построениячисленной модели и компьютерного моделирования, выполненного на ее основе.Рис.

9. Поликристаллическая алмазная глобула. Слева – изображение сечения глобулы,полученное в результате компьютерного моделирования, справа – микрофотографияглобулы, полученной в ходе экспериментальных исследований.На рис. 9 в качестве примера такого моделирования представлено изображениеглобулы, содержащей микро- и наноалмазные компоненты.

Форма и структура глобулы былаполучена в результате численных расчетов, проведенных в соответствии с построенноймоделью, и находится в хорошем согласии с экспериментальными наблюдениями (РЭМизображение).Выявленная уникальная структура текстурированных алмазных пленок, а такжесоставляющих их пирамидальных кристаллитов представляет значительный научный ипрактический интерес. Результаты исследований, направленных на детальное изучение,связанных с этим вопросов представлены в четвертой главе диссертации.В первом параграфе этой главы излагаются результаты исследования условийполучения микрокристаллов различной формы в ходе плазмохимического осаждения пленокиихокисления.Какследуетизпроведенныхисследований,внешнийвидполикристаллической алмазной пленки и, следовательно, форма алмазных кристаллитовопределяются значением макроскопического параметра α и интенсивностью вторичнойнуклеации.

Для определения влияния режимов осаждения на значения этих параметров былапроведена серия коротких по длительности процессов осаждения с варьированием17температуры и концентрации метана. Полученные образцы были исследованы с помощьюРЭМ.Рис. 10. Зависимость значения макроскопического параметра α при росте алмазной пленки входе плазмохимического осаждения от температуры и объемной доли метана в газовойсмеси.Для каждого из образцов определялось значение параметра α.

В результате былапостроена диаграмма (см. рис. 10), отражающая зависимость формы кристаллитов отпараметровпроцессапредставленнаявосаждения.этойВдиаграмме,ходедальнейшихиспользоваласьисследованийдляинформация,определенияусловий,соответствующих получению микрокристаллов алмаза заданной формы.Для оптимизации процесса выделения микрокристаллической алмазной фракции былаисследована кинетика окисления на воздухе текстурированных наноалмазных пленок.Приведенные на рис. 11 термограммы иллюстрируют зависимость скорости реакцииокисления от температуры. Соответствующая им диаграмма Аррениуса приведена на врезке.Описанные исследования позволили существенно оптимизировать процесс получениямикрокристаллов алмаза пирамидальной формы путем более точного выбора параметровпроцессов осаждения и окисления.Вовторомпараграфеприводятсярезультатыисследованияструктурно-морфологических свойств микрокристаллов алмаза пирамидальной формы.

Иглы былиисследованы методами КРС, ОС, ПЭМ, РЭМ. В ходе этих исследований было, в частности,установлено, что:-пирамидальныеалмазныеиглыявляютсямонокристалламивысокойстепеникристаллического совершенства (на это указывают ширина алмазной линии в КРС-спектрах,форма оптического спектра, присутствие линий Киккучи на ПЭМ изображениях игл);18- радиус кривизны на вершине пирамидальных кристаллитов варьируется в пределах 2-200нм в зависимости от режимов роста и окисления;Рис. 11. Термогравиметрические кривые окисления нанокристаллической фракции ТНП приизотермическом отжиге в статической воздушной среде. На вставке представленадиаграмма Аррениуса для среднего значения скорости реакции окисления.- основания пирамид образованы гранью {100}, боковые поверхности пирамид имеют формутеррас, образованных гранями {111} и {100}, частота чередования которых задает угол привершине пирамиды.Несмотря на высокое кристаллографическое совершенство пирамидальных алмазныхигл в ходе исследований было также выявлено наличие специфических дефектов, которыепроявляются в виде ямок травления на грани {100}.

Характерный вид таких ямокпредставлен на РЭМ изображении на рис. 12.Рис. 12. Основание алмазного кристаллита – грань {100} – после термического окисления(700º С, 10 минут). Неглубокие четырехугольные ямки на поверхности отвечаютнормальному травлению алмазной плоскости атомами кислорода, более глубокие каналыявляются свидетельством наличия дефектов, в данном случае ростовой дислокации.19В последнем параграфе главы 4 изложены результаты исследований, направленных навыяснение перспектив практического применения микрокристаллитов алмаза пирамидальнойформы в качестве зондов для атомно-силовой микроскопии (АСМ).

С этой целью былисозданы прототипы АСМ зондов, которые затем использовались в тестовых измерениях всравнении со стандартными кремниевыми зондами (рис. 13). Разрешение АСМ изображений,полученных с помощью алмазных зондов, оказалось на порядок выше разрешения,доступного при работе с кремниевыми зондами.

Кроме этого алмазные зонды обладаютрядом других полезных с точки зрения АСМ техники качеств, включая высокуюпрочность,химическую инертность, гидрофобность.Рис. 13. АСМ изображения, полученные с помощью стандартного кремниевого зонда (1) изакрепленногонакантилевереалмазногокристаллитапирамидальнойформа(2).Исследуемый объект: пленка нитрида титана на полированном стекле. При одинаковомразмере области сканирования (300x300 нм) алмазный зонд позволяет разрешить болеетонкие детали рельефа пленки.Основные результаты работы1. Разработаныметодыполученияполикристаллическихуглеродныхпленоксразличным составом и структурно-морфологическими характеристиками путемосаждения из газовой фазы, активированной разрядом постоянного тока.

В том числеразработаны методы получения пленок, состоящих преимущественно из алмазныхкристаллитов нанометрового или микрометрового размера, или из пластинчатыхкристаллитов графита нанометрвой толщины. Разработаны методы получениятекстурированныхалмазныхполикристаллическихпленок,состоящихизмикрометровых кристаллитов в окружении наноалмазной и графитоподобной фаз.2. Методами диэлектрической и оптической спектроскопии выявлены особенностиэлектронныхсвойствполикристаллическихалмазныхпленок,обусловленныеструктурными дефектами. Установлен прыжковый механизм электропроводностиполикристаллических алмазных пленок. Определены термоактивационные параметры20структурных дефектов, ответственные за прыжковый механизм.

Их величинысоставляют 0,18 эВ и 0,06 эВ.3. С помощью термического окисления выявлена степень дефектности кристаллитовграфита и алмаза, составляющих пленки, получаемые газофазным осаждением.Обнаружены различия в кристаллографическом совершенстве граней алмазныхкристаллитов в зависимости от их ориентации и параметров процесса осаждения.ПредложенУстановлено,механизмчтотермическоготермическоеокисленияокислениенанокристаллитовнанокристаллическогографита.графитногоматериала не оказывает существенного влияния на его автоэмиссионные свойствавплоть до полного разрушения материала.4. Обнаруженадендритнаяфиламентарнаяструктураглобул,составляющихнаноалмазные пленки. Характерный диаметр филаментарных образований составляетот 2 до 10 нм.текстурированнойУстановлено, что в ходе плазмохимического осаждениянаноалмазнойпленкиформируютсямонокристаллыалмазапирамидальной формы.5.

Предложен эмпирический механизм, объясняющий формирование алмазных пленокразличного вида. Разработана численная модель, адекватно описывающая процессроста поликристаллического алмаза в соответствии с предложенным механизмом.6. Впервые на базе техники селективного окисления разработана методика массовогопроизводства монокристаллов алмаза пирамидальной формы с радиусом кривизны уих вершины до 2 нм. Разработаны способ практического применения алмазныхмонокристаллитов пирамидальной формы с нанометровым острием в качестве зондовдля атомно-силовой микроскопии.Список публикаций по результатам, представленным в настоящей работе1.