Получение и исследование наноалмазных пленок

На правах рукописиДОЛГАНОВ Матвей АлександровичПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ НАНОАЛМАЗНЫХ ПЛЕНОК01.04.07 – физика конденсированного состоянияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква, 2013Работа выполнена на кафедре физики полимеров и кристаллов физического факультетаМосковского Государственного Университета им. М. В. ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор Образцов Александр НиколаевичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,ПоповМихаилЮрьевич,федеральноегосударственное бюджетное научное учреждениеТИСНУМкандидат физико-математических наук,Бокова-Сирош Софья Николаевна, Институтобщей физики им. А.М. Прохорова РАНВедущая организация:Институт проблем технологии микроэлектроникии особочистых материалов РАН (ФБГНУ ИПТМ)Защита диссертации состоится 3 октября 2013 года в 17:00 на заседании диссертационногосовета Д.501.002.01 при Московском Государственном Университете им.

М. В.Ломоносова по адресу: г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2, физический факультет,Южная Физическая АудиторияС диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.Автореферат разослан 29 августа 2013 года.Ученый секретарь диссертационного советаД.01.002.01 при МГУ им. М. В. Ломоносовакандидат физико-математических наук, доцент2Т. В.

ЛаптинскаяI. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫДиссертационная работа посвящена экспериментальному исследованиюнаноструктурированных поликристаллических алмазных пленок и включаетв себя разработку методов получения и модификации таких материалов, атакже анализ их структурно-морфологических характеристик. В качествеосновногометодаполученияалмазныхпленочныхматериаловиспользовалась методика плазмохимического осаждения из газовой смесиводорода и метана, активированной разрядом постоянного тока. В ходеработы была определена зависимость фазового состава и структурныхособенностей пленок от концентрации метана в газовой смеси, напряжения итока разряда, температуры подложки и способа ее обработки передосаждением.

Параметры плазмы газового разряда, из которой проводилосьосаждение пленок, контролировались с помощью оптической эмиссионнойспектроскопии (ОЭС). Анализ состава, структуры и морфологии полученныхматериалов проводился с помощью растровой электронной микроскопии(РЭМ) в сочетании с методами комбинационного рассеяния света (КРС) итермогравиметрии (ТГ) и просвечивающей электронной микроскопии(ПЭМ). Предложены эмпирические модели, позволяющие объяснитьформирование пленок различного фазового состава. Разработаны численныемодели роста и окисления поликристаллических алмазных пленок на основемеханизма конкурентного роста.Актуальность темы.

Уникальная комбинация физических свойств алмазапривлекают к этому материалу повышенное внимание с точки зрения егопрактического использования. В тоже время относительная редкость иограниченность размеров алмазов естественного природного происхожденияделают чрезвычайно важными и актуальными разработки методовискусственного синтеза этого материала. В последнее время дополнительныйинтерес к этой проблеме вызывается также возможностью синтезаалмазоподобных материалов, представляющих собой углерод-углеродныекомпозиты, а также наноразмерных частиц алмаза, обладающие свойствами,отличными от “объемного” алмаза.

Свойства таких наноматериаловпривлекательны для использования в различных областях от электроники добиотехнологий. С точки зрения практического использования, в большинствеслучаев алмазные и наноалмазные материалы требуются в виде тонкихпленок, нанесенных на подложку, или в виде тонкопленочных покрытий наразличных деталях. Как правило, такие пленочные покрытия создаютсяпосредством методов химического осаждения углерода из газовой фазы,активированной тем или иным способом. Несмотря на многочисленныеисследования, многие аспекты процессов, происходящих во время такогохимического осаждения, остаются невыясненными, вследствие чего зачастуюполучение материала с требуемыми характеристиками ведется методом проби ошибок.

Недостаточное понимание механизмов роста вызвано, в частности,3отсутствием или ограниченностью информации о взаимосвязи параметровроста со структурно-морфологическими особенностями таких пленок, что, всвою очередь, существенно понижает повторяемости их характеристик.Цель работы: разработка научных основ получения алмазных пленокразличного типа с использованием газофазного химического осаждения,включая исследование влияния различных параметров процесса осажденияна свойства алмазных пленочных материалов, а также определениемеханизмов формирования пленок с заданными характеристиками.В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующиеосновные задачи исследований:разработка методов получения алмазных пленок с различнымихарактеристиками при вариации параметров процесса осаждения в газовойсреде активацированной плазмой разряда постоянного тока, включаяконтроль основных параметров процесса осаждения и характеристик плазмыразряда;проведениесистематическогоисследованияструктурноморфологических характеристик получаемых алмазных пленок различнымиметодами и определение их взаимосвязи с параметрами роста;построение моделей механизмов формирования алмазныхпленочных материалов на основе базовых представлений о процессах ростаполикристаллических пленок, разработка на их основе численных моделейэтих процессов.Научная новизна результатов, полученных в ходе выполнения работы,состоит в следующем:получены новые данные о структуре поликристаллическихалмазных пленок, состоящих из кристаллитов микрометрового инанометрового размера;разработанаметодикаселективногоокисленияполикристаллического алмаза, с помощью которой получены новые данные офазовом составе и внутренней структуре пленок;предложены новые методы допирования алмазных пленочныхматериалов азотом, определены структурные характеристики допированныхазотом алмазных пленок, получены новые данные о влиянии азота наформирование поликристаллического алмаза в ходе плазмохимическогоосаждения;разработана численная модель, описывающая рост алмазныхпленок и их окисление при нагреве на воздухе.Практическая ценность работы заключается в:разработке методов получения алмазных пленок, позволяющихполучать материалы с заданными в некотором диапазоне характеристиками;получении алмазных материалов с уникальными структурнымихарактеристиками, привлекательными для ряда приложений;4разработке численной модели роста алмазных пленок и ееэкспериментальной верификации.Положения, выносимые на защиту:определена взаимосвязь характеристик алмазных пленок ивходящих в их состав алмазных кристаллитов от способа создания ипараметров нуклеационных центров на подложках;показано, что наноалмазные пленки, получаемые осаждением изгазовой фазы, состоят из нитевидных кристаллитов, образующих глобулы сдендритоподобной структурой;разработанычисленныемоделиростаиокисленияполикристаллических алмазных пленок на основе механизма конкурентногороста;разработана методика внедрения примесей азота в алмазныепленкивходеихплазмохимическогоосаждения;полученыэкспериментальные данные, свидетельствующие о формировании азотновакансионных центров в алмазных кристаллитах, составляющих пленки,получаемые из азот-содержащей газовой смеси.Представленные в диссертации результаты прошли апробацию в ходевыступлений на различных научных семинарах и конференциях, в том числе:3-rd Russian-Finnish Meeting "Photonics and Laser Symposium", Moscow,Russia, 2007; Конкурс Молодых Ученых Секции Физикохимии нано- исупрамолекулярных систем, Москва 2008; International Workshop onNanocarbon Photonics and Optoelectronics, Polvijarvi, Finland, 2008; 5th BilateralRussian-French Workshop on Nanoscience and Nanotechnologies.

Moscow,Russia, 2008; Second International Workshop on Nanocarbon Photonics andOptoelectronics, Koli, Finland, 2010; Symposium on Nano and Giga Challenges inElectronics, Photonics and Renewable Energy, Moscow, 2011.Публикации. По материалам исследований, представленных вдиссертации, опубликовано 4 статьи в реферируемых научных журналах, 8тезисов докладов, представленных на российских и международныхконференциях. Список опубликованных статей приводится в концеавтореферата.Достоверность полученных и представленных в диссертации результатовподтверждается использованиемсовременных, апробированных истандартизованных методов исследований, тщательностью проведенныхизмерений, согласованностью экспериментальных результатов, полученныхнезависимымиметодамиисследований,успешнымприменениемразработанных методик, а также общим согласием с результатами другихисследователей.Личный вклад.

Результаты, изложенные в диссертации, получены личносоискателем или при его непосредственном участии. Постановка задачисследований, определение методов их решения и интерпретация5результатов выполнены совместно соавторами опубликованных работ принепосредственном участии соискателя.Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырехглав, заключения. Общий объем работы 121 страница. Диссертационнаяработа содержит 47 рисунков, 4 таблицы и список цитируемой литературы из111 наименований.II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВведение посвящено обоснованию актуальности выбранной темыдиссертации, формулировке основных целей работы; также указаны еенаучная новизна и практическая ценность, перечислены основныеположения, выносимые на защиту.Первая глава содержит анализ имеющихся литературных данных потематике исследования.

Представлены основные сведения относительноизвестных аллотропных модификаций углерода, рассматривается их атомноестроение и структурно-морфологические особенности. Приведены основныеспособы получения алмазных материалов. При этом особенное вниманиеуделяется описанию процессов формирования алмазных пленочныхматериалов с помощью методики газофазного химического осаждения. Вчастности рассматриваются два наиболее важных аспекта формированияалмаза в ходе данного процесса: кинетика физико-химических процессов,происходящих в газовой смеси, и различие механизмов роста различныхграней алмазных кристаллов.В данной главе рассматриваются также особенности формированиямонокристаллического и поликристаллического алмазного материала.Приводится описание основных структурных дефектов алмазных кристаллов(дислокации, дефекты упаковки, примесные включения и вакансии) и ихвлияние на морфологию алмаза.