Синтез и свойства пленок Mg(Fe0, 8Ga0, 2)2O4-δ на подложках Si с термостабильными межфазными границами (1091893), страница 9

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 9)

Расчет осуществлялся в предположении, что в результате реакцииобразуются оксиды металла в высшей степени окисления; CO2 , H2O и N2, акислородный баланс нитрата магния равен 5 (при разложении нитратамагния выделяется пять молей атомарного кислорода), нитратов галлия ижелеза – 7.5, лимонной кислоты – 9 [103].Общее уравнение химической реакции, описывающее получениеисходных составов методом СВС (2.1):Mg(NO3)2 + 0,4Ga(Al)(NO3)3 + 1,6Fe(NO3)3 + 2,22С6Н8О7 + nNH4NO3 →MgGa(Al)0,4Fe1,6O4 + 13,32СО2 + (8,88+2n)Н2О+ (4+n)N2 + 0,5nO2(2.1)Приготовленный раствор при постоянном перемешивании упаривалина роторном испарителе.

Раствор, упариваясь, превращался в вязкуюжидкость, а затем в гель. При дальнейшем увеличении температурыпротекала самораспространяющаяся реакция горения с образованиемкоричневого мелкодисперсного порошка.Полученные порошкообразные образцы перетиралась, а затемпрессовались в виде штабиков с размерами 40х5х5 мм на гидравлическом50прессе в стальных прессформах под давлением  108 Па. Мишень,составленная из нескольких штабиков, использовалась в дальнейшем длясинтеза пленок.Необходимо отметить, что кристаллизация мишеней для последующегосинтеза пленок не проводилась: полученные штабики – мишени дляраспыления, характеризовались аморфной структурой.Схема получения порошкообразных образцов и мишеней для синтезапленок приведена на рисунке 2.1.Fe(NO3)3Mg(NO3)2Ga(NO3)3C 6H 8O 7HN4NO3Водный растворУпаривание нароторном испарителеНагрев накерамической плитке(реакция СВС)Мелкодисперсныйаморфный порошокЗапрессовка в брикетыПрокаливание притемпературе 900950oСМелкодисперсныйкристаллическийпорошокРисунок 2.1 – Общая схема процесса синтеза керамических образцовMg(Fe1-xGax)2O42.2Синтез аморфных пленок Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4-δПленки состава Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ были получены методом двойногоионно–лучевого распыления, который состоит в бомбардировке мишенипотоком ионов, и переносе продуктов распыления на подложку.

Такой51подход позволяет реализовать поэлементный перенос материала подложкисложно состава (в т.ч. и сложных оксидов) на любую подложку (в данномслучае, подложку из монокристаллического кремния марки КБЭ–2).Схема ионно–лучевой установки для получения оксидных пленок [91]приведена на рисунке 2.2.165321 – вакуумная камера82, 4 – источник ионов3 – четырех позиционный держатель5 – подвижной держатель76 – магнитная система47, 8 – заслонкиВакуумРисунок 2.2 – Схема ионно–лучевой установки для полученияоксидных пленок [91]Установка создана на базе вакуумного поста A700Q «Leybold–HeraeusGmbH» с турбомолекулярным насосом.В вакуумной камере 1 установлен источник ионов 2 для распылениямишеней диаметром до 100 мм, располагаемых на четырехпозиционномдержателе 3.

Источник ионов 4 аналогичен по конструкции источнику ионов2 и предназначен для предварительной подготовки поверхности подложкиперед нанесением пленки. Пленки осаждаются на подложки, закрепленныена подвижном держателе 5. Дополнительная осесимметричная магнитнаясистема 6 создает продольное магнитное поле величиной до 20 мТл.Дополнительная заслонка 7 полукруглой формы перекрывает 40% площади52выходного отверстия источника ионов 4 со стороны источника ионов 2, чтопозволяет предотвратить выход в камеру той части ионного потока, которыйне попадает на рабочую подложку.

Подвижная заслонка 8 защищаетповерхность подложки от загрязнений во время установления рабочегорежима [91].Перед распылением проводилась очистка подложек очищеннымсжатым воздухом от инородных частиц из окружающей атмосферы иудаление мелких частиц и органических образований в плазме СВЧ разряда(давление 10-2 Торр, 750 Вт, 120 с).Формирование барьерного слоя SiO2 осуществлялось на установкедвойного ионного распыления прямым воздействием ионного пучка вследующих условиях: атмосфера кислорода, давление 210–4 Торр, ток пучка0,15 мА/см2, ускоряющее напряжение 300 кВ, длительность 900 с).

Врезультате ионного распыления происходило удаление естественного слояSiO2 с поверхности кремния, при этом, как следствие ионно–плазменныхпроцессов и окислительных реакций в атмосфере кислорода, одновременноформировался аморфный слой SiO2, толщина которого по окончаниисоставила 10–100 нм.Распыляемая мишень представляла собой керамические брикетыстехиометрического состава, помещенные в держатель мишени (рисунок 2.3).При этом ионный луч от источника укладывается в площадь мишени.Перед нанесением материала мишени на подложки проводилась ионнаячистка мишени – распыление ее «вхолостую» в течение часа в атмосфереаргона.Рисунок 2.3 – Внешний вид керамической мишени53Непосредственно после напыления пленки характеризовалисьаморфнойструктурой.Дляихкристаллизациитребовалсявысокотемпературный отжиг, который проводился в муфельной печи притемпературе 950°С в течение 1 часа (рисунок 2.4).До отжигаПосле отжигаРисунок 2.4 – Свеженапыленные (слева) и отожженные (справа)пленочные образцы2.3Методы исследованияДля исследования морфологии поверхности пленок и их объемнойструктуры использовался двухлучевой электронно–ионный аналитическийкомплекс.Двухлучевые установки представляют собой высокоразрешающийрастровый электронный микроскоп с интегрированной ионной колоннойHelios Nanolab 400 (FEI Company, США), предназначенной, прежде всего,для реактивного ионного травления поверхности образца (рисунок 2.5).Такие установки часто называют ФИП (Фокусированный Ионный Пучок)системами.Ионная пушка расположена под углом 52° относительно электронной(оптической) оси, и откалибрована таким образом, чтобы ионный пучок,электронный пучок и исследуемая поверхность находились в одной точке.Поэтому при повороте образца под 90° относительно ионного пучка непроисходило смещение области травления.54Электронная колоннаРСМАГИСИонная колоннаМикроманипуляторРисунок 2.5 – Внешний вид и основные узлы электронно–ионногокомплекса PHI Helios Nanolab 400Отличительной особенностью ФИП системы от электронногомикроскопа заключается в наличии газо–инжекционной системы (ГИС),которая позволяет локально наносить различные покрытия (платина, углерод,золото, вольфрам).

Для получения высококачественных поперечных резовпредварительно напыляют платину. Это позволяет снизить количестводефектов травления, связанных с влиянием рельефа поверхности, а такжечетко визуализировать границу поверхности и провести более точныеизмерения.ВажнойособенностьюявляетсяналичиесистемыРСМА(Рентгеноспектральный Микроанализ) – X–Max (Oxford, Великобритания),позволяющей детектировать характеристическое рентгеновское излучение,индуцированное первичным электронным пучком, и, таким образом,определять состав исследуемого материала. К сожалению, точность этогометодасущественноуступает,например,вторичнымион–массспектрометрам, и оже–спектрометрам, поэтому применение его дляопределения состава шпинели Mg(Fe0.8Ga0.2)2O4–δ было ограничено лишькачественной оценкой.Погрешность линейных измерений для данного класса приборов непревышает 5%.55Для исследования морфологии поверхности, наряду с РЭМ,использовался атомно–силовой микроскоп (АСМ) Ntegra Maximus (НТ–МДТ,Россия).Существенным недостатком метода является сложность интерпретацииданных о магнитном распределении, полученных в условиях развитогорельефа поверхности.Для измерения магнитных характеристик вещества использоваласьуниверсальная измерительная система (автоматизированный вибрационныймагнитометр) «Liquid Helium Free High Field Measurement System» (CryogenicLTD, Великобритания).В основе метода вибрационного магнитометра лежит индукционныйспособ измерения магнитных свойств.

Образец, укрепленный на штоке,приводится в колебательное движение в системе измерительных катушек.При колебательном движении образца в катушках наводилась ЭДС,пропорциональная намагниченности образца и частоте его колебаний (2.2):(2.2)где М – намагниченность образца;z – условное направление оси катушек и оси колебания образца;νz – частота колебания образца вдоль оси катушек.Система из двух пар катушек, соединенных «встречно» и«последовательно», обеспечивает наиболее точные измерения, минимизируяпаразитные сигналы от внешних магнитных полей.Величина переменного напряжения фиксируется фазочувствительнымвольтметром, который посредством цифрового канала связи передаетизмеренную величину напряжения в программу управления VSM Softwarev081018 на управляющий персональный компьютер.Данный метод обеспечивает погрешность результата измерениянамагниченности не хуже 1,5% при измеряемой величине намагниченностине ниже ±1·10-6 А·м2 (±1·10-3 А·м2).Исследование кристаллической структуры образцов проводилосьметодом рентгено–фазового анализа (РФА) на дифрактометре ДРОН–3М56(ЛНПО «Буревестник», Россия) в Cu−K излучении при комнатнойтемпературе в диапазоне углов от 20º до 65º.Определение химического состава пленки, а также исследованиераспределения химических элементов по глубине было проведено методомэлектроннойоже-спектроскопиисиспользованиемэлектронногосканирующего оже-спектрометра PHI – 660 (Perkin Elmer, США).Возбуждениеатомовпроизводилосьпервичнымостросфокусированным электронным пучком с энергией электронов порядка10 кэВ.

Характеристики

Список файлов диссертации