Исследование структурно-морфологических свойств поликристаллических углеродных пленок (1103264), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Совместно с соавторами проводился анализ спомощью методов зондовой и электронной микроскопии. Постановка задач исследований,6определение методов их решения и интерпретация результатов выполнены совместносоавторами опубликованных работ при непосредственном участии соискателя. Выдвинутыена защиту научные положения, выводы диссертации являются результатом самостоятельныхисследований автора.Структура и объем работыДиссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и списка цитируемой литературы.Диссертация изложена на 136 страницах машинописного текста содержит 89 рисунков, 1таблицу и 106 ссылок на литературные источники.Содержание работыВообоснованавведенииактуальностьвыбраннойтемыдиссертации,сформулированы основные цели работы, показаны научная новизна и практическая ценность,перечислены основные положения, выносимые на защиту.Первая глава содержит анализ имеющихся литературных данных по тематикеисследования.
Рассмотрены вопросы взаимосвязи механизмов процессов формированияуглеродных пленочных материалов, получаемых методом плазмохимического осаждения, ихструктурно-морфологических и некоторых физических свойств. В начале главы краткоперечислены основные разновидности углеродных пленочных материалов, имеющихотношение к данной работе: поликристаллические алмазные пленки, наноалмазные пленки,графен,графитныепластинчатыенанокристаллиты(нанокристаллическийграфит).Приводится описание структуры и основных свойств этих материалов.
Особое вниманиеуделено анализу литературных данных относительно структуры текстурированных алмазныхпленок, представляющих собой пространственно ориентированные кристаллиты микронногоразмера в окружении нанокристаллического алмазного материала.Во втором параграфе рассматриваются существующие модели, описывающие процессроста поликристаллических углеродных пленок в ходе плазмохимического осаждения наразных уровнях. Большая часть параграфа посвящена формированию алмазных пленок, таккак этот процесс изучен значительно более подробно, чем процесс формирования графитныхпленок. Рассматриваются стереохимические реакции, лежащие в основе послойного ростаалмазных граней {111} и {100}.
Различие процессов газофазного осаждения и травления вприсутствииатомарноговодородадлягранейупомянутыхтиповобуславливаетмакроскопическую анизоторопию свойств получаемых кристаллитов в направлениях <100> и<111>.Такжерассматриваютсяпроцессывторичнойнуклеации идвойникования,нарушающие эпитаксиальность роста.
Отмечается, что согласно литературным даннымдинамикаростаграни{111}существеннымобразомопределяетсявероятностьюдвойникования. Описанные выше процессы, происходящие на микроскопическом уровне,7определяют макроскопические особенности морфологии поликристаллических алмазныхпленок. Форма отдельных кристаллитов алмаза обуславливается соотношением скоростейроста в направлениях <100> и <111> и плотностью вторичной нуклеации и двойникования награнях {100} и {111}. Морфология поликристаллической пленки определяется плотностьюначальной нуклеации и принципом геометрического отбора, согласно которому при массовойкристаллизации наибольших размеров достигают кристаллиты, направление максимальнойскорости роста которых нормально к подложке. Эта модель (модель ван дер Дрифта)позволяет объяснить текстуру поликристаллических алмазных пленок, а также столбчатуюструктуру составляющих их кристаллитов.Далеепредставленкраткийобзорэкспериментальныхработ,исследующихкорреляцию макроскопических параметров, определяющих морфологию пленки, и режимовпроцесса осаждения.
Наиболее значимыми параметрами таких процессов являютсяконцентрация углеводорода в газовой смеси и температура подложки. Параграф завершаетсярассмотрением вопроса о применении изложенных выше моделей к описанию структурноморфологических свойств основных типов поликристаллических углеродных пленок.В третьем параграфе описываются оптические и электрофизические свойствапленочных углеродных материалов, имеющие наибольшую значимость с точки зренияпрактических применений. Эти свойства рассматриваются в корреляции с их структурноморфологическими характеристиками, подчеркиваются различия свойств углеродных пленоки свойств массивных углеродных материалов.
Одним из важных выводов, следующих израссмотрения литературных данных, является значительно более высокая дефектностьуглеродных пленочных материалов, получаемых методом ПХО, по сравнению с природнымианалогами.Вторая глава диссертации посвящена описанию экспериментальных методик,использовашихся в работе для получения углеродных пленок различной морфологии ифазового состава, а также для исследования их структурно-морфологических и некоторыхдругих свойств.В первом параграфе кратко описываются процедуры, использовавшиеся в процессеизготовления и модификации исследовавшихся образцов.
В данной работе для полученияуглеродных пленок использовались ранее разработанные методики и оборудование погазофазному осаждению из метан-водородной газовой смеси, активированной разрядомпостоянного тока. В качестве подложек, как правило, использовались стандартныекремниевые пластины. Варьирование параметров процесса осаждения позволяло получатьуглеродные пленки, различающиеся составом (от чистого алмаза до графита) и структурнымихарактеристиками (от микро- до нано-кристаллического алмаза, от аморфной сажи довысокоупорядоченных наноразмерных кристаллитов графита или углеродных нанотрубок).8Во втором параграфе описываются методы, использовавшиеся для изученияособенностей физических свойств полученных углеродных пленочных материалов. Длякаждого из приведенных методов излагаются теоретические основы для их использования,после чего описывается использованное оборудование и техника проведения экспериментов.В работе использовалось следующие методы и оборудование:- для исследования типа проводимости и других электрических свойств использоваласьдиэлектрическая спектроскопия, реализуемая на анализаторе импеданса NovocontrolTechnologies (измерения проводились совместно с Лотоновым А.М., Физический факультетМГУ);- для исследования спектров колебательных возбуждений применялись инфракраснаяспектроскопия (ИК-Фурье спектрометра Vertex 70 Bruker Optics) и спектроскопиякомбинационного рассеяния света (КРС-спектрометр Ramanor U1000 Jobin Yvon);- для исследования оптических свойств также использовался спектрофотометр Shimadzu UV3600.В третьем параграфе излагаются основы методики селективного термическогоокисления.
Эта новая методика была разработана в ходе выполнения данной работы. В ееоснове лежит выявленная в работе зависимость температуры и кинетики процесса окисленияугдеродных материалов от степени упорядоченности и типа кристаллической решетки. Дляопределения характерных температур окисления углеродных материалов использовалисьтермовесы STA – 449C (Netzsch). На основе полученных экспериментальных данных былиопределены режимы окисления, позволяющие селективно удалять те или иные фракцииуглеродного материала. Такое управляемое окисление позволило выявить внутреннююструктурупленок.Дляпроведенияэкспериментовпоокислениюиспользоваласьмодифицированная трубчатая печь ПТК -1,2 – 40 (НПО «Теплоприбор»).
Дополнительныесведения о влиянии окисления на параметры углеродных пленок были получены с помощьюисследования их автоэмиссионных характеристик.В четвертом параграфе описываются различные виды микроскопии, использовавшиесядля анализа структурно-морфологических свойств исследуемых объектов:- оптическая микроскопия Axioplan 40 Pol (Zeiss) ;- растровая электронная микроскопия на приборах LEO Supra 50 VP (Zeiss) (измеренияпроводились совместно с А.В. Гаршевым - Факультет наук о материалах МГУ) и LEO 15500(Zeiss) (измерения проводились совместно с совместно с Д.А.
Ляшенко - Факультет физики иматематики, Университет Йоенсуу, Финляндия);- просвечивающая электронная микроскопия на приборах LEO 912 AB Omega (Zeiss)(измерения проводились совместно с С.С. Абрамчуком - Физический факультет МГУ), JEM92000 EX (Jeol) (ЦКП МИСиС) и TITAN 80-300 (FEI) (измерения проводились совместно сА.Л.
Чувилиным – Университет Ульм, Германия)В третьей главе изложены оригинальные результаты, полученные при исследованиивзаимосвязирежимовпроцессаплазмохимическогоосаждениясоструктурно-морфологическими и другими свойствами пленочных углеродных материалов.Рис.
1. Диаграмма зависимости вида получаемых в ходе ПХО углеродных материалов отобъемной доли метана и температуры подложки: А- объемная доля метана 0 - 3%; Б –объемная доля метана 3 – 6%. Приведены изображения пленок на сколе. Обозначения: НА –наноалмаз, НГ – нанографит, МА – микрокристаллический алмаз.Первый параграф является обобщением массива экспериментальных данных,полученных в ходе исследования зависимости типа получаемого пленочного материала отрежима процесса осаждения.
Результаты этого анализа представлены в виде диаграммы,изображенной на рис. 1. Как видно из этого рисунка, относительно более низкие температурыподложки в процессе осаждения при низкой концентрации метана приводят к формированиюалмаза, тогда как высокие температуры с высокими концентрациями метана приводят кобразованию графитоподобного и сажеподобного материалов. При величине концентрацииметана, имеющей промежуточное значение, в зависимости от температуры подложкипроисходит формирование материалов, представляющих собой смесь наноалмазной,микроалмазной и графитоподобной фракций в различных пропорциях. При этом рост10температуры приводит к уменьшению доли наноалмазной фракции и увеличению долиграфитоподобной фракции.Во втором параграфе приводятся результаты исследования электрических иоптических свойств микрокристаллических алмазных пленок.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
