Диссертация (1103577), страница 6

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

Текст из файла (страница 6)

Необходимо также иметь в виду, что в процессе синтеза МСР Fe/Co/Mo на слюдяную подложку атомы и кластеры напыляемых металлов в местах их тесного контакта могут образовать кластеры , вследствие разных величин электроотрицательности для атомов Fe, Co и Mo ( по шкале Полинга). Электроотрицательность Kr , поэтому в процессе легкого встраивания ионов атомов и кластеров напыляемых металлов в поверхностный слой нейтральных кластеров криптона также могут формироваться комплексные молекулярные кластеры .

Таким образом, при синтезе МСР Fe/Co/Mo могут формироваться следующие типы кластеров:

1) (1>n>10)

2) (n,m>1)

3) (n,m>1)

Для подтверждения присутствия криптона в образцах были проведены исследования элементного состава МСР методом Резерфордовского обратного рассеяния.

Спектроскопия Резерфордовского обратного рассеяния легких ионов , или является аналитическим методом определения элементного состава тонких пленок [⁵⁶][⁵⁷].

Спектры РОР альфа-частиц и протонов получали на экспериментальной установке, построенной на базе ускорителя Ван-дер-Граафа (ЭГ-8) НИИЯФ МГУ, который позволяет ускорять ионы водорода и гелия в диапазоне энергий 1,0-2,1 МэВ. Диаметр пучков составляет 0,5-1 мм. Дисперсия энергии пучков – не более 10 кэВ, максимальный использованный в данной работе ток пучка ~10 нА. Для расчетов спектров протонов с энергией пучка 2.2-2.5 МэВ и спектров альфа-частиц с энергией пучка 2.0 МэВ использовался программный комплекс SIMNRA [⁵⁸], позволяющий проводить элементный послойный анализ мишени в случаях РОР и ЯОР с высокой точностью для энергий частиц до 4 МэВ. Схема анализа выглядит следующим образом: ввод параметров эксперимента, т.е. энергии пучка и угла рассеяния, параметры детектора (тип детектора, его геометрия, энергетическое разрешение), также имеется возможность выбора между различными базами данных по тормозным способностям, параметрам страглинга и учета следующих процессов: страглинга, двойного рассеяния и множественного рассеяния. Затем послойно задается состав моделируемого образца. После этого происходит сравнение моделированного спектра с экспериментальным, затем параметры моделирования изменяются до достижения наилучшего совпадения.

Были исследованы три образца МСР [Fe(18A)Mo(12A)Co(21A)]*100, [Fe(10A)Co(7.8A)Mo(18A)]*100 и [Fe(10A)Co(7.8A)Mo(18A)]*100 и один образец подложки из слюды без напыления металлов для калибровки. В ходе исследования было обнаружено, что в некоторых слоях внутри образцов содержание криптона составляет от 4 до 10 ат. %. Погрешность определения концентрации элементов не превышает 0.5%, разрешение по глубине составляет 0.05 мкм.

Рис2.2 Спектр ЯОР для образца МСР[Fe(18A)Mo(12A)Co(21A)]*100

Рис2.2 Спектр РОР для образца МСР [Fe(18A)Mo(12A)Co(21A)]*100

Исследовался образец МСР [Fe(18A)Mo(12A)Co(21A)]*100. На рисунке 2.2 представлены экспериментальный и рассчитанный спектры ЯОР данного образца. На поверхности образца обнаружен слой в 350 ат/см, состоящий из смеси металлов Co, Mo и Fe, не содержащий криптон. Дифференцировать слои чистого металла при помощи метода ЯОР не представляется возможным в силу малой толщины напыления (~10 A). Состав слоев:

1. Fe 40 ат. %, Co 45 ат.%, Mo 15 ат. %. Толщина 350 ат/см².

2. Fe 34 ат. %, Co 47 ат.%, Mo 12 ат. %, Kr 7 ат. %. Толщина 900 ат/см².

3. Fe 40 ат. %, Co 46 ат.%, Mo 14 ат. %. Толщина 350 ат/см².

4. Fe 33 ат. %, Co 47 ат.%, Mo 12 ат. %, Kr 8 ат. %. Толщина 200 ат/см².

5. Fe 30 ат. %, Co 32,5 ат. %, Mo 10 ат. %, K 1,5 ат. %, Al 3,5 ат. %, Si 3,5 ат. %, O 14 ат. %, H 5 ат. %. Толщина 800 ат/см².

6. K 4,9 ат. %, Al 14,3 ат. %, Si 14,3 ат. %, O 57 ат. %, H 9,5 ат. %. Толщина 20000 ат/см².

Рис2.3 Спектр РОР для образца МСР [Fe(10A)Co(7.8A)Mo(18A)]*100

Состав слоев для образца МСР[Fe(10A)Co(7.8A)Mo(18A)]*100 оказался следующим:

1. Fe 38 ат. %, Co 37 ат.%, Mo 25 ат. %. Толщина 530 ат/см².

2. Fe 39 ат. %, Co 30 ат.%, Mo 21 ат. %, Kr 10 ат. %. Толщина 300 ат/см².

3. Fe 19 ат. %, Co 15 ат. %, Mo 8 ат. %, K 5,5 ат. %, Al 6 ат. %, Si 7,5 ат. %, O 23 ат. %, H 16 ат. %. Толщина 600 ат/см².

4. Fe 15 ат. %, Co 12 ат. %, Mo 0 ат. %, K 5,5 ат. %, Al 14 ат. %, Si 12,5 ат. %, O 27 ат. %, H 14 ат. %. Толщина 400 ат/см².

5. K 4,9 ат. %, Al 14,3 ат. %, Si 14,3 ат. %, O 57 ат. %, H 9,5 ат. %. Толщина 20000 ат/см².

Рис2.4 Спектр РОР для образца МСР [Fe(14A)Mo(12A)Co(21A)]*100

Состав слоев для образца МСР [Fe(14A)Mo(12A)Co(21A)]*100:

1. Fe 44 ат. %, Co 40,5 ат.%, Mo 15,5 ат. %. Толщина 700 ат/см².

2. Fe 46 ат. %, Co 40 ат.%, Mo 10 ат. %, Kr 4 ат. %. Толщина 200 ат/см².

3. Fe 12 ат. %, Co 10 ат. %, Mo 5 ат. %, K 4,5 ат. %, Al 12,5 ат. %, Si 14 ат. %, O 33 ат. %, H 9ат. %. Толщина 350 ат/см².

4. K 4,9 ат. %, Al 14,3 ат. %, Si 14,3 ат. %, O 57 ат. %, H 9,5 ат. %. Толщина 20000 ат/см².

Соединения переходных металлов с инертными газами исследуются достаточно давно. Считалось, что связь между чисто электростатическая, где - ион переходного металла, Ng-атом инертного газа. В работе [⁵⁹] исследовались кластеры , с помощью масс спектрометрии было выявлено, что существуют магические числа с n=4 и 6. Данные соединения были теоретически ииследованы в работе [⁶⁰], в которой было показано, что представляет планарную квадратную структуру. В работе [⁶¹] показано, что стабильность возрастает с увеличением n и с увеличением массы атома инертного газа. Последние исследования в этой области показали, что инертные газы могут выступать в качестве лигандов по отношению к металлическим ионам. В работе [⁶²] была продемонстрирована возможность Xe образовывать химические связи с золотом. Такая возможность ранее была предсказана Pyykko [⁶³]. В работе [⁶⁴] с помощью теории функционала плотности были рассчитаны длины и энергии лигандных связей различных комплексных соединений металлов с инертными газами Ar, Kr, Xe. Рассчитанная энергия связи для соединения оказалась равной 58 ккалл/моль, что хорошо согласуется с экспериментальными значениями. Также были рассчитаны энергии связи и для других комплексов, например для энергия связи оказалась равной 78,5 ккалл/моль.

§2.3 Кристаллическая структура слюды (мусковит) .

В ажную роль в формировании структуры напыляемых пленок играет сама структура подложки. Нами чаще всего в качестве таковой использовалась слюда (мусковит) , так как измерения спонтанной намагниченности одних и тех же образцов, напыленных на оптически полированное стекло, на ситал и на слюду, показали, что величина (на слюде)> (на стекле)> (на ситале). Кроме того, плоские участки слюды (террасы) имеют шерховатость порядка атомных размеров и поэтому часто используются в электронной микроскопии. Пленки, осажденные на слюду, имеют островковую структуру.

Слюда имеет сложную структуру и расщепляется на тончайшие слои, что обусловливается ее кристаллической структурой (рис.2.5), сложенной 3-слойными пакетами из 2 слоев кремне- и алюмокислородных тетраэдров, соединённых через слой, составленный из октаэдров, в центре которых расположены ионы Al, окруженные 4 ионами кислорода и 2 группами OH; 1/3 октаэдров не заполнена ионами Al. Пакеты соединены между собой ионами калия. Поверхность слюды наряду с атомами Si, Al, Cu содержит также окислы щелочных металлов: Na и К, что приводит к появлению значительного отрицательного заряда на поверхности свежерасщепленной слюды в вакууме с потенциалом относительно земли [⁶⁵]. Отметим также, что поверхности кристаллической слюды практически химически инертны, однако бомбардировка ионами инертных газов с энергией Е<100эВ может приводить к разрыву связей между атомами на поверхности слюды, что делает ее химически активной [⁶⁶]. Характерным для поверхности слюды является также наличие значительного количества структурных неоднородностей: выступов и террас.

Все эти факторы способствуют формированию в процессе напыления металлических кластерных ансамблей в виде островковых столбчатых структур и квазиодномерных нитей с низкими значениями координационных чисел.

Известно, что на первой стадии напыления металлических пленок на неметаллических поверхностях (в частности на слюде), они растут как трехмерные островки каплеобразной формы [⁶⁷]. При больших толщинах пленок форма островков становится вытянутой и только при дальнейшем увеличении толщины после прохождения перколяционного предела, пленка становится сплошной с шерховатой поверхностью.

§2.4 Экспериментальная установка для синтеза образцов МСР .

Образцы пленок МСР Fe/Co/Mo были синтезированы на уникальной экспериментальной установке, созданной сотрудниками кафедры КОФиКС физического факультета МГУ под руководством проф. Э.М.Рейхруделя и ст. н. с. Смирницкой.

С интез МСР ведется методом катодного распыления в разряде Пеннинга, при котором поток электронов осциллирует между двумя противоположно расположенными катодами-мишенями из распыляемых металлов. Схематически установка представлена на рис 2.6, а ее разрядная ячейка на рис. 2.7.

Поскольку характеристики сверхрешеток сильно изменяются в присутствии малейших следов активных газов, то для получения чистых сверхрешеток используется безмасляная откачка. На рисунке 2.3 приведена схема экспериментальной установки и ее высоковакуумной части. Предварительная откачка системы до р~10^-3 Торр осуществлялась цеолитовым насосом 2 через краны 4, 6. Дальнейшая откачка производится магниторазрядным насосом НМД (1) до р~10^-7 Торр. Разрядная ячейка монтируется в разборном стеклянном колпаке диаметром 100 мм (7), армированном металлическим фланцем; нижний фланец колпака имеет восемь изолированных керамикой выводов. Чтобы исключить прогрев магниторазрядного насоса после каждого вскрытия системы, он отделяется от колпака высоковакуумным краном (5). Предварительная откачка магниторазрядного насоса осуществляется цеолитовым насосом через кран (3). Рабочий газ подается в систему через натекатель (11). Для поддержания в колпаке постоянного рабочего вакуума в течение всего процесса напыления к системе присоединен дополнительный стеклянный магниторазрядный насос (8).

Разрядная ячейка (рис.2.7) имеет катоды-диски с секторами из поликристаллических Fe, Co и Mo для получения МСР Fe/Co/Mo. Также имеется цилиндрический анод из нержавеющей стали с продольными окнами. Система находится в постоянном магнитном поле, создаваемом соленоидом и направленном вдоль его оси. Расстояние между катодами-мишенями составляет 4 см. Длина и диаметр анодов равны 3 см и 2.7 см соответственно.

О собая конфигурация электрического и продольного магнитного полей (небольшой угол между направлениями и ) обеспечивает горение разряда при сколь угодно низком давлении ~ торр. При напылении пленок в исходное давление остаточных газов составляет (~ торр), а разряд происходит при более низком давлении инертного рабочего газа (~ торр ), чем при получении пленок методом магнетронного распыления. Экспериментальное и теоретическое изучение механизма разряда было проведено ранее в лаборатории Э.М. Рейхруделя и Г.В. Смирницкой [⁶⁸,⁶⁹,⁷⁰].. Опыты показали, что при р<10^-4 торр на анод идут направленные потоки электронов с энергией от нескольких эВ до нескольких сот эВ. Непрерывная бомбардировка пленок и подложки в процессе напыления электронами из разряда также способствует очистке пленок и позволяет получать более чистые пленки с лучшей адгезией к подложке. При подаче на подложку отрицательного смещения, пленки в процессе напыления могут подвергаться бомбардировке ионами из разряда. Тем самым возможно управляемое воздействие ионов на формирование и структуру пленок. Вращая секционированный катод и подводя под ионный пучок анода как отдельные металлы, так и различные металлы с разными соотношениями площадей отдельных компонент, можно получать как однокомпонентные, так и многокомпонентные и многослойные пленки различных составов. Бомбардировка катодов ионами, образовавшимися в разрядном пространстве в результате ионизации осциллирующими электронами с энергией в несколько сот эВ, позволяет распылять любой тугоплавкий металл, а также и полупроводники. Распыление атомов катода подчиняется закону косинуса, распыленный металл летит на анод и противоположный катод. Если за окнами, вырезанными в аноде, поместить подложки, то распыленный материал будет осаждаться на них. Напыление с двух противоположно расположенных катодов обеспечивает равномерное распределение материала по поверхности подложки.

Характеристики

Список файлов диссертации