Получение и свойства графитных пленок нанометровой толщины (1104462), страница 4
Текст из файла (страница 4)
При исследованииматериала был обнаружен ряд топологических особенностей в видескладок, расположенных по всей поверхности пленок, участков сволнообразными периодическими структурами и вздутий (пузырей). Было12показано, что причина появления складок заключается в значительнойразнице в величинах коэффициента теплового расширения (КТР)углеродной плёнки и никелевой подложки, что приводит к механическимнапряжениям при остывании образца до комнатной температуры.Возникновение периодических структур может быть также связано сразличием свойств пленки и подложки.
Для описания такихволнообразных морфологических особенностей использовались модели,развитые ранее для объяснения особенностей поведения тонких пленок намассивных подложках.(а)(б)Рис. 3 (а) АСМ и (б) РЭМ изображения квазимонокристаллическойграфитной плёнки, полученной на никелевой подложке.Формирование пузырей является результатом спонтанногорасщепления слоев графита, связанного с водородом, захваченным впроцессе осаждения между атомными слоями.
Результаты КРС анализа длятаких пузырей свидетельствуют о том, что стенки пузырей могутсодержать от одного до нескольких атомных слоев графена. Некоторые изнаблюдавшихся пузырей имели оптически прозрачные стенки. Такиеотслоенныеучасткимогутиспользоватьсявкачествеквазимонокристаллических графеновых мембран.Четвёртая глава диссертации посвящена описанию результатовисследований некоторых физических свойств графитных пленокнанометровой толщины, а также результатов исследований по созданиюпрототипов наноустройств на основе исследуемых монокристаллическихграфитных плёнок и изучения их электрофизических характеристик.В первом параграфе приводятся результаты систематическогоисследования КРС в наноструктурированных графитных пленках,полученных осаждением из газовой фазы.В качестве объектов исследований в данном разделе использовалисьуглеродные пленки, полученные осаждением из газовой смеси метана иводорода, активированной разрядом постоянного тока.
Условия осаждениясоответствовали получению мезопористого графитоподобного материалана подложках из кремния и никеля, рис. 1а. Такие нанографитные пленкибыли подробно исследованы нами в гл. 3 и никаких существенных отличий13в их свойствах в зависимости от материала подложек обнаружено не было,если длительность процесса осаждения превышает 45 мин. Однако присокращении времени осаждения до 5-10 мин получавшиеся пленки имелигладкую поверхность. Кроме этого, при использовании в качествеподложек пластин никеля получаемые пленки при толщине в нескольконанометровимеютструктурныехарактеристикиблизкиекмонокристаллическому графиту (рис.
3). Дополнительно к пленочнымобразцам для сравнительного анализа проводилось исследование образцавысокоориентированного пиролитического графита HOPG SPI-3 GRADE(производство компании SPI West Chestr, PA 19381 USA).На рис. 4 представлены типичные спектры КРС, полученные длятрех типов исследовавшихся графитных материалов: образец HOPG(спектр 1), пленка, полученная осаждением на никеле при длительностипроцесса 5 мин (спектр 2) и пленка, полученная осаждением придлительности процесса 60 мин, (спектр 3). Спектры образцов пленок,осаждавшихся при длительностях более 45 мин, практически неотличались друг от друга для различных подложек (кремний или никель) идля различного времени осаждения в пределах от 45 до 180 мин.
Всеспектры представлены в виде зависимостей, нормированных наинтенсивность линии G (1580 см-1).Рис. 4 Спектры КРС (I(νν)) образцов HOPG (ё), графитной пленки,полученной на никеле при длительности осаждения 5 мин, (2) имезопористой графитной пленки, полученной при длительности осаждения60 мин (3). Все спектры нормированы на интенсивность линии G (1580 см-1).Согласно литературному обзору полученные КРС спектры типичныдля материалов этого рода и содержат линии G, D, D*, а также их высшиеобертоны. Различия в интенсивности линий D указывают на степень14структурного разупорядочения исследованных материалов.
Наиболеевысокоупорядоченными являются образцы HOPG и пленки, осаждавшиесяна никеле в течение 5 мин, для которых интенсивность линии D была нижеуровня шумов (спектры 1 и 2). Такой спектр соответствует квазимонокристаллическому материалу. Наибольшее количество дефектов (спектр c)присутствует в нанографитных пленках, полученных при длительностиосаждения 60 мин (мезопористый графит).Также для данных образцов были получены зависимости КРС отэнергии квантов возбуждающего лазерного излучения.
Было установлено,что частота, соответствующая максимуму этих линий, уменьшается сэнергией квантов возбуждающего излучения. При этом в области малыхзначений энергии квантов эта зависимость имеет форму, близкую клинейной. Некоторое отклонение от линейной зависимости наблюдается вультрафиолетовой области, что отражает, видимо, нелинейностьдисперсионной зависимости для электронов. Такие экспериментальнонаблюдаемые закономерности поведения КРС в этих материалахсоответствуют механизму двойного резонанса и ходу дисперсионныхзависимостей для электронов и фононов в графите и графитоподобныхматериалах.На основании проведенного анализа была сделана оценка толщиныслоев графита в исследованных пленочных материалах 1,5±0,5 нм. Такжепоказана возможность использования методики КРС для диагностикиособенностей электронной и фононной подсистем графитных материалов.Следующийпараграфпосвященописаниюрезультатовисследований эффекта поля в графитных плёнках нанометровой толщины,полученных методом плазмохимического осаждения.Моноатомные слои графита, называемые также графен, или пленки,состоящие из нескольких (до 5-6) графеновых слоев обладают рядомнеобычных свойств, представляющих значительный интерес сфундаментальной научной точки зрения, а также для создания на их основеразнообразных приборов и устройств.
Одним из уникальных свойствграфена является баллистический транспорт электронов, приводящий квозможности наблюдения целого ряда квантовомеханических эффектов.Эти соображения послужили мотивацией для исследования эффекта поля вполученных нами квазимонокристаллических графитных пленках. Дляэтого были разработаны различные способы изготовления приборныхструктур, необходимых для проведения измерений. Часть исследовавшихсянанографитных плёнок переносилась на полимерную основу.
В качестветакойосновыиспользовалсядиэлектрическийполимер–полипараксилилен, который выступал в роли изолятора в транзисторемежду проводящей пленкой и затвором. Транзисторная структура в этомслучае изготавливалась в виде полоски из графитной пленки на полимерешириной 3 мм и длиной 7 мм. Со стороны полимера эта полоскаприжималась к алюминиевой фольге, выполнявшей роль затвора. Полоска,фольга, а также подводящие электроды закреплялись на стекле с помощью15скотча. Такие примитивные, по методу изготовления, устройства, тем неменее, демонстрировали наличие слабого эффекта поля, которыйпроявлялся в слабой линейной модуляции сопротивления графитнойплёнки под действием сильного внешнего электрического поля,приложенного к затвору.
Величина напряжения варьировалась в широкихпределах от -5кВ до 5кВ, однако значение наблюдаемых измененийпроводимости оказывалось относительно небольшим – всего 2% на ∆V =6кВ (0.1 Ом/100В).Для усиления наблюдаемого эффекта использовалась другаяметодика, позволившая уменьшить толщину диэлектрического слоя до 300нм. Для этого пленка отслаивалась от никелевой подложки и переносиласьна кремниевую подложку, покрытую слоем оксида кремния толщиной 300нм. После этого методами термического распыления и электроннойлитографии на поверхности пленки формировались электроды, к которымподводились соответствующие электрические сигналы.
Изготовление иисследование транзисторных структур данного типа проводилисьсовместно с К. Цукагоши в Национальном Институте Наук о Материалах(Цукуба, Япония). Наблюдался эффект модуляции сопротивления > 5% на∆V = 200В (4 Ом/100В), что на порядок выше значений, полученных длянанографитных плёнок на полимере. При этом максимальное напряжениемежду проводящей графитной плёнкой и затвором в данных условиях былоограничено 100В. В результате несмотря на уменьшение толщиныдиэлектрического слоя эффект поля оставался слабовыраженным посравнению с эффектом поля, наблюдаемым для мультислойного графена.При этом сам факт наблюдения эффекта поля в нанографитных пленкахможет быть обусловлен наличием структурных дефектов, уменьшающихэлектростатическую экранировку, которая в случае идеального графенаделает возможным наблюдение этого эффекта только для 2-3 слойныхпленок.Нами был также разработан способ уменьшения толщинынанографитных плёнок (вплоть до нескольких графеновых слоев) исоздания на их основе прототипов полевых транзисторов.
В соответствии сэтим способом сначала изготавливалась приборная структура изнанографитной пленки на окисленном кремнии с необходимымиэлектродами. Затем производилось поэтапное травление в кислороднойплазме с помощью установки реактивно-ионного травления YamatoRIE/DP. После каждой стадии травления, в ходе которого толщинаграфитнойпленкиуменьшаласьнаопределеннуювеличину,производилось измерение электрофизических характеристик транзистора.Условия травления подбирались эмпирически таким образом, чтобыдействию кислородной плазмы подвергалась только нанографитнаяпленка, а электроды, оксид кремния и кремний оставались невредимыми.Было изготовлено несколько приборов на основе полученныхплазмохимическим осаждением графитных плёнок, для которых былапроведена серия экспериментов по травлению в кислородной плазме с16Isd, Aразным временем обработки при вариации мощности разряда плазмы.Окончательный выбор необходимой мощности и длительностиопределялся результатами контроля толщины и степени разрушенияграфитных пленок в процессе взаимодействия поверхности с кислороднойплазмой.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
