Диссертация (1105361), страница 4
Текст из файла (страница 4)
При этом могут быть реализованы достаточновысокие скорости испарения различных материалов, в том числе и тугоплавких. Недостатками метода являются низкая производительность и возможность возникновениярентгеновского излучения, что может приводить к появлению радиационных дефектов [24].После получения атомного пара или плазмы необходимо быстро уменьшить температуру в камере, чтобы инициировать формирование и рост кластеров.
Стадию уменьшениятемпературы необходимо резко прервать в определенный момент, чтобы кластеры не превратились в макроскопические частицы. Для охлаждения пара используются два физическихмеханизма: охлаждение, достигаемое путем его расширения, и охлаждение за счет столкновения атомов пара с холодным инертным газом.Производить кластеры предпочтительно в виде кластерных пучков, так как кластерныепучки легко транспортировать, разделять и наносить на подложку.
Формирование кластерных пучков осуществляется различными методами, выбор которых определяется конечнымицелями и зависит от требуемой интенсивности кластерного пучка, его энергии, распределениякластеров в пучке по типу и размеру, наличия ионизации и так далее. Источники кластерного пучка могут совмещать в себе различные методы получения кластеров.
Их свойствамогут меняться коренным образом при изменении параметров, влияющих на механизмыкластерообразования, в том числе и при изменении способов получения рабочего вещества,участвующего в процессе конденсации. Учитывая перечисленные выше методы получения15атомного пара и его охлаждения, все кластерные источники можно условно разделить натри вида по способам получения кластеров:– Источники поверхностного типа, основанные на воздействии на поверхность мишени,приводящем к ее разрушению.
В качестве примера можно привести распылительныйисточник, в котором пучки кластерных ионов получают, бомбардируя поверхность мишени тяжелыми ионами с высокой энергией. Взаимодействие высокоэнергичных ионовс мишенью приводит к отрыву от поверхности атомов, ионов, молекул, нейтральныхи заряженных кластеров.
Этот метод позволяет создавать кластеры небольших размеров, так как интенсивность кластерных потоков экспоненциально уменьшается с увеличением размера кластера. Полученные таким образом кластеры имеют достаточновысокую температуру, сравнимую с температурой распыления мишени, и остывают вполете при распаде. Выбитые с поверхности мишени частицы характеризуются большим разбросом по энергиям, что препятствует мягкому осаждению кластерных ионовна подложку.– Источники, работающие по принципу конденсации пара в охлажденном буферном газе.Работа таких источников основана на испарении рабочего вещества в объем с холодным инертным газом.
Пар охлаждается за счет столкновений с атомами газа, становится пересыщенным и конденсируется в кластеры. Поток инертного газа захватывает кластеры, и через сопло они попадают в высоковакуумную область. В отличие отсверхзвуковых источников, формирование кластеров происходит перед расширением ввысокий вакуум.
Многократные столкновения кластеров с атомами инертного газа вобъеме источника приводят к тому, что энергетическое распределение частиц в пучкезависит от размера кластера. Размер кластеров может меняться в широких пределахи достигать 105 атомов.– Сверхзвуковые источники. Вещество (как правило, металл) испаряется в камеру, черезкоторую проходит поток с газом-носителем. В результате сверхзвукового расширенияиз сопла происходит быстрое охлаждение смеси. Уменьшение температуры пучка приводит к возникновению возможности его конденсации и кластерообразованию.
Если быв вакуум расширялся только металлический пар, полученные кластеры имели размерв несколько атомов, поэтому с металлическим паром смешивают инертный газ, подающийся в камеру печи под давлением в несколько атмосфер. При расширении инертныйгаз будет быстро охлаждаться сам и охлаждать металлический пар. Полученные кластеры обычно содержат несколько сотен атомов и имеют небольшой разброс скоростей.16Разделяя методы осаждения кластеров по принципу величины энергии образованныхкластеров, можно выделить две основные группы технологий [20]:1.
Осаждение пучка высокоэнергетичных кластеров (ОПВК). Пучок ускоренных (энергия∼ 103 эВ) кластеров направляется на подложку. В зависимости от конкретного методакластеры могут быть как нейтральными, так и ионизованными. Кластеры разрушаются при соприкосновении с подложкой, и их кинетическая энергия передается адатомам.Это позволяет достичь эпитаксии при низкой температуре подложки, что предпочтительно для случаев, когда, к примеру, диффузия нежелательна. Также было показано [25], что при осаждении кластеров с энергией 0,1 эВ/атом полученную на подложкепленку легко стереть, но этого можно избежать, ускоряя кластеры перед осаждениемдо энергий порядка 10 эВ/атом.
При использовании данного метода при столкновениис подложкой кластеры могут повредить ее или разрушиться сами, что нежелательнодля многих приложений.2. Осаждение пучка низкоэнергетичных кластеров (ОПНК) [18, 20, 26]. Здесь, напротив,кластеры нейтральны, и их энергия в момент соприкосновения с подложкой невелика.Данная технология подразумевает, что энергия, с которой кластеры выходят из соплакамеры, мала (5 мэВ/атом [27]).
Нейтральные кластеры осаждаются на подложку, расположенную в камере, где поддерживается сверхвысокий вакуум (∼ 10−10 торр). Скорость осаждения относительно высока и лежит в диапазоне от 0,1 нм/мин до 0,1 нм/с.Из-за того, что энергия кластера в момент соприкосновения с подложкой невелика,кластер не разрушается при осаждении и не повреждает подложку.Выбор оптимального механизма из перечисленных в разделе способов получения кластерного потока производился таким образом, чтобы полученный пучок можно было использовать в технологии ОПНК.
Выбор производился на основании следующих условий [20]:1. для роста тонких пленок необходим поток кластеров большой интенсивности (иначеговоря, в единицу времени на подложку должно попадать большое количество кластеров);2. метод должен позволять использовать различные химические элементы в составе мишени;173.
необходимо иметь возможность в различных приложениях получать кластеры разноймассы, поскольку структура и свойства пленок сильно зависят от исходного размеракластера; при этом дисперсия размеров кластеров должна быть как можно меньше;4. важна стабильность источника кластеров, поскольку время осаждения кластеров может достигать нескольких часов;5. желательно, чтобы кластеры не содержали примесей.В дальнейшем речь будет идти о технологии ОПНК. Выбор конкретного источника кластеров зависит от исходного вещества: к примеру, в работе [28] показано, что для полученияпотока кластеров Au используется лазерное испарение, в то время как для производствакластеров In был применен тепловой источник.Преимущества метода ОПНК заключаются в следующем:– он позволяет оптимизировать контроль размера структур и их положения на подложке;– с помощью данного метода можно эффективно управлять размером и структурой производимых кластеров; к примеру, увеличение давления инертного газа, подаваемогов камеру с испаренными атомами мишени, приводит к уменьшению размера кластеров [20, 29];– метод обладает высокой эффективностью, проявляющейся в большой скорости роста [30];– получаемые кластеры являются очень чистыми; также за счет того, что осаждениепроводится в изолированной камере с высоким вакуумом, получаемые островки не загрязняются примесями.Технология получения кластерного пучка, для осуществления которой комбинируетсялазерное испарение атомов с образца и конденсация с помощью инертного газа, позволяетизготавливать не только чистые кластеры, состоящие из атомов одного металла, но и биметаллические кластеры.
Также можно управлять размерами получаемых наночастиц.На рисунке 1.2 представлен пример экспериментальной установки, позволяющая реализовывать метод ОПНК [18]. Кластеры формируются предварительно, перед осаждениемна подложку. В камеру помещается металлическая мишень, испаряемая Nd:YAG лазером( = 532 нм, длительность импульса — около 10 нс, частота 10 Гц) или Ti:Sapphire лазером18Рис. 1.2. Схема установки по производству и напылению кластеров [18].с накачкой импульсной лампой (к примеру, в работе [31] характеристики лазера были следующие: = 790 нм, энергия до 400 мДж, длительность импульса 3 мкс, частоту можно былоперестраивать в диапазоне от 0 до 20 Гц).
Следует заметить, что использование Ti:Sapphireлазера позволило получить потоки кластеров большой интенсивности (поток кластеров оказался в 30 раз сильнее, чем в эксперименте с Nd:YAG лазером), также в этих пучках среднийразмер кластеров был больше (образовывались кластеры, состоящие из 1000 и более атомов).Одновременно с лазерными импульсами в камеру подается охлажденный газ под высокимдавлением (для получения небольших кластеров используется He, от 3 до 6 бар, длительность19от 200 до 500 мкс; для производства кластеров размером от 100 до 500 атомов используетсяAr [29]). Газ быстро охлаждает плазму, образовавшуюся на поверхности мишени, и способствует образованию кластеров, которые впоследствии стабилизируются при ультразвуковомрасширении в выходной диафрагме.
Скорость охлаждения превышает 108 К/с [32]. Технология позволяет при необходимость вводить в экспериментальную установку время-пролётныймасс-анализатор, который устанавливается вблизи сопла и применяется для анализа распределения размеров кластеров. Данное распределение зависит от параметров установки:частоты и длительности лазерных импульсов, периодичности введения газа в камеру и егодавления, синхронизации между импульсами лазера и газа, геометрии сопла. Для анализав масс-анализаторе нейтральные кластеры ионизируются, после чего отклоняются от потоканейтральных кластеров и ускоряются на входе в масс-анализатор.Говоря о процессе формирования кластеров, следует отметить, что он может быть гетерогенным или гомогенным [8,33].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
