Диссертация (1143290), страница 29
Текст из файла (страница 29)
Проведенные исследованияговорят о наличии пленки Fe2O3 на поверхности сапфировой подложки.Рисунок 5.25 – Образец с неравномерной пленкой оксида железа (Fe2O3)196а)б)в)г)д)Рисунок 5.26 – Направление измерения масс-спектров образца (а) и направление распределения кислорода (б), алюминия (в), хлора (г) и железа (д) по образцу197Полученные пленки оксида железа исследовались с использованием мессбауэровскогоспектрометраMS1104EM,разработанногонаучно-исследовательским институтом физики Южного федерального университета [242].Перовоначальная толщина сапфировой подложки составляла около трех миллиметров, что являлось препятствием для проведения трансмиссионных измерений всвязи с практически полным поглощением мессбауэровского излучения на резонансе железо-57 в материале подложки.
Поэтому была предпринята попытка измерения спектра с использованием проточной камеры для регистрации электроноввнутренней конверсии типа СЕМДU-4. Однако, в связи с малой толщиной исследуемой пленки, измерения, проведенные в течении 54 часов, не позволили получить статистически значимые результаты и определить фазовое и магнитное состояние образца. Полученный за указанное время спектр приведен на рисунке 5.27.Рисунок 5.27 – Мессбауэровский спектр исследуемого образца, полученный вконверсионной камере СЕМДU-4Для проведения трансмиссионных измерений была также использована сапфировая подложка толщиной до одного милиметра, что обеспечивало около 25%198пропускания мессбауэровской линии излучения источника и позволяло за несколько суток измерений накопить спектр достаточный для оценки параметров линийрезонансного поглощения.Измерения проведены в течении 74 часов в геометрии с перемещаемым образцом и неподвижным источником (источник 57Co в матрице Rh, активность 40mCi, детектор сцинтилляционный с кристаллом NaI(Tl) толщиной 0,1 mm, энергиягамма-квантов 14,4 keV).
Измерения проводились при «треугольном» режиме работы модулятора (с постоянным ускорением), с числом точек мессбауэровскогоспектра 1024. Спектры прямого и обратного хода суммировались. Погрешностисуммирования составили менее 0,5 канала.
На рисунке 5.28 представлен трансмиссионый мессбауэровский спектр исследуемого образца.Рисунок 5.28 – Мессбауэровский спектр исследуемого образца, полученный вконверсионной камере СЕМДU-4Полученный мессбауэровский спектр имеет вид дублета с параметрами: изомерный (химический) сдвиг Is=0.3745±0.03 мм/с, квадрупольное расщепление199Qs=0.68±0.04, что соответствует аналогичным параметрам оксида железа Fe2O3 всуперпарамагнитном состоянии [243].На основании проведенных исследований выявлено, что по предложеннойавтором технологии на поверхности сапфировой подложки получены пленкиFe2O3, находящиеся в суперпарамагнитном состоянии, которые могут найти широкое применение для газочувствительных сенсоров и различных магнитныхустройств.На рисунке 5.29, а приведены изображения пленки розового цвета на поверхности сапфира, содержащей марганец и полученной в растворе KMnO4 в присутствии воды при многократной обработке (10 проходов) Nd:YAG лазером смощностью 96 Вт.
На рисунке 5.29, б показаны масс-спектры полученных образцов.а)б)Рисунок 5.29 – Изображения пленки (а) и масс-спектры образца (б)Экспериментальные исследования проведены также в присутствии воды раствора KMnO4 для боросиликатного стекла, которое применялось как подложка.Получена пленка розового цвета, содержащая марганец, на поверхности боросиликатного стекла системы B2O3 – SiO2 – Na2O. При повышении температуры подложки наблюдалось возрастание толщины пленки.Присутствие поглощающей пленки в условиях многоимпульсного лазерноговоздействия может способствовать абляции подложки. Кроме формирования пленки на этот процесс оказывает и влияние на сапфир воды, находящейся в сверхкри200тическом состоянии, характеризующимся высоким давлением и температурой, прикоторых сапфир будет хорошо растворимым в воде [239].При влиянии лазерного излучения на границу раздела твердое тело – водныйраствор в фокусе пучка за время лазерного импульса в жидкости образуется область высокого давления и температуры, непосредственно прилегающая к поверхности сапфира, что в свою очередь может вести к формированию на его поверхности дефектов кристаллической структуры и микротрещин.
При многоимпульсномрежиме облучения границы раздела сред поверхность сапфира оказывается подвоздействием жидкости, находящейся в сверхкритическом состоянии, что оказывает свое влияние на абляцию сапфира и формирует необходимость дальнейшегоизучения влияния обработки на механизм образования остаточных напряжений имикротрещин в сапфире.Выполнены эксперименты по влиянию лазерного излучения на поверхностьсапфира в отсутствии водной поглощающей среды. Без водной среды при тех жепараметрах лазерного облучения наблюдалась абляция сапфира. Влияние ряда лазерных импульсов на сапфир ведет к появлению на его поверхности углубления сдиаметром, соразмеримым с диаметром сфокусированного пучка лазера, глубинакоторого возрастает с увеличением лазерных импульсов [238-239].Исследование абляции и осаждения пленок с помощью лазерного излученияявляется интересным для тонкопленочной оптики и микроэлектроники.
В качествепреимущества данного подхода можно выделить возможность его реализации наоткрытом воздухе. На морфологию полученных областей обработанной поверхности сапфировой подложки и пленок влияет скорость сканирования лазерного луча,количество его проходов и ряд других. Возникающая связь между пленкой и основой, т.е. адгезия, влияет на качество выпускаемых изделий, а в некоторых случаяхи определяют его.
Адгезия вызвана взаимодействием между молекулами (атомами)контактирующих тел [244].Таким образом, создана и реализована на практике методика экспериментальных исследований процессов лазерной обработки сапфира и боросиликатного201стекла при разных условиях с применением лазерного комплекса LIMO. Выполненанализ полученных образцов. Отмечено, что абляция лазерным излучением сапфира в жидкости является методом создания микроструктур с характерными размерами, которые требуют последующего детального исследования их свойств и перспектив применения для газочувствительных сенсоров.2025.4 Экспериментальные исследования лазерного отжига пленок на поверхности сапфираЭффективным методом модификации поверхности пленок является лазернаяобработка (отжиг). Применение лазерного отжига позволяет создавать поликристаллические пленки, которые перспективны для использования в тонкопленочныхтранзисторах, жидкокристаллических дисплеях, сенсорах и солнечных элементахза счет рекристаллизации их аморфной структуры.
Кроме того, лазерное излучениепозволяет модифицировать электрофизические и оптические характеристики пленок, их кристаллическую и дефектную структуру. Лазерное излучение позволяетполучить самую высокую плотность энергии на распыляемой поверхности посравнению с существующими методами получения пленок (вакуумные методы,химические методы, комбинированные методы). Лазерный отжиг позволяет получать низкоразмерные многокомпонентные гомо- и гетероструктуры [237, 245].В связи с этим важной задачей данной работы является исследование влияния лазерного отжига на морфологию пленок на поверхности сапфира для газочувствительных датчиков.
Подложки сапфира характеризуются набором физическихсвойств (высокая температура плавления, химическая стойкость, радиационнаястойкость, высокая твердость и прозрачность), поэтому они широко используютсяв микроэлектронике, квантовой электронике, оптике высокого разрешения и нанотехнологиях [186, 246-247]. Доля применения таких материалов значительно увеличивается практически во всех отраслях производства.Для создания на сапфировой подложке пленки Fe2O3 использовался 3 % раствор хлорида железа FeCl3. Раствор хлорида железа наносился в лабораторныхусловиях ракельным ножом (пластиковым или металлическим ракелем, в иностранной литературе «Doctor blade» [248]) через маску-трафарет толщиной 40 – 50мкм, как приведено на рисунке 5.30.203Рисунок 5.30 – Методика нанесения раствора хлорида железа на сапфировуюподложку ракельным ножом («Doctor blade»)По представленной методике (рисунок 5.30) нанесения раствора хлорида железа [248] были получены плёнки Fe2O3 площадью 0.25 см2 (0.5 см × 0.5 см) на поверхности сапфировой подложки размером 1 см × 2 см, которые после нанесениявыдерживались несколько минут при комнатной температуре до удаления маскитрафарета, после подвергались сушке на электрической плитке Saturn ST-EC1161при 120 – 150 ºС в течение 10 – 15 мин.
и отжигались на универсальной лазернойустановке LIMO 100-512/1064 Научного образовательного центра «Лазерные технологии» Института нанотехнологий, электроники и приборостроения (ИНЭП)Южногофедеральногоуниверситета(ЮФУ)импульснымтвердотельнымNd:YAG-лазером с диодной накачкой (длина волны 1064 нм, длительность импульса 8 нс, частота следования импульсов 100 Гц, максимальная энергия в импульсе 1100 мДж, средняя мощность лазерного излучения 110 Вт, диаметр лазерного пучка 1.25 см) [201, 233, 238, 241, 249].В процессе отжига пленкообразующего раствора FeCl3 лазерный луч направлялся непосредственно на пленку, нанесенную на сапфировую подложку, расположенную на рабочем столике лазерной установки.Схема процесса лазерного отжига пленки Fe2O3 длиной волны 1064 нм науниверсальной установке LIMO 100-512/1064 представлена на рисунке 5.31.204Рисунок 5.31 – Схема лазерного спекания пленки Fe2O3Исследования поверхности пленки Fe2O3 проводились методом атомносиловой микроскопии (АСМ) на зондовой нанолаборатории (ЗНЛ) «NTEGRA Vita»Центра коллективного пользования «Нанотехнологии» ИНЭП ЮФУ.
ПолученныеАСМ-изображения обрабатывались с помощью программного пакета ImageAnalysis 3.5. Широкое распространение метода АСМ для изучения различных объектов связано с тем, что в отличие от других методов (оптической и электронной)микроскопии не требуется длительная, сложная и дорогостоящая подготовка образцов [250].На рисунке 5.32 представлены АСМ-изображения поверхности пленки оксида железа при лазерном излучении мощностью 50 – 90 Вт.АСМ-измерения показали, что образцы имеют зернистую структуру (рисунок 5.32, а-б).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
