Исследование топологических особенностей поверхности HFCVD нанокристаллической алмазной пленки сканирующим туннельным микроскопом с алмазным острием

Рассмотрены структурные особенности нанокристаллической HFCVD алмазной пленки и построена физико-математическая модель атомной структуры ее поверхности. Пленку исследовали на воздухе на сканирующем туннельном микроскопе, оснащенном острием из полупроводникового монокристалла алмаза, легированного бо...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2012
Автор:	Цысарь, М.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України 2012
Назва видання:	Сверхтвердые материалы
Теми:	Получение, структура, свойства
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/125991
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Исследование топологических особенностей поверхности HFCVD нанокристаллической алмазной пленки сканирующим туннельным микроскопом с алмазным острием / М.А. Цысарь // Сверхтвердые материалы. — 2012. — № 4. — С. 56-66. — Бібліогр.: 27 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-125991
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1259912025-02-23T18:03:35Z Исследование топологических особенностей поверхности HFCVD нанокристаллической алмазной пленки сканирующим туннельным микроскопом с алмазным острием Studies of topological features of the surface of HFCVD nanocrys-talline diamond film using a scanning tunneling microscope with a diamond tip Цысарь, М.А. Получение, структура, свойства Рассмотрены структурные особенности нанокристаллической HFCVD алмазной пленки и построена физико-математическая модель атомной структуры ее поверхности. Пленку исследовали на воздухе на сканирующем туннельном микроскопе, оснащенном острием из полупроводникового монокристалла алмаза, легированного бором. Фрактальный анализ СТМ-изображений поверхности пленки показал наличие монокристаллов алмаза различной ориентации со средним размером 31 нм с фрактальной размерностью 2,36 и 2,73. Розглянуто особливості структури і властивостей нанокристалічних HF-CVD алмазної плівки та побудовано фізико-математичну модель атомної будови її поверхні. Плівку досліджували на повітрі методом сканівної тунельної мікроскопії з вістрям з напівпровідникового монокристалу алмазу, легованого бором. Фрактальний аналіз СТМ-зображень показав наявність монокристалів алмазу різної орієнтації з середнім розміром 31 нм з фрактальною розмірністю 2,36 і 2,73. Structural features of HFCVD nanocrystalline diamond films have been considered and a physicomathematical model of the atomic structure of its surface has been constructed. The film has been studied in air using a scanning tunneling microscope with a tip of a boron-doped semiconducting diamond single crystal. Fractal analysis of images of the film surface from scanning tunneling microscope has shown the presence of diamond single crystals of different orientations having a mean size of 31 nm with a fractal dimensionality of 2.36 and 2.73. 2012 Article Исследование топологических особенностей поверхности HFCVD нанокристаллической алмазной пленки сканирующим туннельным микроскопом с алмазным острием / М.А. Цысарь // Сверхтвердые материалы. — 2012. — № 4. — С. 56-66. — Бібліогр.: 27 назв. — рос. 0203-3119 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/125991 691.327:666.973.6 ru Сверхтвердые материалы application/pdf Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Получение, структура, свойства Получение, структура, свойства
spellingShingle	Получение, структура, свойства Получение, структура, свойства Цысарь, М.А. Исследование топологических особенностей поверхности HFCVD нанокристаллической алмазной пленки сканирующим туннельным микроскопом с алмазным острием Сверхтвердые материалы
description	Рассмотрены структурные особенности нанокристаллической HFCVD алмазной пленки и построена физико-математическая модель атомной структуры ее поверхности. Пленку исследовали на воздухе на сканирующем туннельном микроскопе, оснащенном острием из полупроводникового монокристалла алмаза, легированного бором. Фрактальный анализ СТМ-изображений поверхности пленки показал наличие монокристаллов алмаза различной ориентации со средним размером 31 нм с фрактальной размерностью 2,36 и 2,73.
format	Article
author	Цысарь, М.А.
author_facet	Цысарь, М.А.
author_sort	Цысарь, М.А.
title	Исследование топологических особенностей поверхности HFCVD нанокристаллической алмазной пленки сканирующим туннельным микроскопом с алмазным острием
title_short	Исследование топологических особенностей поверхности HFCVD нанокристаллической алмазной пленки сканирующим туннельным микроскопом с алмазным острием
title_full	Исследование топологических особенностей поверхности HFCVD нанокристаллической алмазной пленки сканирующим туннельным микроскопом с алмазным острием
title_fullStr	Исследование топологических особенностей поверхности HFCVD нанокристаллической алмазной пленки сканирующим туннельным микроскопом с алмазным острием
title_full_unstemmed	Исследование топологических особенностей поверхности HFCVD нанокристаллической алмазной пленки сканирующим туннельным микроскопом с алмазным острием
title_sort	исследование топологических особенностей поверхности hfcvd нанокристаллической алмазной пленки сканирующим туннельным микроскопом с алмазным острием
publisher	Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
publishDate	2012
topic_facet	Получение, структура, свойства
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/125991
citation_txt	Исследование топологических особенностей поверхности HFCVD нанокристаллической алмазной пленки сканирующим туннельным микроскопом с алмазным острием / М.А. Цысарь // Сверхтвердые материалы. — 2012. — № 4. — С. 56-66. — Бібліогр.: 27 назв. — рос.
series	Сверхтвердые материалы
work_keys_str_mv	AT cysarʹma issledovanietopologičeskihosobennostejpoverhnostihfcvdnanokristalličeskojalmaznojplenkiskaniruûŝimtunnelʹnymmikroskopomsalmaznymostriem AT cysarʹma studiesoftopologicalfeaturesofthesurfaceofhfcvdnanocrystallinediamondfilmusingascanningtunnelingmicroscopewithadiamondtip
first_indexed	2025-11-24T06:19:30Z
last_indexed	2025-11-24T06:19:30Z
_version_	1849651542776348672
fulltext	www.ism.kiev.ua/stm 56 УДК 691.327:666.973.6 М. А. Цысарь (г. Киев) Исследование топологических особенностей поверхности HFCVD нанокристаллической алмазной пленки сканирующим туннельным микроскопом с алмазным острием Рассмотрены структурные особенности нанокристаллической HFCVD алмазной пленки и построена физико-математическая модель атомной структуры ее поверхности. Пленку исследовали на воздухе на сканирующем тун- нельном микроскопе, оснащенном острием из полупроводникового монокристал- ла алмаза, легированного бором. Фрактальный анализ СТМ-изображений по- верхности пленки показал наличие монокристаллов алмаза различной ориента- ции со средним размером 31 нм с фрактальной размерностью 2,36 и 2,73. Ключевые слова: нанокристаллическая алмазная углеродная пленка, физико-математическая модель, сканирующий туннельный микроскоп, острие из полупроводникового монокристалла алмаза, легированного бором. ВВЕДЕНИЕ Последнее десятилетие большой интерес у исследователей вызывают наноструктурные алмазные пленки, что связано с уникальными эксплуатационными и функциональными свойствами их поверхности. Новые перспективы применения поликристаллического алмаза появились в резуль- тате разработки процессов его синтеза при низких давлениях из газовой фазы (chemical vapor deposition, CVD). Получение алмазных пленок на алмазной подложке путем термической активации углеводородной среды впервые осуществлено Б. В. Дерягиным и Б. В. Спицыным еще в середине 50-х гг. ХХ в. Однако значительный интерес к этому направлению возник лишь к началу 80-х годов, когда были достигнуты достаточно высокие скорости оса- ждения алмазных пленок на неалмазной подложке путем плазменной актива- ции газовой смеси, состоящей из СН4 и Н2. В настоящее время CVD-метод позволяет получать достаточно чистые поликристаллические алмазные плен- ки и пластины диаметром более 100 мм и толщиной от единиц микрометров до миллиметра и более [1]. Высокая шероховатость поверхности таких пленок затрудняла их приме- нение в большинстве областей науки и техники, поскольку последующая обработка была дорогостоящей, трудоемкой и не всегда приводила к желае- мому результату. Но данную проблему можно решить еще на этапе формиро- вания пленки, поскольку, варьируя параметры осаждения, можно регулиро- вать средний размер зерен алмаза в пленках в диапазоне от десятков микрон до нескольких нанометров [3]. Разработка процессов получения нанокристаллических алмазных пленок является важным шагом на пути создания новых углеродных материалов. Известно, что уменьшение размера кристаллитов до наноуровня может при- водить к значительному изменению свойств таких пленок [4, 5], и не только © М. А. ЦЫСАРЬ, 2012 ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2012, № 4 57 существенно снижать шероховатость ростовой поверхности, но и изменять электрические и оптические свойства пленок [3, 6]. В настоящее время на- нокристаллические алмазные пленки рассматривают как новый материал с большим потенциалом использования в трибологии, электрохимии, элек- тронных и оптоэлектронных устройствах, медицине. Для контроля качества производимых пленок помимо электронной микро- скопии в последнее время довольно широко применяют зондовые методы, которые имеют достаточную разрешающую способность для анализа поверх- ности на наноуровне. Однако эти методы имеют и ряд недостатков, связан- ных с требованиями к исследуемому образцу. Например, для оптической микроскопии ближнего поля желательно, чтобы образец был оптически не- прозрачен. Использование туннельного или атомно-силового микроскопов, оснащенных либо кремниевым, либо вольфрамовым острием, также не очень эффективно. Это связано с потенциальной возможностью контакта острия и поверхности образца. При таком контакте острие просто размажется по ис- следуемой поверхности, следовательно, результат будет недостоверным. Любопытной для исследователей является электронная структура поверх- ности пленки, сведения о которой могут быть использованы при производст- ве электронных устройств. Такую информацию можно получить, применяя метод сканирующей туннельной микроскопии. Проблема возможного кон- такта может быть решена посредством использования острия из монокри- сталла алмаза, легированного бором. Его формостойкость исключает риск поломки, а значит возможность искажения экспериментальных данных [7]. В работе представлены результаты исследований на сканирующем тун- нельном микроскопе (СТМ) нанокристаллических алмазных пленок, полу- ченных методом горячей нити (hot filament chemical vapor deposition – HFCVD). Практическая ценность этих исследований заключается в четком определении границ между фазами, что весьма важно при производстве мик- роэлектронных систем на основе пленочных материалов [8]. Для анализа экспериментальных данных использовали понятие поля фрактальной размер- ности и селективных изображений, согласно которому определяли значение фрактальной размерности и реальные размеры кристаллов, что повысило точность расчетов. ЛИТЕРАТУРНЫЕ ДАННЫЕ ПО HFCVD-ПЛЕНКАМ В качестве подложки при осаждении алмазных пленок используют пла- стины молибдена или кремния, но можно осаждать алмазные пленки и на другую основу, стойкую к нагреву (вплоть до 1400 °С) в присутствии ато- марного водорода. Для стабилизации процесса формирования алмазных пле- нок подложку нагревают до температуры 600–1200 °С [1, 2]. Рост алмазных пленок условно можно разделить на два периода. Вначале формируются за- родыши алмазной фазы, продолжительность этого периода зависит от мате- риала подложки и может измеряться минутами и даже часами [9, 10]. Однако этот процесс можно ускорить так называемым “засеванием” поверхности подложки микро- и нанокристаллами алмаза. Далее формируется сама плен- ка. Площадь поликристаллического CVD-алмаза может достигать десятков и сотен квадратных сантиметров [2]. Следует отметить тот факт, что при осаждении из аргоносодержащих сме- сей при предварительной ультразвуковой обработке поверхности подложек крупными частицами алмаза микронного размера число центров нуклеации увеличивается. В [11] установлено, что увеличение среднего размера частиц www.ism.kiev.ua/stm 58 алмаза от 0,125 до 45 мкм, которыми в течение 1 ч обрабатывали кремниевые подложки, приводит к увеличению на два порядка плотности образования зародышей алмаза от 108 до 1010 см–2. При этом наблюдается снижение от 70 до 20 нм шероховатости поверхности полученных нанокристаллических ал- мазных пленок толщиной около 3 мкм. Свойства поликристаллической алмазной пленки во многом определяются микроструктурой кристаллитов. В CVD алмазных пленках монокристаллы растут в виде колонн, ориентированных перпендикулярно поверхности под- ложки, причем с увеличением толщины пленки диаметр колонн увеличивает- ся. Характерный средний поперечный размер кристаллов составляет ∼ 10– 20 % от толщины пленки, например, для пленок толщиной 50 мкм он может быть равен 5–10 мкм. Такие столбчатые структуры называют микрокристал- лическим алмазом (microcrystalline diamond, MCD) [12]. Формирование на- нокристалических алмазных пленок, в свою очередь, сопровождается интен- сивной вторичной нуклеацией, что не позволяет расти монокристаллам алма- за. Их нанометровые размеры остаются неизменными и не зависят от толщи- ны пленки. Алмазные пленки с размером зерен менее 100 нм принято назы- вать нанокристаллическими (nanocrystalline diamond, NCD), а с размером 3– 5 нм – ультрананокристаллическими (ultrananocrystalline diamond, UNCD) [12–14]. Как правило, структура нанокристаллических пленок представляет собой хаотично ориентированные достаточно совершенные наноразмерные кри- сталлиты алмаза с кубической решеткой и sp3-связями, соединенные про- слойками аморфного графитоподобного углерода с sp2-связями [9]. Столбча- тая структура в пленках не выявляется. Строение таких нанокомпозитных пленок можно описать как структуру, состоящую из аморфной углеродной матрицы с нанокристаллическими алмазами [14–16]. Преимущество таких пленок в сочетании свойств алмаза и графита, например, высокой твердости и хорошей электропроводности. Нанокристаллические алмазные пленки, помимо размера кристаллитов, во многом определяются толщиной межзе- ренных границ. Управляя соотношением между фазами, можно получать нанокристаллические алмазные пленки с необходимым набором эксплуата- ционных свойств. Как правило, лучшие свойства имеют пленки с объемным содержанием нанокристаллической фазы более 80–90 %. По результатам исследований можно предположить, что образование за- родышей алмаза происходит не на поверхности роста, а в подповерхностном слое растущей пленки в результате твердофазных реакций. Механизм фор- мирования аморфно-кристаллических композитов является многостадийным и включает [9]: – формирование аморфного углерода с низкой плотностью, содержащего графитоподобные слои, перпендикулярные поверхности подложки; – рост плотности аморфного углерода в результате насыщения поверхно- сти растущей пленки водородом путем субимплантационных процессов; – зарождение алмазных кластеров путем фазового перехода, приводящего к релаксации напряжений; – рост алмазных зерен до нанометровых размеров в матрице за счет ста- билизирующего эффекта высокой плотности этого слоя и бомбардировки энергетичными частицами. Дальнейший рост покрытия зависит от кинетики процессов роста и трав- ления сформированных таким образом алмазной и графитоподобной фаз. ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2012, № 4 59 Пленки, полученные при содержании 3 % СН4, имеют рыхлую пластинча- тую структуру [17]. Рентгеноструктурные исследования и исследования с помощью рамановской спектроскопии свидетельствуют, что основной фазой в этих пленках является нанокристаллический графит. Однако пленки с по- добной морфологией поверхности могут быть и наноалмазными. В [18, 19] получали пленки, состоящие из тонких нанопластинок алмаза, расположен- ных преимущественно перпендикулярно поверхности подложки. Для изучения проводимости поликристаллических пленок и ее связи с кристаллической структурой применяли метод спектроскопии импеданса [18]. Полученные результаты позволили описать проводящую поликристал- лическую пленку с помощью простой модели неоднородной среды. Согласно этой модели, среда состоит из регулярно расположенных плохо проводящих кристаллитов одного размера, разделенных проводящими межкристаллитны- ми границами, которые образуют непрерывную матрицу. Такая модель, не- сомненно, упрощает структуру реальной пленки, в которой существует рас- пределение кристаллитов по ее толщине, а отдельные столбчатые кристалли- ты проходят сквозь пленку. С помощью описанной модели теории комплекс- ной проводимости неоднородной среды удалось определить объемную долю граничной фазы в пленке, которая составила 5 %, согласно чего была оценена удельная проводимость кристаллитов и межкристаллитных границ – соответ- ственно 10–4 и 10–7 Ом–1·см–1. Как показали исследования, при получении нанокристаллических алмаз- ных пленок присутствие в газовой фазе водорода приводит к гидрогенизации, следствием чего является изменение проводимости [20]. Проводимость таких пленок при нормальной температуре зависит от концентрации водородных связей на поверхности. Изменение проводимости наноструктурных алмазных пленок за счет гидрогенизации связано с захватом водорода межзеренными прослойками из аморфизированного углерода, которые по объему в наност- руктурных алмазных покрытиях могут составлять до 10 % от общего содер- жания в них углерода в виде алмазной фазы [21]. Таким образом, в данном случае имеет место изменение свойств материала, действительно обуслов- ленное его переходом к наноструктурному состоянию. МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ Согласно модели роста, представленной R.-J. Schirac [22], рост кристалла алмаза осуществляется в кристаллографическом направлении [111]. Что каса- ется ориентации самого кристалла в пространстве, то она обусловлена только ориентацией зародыша. Таким образом, поверхность состоит из граней моно- кристаллического алмаза разной ориентации (sp3-фазы) и аморфного углеро- да (sp2-фазы), объемная концентрация sp3-фазы составляет 90–95 %, а sp2- фазы – 5–10 %. Согласно [23], концентрация аморфного углерода на поверх- ности в разы превышает концентрацию по объему, а в [24] показано, что на поверхности sp3-фазы могут наблюдаться соединения углерода с водородом. Таким образом, можно утверждать, что поверхность такой пленки будет об- ладать проводимостью. Для численного моделирования предварительно изучим условия получе- ния исследуемой пленки. Осаждение композитных наноалмазных пленок методом HFCVD производили в водородноаргоновой атмосфере, содержащей 7 % (по объему) метана при давлении 3·103 Па, температуре вольфрамового активатора газовой фазы 2300 К и температуре подложки 1050 К. www.ism.kiev.ua/stm 60 Анализ колебательных рамановских спектров пленок, исследованных в данной работе, позволяет достаточно хорошо идентифицировать их как нано- алмазные по наличию пика в области 1150 см–1. Являясь характерным только для данного типа углеродных конденсатов, этот пик связан с трансполиаце- тиленовыми C–H-связями. Проводимость полученных HFCVD наноалмазных пленок была 70 Ом, что с учетом толщины измеряемых покрытий давало величину удельной прово- димости ∼ 0,1 Ом·см. Такая проводимость, близкая к проводимости металлов, обусловлена наличием в межзеренных границах графитных аллотропных модификаций углерода. Согласно разработанной в [25] методике, формирование модельного СТМ-изображения осуществляется в несколько этапов. На начальном этапе создают точную физическую модель поверхностного слоя атомов, соответст- вующую объемной кристаллической решетке (рис. 1) исследуемого материа- ла с учетом таких величин, как межатомное расстояние и радиус атомов ве- щества. Далее формируют СТМ-изображение поверхности на основе исход- ных данных – величины туннельного зазора, напряжения смещения, уровня Ферми и работы выхода электрона. I II Рис. 1. Модельное представление комбинации аморфного графитоподобного углерода с sp2-связями (I) и решетки sp3-гибридизации в плоскости (011) (II). Для определения перепада высот, связанного с неоднородностью структу- ры, сделаем следующие предположения: – поверхности обеих фаз считаются плоскими; граница соединения явля- ется прямой; – рассматриваются только прилегающие участки к границе фаз. Атомная модель поверхностного слоя HFCVD-пленки представлена на рис. 2. Предварительные исследования образца показали, что проводимость пленки близка к металлической. Однако в sp3-фазе HFCVD-пленки преобла- дает p-тип проводимости, и только в аморфном углероде может наблюдаться проводимость близкая к металлической. Работа выхода электрона для аморф- ного углерода всегда направлена по нормали к поверхности, ее величина ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2012, № 4 61 равна 4,67 эВ. Для алмазной фазы с помощью математических расчетов, представленных в [25], получена величина работы выхода электрона в нор- мальном к поверхности направлении, равная 0,69 эВ. y, Å –1 0 1 z, Å –5 –12 –10 –8 0 0 42 x, Å –6 –4 –2 I II Рис. 2. Атомарная модель поверхности HFCVD-пленки на границе аморфного углерода (I) и sp3-фазы (II). Согласно атомной модели поверхности HFCVD-пленки формируется мо- дельное СТМ-изображение поверхности в области границы перехода, исход- ными параметрами являются величина зазора Δz = 2 нм и напряжение сме- щения V = 0,7 В. Скачок туннельного тока, обусловленный изменением рабо- ты выхода электрона для границы раздела алмаз–графит, соответствует скач- ку в изменении координаты z на 10 Ǻ (рис. 3). Таким образом, поверхность монокристаллов алмаза будет более гладкой по сравнению с поверхностью межкристаллитной границы из аморфного углерода. Исследования с помо- щью электронного микроскопа показали, что наноалмазы выступают над поверхностью, но изменение координаты z для них не было определено. y, Å 0 6 z, Å –5 0 5 8 x, Å0 5 10 –10 2 4 –5–10 –15 I II Рис. 3. Модельное СТМ-изображение поверхности HFCVD-пленки на границе раздела фаз аморфного углерода (I) и sp3-фазы (II). Исследование поверхности HFCVD-пленки проводили на сканирующем туннельном микроскопе с острием из монокристалла алмаза, легированного бором. Поверхность HFCVD-пленки имеет мозаичную структуру, состоящую www.ism.kiev.ua/stm 62 из наноалмазов различной ориентации, размер которых находится в пределах нескольких десятков нанометров, поэтому сканирование с различным (вплоть до 1 нм) шагом делает сканирующий туннельный микроскоп весьма эффек- тивным исследовательским инструментом. Измерение морфологических осо- бенностей поверхности проводили на воздухе. На основе модельного пред- ставления об исследуемом материале, а также учитывая возможности прибо- ра, были определены условия эксперимента. Основной задачей являлось по- лучение сведений о размерах и ориентации нанокристаллов алмаза на по- верхности. Поскольку эти данные неизвестны, то предварительно проводили сканирование поверхности с разным (от 68 до 1 нм) шагом, это давало воз- можность определить оптимальный шаг сканирования. Далее проводили ска- нирование поверхности с заданным шагом. Для более детального изучения топографических особенностей использовали фрактальные методы анализа – построение полей фрактальной размерности и селективных изображений, что в свою очередь позволяло более четко выделить границу между фазами и определить размер зерна нанокристаллов. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Согласно поставленным задачам, эксперимент был разделен на два этапа. Результатом первого этапа были СТМ-изображения, полученные при разном шаге сканирования, при этом площадь сканирования изменяли от 60×60 до 4080×4080 нм. Сканирование поверхности проводили в режиме постоянного зазора при следующих параметрах: положительная полярность, напряжение смещения – 700 мВ, ток стабилизации – 2 нА, время съема данных в одной точке – 1 мс. Детальный анализ показал, что оптимальный шаг сканирования равен 5 нм. СТМ-изображение, полученное при таком шаге сканирования, представлено на рис. 4. 0 100 200 300 600 100 200 300 400 500 0 0 –10 10 y, нмx, нм z, нм 400 500 600 1 2 Рис. 4. СТМ-изображение HFCVD-пленки, размер кадра – 600×600 нм, напряжение сме- щения – 0,7 В, ток стабилизации – 2 нА; монокристаллы алмаза в кристаллографических направлениях [111] (1) и [011] (2). На втором этапе было проведено исследование четырех произвольно вы- бранных участков по десять сканов на каждом. Для обработки эксперимен- тальных данных использовали фрактальные методы – построение поля фрак- тальной размерности и селективных изображений. Размер СТМ-изображения составил 600×600 нм (рис. 5, а). На основе специально разработанной про- граммы были построены поля фрактальной размерности, которые позволяют ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2012, № 4 63 выделить специфические зоны. Таким образом, последовательное сканирова- ние одного и того же участка, имеющего некоторое смещение за счет темпе- ратурного дрейфа или погрешности прибора, дает возможность при после- дующем наложении более точно определить границу раздела между фазами. 100 200 0 100 200 300 400 500 x, нм 500 400 300 y, нм а 100 200 0 100 200 300 400 500 x, нм 500 400 300 y, нм б Рис. 5. СТМ-изображение поверхности HFCVD-пленки (а) и селективное изображение (б). На рис. 5, б представлено селективное изображение, которому соответст- вует диапазон фрактальной размерности D = 2,26–2,68. Использование сколь- зящего окна 3×3 точки при построении селективного изображения по исход- ному СТМ-изображению [26] позволяет значительно усилить резкость грани- цы между фазами. Такой аналог графического дифференцирования при по- следовательном прохождении скользящего окна позволит более точно опре- делить периметр исследуемых зерен, а следовательно, и их размер. Для определения границы типа зерно–зерно или зерно–связка–зерно мож- но также использовать построчный фрактальный анализ исходного изобра- жения. Различия методов заключается в том, что скользящее окно заменяют на некую импровизированную линейную размерность [26]. Последующий анализ с использованием линейной размерности проводят либо с шагом рав- ным шагу сканирования (в этом случае используется двухточечная прямая), либо с уменьшением шага результирующего фрактального изображения (то- гда число точек изображения увеличивается пропорционально количеству точек прямой). На рис. 6, а, соответствующему участку 1 на рис. 4, фрактальная размер- ность изменяется в пределах 2,2. Это значение было получено для линейной размерности в 9 точек [26], таким образом, шаг был уменьшен до 0,7 нм. Фрактальная размерность зерна, в свою очередь, увеличивается до D = 2,36. Построенное аналогично изображение (см. рис. 6, б), соответствующее уча- стку 2 на рис. 4, имеет фрактальную размерность зерна D = 2,73, минималь- ное ее значение – на межзеренной границе (Dmin = 2,1). Помимо фрактальных параметров определяли также параметры, характеризирующие шерохова- тость поверхности, а именно Sa, Sz и Sy [27]. Параметры шероховатости, а также среднее значение размера зерна приведены в таблице. Значения параметра Sa подтверждают предположение про атомарную гладкость пленки, а перепад высот Sy, в свою очередь, показывает, что по- верхность весьма разнородна. www.ism.kiev.ua/stm 64 0 10 30 10 20 0 3,5 y, нм x, нм z, нм 20 30 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 а 0 10 30 10 20 0 3,5 y, нм x, нм z, нм 20 30 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 4,5 4,0 б Рис. 6. СТМ-изображения монокристаллов алмаза в кристаллографических направлениях [111] (а) и [011] (б). Параметры шероховатости и средний размер зерна на поверхности HFCVD-пленки. Sa, нм Sz, нм Sy, нм Размер зерна, нм 0,315 2,163 4,436 32 0,242 3,150 9,212 37 0,328 1,967 5,941 22 0,297 1,775 6,371 29 ВЫВОДЫ Результаты сканирования, обработанные методом построения поля фрак- тальной размерности и селективных изображений, выявили наличие моно- кристаллов алмаза разной ориентации, которым соответствуют два типа фрактальной размерности: D = 2,36 и D = 2,73. Минимальное (Dmin = 2,1) значение наблюдали на межзеренной границе. Поверхность HFCVD-пленки, согласно параметрам, характеризирующим шероховатость Sa, имеет шероховатость близкую к атомарной, что отлично кореллируется с результатами физико-математического моделирования. Пе- репад высот Sy имеет величину на порядок большую, что, в свою очередь, указывает на значительную неоднородность поверхности. Размер монокри- сталлов алмаза на поверхности изменялся от 22 до 37 нм. Розглянуто особливості структури і властивостей нанокристалічних HF-CVD алмазної плівки та побудовано фізико-математичну модель атомної будови її поверхні. Плівку досліджували на повітрі методом сканівної тунельної мікроскопії з віст- рям з напівпровідникового монокристалу алмазу, легованого бором. Фрактальний аналіз СТМ-зображень показав наявність монокристалів алмазу різної орієнтації з середнім розміром 31 нм з фрактальною розмірністю 2,36 і 2,73. Ключові слова: нанокристалічна алмазна вуглецева плівка, фізико- математична комп’ютерна модель, сканівний тунельний мікроскоп, вістря з напівпро- відникового монокристалу алмаза, легованого бором. Structural features of HFCVD nanocrystalline diamond films have been considered and a physicomathematical model of the atomic structure of its surface has been constructed. The film has been studied in air using a scanning tunneling microscope with a tip of ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2012, № 4 65 a boron-doped semiconducting diamond single crystal. Fractal analysis of images of the film surface from scanning tunneling microscope has shown the presence of diamond single crystals of different orientations having a mean size of 31 nm with a fractal dimensionality of 2.36 and 2.73. Keywords: nanocrystalline diamond carbon film, physicomathematical model, scanning tunneling microscope, tip of a boron-doped semiconducting diamond single crystal. 1. Стрельницкий В. Е., Аксенов И. И. Пленки алмазоподобного углерода. – Харьков: ИПП “Контраст”, 2006. – 344 с. 2. Ральченко В., Конов В. CVD-алмазы: применение в электронике // Электроника: наука, технология, бизнес. – 2007. – № 4. – С. 58–67. 3. Gruen D. M. Nanocrystalline diamond films // Annu. Rev. Mater. Sci. – 1999. – 29. – P. 211– 259. 4. Гусев А. И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. – М.: Физматлит, 2005. – 416 с. 5. Gleiter H. Nanostructured materials: basic conceptsand microstructure // Acta Mater. – 2000. – 48. – P. 1–29. 6. Huang S. V., Hsu H. C., You M. S., Hong F. C. Growth of diamond films with high surface smoothness // Diamond Relat. Mater. – 2006. – 15. – P. 22–28. 7. Лысенко О. Г. Применение сканирующего зондового микроскопа с алмазным острием в качестве нанотехнологического инструмента // Сверхтв. материалы. – 2009. – № 6. – С. 40–46. 8. Выровец И. И., Грицына В. И., Дудник С. Ф. и др. Газофазное химическое осаждение нанокристаллических алмазных пленок // Нанотехнологии: Сб. докладов Харьковской нанотехнологической ассамблеи–2008. – Харьков: НТЦ ХФТИ, 2008. – Т. 1. – С. 248– 255. 9. Выровец И. И., Грицына В. И., Опалев О. А. и др. Использование микро- и нанодис- персного алмаза для осаждения поликристаллических алмазных пленок в тлеющем разряде // Физическая инженерия поверхности. – 2007. – 5, № 2. – С. 87–93. 10. Stacey A., Aharonovich I., Prawer S., Butler J. Controlled synthesis of high quality mi- cro/nanodiamonds by microwave plasma chemical vapor deposition // Diamond Relat. Ma- ter. – 2009. – 18. – P. 51–55. 11. Cicala G., Bruno P., Benedic F. et al. Nucleation, growth and characterization of nanocrys- talline diamond films // Ibid. – 2005. – 14. – P. 421–425. 12. Barbosa D. C., Almeida F. A., Silva R. F. et al. Influence of substrate temperature on forma- tion of ultrananocrystalline diamond films deposited by HFCVD argon-rich gas mixture // Ibid. – 2009. – 18. – P. 1283–1288. 13. Wang C. S., Chen H. C., Cheng H. F., Lin I. N. Synthesis of diamond using ultra- nanocrystalline diamonds as seeding layer and their electron field emission properties // Ibid. – 2009. – 18. – P. 136–140. 14. Popov C., Favaro G., Kulisch W., Reithmaier J. Influence of the nucleation density on the structure and mechanical properties of ultrananocrystalline diamond films // Ibid. – 2009. – 18. – P. 151–154. 15. Popov C., Bliznakov S., Kulisch W. Influence of the substrate nature on the properties of nanocrystalline diamond films // Ibid. – 2007. – 16. – P. 740–743. 16. Gouzman I., Fuchs O., Lifshitz Y. et al. Nanodiamond growth on diamond by energetic plasma bombardment // Ibid. – 2007. – 16. – P. 762–766. 17. Show Y., Swope V. M., Swain G. M. The effect of the CH4 level on the morphology, micro- structure, phase purity and electrochemical properties of carbon films deposited by micro- wave-assisted CVD from Ar-rich source gas mixtures // Ibid. – 2009. – 18. – P. 1426–1434. 18. Chen H. G., Chang L. Growth of diamond nanoplatelets on nanocrystalline diamond sub- strates // Ibid. – 2009. – 18. – P. 141–145. 19. Raina S., Kang W. P., Davidson J. L. Nitrogen incorporated nanodiamond film with ‘ridge’ surface morphology for detection of bio-analyte // Ibid. – 2009. – 18. – P. 574–577. 20. Дощанов К. М. Теория переноса заряда в поликристаллических полупроводниках с глубокими примесными центрами // Физика и техника полупроводников. – 1998. – 32, № 6. – С. 690–695. www.ism.kiev.ua/stm 66 21. Милнс A. Примеси с глубокими уровнями в полупроводниках: Пер. с англ. – М.: Мир, 1977. – 562 с. 22. Schirach R.-J., Kolbesen B. O., Aderhold D. D., Comes F. J. Characterization of crystal faces of polycrystalline HFCVD diamond films by STM/STS // J. Anal. Chem. – 1997. – 358, N 2. – P. 335–338. 23. Fan Y., Fitzgerald A. G., John Ph. et al. Scanning probe microscopy and spectroscopy of CVD diamond films // Microchimica Acta. – 2000. – 132, N 2, art. 053115 (9 p.). 24. May P. W., Mankelevich Yu. A. Microcrystalline, nanocrystalline and ultrananocrystalline diamond chemical vapor deposition: experiment and modeling of the factors controlling growth rate, nucleation and crystal size // J. Appl. Phys. – 2007. – 101. – P. 1–9. 25. Цысарь М. А. Компьютерное моделирование формирования трехмерного изображения поверхности пиролитического графита в методе сканирующей туннельной микро- скопии с использованием алмазного острия, легированного бором // Сверхтв. мате- риалы. – 2011. – № 3. – С. 55–64. 26. Претт У. Цифровая обработка изображений: Пер. с англ. / Под ред. Д. С. Лебедева. – М.: Мир, 1982. – 312с. 27. Арутюнов П. А., Толстихина А. Л., Демидов В. Н. Система параметров для анализа шероховатости и микрорельефа поверхности материалов в сканирующей зондовой микроскопии // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. – 1998. – 65, № 9. – С. 27–37. Ин-т сверхтвердых материалов Поступила 21.09.11 им. В. Н. Бакуля НАН Украины

Исследование топологических особенностей поверхности HFCVD нанокристаллической алмазной пленки сканирующим туннельным микроскопом с алмазным острием

Репозитарії

Схожі ресурси