Кількісні параметри стохастично нанонеоднорідної структури аморфних плівок системи Ge—Se

Поєднанням метод електронної й атомно-силової мікроскопії визначено кількісні параметри наноструктури аморфних плівок системи Ge—Se: розміри неоднорідностей, висоту виступів та глибину впадин рельєфу поверхні, діаметри зерен або стовпчиків, розміри каналів між стовпчиками, розміри нанопор, ступінь...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2013
Hauptverfasser:	Бобик, М.Ю., Іваницький, В.П., Ковтуненко, В.С., Сабов, В.І.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2013
Schriftenreihe:	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/75899
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Кількісні параметри стохастично нанонеоднорідної структури аморфних плівок системи Ge—Se / М.Ю. Бобик, В.П. Іваницький, В.С. Ковтуненко, В.І. Сабов // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2013. — Т. 11, № 1. — С. 73-88. — Бібліогр.: 20 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-75899
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-758992025-02-09T09:59:05Z Кількісні параметри стохастично нанонеоднорідної структури аморфних плівок системи Ge—Se Бобик, М.Ю. Іваницький, В.П. Ковтуненко, В.С. Сабов, В.І. Поєднанням метод електронної й атомно-силової мікроскопії визначено кількісні параметри наноструктури аморфних плівок системи Ge—Se: розміри неоднорідностей, висоту виступів та глибину впадин рельєфу поверхні, діаметри зерен або стовпчиків, розміри каналів між стовпчиками, розміри нанопор, ступінь нанопористости. Встановлено, що нанонеоднорідності реалізуються завдяки наявності рельєфу поверхні досліджуваних зразків та їх нанопористости. The quantitative parameters of Ge—Se amorphous films nanostructure: heterogeneity sizes, bumps heights and hollows depths of surface relief, diameters of grains or columns, the channels widths, nanopores size, degree of nanoporosity are determined by combination of both the electron microscopy and the atomic force microscopy. As revealed, the nanoinhomogeneities are realized due to the topography of the samples and their nanoporosity. Сочетанием методов электронной и атомно-силовой микроскопии определены количественные параметры наноструктуры аморфных плёнок системы Ge—Se: размеры неоднородностей, высота выступов и глубина впадин рельефа поверхности, диаметры зёрен или столбиков, размеры каналов между столбиками, размеры нанопор, степень нанопористости. Установлено, что нанонеоднородности реализуются благодаря наличию рельефа поверхности исследуемых образцов и их нанопористости. 2013 Article Кількісні параметри стохастично нанонеоднорідної структури аморфних плівок системи Ge—Se / М.Ю. Бобик, В.П. Іваницький, В.С. Ковтуненко, В.І. Сабов // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2013. — Т. 11, № 1. — С. 73-88. — Бібліогр.: 20 назв. — укр. 1816-5230 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/75899 PACSnumbers:07.78.+s,07.79.-v,61.05.J-,61.43.Er,68.37.Lp,87.64.Bx,87.64.Ee uk Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології application/pdf Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
description	Поєднанням метод електронної й атомно-силової мікроскопії визначено кількісні параметри наноструктури аморфних плівок системи Ge—Se: розміри неоднорідностей, висоту виступів та глибину впадин рельєфу поверхні, діаметри зерен або стовпчиків, розміри каналів між стовпчиками, розміри нанопор, ступінь нанопористости. Встановлено, що нанонеоднорідності реалізуються завдяки наявності рельєфу поверхні досліджуваних зразків та їх нанопористости.
format	Article
author	Бобик, М.Ю. Іваницький, В.П. Ковтуненко, В.С. Сабов, В.І.
spellingShingle	Бобик, М.Ю. Іваницький, В.П. Ковтуненко, В.С. Сабов, В.І. Кількісні параметри стохастично нанонеоднорідної структури аморфних плівок системи Ge—Se Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
author_facet	Бобик, М.Ю. Іваницький, В.П. Ковтуненко, В.С. Сабов, В.І.
author_sort	Бобик, М.Ю.
title	Кількісні параметри стохастично нанонеоднорідної структури аморфних плівок системи Ge—Se
title_short	Кількісні параметри стохастично нанонеоднорідної структури аморфних плівок системи Ge—Se
title_full	Кількісні параметри стохастично нанонеоднорідної структури аморфних плівок системи Ge—Se
title_fullStr	Кількісні параметри стохастично нанонеоднорідної структури аморфних плівок системи Ge—Se
title_full_unstemmed	Кількісні параметри стохастично нанонеоднорідної структури аморфних плівок системи Ge—Se
title_sort	кількісні параметри стохастично нанонеоднорідної структури аморфних плівок системи ge—se
publisher	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
publishDate	2013
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/75899
citation_txt	Кількісні параметри стохастично нанонеоднорідної структури аморфних плівок системи Ge—Se / М.Ю. Бобик, В.П. Іваницький, В.С. Ковтуненко, В.І. Сабов // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2013. — Т. 11, № 1. — С. 73-88. — Бібліогр.: 20 назв. — укр.
series	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
work_keys_str_mv	AT bobikmû kílʹkísníparametristohastičnonanoneodnorídnoístrukturiamorfnihplívoksistemigese AT ívanicʹkijvp kílʹkísníparametristohastičnonanoneodnorídnoístrukturiamorfnihplívoksistemigese AT kovtunenkovs kílʹkísníparametristohastičnonanoneodnorídnoístrukturiamorfnihplívoksistemigese AT sabovví kílʹkísníparametristohastičnonanoneodnorídnoístrukturiamorfnihplívoksistemigese
first_indexed	2025-11-25T15:18:50Z
last_indexed	2025-11-25T15:18:50Z
_version_	1849776072226242560
fulltext	73 PACS numbers: 07.78.+s, 07.79.-v,61.05.J-,61.43.Er,68.37.Lp,87.64.Bx, 87.64.Ee Кількісні параметри стохастично нанонеоднорідної структури аморфних плівок системи Ge—Se М. Ю. Бобик, В. П. Іваницький, В. С. Ковтуненко, В. І. Сабов Ужгородський національний університет, вул. Капітульна, 13, 88000 Ужгород, Україна Черкаський технологічний університет, бульв. Тараса Шевченка, 460, 18000 Черкаси, Україна Поєднанням метод електронної й атомно-силової мікроскопії визначено кількісні параметри наноструктури аморфних плівок системи Ge—Se: ро- зміри неоднорідностей, висоту виступів та глибину впадин рельєфу пове- рхні, діаметри зерен або стовпчиків, розміри каналів між стовпчиками, розміри нанопор, ступінь нанопористости. Встановлено, що нанонеодно- рідності реалізуються завдяки наявності рельєфу поверхні досліджува- них зразків та їх нанопористости. The quantitative parameters of Ge—Se amorphous films nanostructure: het- erogeneity sizes, bumps heights and hollows depths of surface relief, diame- ters of grains or columns, the channels widths, nanopores size, degree of na- noporosity are determined by combination of both the electron microscopy and the atomic force microscopy. As revealed, the nanoinhomogeneities are realized due to the topography of the samples and their nanoporosity. Сочетанием методов электронной и атомно-силовой микроскопии опреде- лены количественные параметры наноструктуры аморфных плёнок си- стемы Ge—Se: размеры неоднородностей, высота выступов и глубина впа- дин рельефа поверхности, диаметры зёрен или столбиков, размеры кана- лов между столбиками, размеры нанопор, степень нанопористости. Уста- новлено, что нанонеоднородности реализуются благодаря наличию рель- ефа поверхности исследуемых образцов и их нанопористости. Ключові слова: електронна мікроскопія, контраст, аморфні матеріали, мікроструктура. (Отримано 6 серпня 2012 р.) Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies 2013, т. 11, № 1, сс. 73—88 © 2013 ІМФ (Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України) Надруковано в Україні. Фотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії 74 М. Ю. БОБИК, В. П. ІВАНИЦЬКИЙ, В. С. КОВТУНЕНКО, В. І. САБОВ 1. ВСТУП Згідно з електронно-мікроскопічними (ЕМ) дослідженнями, зобра- ження мікроструктури аморфних плівок більшості халькогенідів у тій чи іншій мірі містять нанорозмірні флуктуації контрасту [1]. На ЕМ-знімках даних об’єктів виявляються локальні області різної форми із середніми розмірами від 5 нм до 50 нм. Враховуючи прос- торовий масштаб та закономірності утворення даних структурних особливостей, можна вважати, що вони відображають стохастично неоднорідну наноструктуру аморфних халькогенідів. Спостережувані особливості контрасту не можуть бути сформо- вані за рахунок зміни хімічного складу локальних ділянок зразка, оскільки такий характер наноструктури є типовим для матеріалів різного хімічного складу [2]. Крім того, в більшості випадків стоха- стично нанонеоднорідними є також зразки, до складу яких входять хімічні елементи, електронні амплітуди розсіювання яких майже однакові (наприклад, Ge, As та Se). Для таких матеріалів варіації хімічного складу практично не впливають на величину контрасту ЕМ-зображень. Тому ми вважаємо, що нанонеоднорідності контра- сту аморфних халькогенідів виникають переважно через різницю товщин різних ділянок зразків та їх атомних густин, у тому числі, й за рахунок різної нанопористості цих ділянок. Для встановлення фізичних механізмів та закономірностей фор- мування таких неоднорідностей важливо визначити кількісні па- раметри наноструктури халькогенідних плівок. Дану роботу прис- вячено вирішенню даного завдання для аморфних плівок системи Ge—Se. 2. МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕНЬ Аморфні плівки одержувались методою термічного випаровування вихідних стекол із квазизамкнених танталових комірок на серійній вакуумній установці ВУП-5. Як підложжя для осадження плівок використовували свіжі відколки монокристалів NaCl вздовж пло- щини (001) та очищені хімічним способом тонкі пластинки звичай- ного кварцового скла. Підложжя, як правило, спеціально не підігрі- валися і знаходилися за кімнатної температури. Для ЕМ-досліджень різних халькогенідів одержували зразки з товщинами в діапазоні від 30 до 70 нм. Контроль товщини виконувався ультразвуковою ме- тодою та шляхом завдання маси випаровуваної речовини. Мікроструктура та наноструктура плівок досліджувались на еле- ктронному мікроскопі ЭММА-4 методом «на просвіт». Одержані на фотопластинках ЕМ-знімки фотометрувалися та оцифровувалися за методикою [3]. Для теоретичних розрахунків величини ЕМ- контрасту між різними локальними ділянками зображень викорис- ПАРАМЕТ товували Для к ми вико лення кр рамі оби вою довж статисти таких ро яка розм дньоквад мої був м лінії є рі носно сер Після вою для цього пр лінії у в наступні руктури Середн середньо пінь варі Середн розрахун уmax та n кого наб впадина звичай n який є м Рис. 1. П жень. ТРИ СТОХАСТ ися матема ількісного ористовува ривих фот ирається лі жиною. На ичні парам озрахунків міщується дратичний мінімальни івність сум редньої лін визначенн подальшо рофіль мік вигляді фу і кількісні и. нє арифме ої лінії – R іації інтен ня висота нку на мік самих гли бору вилуч а; розрахов n дорівнюв між елемен Параметри ТИЧНО НАН атичні спів о опису нео али станда тометруван інійна діля а даній ча метри неод в є середня таким чин й відхил пр им. Як мат ми площ ви нії. ня положе го статист крофотогра ункції у(х) і статистич етичне від 0 1 ( L cR y L =  сивності ел елементів рофотогра ибоких впа алися один вували знач вало 10—15 тами зобра статистичн НОНЕОДНОРІ ввідношенн одноріднос артну проц ння (рис. 1 янка, довж астині мікр норідносте я лінія мі ном, щоб у рофілю мі тематична иступів сум ення середн ичного обр ами вже з ). За даним чні параме хилення п ( )x dx . Цей лементів Е профілю м амі обирали адин уmin у м н найвищи чення zR = 5. Парамет аження. ного обробл ДНОЇ СТРУК ня роботи [ стей контра цедуру ста 1). Для цьо жина якої L рофотограм ей ЕМ-зобр крофотогр межах баз крофотогр а умова роз мі площ вп ньої лінії, роблення Е задавався м профілем етри неодн профілю м й параметр ЕМ-зображ мікрофото ися n сами межах базо ий виступ ( 1 1 1 1 n i y n − = =  − р Rz задає ення мікро ТУРИ ПЛІВО [4]. асту ЕМ-зо атистичног ого на мік L називаєт ми розрахо ражень. Ба рами m—m зової довжи рами від да зміщення с падин проф вона става ЕМ-зображ відносно с м розрахов норідностей мікрофотог р характер ення. грами – R х високих ової довжи та одна на 1 max 1 n i i y y − = +  середній к офотограм Е ОК Ge—Se 75 ображень го оброб- крофотог- ться базо- овуються азою для (рис. 1), ини сере- аної пря- середньої філю від- ала осно- жень. Для середньої вувалися й наност- грами від ризує сту- Rz. Для її виступів ини. З та- айглибша )min iy . За- контраст, ЕМ-зобра- 76 М. Ю. БОБИК, В. П. ІВАНИЦЬКИЙ, В. С. КОВТУНЕНКО, В. І. САБОВ Найбільша висота елементів профілю Rmax – відстань між лінією виступів і лінією впадин профілю мікрофотограми в межах базової довжини. Лінія виступів профілю визначалася як пряма, що про- ходить через вершину найвищого з n − 1 вибраних раніше виступів профілю, а лінія впадин – як пряма, що проходить через «дно» найглибшої з п’яти вибраних n − 1 впадин профілю. Ці обидві лінії розташовувалися еквідистантно до середньої лінії в межах базової довжини. Параметр Rmax визначає максимальний контраст, який існує між елементами ЕМ-зображення. Середній розмір елементів профілю мікрофотограми в межах ба- зової довжини Sс знаходився як середня довжина відрізка між точ- ками перетину двох найближчих сусідніх виступів та впадин про- філю середньої лінії мікрофотограми: 1 1 m c mi i S S m = =  , де m – кіль- кість врахованих кроків у межах базової довжини. Величина Sс ха- рактеризує середні лінійні розміри нанонеоднорідностей мікро- структури досліджуваних аморфних плівок. Середній розмір локальних неоднорідностей профілю мікрофото- грами – S. Він визначався середнім значенням кроку локальних виступів профілю мікрофотограми в межах базової довжини: 1 1 l i i S S l = =  , де Sі – довжина кроків локальних нерівностей в межах окремих виступів профілю, а l – кількість кроків, за якими визна- чається параметр S. Параметр S описує розміри окремих елементів будови різних нанонеоднорідних утворень у мікроструктурі аморф- них речовин. 3. РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕНЬ ТА ЇХ АНАЛІЗ Типові знімки для аморфних плівок Ge25Se75, одержані на елект- ронному та атомно-силовому мікроскопах, наведено на рис. 2. Кри- ві фотометрування даних зображень наведено на рис. 3. Після статистичного оброблення наведених на рис. 3 мікрофото- грам нами одержано усереднені кількісні параметри ЕМ-зображень мікроструктури аморфних плівок Ge25Se75 (табл. 1). У цій же табли- ці розміщено дані про геометричні параметри топології поверхні плівок, одержані з атомно-силових зображень, а також розраховано параметри наноструктури об’єму плівок. Оскільки результати атомно-силових досліджень відображають профіль поверхні безпосередньо в нанометрах, то параметри R за- дають абсолютні величини поверхневих виступів і впадин у вигляді різниці товщин Δd. Для їх порівняння з даними ЕМ-досліджень об’єму матеріалу, параметри R ЕМ-знімків мають бути також пере- раховані з відносних одиниць в абсолютні, тобто у відхилення тов- ПАРАМЕТ щини ло нтрасту рам Rc, шенням де Φ0, Φ1 ні локал Рис. 2. З електрон Рис. 3. К аморфних ТРИ СТОХАСТ окальних д K ЕМ-знім Rz, та Rma [4]: 1, Φ2 – спа льні ділянк а Знімки мікр нному (а) та а Крива фото х плівок Ge ТИЧНО НАН ділянок. Д мків, які в x. Розраху lg K = адний та пр ки фотозні роструктур а атомно-сил ометрування e25Se75. НОНЕОДНОРІ Для цього м ідповідают унки викон [ 2 0 0 lg( / g ( ) / Φ Φ Φ Φ рохідний к мка світло и аморфни ловому (б) м я ЕМ-знімк ДНОЇ СТРУК ми розраху ть одержан нувалися ] 1 1 2 ) ( ) Φ Φ Φ , крізь першу ові потоки б их плівок G мікроскопа ків (а) та п ТУРИ ПЛІВО ували вели ним вище нами за сп у і другу ан в процесі ф Ge25Se75, оде х. б профіль пов ОК Ge—Se 77 ичини ко- парамет- піввідно- (1) налізова- фотомет- ержані на верхні (б) 78 М. Ю. БОБИК, В. П. ІВАНИЦЬКИЙ, В. С. КОВТУНЕНКО, В. І. САБОВ рування. При фотометруванні світловий потік, що потрапляє на фотопла- стинки, складав Φ0 = 170—180 одиниць рівня сірого, а фотометрова- ні ділянки давали потоки в діапазоні від 75 до 145 одиниць сірого. Розраховані величини контрасту K також наведено в таблиці 1. За- значимо, що виконані нами практичні розрахунки контрасту ЕМ зображень з використанням співвідношення (1) показали високу чутливість одержаних значень величини контрасту до точності ви- конання процедури фотометрування. Особливо значний вплив на одержані результати дає зміна величини спадного світлового пото- ку. Його варіації на 1—2% призводили до змін величини контрасту K на 3—5%. З особливостей ЕМ-зображень випливає, що розраховані контра- сти відносяться до парціального внеску пружного некогерентного розсіювання електронів. Тому вважатимемо, що контраст на ЕМ- знімках зумовлений чисто різницями товщин Δd локальних діля- нок зразка, які спостерігаються на зображеннях поверхні в атомно- силовому мікроскопі. Тоді можна записати співвідношення між то- вщинами двох, які формують контраст, локальних ділянок зразка: d2 = d1 + Δd. За таких умов, приймаючи незмінними всі інші пара- метри зразка, з виразу (1) одержуємо: 0 0 0 0 exp( ) 1 exp( ) exp( ) 1 exp( ) C C d d K C C d d − −σρ Δ − −σρ Δ = = + −σρ Δ + −σρ Δ , де 0 1 exp( )C d= −σρ . З даного рівняння випливає, що 0 1 exp( ) 1 K d K −−σρ Δ = + . (2) Для подальшого розв’язку поставленої задачі треба знати середні атомні перерізи пружного некогерентного розсіювання електронів ТАБЛИЦЯ 1. Статистичні параметри оброблення знімків плівок Ge25Se75. Результати оцифрування ЕМ-фотозображень Параметр Rc, відн.од. Kc, % Rz, відн.од. Kz, % Rmax, відн.од. Kmax, % Sc, нм S, нм 2,9 6 8,1 8 12,3 11 34 18 Топологічні параметри поверхні в нанометрах з атомно-силових знімків Параметр R(Δd)c, нм R(Δd)z, нм R(Δd)max, нм Sc, нм S, нм 2,3 4,1 7,7 37 17 Розраховані за контрастом різниці товщин локальних ділянок Параметр Δdc, нм Δdz, нм Δdmax, нм Sc, нм S, нм 5 7 10 – – ПАРАМЕТРИ СТОХАСТИЧНО НАНОНЕОДНОРІДНОЇ СТРУКТУРИ ПЛІВОК Ge—Se 79 σ та атомну густину досліджуваних матеріалів. Густина плівок Ge25Se75 була визначена нами експериментально й рівна 4,5 г/см 3, що близько до величини густини стекол такого ж хімічного складу [5]. Перерахунок дає відповідну середню атомну густину плівок ρ0 = 38 ат./нм 3. Середні атомні перерізи пружного некогерентного розсіювання електронів за межі апертурної діафрагми σ в абсолютних одиницях розраховувалися з атомних факторів розсіювання F2(s) хімічних елементів селену та германію, які входять до складу досліджуваних зразків. При розрахунках межі інтегрування за векторами розсію- вання бралися рівними sα = 12 нм −1. Таке значення меж відповідає розміру апертурної діафрагми, яка використовувалась у наших ЕМ- експериментах. Оскільки атомні фактори для селену та германію досить близькі, то в розрахунках σ для плівок Ge25Se75 використо- вувалися значення F 2(s) для селену. За наведеною методикою ми одержали значення середнього атомного перерізу пружного некоге- рентного розсіювання електронів плівками в системі Ge—Se σ = 6⋅10 −4 нм 2. Ці дані кількісно близькі до наведених у [6] відпові- дних величин для елементарних германію, селену та інших простих матеріалів. З розрахованих та експериментально визначених вище вихідних параметрів ми одержали для плівок Ge25Se75 середнє значення добу- тку σ ρ0 = 0,024 нм −1. Використовуючи цю величину, відповідно до виразу (2), було розраховано різниці товщин локальних ділянок до- сліджених зразків Δd, які необхідні для створення одержаного екс- периментально контрасту на ЕМ-зображеннях. Визначені в такий спосіб величини Δd наведено в останньому рядку табл. 1. Для подальшого аналізу стохастичних неоднорідностей дослі- джуваних зразків порівняємо наведені в табл. 1 параметри Δd для ЕМ- та атомно-силових досліджень. У першому випадку ці параме- три відображають відмінності локальних товщин зразків, а у дру- гому – відмінності топології їх поверхні. Як випливає з такого аналізу, відмінності локальних товщин не можуть бути повністю віднесені за рахунок наявності виступів та впадин на поверхні зраз- ків. При реалізації такої ситуації параметри Δd для ЕМ- та атомно- силових зображень були б дуже близькими. Реально ж ми бачимо суттєво більші їх значення для ЕМ-знімків, у порівнянні з атомно- силовими. Ми вважаємо, що дані відмінності треба віднести на ра- хунок наявності сильної нанопористості аморфних плівок [7]. При цьому, виходячи з даних табл. 1, можна оцінити середні розміри та частку нанопор від загального об’єму досліджених зразків. Дійсно, якщо відняти від параметрів Δd об’єму зразків такі ж па- раметри для їх поверхні, то умовно одержуємо ту середню частину товщини плівки Δdп, яка зайнята порами. Виконавши такі розра- хунки, ми одержуємо в середньому Δdп = 3 нм для плівок Ge25Se75. 80 М. Ю. БОБИК, В. П. ІВАНИЦЬКИЙ, В. С. КОВТУНЕНКО, В. І. САБОВ При цьому треба зазначити, що для різних параметрів Δd (Δdс, Δdz, Δdmax) величини Δdп практично не відрізняються. Врахувавши зага- льну товщину досліджених плівок Ge25Se75, рівну 70 нм, ми також розрахували відносну об’ємну частку їх нанопористості, яка скла- дає 4,5%. Дуже близькими до одержаних нами кількісних даних є результати дослідження нанопористості різних халькогенідних плівок та стекол у роботі [8]. Визначити точно розміри нанопор у досліджених нами зразках нам не вдалося. Але з темнопольних ЕМ- зображень випливає, що їх величина сумірна з параметрами Δdп. і варіюється в межах від 1 нм до 3 нм. Описані вище стохастичні нанонеоднорідності характерні для тонких аморфних плівок системи Ge—Se різних хімічних складів та одержаних у різних технологічних умовах. Чисельні дані експери- ТАБЛИЦЯ 2. Результати оцифрування та кількісного аналізу ЕМ-зобра- жень аморфних плівок системи Ge—Se товщиною 70 нм (кут конденсації β = 0°). Хімічний склад плівки та метод випаровування Середній контраст K, % (Rz, нм) Середні розміри нано- неоднорідностей Sc, нм Ge50Se50, дискретне < 2 (< 2) – Ge33Se67, дискретне 3 (2,5) 30 Ge25Se75, дискретне 6 (5) 35 Ge45Se45, дискретне 4 (3) 15 Ge45Se55, дискретне, Тпд = 370 К 5 (3,5) 30 Ge45Se55, дискретне, Тпд = 450 К 6 (5) 30 Ge, лазерне < 2 (< 2) – Ge50Se50, лазерне 4,5 (3,5) 30 Ge33Se67, лазерне 6 (5) 30 Ge25Se75, лазерне 9,5 (8) 35 ТАБЛИЦЯ 3. Результати оброблення знімків на атомно-силовому мік- роскопі поверхні аморфних плівок системи Ge—Se товщиною 1 мкм (кут конденсації β = 0°). Хімічний склад плівки та метод випаровування Середня висота профілю поверхніRz, нм Середні розміри стовпців Sc, нм Ge30Se50Те20, дискретне 5—7 20—30 Ge33Se60, дискретне 7 30 Ge33Se67, дискретне 8 20 Ge33Se52Bi15, дискретне 5 30 Ge40S60, лазерне 3 25 ПАРАМЕТ менталь методик поверхні наведено Викор особливо перших межах в може зум таких пл ршин не У товс 3—8 нм (р єф повер їми сере тури пра нм) плів плівок G практич На наш ра аморф ханізму більш то впчиків, ткоподіб човин [9 тих плів нонеодно Рис. 4. З тури амо рхневого ТРИ СТОХАСТ них ЕМ-до кою зведен і більш тов о в табл. 3. ристовуючи ості нанос з них амп від 0 до 10 мовлювати лівок. Тоді еоднорідно стих плівк рис. 4, таб рхні товсти едніми пар актично «п вок. Тому м Ge—Se під ч чно не змін шу думку, фних пліво формуван овстих плів , які часто бної» струк 9]. При цьо вок збігают орідності т а Знімок на а орфної плівк рельєфу (б ТИЧНО НАН осліджень но в табл. 2 встих пліво и дані таб труктури плітудний %. При ць ися реальн і середні ві стей на пов ах середня л. 3). З пор их (≅ 1 мкм раметрами повторює» можна при час їх кон юється. , виявлена ок, швидш ня шарів н вках нанон є відповід ктури конд ому розмір ться з сере тонких плі атомно-сило ки Ge33Se67 б). НОНЕОДНОРІ їх наност 2. Результ ок методою лиць 2 та тонких і контраст ьому лише ними зміна ідстані між верхні не п я висота сто рівняння ц м) плівок ха и стохастич неоднорід ипустити, щ денсації м стохастич ше всього, на початко неоднорідн дальними з денсованих ри окремих едніми роз івок (табл. овому мікро товщиною ДНОЇ СТРУК труктури з тати дослід ю атомно-с 3, коротк товстих пл за величи е половина ами висоти ж рівнем вп перевищую овпчиків н цих даних в алькогенід чно неодно ну наностр що в проце морфологія чно неоднор є наслідко вих стадія ність виявл за утворенн х у вакуум х стовпчик змірами ок 2 та 3). Да оскопі стов 1,1 мкм (а ТУРИ ПЛІВО за наведен дження то силової мік о охаракте лівок окре иною зміню а даного к и профілю падин та р ють 4 нм. на поверхні випливає, дів германі орідної на руктуру то есі росту ам я ростучої рідна нано ом зародко ях їх конде ляється в р ня характе мі плівок рі ків у площ кремих «зе аний факт б пчикової н а) та профіл ОК Ge—Se 81 ною вище опографії кроскопії еризуємо емо. Для юється в контрасту поверхні рівнем ве- і складає що рель- ію за сво- анострук- онких (70 морфних поверхні острукту- ового ме- енсації. У рості сто- ерної «сі- ізних ре- щині товс- ерен» на- свідчить нанострук- ль її пове- 82 М. Ю. БОБИК, В. П. ІВАНИЦЬКИЙ, В. С. КОВТУНЕНКО, В. І. САБОВ про те, що стовпчикова структура більш товстих аморфних плівок значною мірою є результатом еволюції нанонеоднорідної структури тонких плівок у процесі їх росту. Зазначимо, що нанонеоднорідна структура дуже часто спостері- гається як в аморфних, так і в кристалічних конденсатах найрізно- манітніших речовин. Таку мікроструктуру ще називають стовпчи- ковою. Найбільш виразно стовпчикова наноструктура виявляється в плівках, одержаних при похилому падінні парового потоку на пі- дкладку. При цьому стовпчики орієнтуються вздовж напрямку да- ного потоку із нахилом до його джерела. Якщо кут конденсації (кут між нормаллю до підкладки та напрямком парового потоку) рівний β, то кут α нахилу стовпчиків відносно нормалі, в більшості випад- ків, добре узгоджується із співвідношенням 2tgα = tgβ [10]. Дану закономірність називають правилом тангенса. Посилення ступеня нанонеоднорідності конденсатів з ростом α дає змогу припустити, що утворення стовпчикової мікроструктури є наслідком «затінен- ня» частини ростучої поверхні плівки від спадного парового потоку топологічними неоднорідностями даної поверхні. Дана гіпотеза перевірялася комп’ютерним моделюванням [11, 12]. Його результати показують, якщо за головний параметр пере- бігу процесів конденсації взяти рухливість адсорбованих на повер- хні підкладки атомів, то стовпчикова наноструктура може дійсно виникати виключно за рахунок затінювальної дії вже сконденсова- них атомів на атоми, що надходять з парового потоку (так званий ефект самозатінення). При цьому характер нанонеоднорідності одержаних моделей в цілому добре описує реальні стовпчикові на- ноструктури, одержані при різних кутах конденсації: відстань між стовпчиками і чіткість їх виділення збільшується з ростом β, а орі- єнтація стовпчиків задовільно описується правилом тангенсів. Ре- зультати моделювання показують також, що навколо окремих сто- впчиків формуються ділянки плівки з меншою густиною. Характе- рний розмір цих ділянок сумірний з середньою довжиною пробігу адсорбованих атомів на підложжі. Ефект самозатінення та інтенси- вність утворення нанопор навколо стовпчиків різко посилюються, якщо швидкість міграції адсорбованих атомів до затінених ділянок менша, ніж швидкість формування нанопор у процесі конденсації. Моделювання також показало, що при нормальному падінні па- рового потоку на підкладку самозатінення практично не впливає на процеси росту плівки. Саме тому модель самозатінення було допов- нено ідеєю про визначальну роль у формуванні стохастичних нано- неоднорідностей зародкового механізму початкових етапів конден- сації плівок [13]. Розростаючись, зародки перетворюються в окремі острівці. При подальшому рості розміри острівців збільшуються, а відстані між ними зменшуються. За таких умов між острівцями утворюються локальні області конденсату з високою концентраці- ПАРАМЕТРИ СТОХАСТИЧНО НАНОНЕОДНОРІДНОЇ СТРУКТУРИ ПЛІВОК Ge—Se 83 єю дефектів та нанопор. Ці області перешкоджають швидкому зрос- танню острівців і тому програмують утворення тривимірної стовп- чикової або зернистої наноструктури плівок як при нормальному, так і при похилому надходженні парового потоку на ростучу повер- хню конденсатів. Одержані нами закономірності підтверджують наявну гіпотезу про визначальну роль у формуванні стохастично нанонеоднорідної мікроструктури аморфних плівок зародків та острівців конденсо- ваної фази на її ростучій поверхні [10]. Якщо припустити, що висо- та стовпчиків мало змінюється в процесі конденсації, то в такому випадку як для тонких плівок, так і для товстих шарів середні ви- соти нанонеоднорідностей над поверхнею конденсату мають бути приблизно однакові. Дані таблиць 2 та 3 підтверджують ці законо- мірності. Крім того, аналіз показує, що при збільшенні товщини осаджуваної плівки від ≅ 0,1 до 1 мкм (десятикратне збільшення) середня висота нанонеоднорідностей зростає лише на кілька нано- метрів. При цьому висоти неоднорідностей відповідають середнім розмірам критичних зародків аморфного конденсату на зародковій та острівцевій стадії його росту. Для перевірки можливості використання запропонованих моде- лей щодо пояснення механізмів формування стохастично нанонео- днорідної мікроструктури аморфних плівок халькогенідів герма- нію ми виконали ЕМ-дослідження тонких конденсатів Ge50Se50 то- вщиною порядку 100 нм, осаджених методою дискретного терміч- ного випаровування при кутах конденсації 0° та 70°. При цьому ви- вчалася як «усереднена» мікроструктура всього об’єму плівок ме- тодом просвічуваної електронної мікроскопії, так і її особливості в площині перерізу шару перпендикулярно до підкладки методом ра- стрової електронної мікроскопії. Для останніх досліджень викону- вався відкол підложжя разом із наявною на ньому плівкою. Одер- жані нами результати таких досліджень наведено на рис. 5. З аналізу одержаних ЕМ-знімків чітко простежується тенденція переходу від слабко нанонеоднорідних, з ледь помітною «зернистіс- тю», конденсатів при нормальному падінні парового потоку (рис. 5, а, б) до чітко вираженої стовпчикової їх мікроструктури при кутах конденсації β = 70°. При цьому в косоосаджених конденсатах нахил стовпчиків (стрілки на рис. 5, г) задовольняє правило тангенсів з точністю до 15%. Відповідно, одержані нами результати для амор- фних плівок халькогенідів германію повністю узгоджуються із за- пропонованими моделями формування стохастично нанонеоднорі- дної зернистої та стовпчикової мікроструктур вакуумних конденса- тів. Нами було досліджено також відмінності кількісних параметрів нанонеоднорідності сконденсованих при різних кутах аморфних плівок Ge50Se50, описаними вище методами оброблення ЕМ-знімків. 84 М. Ю Узагальн табл. 4. В делей. П тей збіль рівнянні пінь їх н ніж утри Для к лів між нм, що в них част стовпчик вказуюч Навед однорідн чення в тному т суттєво в Рис. 5. ЕМ свічувано ції β = 0° Ю. БОБИК, В. нені резул Вони тако При велики ьшуються і з нормал нанопорист ичі. утів β = 0° зернами, р відповідає тинок на п ками косоо чи на суттєв дені вище р ності аморф їх прояві е ермічному вища, ніж а, ×3 в, × М-зображен ої (а, в) та р (а, б) та β = . П. ІВАНИЦ льтати дани ж підтверд их кутах к майже вдв льно сконд тості, оцін звертає на розміри як реальним підкладці [ осаджених во більшу н результати фних плів енергії част у випарову при прост 0000 ×40000 ння аморфни растрової (б, 70° (в, г). ЦЬКИЙ, В. С. их дослідж джують ре конденсаці вічі і стают денсованим нений за па а себе уваг ких оцінюю довжинам [1]. У той х плівок ста нанопорис и експерим ок вказую тинок, що уванні тем ому терміч их плівок G , г) електро . КОВТУНЕН жень навед еальність з ії розміри ть різко ан ми плівкам араметром у і дуже сл ються вели м вільного же час, ро ають значн тість таких ментальног ють на особ конденсую мпература чному осад Ge50Se50, оде нної мікрос НКО, В. І. СА дено на ри апропонов нанонеодн ізотропним ми. При ць Δdп, зрост лабкий про ичинами п пробігу ад озміри кан ними (dп ≈ 7 х конденса го дослідж бливо важл ються. При випаровув дженні. Від б г ржані мето скопії. Кут АБОВ ис. 6 та в ваних мо- норіднос- ми, в по- ьому сту- тає більш ояв кана- порядку 1 дсорбова- налів між 7—10 нм), атів. ження не- ливе зна- и дискре- вання Tв дповідно, одами про- конденса- ПАРАМЕТРИ СТОХАСТИЧНО НАНОНЕОДНОРІДНОЇ СТРУКТУРИ ПЛІВОК Ge—Se 85 більшою є і енергія частинок, які потрапляють на підкладку. Цей фактор зумовлює підвищення рухливості адсорбованих частинок на підкладці і повинен сприяти формуванню більш однорідної наност- руктури. Саме такі результати ми одержали при осадженні аморф- них плівок різних халькогенідів германію (табл. 2 та 3). При термі- чному випаровуванні в них реалізується суттєво зерниста наностру- ктура, тоді як плівки, одержані методом дискретного випаровуван- ня, більш нанооднорідні. Таку ж поведінку спостерігали і в аморф- них плівках Ge в роботі [14]. Ще більша роль підвищення енергети- чної активності частинок пари виявляється в методах імпульсного лазерного осадження, в межах яких утворюються конденсати з ду- же малим ступенем прояву нанонеоднорідності (табл. 2). Зазначимо також, що якісно повністю аналогічні нашим експе- а б Рис. 6. Криві фотометрування ЕМ-зображення «на просвіт» аморфних плі- вок Ge50Se50, одержаних при куті конденсації 70°: а – перпендикулярно напрямку розміщення стовпчиків; б– вздовж цього напрямку. ТАБЛИЦЯ 4. Вплив кута конденсації парового потоку β на параметри стохастично нанонеоднорідної мікроструктури плівок Ge50Se50. Параметр β = 0° β = 70° у перпендикулярному до потоку напрямку β = 70° у паралельному до потоку напрямку Rc, відн.од. 3,1 10,7 11,3 Rz, відн.од. 7,3 25,3 27,0 Rmax, відн.од. 10,6 35 37 Sc, нм 37 55 357 S, нм 19 28 109 K, % 5,5 18,5 20 Δdп, нм 5 16 17 dп, нм ≅ 1 10 – 86 М. Ю. БОБИК, В. П. ІВАНИЦЬКИЙ, В. С. КОВТУНЕНКО, В. І. САБОВ риментальним результатам щодо нанонеоднорідності аморфних плівок халькогенідів германію є дані, одержані на багатьох аморф- них плівках і стеклах інших матеріалів, зокрема, наведені в робо- тах [15—19]. Наші дослідження дозволяють перевести вивчення та- ких неоднорідностей на суттєво вищий рівень знаходження їх різ- них кількісних параметрів, а, відповідно, і на можливість встанов- лення строгих закономірностей та механізмів формування мікро- структури вакуумних конденсатів. У загальному, формуванню більш однорідної наноструктури сприяють збільшення кінетичної енергії частинок пари, зменшен- ня тиску залишкових газів підковпакового об’єму та наближення напрямку надходження парового потоку на підкладку до перпен- дикулярного площині підложжя. Зазначені тенденції вписуються в загальну закономірність – процесу утворення стовпчиків та зерен сприяють ті технологічні фактори, які зменшують рухливість адсо- рбованих частинок на підложжі і збільшують можливість проник- нення домішок залишкових газів у матрицю конденсату. У цьому відношенні нами виявлено неоднозначний вплив на ступінь нано- неоднорідності аморфних плівок лише температури їх конденсації або технологічних температур підложжя. Для халькогенідів, у більшості випадків, при їх підвищенні нами спостерігався ріст ступеня нанонеоднорідності аморфних конденса- тів. Однак, в окремих плівках спостерігалася і протилежна поведі- нка. Такі ефекти зазначені авторами роботи [20]. З ростом темпера- тури підкладки від 300 К до 530 К стовпчикова наноструктура амо- рфних плівок Ge поступово згладжувалася і ставала практично на- нооднорідною. Але при подальшому підвищенні температури підк- ладки до 590 К в конденсатах знову з’являлися значні нанонеодно- рідності у вигляді особливих «доменів» із середніми розмірами до 20 нм. Зазначимо також, що в кристалічних плівках підвищення тем- ператури підкладки завжди зумовлює зменшення прояву зернисто- сті та стовпчикової наноструктури [13]. Інші тенденції прояву цих властивостей в аморфних конденсатах свідчать про існування сут- тєвих відмінностей між процесами зростання, коалесценції та коа- гуляції окремих кристалічних і аморфних острівців на поверхні пі- дкладки при конденсації пари. Виявлення таких відмінностей є важливим завданням теоретичних і, особливо, експериментальних досліджень на майбутнє. Аналіз всіх наведених вище даних також вказує на те, що при формуванні амплітудного контрасту ЕМ-зображень аморфних плі- вок халькогенідів беруть участь кілька факторів. Основними з них є відмінності товщини локальних ділянок плівок, їх нанопористість та наномасштабні флуктуації густини. При цьому для визначення ступеня прояву кожного з цих факторів необхідні комплексні дос- лідження з використанням незалежних методів вимірювання пере- ПАРАМЕТРИ СТОХАСТИЧНО НАНОНЕОДНОРІДНОЇ СТРУКТУРИ ПЛІВОК Ge—Se 87 рахованих факторів окремо. 4. ВИСНОВКИ Поєднанням методів електронної та атомно-силової мікроскопії ви- значено кількісні параметри стохастично неоднорідної нанострук- тури аморфних плівок халькогенідів системи Ge—Se товщиною 60— 100 нм: середні розміри неоднорідностей 15—35 нм; середня висота виступів та середня глибина впадин рельєфу поверхні 3—8 нм; сере- дні діаметри зерен або стовпчиків 20—30 нм; середні розміри кана- лів між стовпчиками 3—4 нм. На ЕМ-зображеннях таким неоднорі- дностям відповідає величина контрасту між різними локальними ділянками 2—20%. Встановлено, що параметри стохастичної нано- неоднорідності сильно залежать від технологічних умов осадження плівок. Експериментально показано, що стохастична нанонеоднорід- ність реалізується завдяки двом основним внескам: наявності рель- єфу поверхні досліджуваних зразків та їх нанопористості. З одер- жаних даних зроблено оцінку ступеня нанопористості аморфних плівок різних халькогенідів, яка складає 3—5%. При цьому середні розміри нанопор знаходяться в межах від 1 до 3 нм. Виявлено та- кож, що ступінь нанопористості різко зростає при похилому падін- ні парового потоку на підложжя в процесі конденсації плівок. ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА 1. В. П. Іваницький, Механізми формування стохастично неоднорідної структури аморфних халькогенідів систем A IV—BV—XVI (Автореф. дис. на здобуття наук. ступеня д-ра фіз.-мат. наук … спец. 01.04.07—фізика твердо- го тіла) (Харків: 2008). 2. В. С. Ковтуненко, Структура аморфних плівок напівпровідників системи Ge—Sb—Se (Автореф. дис. на здобуття наук. ступеня канд. фіз.-мат. наук … спец. 01.04.10—фізика напівпровідників і діелектриків) (Ужгород: 2009). 3. В. П. Іваницький, М. Ю. Бобик, Фізика і хімія твердого тіла, 8, № 3: 589 (2007). 4. М. Ю. Бобик, Є. І. Боркач, В. П. Іваницький, В. І. Сабов, Наносистеми, на- номатеріали, нанотехнології, 10, № 3: 423 (2012). 5. S. Asokan, M. V. N. Prasad, G. Parthasarathy, and E. S. R. Gopal, Phys. Rev. Lett., 62, No. 7: 808 (1989). 6. А. Н. Пилянкевич, Просвечивающая электронная микроскопия (Киев: На- укова думка: 1975). 7. В. К. Малиновский, Н. В. Суровцев, Физика и химия стекла, 26, № 3: 315 (2000). 8. В. Н. Новиков, Наноструктура и низкоэнергетические колебательные возбуждения в стеклообразных материалах (Автореф. докт. дис.) (Новоси- бирск: Институт автоматики и электрометрии СО РАН: 1992). 88 М. Ю. БОБИК, В. П. ІВАНИЦЬКИЙ, В. С. КОВТУНЕНКО, В. І. САБОВ 9. Б. Н. Грудин, В. С. Плотников, В. К. Фищенко, Моделирование и анализ изображений в электронной и оптической микроскопии (Владивосток: Дальнаука: 2001). 10. A. G. Dirks and H. J. Leamy, Thin Solid Films, 47, No. 1: 219 (1977). 11. Ю. А. Скаков, В. С. Алейников, Ю. Ф. Бондаренко и др., Докл. АН СССР, 278, № 5: 1120 (1984). 12. Э. Лими, Г. Гилмер, А. Диркс, Актуальные проблемы материаловедения (Москва: Мир: 1983), вып. 2. 13. Н. Г. Находкин, А. И. Новосельская, А. Ф. Бардамид, Физ. техн. полупро- вод., 19, вып. 11: 1918 (1985). 14. S. Boycheva and V. Vassilev, JOAM, 4, No. 1: 33 (2002). 15. R. J. Martín-Palma, J. V. Ryan, and C. G. Pantano, JAP, 101: 5 (2007). 16. U. Koster, Adv. Colloid and Interface Sci., 10, Nos. 1—4: 129 (1979). 17. F. O. Mear, M. Essi, M.-F. Guimon, and A. Pradel, Chalcogenide Letters, 5, No. 6: 117 (2008). 18. S. Boycheva and V. Vassilev, JOAM, 4, No. 1: 33 (2002). 19. R. М. Almeida, L. F. Santos, A. Simens, As. Ganjoo, and J. Himanshu, J. Non- Crystalline Solids, 353: 2066 (2007). 20. Н. Г. Находкин, А. Ф. Бардамид, А. И. Новосельская, К. И. Якимов, Физи- ка твердого тела, 29, № 3: 715 (1987).

Кількісні параметри стохастично нанонеоднорідної структури аморфних плівок системи Ge—Se

Institution

Ähnliche Einträge