Вплив відпалу на фазові і структурні зміни у тонких плівках AIVBVI
Досліджено вплив відпалу в атмосфері кисню на хемічний і фазовий склади, реальну структуру плівок халькогенідів олива і телуриду цини. Виявлено, що деґрадаційні процеси визначаються як станом кристалічної структури, так і температурою та часом відпалу плівок. Effect of annealing in oxygen atmosph...
Saved in:
| Published in: | Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
|---|---|
| Date: | 2009 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
2009
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76421 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Вплив відпалу на фазові і структурні зміни у тонких плівках AIVBVI / Д.М. Фреїк, Ю.В. Кланічка, Ю.А. Куницький // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2009. — Т. 7, № 2. — С. 459-466. — Бібліогр.: 11 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-76421 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Фреїк, Д.М. Кланічка, Ю.В. Куницький, Ю.А. 2015-02-10T12:38:23Z 2015-02-10T12:38:23Z 2009 Вплив відпалу на фазові і структурні зміни у тонких плівках AIVBVI / Д.М. Фреїк, Ю.В. Кланічка, Ю.А. Куницький // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2009. — Т. 7, № 2. — С. 459-466. — Бібліогр.: 11 назв. — укр. 1816-5230 PACS numbers: 68.55.-a,73.50.Pz,81.15.Gh,81.40.Ef,81.65.Cf,81.70.Jb,82.80.Pv https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76421 Досліджено вплив відпалу в атмосфері кисню на хемічний і фазовий склади, реальну структуру плівок халькогенідів олива і телуриду цини. Виявлено, що деґрадаційні процеси визначаються як станом кристалічної структури, так і температурою та часом відпалу плівок. Effect of annealing in oxygen atmosphere on chemical and phase compositions and real structure of films of lead chalcogenides and tin telluride is investigated. As revealed, the degradation processes are determined by the state of crystal structure of films and temperature and time of their annealing. Исследовано влияние отжига в атмосфере кислорода на химический и фазовый составы, реальную структуру пленок халькогенидов свинца и теллурида олова. Установлено, что деградационные процессы определяются как состоянием кристаллической структуры пленок, так и температурой и временем отжига. Робота частково фінансується МОН України (державний реєстраційний номер 0109U001414) uk Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Вплив відпалу на фазові і структурні зміни у тонких плівках AIVBVI Impact of Annealing on Phase and Structural Changes in Thin Films AIVBVI Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Вплив відпалу на фазові і структурні зміни у тонких плівках AIVBVI |
| spellingShingle |
Вплив відпалу на фазові і структурні зміни у тонких плівках AIVBVI Фреїк, Д.М. Кланічка, Ю.В. Куницький, Ю.А. |
| title_short |
Вплив відпалу на фазові і структурні зміни у тонких плівках AIVBVI |
| title_full |
Вплив відпалу на фазові і структурні зміни у тонких плівках AIVBVI |
| title_fullStr |
Вплив відпалу на фазові і структурні зміни у тонких плівках AIVBVI |
| title_full_unstemmed |
Вплив відпалу на фазові і структурні зміни у тонких плівках AIVBVI |
| title_sort |
вплив відпалу на фазові і структурні зміни у тонких плівках aivbvi |
| author |
Фреїк, Д.М. Кланічка, Ю.В. Куницький, Ю.А. |
| author_facet |
Фреїк, Д.М. Кланічка, Ю.В. Куницький, Ю.А. |
| publishDate |
2009 |
| language |
Ukrainian |
| container_title |
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
| publisher |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Impact of Annealing on Phase and Structural Changes in Thin Films AIVBVI |
| description |
Досліджено вплив відпалу в атмосфері кисню на хемічний і фазовий
склади, реальну структуру плівок халькогенідів олива і телуриду цини.
Виявлено, що деґрадаційні процеси визначаються як станом кристалічної
структури, так і температурою та часом відпалу плівок.
Effect of annealing in oxygen atmosphere on chemical and phase compositions
and real structure of films of lead chalcogenides and tin telluride is investigated.
As revealed, the degradation processes are determined by the state of
crystal structure of films and temperature and time of their annealing.
Исследовано влияние отжига в атмосфере кислорода на химический и
фазовый составы, реальную структуру пленок халькогенидов свинца и
теллурида олова. Установлено, что деградационные процессы определяются как состоянием кристаллической структуры пленок, так и температурой и временем отжига.
|
| issn |
1816-5230 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76421 |
| citation_txt |
Вплив відпалу на фазові і структурні зміни у тонких плівках AIVBVI / Д.М. Фреїк, Ю.В. Кланічка, Ю.А. Куницький // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2009. — Т. 7, № 2. — С. 459-466. — Бібліогр.: 11 назв. — укр. |
| work_keys_str_mv |
AT freíkdm vplivvídpalunafazovíístrukturnízmíniutonkihplívkahaivbvi AT klaníčkaûv vplivvídpalunafazovíístrukturnízmíniutonkihplívkahaivbvi AT kunicʹkiiûa vplivvídpalunafazovíístrukturnízmíniutonkihplívkahaivbvi AT freíkdm impactofannealingonphaseandstructuralchangesinthinfilmsaivbvi AT klaníčkaûv impactofannealingonphaseandstructuralchangesinthinfilmsaivbvi AT kunicʹkiiûa impactofannealingonphaseandstructuralchangesinthinfilmsaivbvi |
| first_indexed |
2025-11-27T02:55:57Z |
| last_indexed |
2025-11-27T02:55:57Z |
| _version_ |
1850792993319026688 |
| fulltext |
459
PACS numbers: 68.55.-a, 73.50.Pz,81.15.Gh,81.40.Ef,81.65.Cf,81.70.Jb, 82.80.Pv
Вплив відпалу на фазові і структурні зміни у тонких плівках A
IVBVI
Д. М. Фреїк, Ю. В. Кланічка, Ю. А. Куницький*
Прикарпатський національний університет ім. Василя Стефаника,
вул. Шевченка, 57,
76000 Івано-Франківськ, Україна
*Технічний центр НАН України,
вул. Покровська, 13,
04070 Київ, Україна
Досліджено вплив відпалу в атмосфері кисню на хемічний і фазовий
склади, реальну структуру плівок халькогенідів олива і телуриду цини.
Виявлено, що деґрадаційні процеси визначаються як станом кристалічної
структури, так і температурою та часом відпалу плівок.
Effect of annealing in oxygen atmosphere on chemical and phase compositions
and real structure of films of lead chalcogenides and tin telluride is investi-
gated. As revealed, the degradation processes are determined by the state of
crystal structure of films and temperature and time of their annealing.
Исследовано влияние отжига в атмосфере кислорода на химический и
фазовый составы, реальную структуру пленок халькогенидов свинца и
теллурида олова. Установлено, что деградационные процессы опреде-
ляются как состоянием кристаллической структуры пленок, так и тем-
пературой и временем отжига.
Ключові слова: халькогеніди олива, телурид цини, тонкі плівки, від-
пал, реальна структура.
(Отримано 1 квітня 2009 р.)
1. ВСТУП
Халькогеніди металів четвертої підгрупи Періодичної таблиці (Ge,
Sn, Pb) мають широке використання у різних областях напівпрові-
дникової техніки. Це перш за все детектори і джерела електромаг-
нетного випромінення в інфрачервоній області оптичного спектру,
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies
2009, т. 7, № 2, сс. 459—466
© 2009 ІМФ (Інститут металофізики
ім. Г. В. Курдюмова НАН України)
Надруковано в Україні.
Фотокопіювання дозволено
тільки відповідно до ліцензії
460 Д. М. ФРЕЇК, Ю. В. КЛАНІЧКА, Ю. А. КУНИЦЬКИЙ
термоелектричні перетворювачі теплової енергії в електричну, хо-
лодильні пристрої [1]. Що стосується тонкоплівкового матеріялу,
то він, крім того має пріоритет при створенні багатоелементних ма-
триць активних елементів мікроелектроніки [2].
Ефективне використання тонких плівок пов’язане з їх структур-
ною і фазовою нестабільністю, зміною електричних властивостей
при зовнішніх впливах: атмосферні гази, теплові поля, радіаційне
опромінення [3]. Це викликає необхідність проведення додаткових
досліджень вищезазначених процесів. Так, зокрема, взаємодія кис-
ню з плівками халькогенідів олива була предметом вивчення ряду
робіт [2—8]. У більшості із них досліджувалися полікристалічні плі-
вки з метою виявлення фотопровідности. Встановлено [4], що при
вирощуванні плівок вакуумними методами із парової фази вони, як
правило, мають електронну провідність з концентрацією носіїв ∼ 1018
см−3. При взаємодії з киснем їх питомий опір і фотопровідність зрос-
тали на декілька порядків (10—102
при 300 К і 104—106
при 77 К), а
провідність змінювала знак на р-тип. Питання пов’язані із вивчен-
ням структурних змін у плівках при цьому вивчені недостатньо.
У даній роботі систематизовані результати досліджень впливу
відпалу в атмосферному кисні на структурні і фазові зміни у плів-
ках сполук А
IVBVI.
2. МЕТОДИКА ЕКСПЕРИМЕНТУ
Тонкі плівки PbTe, PbSe і SnTe вирощували у вакуумі із парової фа-
зи методою гарячої стінки [2]. Осадження здійснювали на підклад-
ки із сколів монокристалів флюористого барію BaF2 орієнтації (111)
і лосняку мусковіт (0001), а також полірованого скла. Одержані
плівки піддавали ізохорному відпалу на повітрі при Тв = 300—850 К.
Хемічний склад плівок визначали на Оже-мікроаналізаторі типу
«Jamp-10». Оже-спектри були відзняті у диференціяльному вигляді
dN(E)/dE в інтервалі 50—700 еВ. Діяметер електронного жмута
складав 0,2 мкм, а його енергія – 5 кеВ при струмі через зразок
(5⋅10−9—10−8) А. Елементний склад плівок проводили на основі вимі-
рювання інтенсивности піків: Pb (NNN) – (90—94) eB, дублет; Sn
(MNN) – 432 eB; S (LNN) – 150 eB; Se (LMM) – 1050 eB; Te (MNN)
– 482 eB; O (KLL) – 513 eB [9]. Параметри реальної структури (об-
ласті когерентного розсіяння (ОКР) – L1 i L2 у напрямку дифракцій-
ного вектора і нормально до нього відповідно, неоднорідність міжп-
лощинних віддалей (мікродеформації ε = Δd/d), кутову розорієнта-
цію (мозаїчність α)) визначали на основі аналізи дифракційного ро-
зширення кривих відбивання (111) і (222) на двокристальному Рент-
ґеновому спектрометрі при Θ—2Θ- і ω-скануванні [10].
Структурну досконалість епітаксійних плівок досліджували
методами рентґенографії: розхідних променів від квазиточкового
ВПЛИВ ВІДПАЛУ НА ФАЗОВІ І СТРУКТУРНІ ЗМІНИ В ПЛІВКАХ AIVBVI 461
джерела і двокристальної сканівної топографії.
3. ХЕМІЧНИЙ СКЛАД І МОРФОЛОГІЯ ПОВЕРХНІ ПЛІВОК
Аналіза елементного складу плівок представляє інтерес для визна-
чення умов вирощування однорідного матеріялу із заданими влас-
тивостями, а також зважаючи на вивчення процесу їх старіння.
Результати Оже-електронної спектроскопії плівок наведено на
рис. 1. При цьому виявлено наступні загальні закономірності зміни
в їх складі за товщиною. На поверхні всіх зразків виявлений тон-
кий шар завтовшки 65—130 Å, склад якого значно відрізняється від
складу основної матриці і містить домішки вуглецю і кисню (рис. 1,
а). У ряді випадків, для плівок РbТе, РbSe, поверхня збагачена до-
мішками хльору (рис. 1, а). Можна припустити, що поверхневий
шар утворюється за час зберігання плівок на повітрі від 5 до 120 хв.
Триваліша їх витримка на повітрі при номінальній температурі (до
1 місяця) збільшує товщину поверхневого шару з домішками удві-
чі. При щавленні поверхневого шару має місце зменшення концен-
трації вуглецю і кисню до нульового значення при збільшенні кон-
центрації основних компонент Pb, Sn, Те, Se (рис. 1, б). Поблизу пі-
дкладки BaF2, на яку нанесені плівки, виявлений перехідний шар,
в спектрі якого крім піків основних компонент містяться піки Ва, F
і О. Товщина перехідного шару сягає 100—150 Å. Склад перехідної
області характеризується безперервним зменшенням концентрації
основних компонент до нульового значення одночасно із зростан-
ням концентрації Ва і F до постійних величин. Концентрація кисню
1 2 3
Рис. 1. Оже-спектри епітаксійних плівок PbТе (1), PbSe (2), SnTe (3): а
– вихідні, б – прощавлені впродовж 2 хв.
462 Д. М. ФРЕЇК, Ю. В. КЛАНІЧКА, Ю. А. КУНИЦЬКИЙ
сягає максимальної величини поблизу поверхні BaF2, що пов'язано
з утворенням оксидів барію.
4. ПРОЦЕСИ ОКИСНЕННЯ ПЛІВОК
Відпал плівок в атмосфері кисню, для всіх випадків, обумовлює збі-
льшення інтенсивности піків кисню в Оже-спектрах (рис. 2). Це є
прямим доказом зростання кількости кисню на поверхні плівок. При
цьому, якщо інтенсивність піків олива в Оже-спектрах плівок РbТе і
PbSe підвищується (рис. 3, а), то цини у SnTe майже не змінюється
(рис. 3, б). Це можна пояснити, тим, що цина вже на початкових ета-
пах відпалу ефективно окиснюється, утворюючи на поверхні стабі-
льний оксид, який перешкоджає подальшому перебігу процесу. Для
халькогенідів олива кисень взаємодіє переважно з оливом, концент-
рація якого на поверхні збільшується за рахунок дифузії з глибини
плівки (рис. 3, а, б).
Процеси взаємодії атмосферного кисню з поверхнею плівок при їх
термічному обробленні обумовлює і морфологічні зміни. Характер
окиснювальних процесів залежить як від ступеня досконалости крис-
талічної структури, так й орієнтації кристалітів. Так, якщо початкові
полікристалічні плівки телуриду цини, осаджені на скло мають дзер-
кальну поверхню, то відпал при температурах То = 650 К призводить
до утворення маленьких острівців округлої форми оксидної фази в де-
фектних місцях – мікротріщини, пори, підвищена концентрація до-
а б
Рис. 2. Оже-спектри вихідних (1) і підданих ізохронному відпалу на по-
вітрі при 470 К (2), 640 К (3), 840 К (4) епітаксійних плівок РbТе (a) та
SnTe (б).
ВПЛИВ ВІДПАЛУ НА ФАЗОВІ І СТРУКТУРНІ ЗМІНИ В ПЛІВКАХ AIVBVI 463
мішки. Далі, будучи центрами окиснення, острівці нової фази швидко
розростаються, повністю покриваючи майже всю поверхню плівки.
На відміну від полікристалічних плівок, термовідпал епітаксійних
плівок на повітрі призводить до утворення оксидної фази, «вогнища»
якої на початкових етапах з’являються не в міжзеренних межах, як
це б здавалося, а в окремих місцях на мікрокристалітах. З підвищен-
ням температури або часу відпалу окремі фази розростаються і покри-
вають всю поверхню основної матриці.
5. РЕАЛЬНА СТРУКТУРА ПЛІВОК
Характер зміни реальної структури плівок при відпалі суттєво зале-
жить як від температури і часу витримки, так і початкового стану їх
структурної довершености. Для плівок PbTe, осаджених на свіжі ві-
дколи (0001) лосняку мусковіт, при низьких температурах відпалу
не зафіксовано суттєвих змін субструктурних параметрів. Наступне
підвищення температури відпалу призводить до інтенсифікації суб-
структурних перетворень (рис. 4). Так, якщо відпал плівок PbTe при
680 К сприяє грубшанню субзерен (рис. 4, а), то більш високі темпе-
ратури ТВ = 800—850 К призводять до складних часових залежностей
розмірів блоків мозаїки: спостерігається подальше наступне їх зме-
ншення (рис. 4, а – 4). Інші параметри реальної структури епітак-
а б
в
Рис. 3. Залежність відносних значень амплітуд Оже-спектрів Pb, Sn, Те,
Se і O від температури ізохронного відпалу в атмосферному кисні для
епітаксійних плівок PbТе (а), PbSe (б), SnТе (в).
464 Д. М. ФРЕЇК, Ю. В. КЛАНІЧКА, Ю. А. КУНИЦЬКИЙ
сійних плівок (мозаїчність α, мікродеформація ε, розміри ОКР L1 і
L2) також визначаються температурою і часом експонування на пові-
трі (рис. 4, б—д). Так, при ТВ = 600—750 К на кривих часових залеж-
ностей розорієнтацій первинне зростання значень замінюється пода-
льшим їх зменшенням (рис. 4, б – 1, 2). При цьому максимуми на
ізотермах α = f(t) зміщуються в область більших часів з пониженням
температури відпалу (ТВ = 630 К, t = 4 год.; ТВ = 750 К, t = 0,6 год).
Аналогічний характер зміни має і неоднорідна мікродеформація
ε = f(t) (рис. 4, в – 1, 2).
Грубшання ОКР в цій області температур і часів відпалу відповідає
інтервалам поліпшення орієнтації і зменшення неоднорідної мікро-
деформації кристалічної ґратниці (рис. 4, в – 1, 2).
Ізотерми параметрів реальної структури плівок L, ε, α = f(t) при
а б
в г
д
Риc. 4. Залежність розмірів блоків мозаїки b (а), мозаїчности α (б), ве-
личини неоднорідної мікродеформації ε (в), розмірів ОКР L1 (г) і L2 (д)
для плівок РbTе від часу витримки на повітрі при температурі ТВ, К: а
– 500 (1), 680 (2), 750 (3), 850 (4); б, в, г, д – 600 (1), 750 (2), 800 (3).
ВПЛИВ ВІДПАЛУ НА ФАЗОВІ І СТРУКТУРНІ ЗМІНИ В ПЛІВКАХ AIVBVI 465
То = 770—850 К мають дещо інший характер (рис. 4, в—д – 3). Так,
впродовж півгодинного відпалу відбувається достатньо швидке по-
кращення структурних характеристик: зменшення значень α і ε,
зростання розмірів ОКР. Після чого, також досить швидко, спосте-
рігається збільшення α і ε та зменшення розмірів ОКР. У подаль-
шому параметри реальної структури стабілізуються.
Одержані експериментальні результати можна пояснити внут-
рішньофазовими (рекристалізація) і фазовими (утворення оксид-
них сполук) процесами штучного старіння мозаїчного кристала.
Необхідно також враховувати міжфазні взаємодії підкладки і ма-
теріялу осадженого шару. На початкових стадіях відпалу плівок,
осаджених на лосняку відбуваються процеси рекристалізації. Суть
процесів полягає в тому, що у початковій матриці формуються і ро-
стуть субзерна досконалої структури, які відокремлені від неї ме-
жами з великими кутами розорієнтації. Це підтверджується змі-
ною вигляду рентґенотопографічних зображень. Так, якщо топо-
грами вихідних плівок фіксують субструктуру, що є блоками моза-
їки співмірних розмірів, то у відпалених – субзерна різної величи-
ни. Зростання неспотворених блоків супроводжується поліпшен-
ням кристалографічної орієнтації. Підвищення температури і часу
відпалу призводять до прискорення процесу рекристалізації.
Аномальний характер залежности розмірів ОКР від часу експо-
нування при То = 800 К для телуриду олива (рис. 4, г, д – 3) обумов-
лений утворенням оксидної фази. Зростання зерен нової фази від-
бувається за рахунок «вбирання» матеріялу основної матриці. Це
обумовлює зменшення розмірів субзерен і ОКР. Взаємодія криста-
літів початкової і окисненої фаз, кристалічні структури яких на-
лежать до різних сингоній з різними значеннями постійних ґрат-
ниці, призводить до їх пружньо-деформованого стану. Тому змен-
шення розмірів зерен початкової матриці супроводжується зрос-
танням рівня неоднорідної мікродеформації (рис. 4, в – 3).
6. ВИСНОВКИ
1. Підтверджено складний модель хемічного складу як щойнови-
рощених, так і витриманих та відпалених в атмосфері кисню плівок
PbTe, PbSe і SnTe, що включає неоднорідний за складом приповер-
хневий шар з домішками кисню, вуглецю і хльору, протяжний од-
норідний шар, склад якого відповідає складу основної матриці і пе-
рехідний шар змінного складу поблизу підкладки.
2. Показано, що для плівок халькогенідів олива при взаємодії з ат-
мосферним киснем спочатку окиснюється телур, тоді як для SnTe
характерне швидке окиснення металу.
3. Встановлено, що складний характер залежности параметрів реа-
льної структури плівок PbTe на лосняку при відпалі на повітрі,
466 Д. М. ФРЕЇК, Ю. В. КЛАНІЧКА, Ю. А. КУНИЦЬКИЙ
пов’язаний із внутрішньофазовими (рекристалізація) і фазовими
(утворення оксидних сполук) процесами, а також міжфазовою вза-
ємодією підкладки і осадженої плівки.
Робота частково фінансується МОН України (державний реєстра-
ційний номер 0109U001414).
ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА
1. Н. Х. Абрикосов, Л. Е. Шелимова, Полупроводниковые материалы на осно-
ве соединений A
IVBVI
(Москва: Наука: 1975).
2. Д. М. Фреик, М. А. Галущак, Л. И. Межиловская, Физика и технология
полупроводниковых пленок (Львов: Изд-во Львовского университета: 1988).
3. Д. М. Фреїк, М. О. Галущак, О. Л. Соколов, Б. С. Дзундза, Г. Я. Гургула,
Фізико-хімічні проблеми напівпровідникового матеріалознавства. Тонкі
плівки АIVBVI (Івано-Франківськ: Плай: 2009), том II.
4. P. F. Egerton and С. Juhasz, Thin Solid Films, 4, No. 4: 239 (1969).
5. M. Green and M. J. Lee, J. Phys. Chem. Solids, 27: 797 (1966).
6. R. H. Jones, Proc. Phil. Soc. (London), B70: 1025 (1957).
7. О. Н. Крылюк, В. П. Зломанов, А. В. Новоселова, ДАН СССР, 287, № 7: 1157
(1986).
8. Н. Н. Берченко, А. Н. Евстичнев, В. Ю. Ерохов, А. В. Матвеенко, Зарубеж-
ная электронная техника, № 3: 3 (1981).
9. Анализ поверхности методами оже и рентгеновской фотоэлектронной
спектроскопии (Ред. Д. Бриггс, М. П. Сих) (Москва: Мир: 1987).
10. И. Ф. Михайлов, О. Г. Алавердова, Н. Я. Фук, Заводская лаборатория, 46,
№ 1: 27 (1980).
11. А. А. Русаков, Рентгенография металлов (Москва: Атомиздат: 1977).
|