 |
Исследование поверхности пористого кремния, полученного методом направленного электролитического травления, с помощью сканирующей атомно-силовой микроскопии
|
|
|
|
| Половинкина Юлия Викторовна ГОУ Московский инженерно-физический институт (ГУ), кафедра 60 115409, Москва, Каширское шоссе, 31 тел. (096) 300-2505, (095) 234-17-93 эл. почта: polovinkina@pochtamt.ru | 
|
Аннотация
Изучена морфология поверхности пористого кремния, полученного посредством направленного электролитического травления, методом сканирующей атомно-силовой микроскопии. Получены качественные двух- и трёх- мерные кадры поверхности образца с разрешением до 6 нм. Выход столбчатой структуры на поверхность представляет собой бугорки, средний диаметр которых составляет около 0.1 мкм. Распределение диаметров столбцов пористого кремния широкое, от 0.015 мкм до 0.4 мкм. Средняя шероховатость поверхности составляет около 23 нм.
Постановка задачи
Для повышения качества емкостных характеристик источников питания (батарей, аккумуляторов) актуальным является увеличение развитости поверхности их электродов. Одним из способов получения развитой поверхности электродов является направленное электролитическое травление исходного образца, например, кремния [1,2,3]. В результате опытов по отработке техники этого процесса в Государственном институте редких металлов (ГИРЕДМЕТ) были получены образцы высокопористого кремния, для оценки поверхности которых необходимо применение высокоразрешающих методов микроскопии, в т.ч. метода АСМ.
Экспериментальная часть
Несмотря на требование изучения образца с максимально возможным разрешением, что можно было бы сделать в режиме СТМ, проверка образца тестером (модель М-830BZ) на электропроводность показала высокое электрическое сопротивление образца, то есть отсутствие электропроводности. В условиях отсутствия в лаборатории установки магнетронного напыления тонких электропроводных покрытий, использование которой могло бы дать итоговое разрешение на уровне 10 Ангстрем, единственным возможным режимом наблюдения является атомно-силовой режим. Поверхность образца является твёрдым телом. Это позволяет использовать контактную моду АСМ, отличающуюся наибольшим разрешением, достигающим 0.1 Ангстрема по латерали. Такая контактная мода АСМ реализована в российском мульти-микроскопе СММ-2000 (изготовитель ОАО «Завод Протон-МИЭТ», г. Зеленоград), имеющем и СТМ, и АСМ-режимы [4].
|
|
|
Выбор АСМ - режима определил методику подготовки образца. От образца размером 20/8 мм и толщиной 0.4 мм был отколот образец размером 5/5 мм, который был в дальнейшем просто приклеен двухсторонним скотчем на держатель образца.
Сканирование производилось мягкими кантилеверами для контактной моды марки MSCT фирмы Veeco,USA, наиболее длинной консолью самой малой жёсткости, с условным нажимом в 20 единиц (градусов отгиба кантилевера) со скоростью сканирования около 4 мкм / сек, что дало приемлемые результаты.
Предварительный скан малого размера (966/966 нм) показал, что на образце присутствуют объекты в виде бугорков с разбросом примерно от 20 нм до 0.2 мкм. Для захвата всего этого диапазона размеров частиц было выбрано поле сканирования 2.0 / 2.0 мкм с количеством точек 563/563. На одну точку приходится около 6 нм, что достаточно для описания минимальной частицы. С другой стороны, размера 2.0 мкм хватит, чтобы в кадр поместилось хотя бы 5 – 10 больших частиц, что необходимо для последующего вычисления статистики распределения частиц, в том числе и больших частиц.
Результаты и обсуждение
Характерный первичный кадр представлен на рис.1. На нём видна несплошная, плёнка, состоящая из наночастиц различного размера. На кадре практически нет помех, что говорит об отсутствии на поверхности незакреплённых частиц. Мягкая медианная фильтрация матрицей 1х3 только немного улучшила кадр (рис.2). Анализ Фурье-образа кадра (рис.3) показал отсутствие каких-либо выделенных максимумов, что говорит как об отсутствии какого-либо порядка в расположении объектов - наночастиц, так и об отсутствии на кадре регулярных помех типа вибраций или засветки от ламп переменного тока. Из-за отсутствия других помех Фурье-фильтрация, а также другие типы фильтраций не производились.
|
|
|
Представление кадра в трёхмерном виде (рис. 4) не только контрастно выявило структуру частиц, но и визуализировало теряющийся на двухмерном виде рельеф частиц, который отражает некоторую направленность травления образца.
Вывод профилей бугорков, наблюдаемых на кадре, дал результаты, согласные с предварительными. Размер зрительно наиболее часто встречающихся бугорков (рис. 5) составляет около 117 нм при их высоте около 45 нм. Размер самых больших бугорков (рис. 6) составляет около 149.6 нм при их высоте около 57.5 нм.
Для возможности сравнения результатов АСМ-микроскопии с результатами профилометрии, а также с результатами с других АСМ-исследований, был проведён анализ шероховатости поверхности, выполнявшийся по стандартизированным методикам, не допускающим субъективизм оператора. Средняя шероховатость (Ra) по всему кадру (рис. 7) составила около 23.5 нм, а средняя шероховатость по выбранной части кадра без больших бугров (рис.8) составила около 16.2 нм.
Для того чтобы сделать вывод о гомогенности частиц был проведён фрактальный анализ кадра (рис.9). График фрактального анализа имеет две области наклона, что говорит о негомогенности поверхности. Бугорки размером до 300 нм имеют высокую развитость, что понятно, т.к. это выходы столбиков пористого кремния. Бугорки же большего размера развиты мало – они отражают развитость исходной поверхности кремния, которая обычно полирована.
Наиболее информативный при наличии многих объектов разного размера морфологический анализ показал довольно широкое распределение диаметров бугорков (рис.10). Это видно и по интегральной кривой гранулометрического состава (рис.11) – она начинается с 0.015 мкм и кончается на 0.4 мкм.
|
|
|
Выводы
Исследование образца пористого кремния методом контактной моды атомно-силового микроскопа даёт качественные кадры с разрешением до 6 нм, без визуализации, однако, щелей между столбцами ввиду конусности зонда микроскопа. Поверхность представляет собой бугры, являющиеся выходом на поверхность объёмной столбчатой структуры пористого кремния. Средний размер бугров составляет около 0.1 мкм. Распределение диаметров бугров, и, соответственно, столбцов пористого кремния, широкое, от 0.015 мкм до 0.4 мкм. Средняя шероховатость (Ra) поверхности составляет около 23 нм.
Список литературы
1. С.П.Зимин, Пористый кремний – материал с новыми свойствами СОЖ, 2004, т.8, №1
2. А.И.Мамыкин, Роль поверхностной диффузии в насыщении адсорбционной емкости пористых слоев с наноразмерной тонкой структурой, Демиург N 2/98
3. Д.Н.Горячев , Л.В.Беляков, О.М.Сресели, Электролитический способ приготовления пористого кремния с использованием внутреннего источника тока ФТП, 2003, т.37, вып.4.
4. Логинов Б.А., Руководство пользователя микроскопа СММ-2000, МИФИ-2005.
|
| Рис.1. Первичный кадр |
|
| Рис.2. Кадр после обработки медианной фильтрацией 1х3 |
|
| Рис.3. Фурье-образ кадра |
|
| Рис.4. Трёхмерный вид кадра |
 
|
| Рис.5. Профили сечения малых (вверху) и средних (внизу) частиц |
|
| Рис.6. Профиль сечения больших по размерам частиц |
|
| Рис.7. Анализ шероховатости по всему кадру |
|
| Рис.8. Анализ шероховатости по части кадра без больших частиц |
|
| Рис.9. Фрактальный анализ кадра |
|
| Рис.10. Морфологический анализ кадра – графики распределений объектов по диаметрам |
|
| Рис.11. Морфологический анализ кадра |
|
|
|
