Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Оформления коллективных исследований

Наблюдение процесса образования наночастиц при нанесении атомов хрома на ситаловую подложку методом молекулярной лучевой эпитаксии

Гурьева Екатерина Васильевна, Новикова Екатерина Васильевна,

Сильвачева Елена Викторовна, Хамина Анна Сергеевна

ГОУ Московский инженерно-физический институт (ГУ), кафедра 60

115409, Москва, Каширское шоссе, 31

тел. (095) 234-17-93, эл. почта: [email protected]

Аннотация

В работе исследовалось образование наночастиц при нанесении атомов хрома на ситаловую подложку методом молекулярной лучевой эпитаксии (МЛЭ). Для наблюдения наночастиц использовались атомно-силовой микроскоп (АСМ) и сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). Получены снимки исходной подложки и семи образцов с последовательно наращиваемой экспозицией хрома от 10 до 70А. Наночастицы наблюдались начиная с 40А. Их средний диаметр составляет около 25 нм. Было выявлено, что углубления исходной поверхности «заливаются» первым же слоем (10А) наносимых атомов. При дальнейшем нанесении атомов рельеф подложки фактически покрывается плёнкой из наночастиц. Средняя шероховатость поверхности пленки находится в диапазоне 8-11А.

Постановка задачи

Исследование свойств магнитных металлических мультислойных наноструктур считается одной из наиболее актуальных задач физики конденсированного состояния [1]. Интерес к этой тематике обусловлен уникальностью спин-зависящих транспортных свойств этих материалов. В первую очередь здесь имеется в виду гигантский магниторезистивный эффект (ГМРЭ). Благодаря этому эффекту металлические наногетероструктуры являются перспективными для наноэлектроники и спинтроники. Среди большого разнообразия методов исследования, используемых при изучении свойств этого класса материалов, особо важными представляются высокочастотные электромагнитные методы [2], поскольку они дают возможность оценивать динамические и релаксационные параметры материала наноструктур. Однако они дают интегральные характеристики, из которых трудно делать заключения по технологии нанесения плёнок. Для понимания процессов роста плёнок необходимо провести высокоразрешающие исследования, начинающиеся с исследования подложки и далее снимающие информацию о динамике морфологии возникающих поверхностных структур из нанесённых на подложку атомов материала. Зондовые методики являются наиболее подходящими в данном случае [3], т.к. обладают необходимым разрешением и в дальнейшем могут быть расширены с процессов поэтапного наблюдения степеней экспонирования вытаскиваемых подложек на процессы наблюдения экспонирования на подложку непосредственно при экспозиции, будучи внедрёнными в установки МЛЭ.

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 чрезвычайно высокое электрическое сопротивление исходной подложки и образцов с напылением до 40А хрома, более 2 МОм – предела тестера, т.е. показала отсутствие электропроводности. Наиболее подходящим режимом наблюдения является атомно-силовой режим. В используемом российском мульти-микроскопе СММ-2000 (изготовитель ОАО «Завод Протон-МИЭТ», г. Зеленоград), имеющем АСМ и СТМ режимы, АСМ-режим работает в контактной моде, наиболее подходящей в нашем случае. Поверхность образца не является органикой, а является твёрдым телом. Это позволяет использовать любую, в том числе контактную моду АСМ, но при этом контактная мода АСМ-режима имеет наибольшее разрешение, достигающее 0.1 Ангстрема по латерали [4].

Образцы представляли собой пластинки размером 10/5 мм и толщиной 0.5 мм, которые приклеивались 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).

Для захвата всего диапазона размеров частиц было выбрано стандартное для всех кадров поле сканирования 1/1мкм с количеством точек 280/280. На одну точку приходится около 4 нм, что достаточно для исследования образования наночастиц.

Учитывая появление проводимости образцов с напылением 40 - 70А, стало возможным исследование в СТМ-режиме. Применяющаяся на микроскопе СТМ-игла представляет собой отрезок платиновой проволоки диаметром от 0.2 мм до 0.5 мм и длиной от 12 до 14 мм, впаянный одним концом на 1-2 мм внутрь тонкостенной трубки из нержавеющей стали длиной от 8 до 12 мм с внешним диаметром 0.8 (-0.05) мм. Между образцом и иглой возникает туннельный ток, который сильно зависит от расстояния между ними, что позволяет получать рельеф поверхности.

Исходя из исследований в АСМ-режиме, для съемки в СТМ-режиме был выбран образец с напылением 70А хрома, на котором лучше всего видна пленка из наночастиц.

Результаты и обсуждение

Формирование наночастиц из наносимых методом МЛЭ атомов начинает визуализироваться с толщины нанесённого слоя атомов в 40А, при этом средний диаметр новых образований на рельефе подложки – наночастиц – составляет около 25 нм (рис. 10). При дальнейшем нанесении атомов средний диаметр наночастиц не меняется (рис.11), но они начинают покрывать всё большую площадь рельефа подложки.

При покрытии в 70А рельеф подложки фактически покрывается плёнкой из наночастиц, что хорошо видно по наличию пор. В АСМ режиме глубина этих пор измеряется как 8-10 А (рис.12), а в СТМ как 50-70А (рис.13), что связано с существенно более острым концом СТМ-зонда. Из-за разницы в остроте зондов различны и латеральные размеры, и количество этих пор (см.рис.8 и 9).

Вычисление средней шероховатости Ra итоговой поверхности с нанесёнными атомами выявило интересную закономерность – углубления исходной поверхности (шероховатость исходной поверхности составляет 25А) «заливается» первым же слоем (10А) наносимых атомов, при этом шероховатость становится около 8А.

При дальнейшем нанесении атомов шероховатость практически не изменяется, находясь в диапазоне 8-11А, что также подтверждает то, что наночастицы не собираются в дальнейшем в зёрна, во всяком случае, при нанесении до 70А.

Выводы

Обнаружено, что при напылении хрома методом МЛЭ на ситаловую подложку образуются наночастицы, средний размер которых составляет 25 нм. Выявлено, что углубления исходной поверхности «заливаются» первым же слоем (10А) наносимых атомов. При дальнейшем нанесении атомов на рельефе подложки наночастицы образуют пленку, а не собираются в кластеры, как предполагалось до исследования.

Список литературы

1. А.Б.Ринкевич, Л.Н.Ромашев, В.В.Устинов, Е.А.Кузнецов // Труды 9-го Международного семинара «Актуальные проблемы нанокристаллических материалов: наука и технология» Екатеринбург 2002, с.169.

2. В.В.Устинов, А.Б.Ринкевич, Л.Н.Ромашев Взаимодействие электромагнитных волн с мультислойными наноструктурами железо/хром.// ЖЭТФ 2005, том 75, вып.4, стр. 96-102

3. Григоров И.Г., Зайнулин Ю.Г. Исследование микроструктуры поверхности наночастиц методами цифровой электронной и сканирующей зондовой микроскопии. Тезисы докладов XVII Менделеевского съезда по общей и прикладной химии. Казань, 21-26 сентября 2003, т.3 “Материалы и нанотехнологии”. C. 103.

4. Логинов Б.А., Руководство пользователя микроскопа СММ-2000, МИФИ-2005.