ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2013, № 4, с. 88-92
УДК 537.533:543.42
ЭФФЕКТ МЕТАЛЛИЗАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ ОКСИДОВ ПРИ ИОННОМ ОБЛУЧЕНИИ
© 2013 г. Н. В. Алов
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, химический факультет, Москва, Россия
Поступила в редакцию 17.07.2012 г.
Методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии определен химический состав поверхности оксидов Та205, Мо03 и №205 после облучения ионами Аг+ и поверхности оксида после облучения ионами Не+ в условиях высокого вакуума. Установлено, что в результате облучения ионами Аг+ с энергией 3 кэВ на поверхности оксида наблюдается сильный эффект ионно-лу-чевой металлизации, на поверхности оксида Та205 — умеренный эффект, на поверхности оксида Мо03 — слабый эффект, а в случае оксида №205 эффект металлизации не обнаружен. При дозе насыщения на поверхности оксидов образуется 44 ат. % ^ 12 ат. % Та и 2 ат. % Мо. Облучение легкими ионами Не+ с энергией 1 и 3 кэВ приводит к металлизации поверхности оксида ^03. При дозе насыщения на поверхности образуется 2 ат. % W (1 кэВ) и 10 ат. % W (3 кэВ). Обсуждаются природа, механизмы и особенности эффекта ионно-лучевой металлизации поверхности оксидов.
БОТ: 10.7868/80207352813030049
ВВЕДЕНИЕ
Облучение поверхности оксидов ионами инертных газов низкой энергии приводит, как правило, к восстановлению поверхности [1, 2]. Для некоторых оксидов наблюдается также эффект металлизации, т.е. образование тончайшего металлического слоя (несколько нанометров) на исходной диэлектрической поверхности. Впервые эффект металлизации поверхности оксида при облучении ионами инертных газов обнаружен в работе [3]. Методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) установлено, что облучение тонких оксидных пленок РЬ0, полученных вакуумным осаждением, ионами Аг+ и Не+ с энергией 0.4 кэВ приводит к образованию на поверхности слоя металлического свинца. В [4] с помощью РФЭС эффект металлизации обнаружен при облучении поверхности тонких оксидных пленок Та205, полученных анодным окислением ионами Аг+ с энергией 3 кэВ, а в [5] — при облучении поверхности тонких оксидных пленок W03 ионами Аг+ с энергией 5 кэВ. Образование металлического ванадия на поверхности монокристалла У205 при облучении ионами Аг+ с энергией 2.5 кэВ установлено с помощью РФЭС в [6].
Однако в ряде работ эффект металлизации поверхности оксидов при облучении низкоэнергетическими ионами инертных газов по данным РФЭС не обнаружен [4, 5, 7—9]. В [5] сообщается, что бомбардировка поверхности оксида Мо03 ионами Аг+ с энергией 5 кэВ не приводит к образованию металлического молибдена. В работе [7] образование металлического тантала не обнару-
жено при бомбардировке тонких пленок естественного оксида Ta2O5 ионами Ar+ с энергией 1.5 и 4 кэВ, а в [8] — при бомбардировке оксидных пленок Ta2O5 ионами He+ с энергией 0.5—3.0 кэВ. Образование металлического ниобия не обнаружено при бомбардировке тонких оксидных пленок Nb2O5, полученных анодным окислением ионами Ar+ с энергией 3 кэВ [4] и с энергией 0.5 и 2 кэВ [9].
Как видно, количество работ по изучению ионно-лучевой металлизации поверхности оксидов невелико, а полученные результаты в ряде случаев противоречивы. Поэтому представляется весьма интересным проведение систематического исследования металлизации поверхности оксидов в широком диапазоне доз облучения низкоэнергетическими ионами инертных газов различной массы (Ar+, He+).
Цель настоящей работы — исследование методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии металлизации поверхности высших оксидов WO3, Ta2O5, MoO3 и Nb2O5 при облучении ионами инертных газов (Ar+, He+) с энергией 1 и 3 кэВ.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Облучение поверхности оксидов WO3, Ta2O5, MoO3 и Nb2O5 ионами Ar+ и оксида WO3 ионами He+, а также определение состава поверхностных слоев методом РФЭС проводили при комнатной температуре in situ в высоком вакууме на электронном спектрометре Leybold LHS-10 (Германия). В качестве объектов исследования исполь-
Ta2Ü5
44 40 36 32
Энергия связи, эВ
28 32
28 24
Энергия связи, эВ
20
Mo 3d
MoÜ2
Nb 3d NbÜ2
240 236 232 228
Энергия связи, эВ
224 212 208 204
Энергия связи, эВ
200
Рис. 1. Рентгеновские фотоэлектронные спектры поверхности оксидов ""03, Та205, М0О3 и №^05 после облучения ионами Аг+ с Е = 3 кэВ и Б (см-2): 2 х 1017 (кривая 1), 3 х 1017 (кривая 2), 2.5 х 10 (кривая 3) и 1 х 1017 (кривая 4) соответственно. Сплошными тонкими линиями показано разложение спектров на составляющие.
зовали порошкообразные оксиды (ч.д.а.), которые прессовали в мелкоячеистую позолоченную сетку на медной подложке. Образец помещали в камеру предварительной подготовки электронного спектрометра, где его поверхность бомбардировали по нормали ионами Аг+ с энергией (Е), равной 3 кэВ или ионами Не+ с Е = 1 и 3 кэВ. Доза облуче-
ния (D) составляла 1015—4 х 1017
см
В экспери-
ментах использовали сверхчистые газы фирмы Messer Griesheim (Германия): Ar (>99.999 об. %) и He (>99.998 об. %). После облучения образец через вакуумный шлюз перемещали в камеру анализа электронного спектрометра, где методом РФЭС проводили определение состава облученной поверхности.
Рентгеновские фотоэлектронные спектры измеряли в режиме постоянного абсолютного энергетического разрешения электростатического полусферического анализатора при энергии пропускания 50 эВ. В качестве источника возбуждения спектров использовали рентгеновское излучение Mg^a (hv = 1253.6 эВ). Точность измерения энергии связи (Есв) фотоэлектронов — 0.1 эВ; глубина отбора аналитической информации ~3—5 нм; давление в камере анализа спектрометра 2 х 10-7 Па.
Разложение сложных спектров на составляющие после вычитания нелинейного фона проводили с помощью смешанной функции Гаусса—Лоренца с использованием пакета программного обеспечения XPSPEAK Version 4.1 [10].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Металлизация поверхности оксидов при облучении ионами Ar+. На рис. 1 представлены рентгеновские фотоэлектронные спектры остовных уровней образцов "03, Та205, Мо03 и №Ь205 после облучения большими дозами ионов Аг+ с Е = 3 кэВ. Как видно, спектры облученной поверхности всех оксидов имеют сложную форму и состоят из нескольких спин-дублетов. В результате разложения спектров на составляющие установлено, что ионное облучение приводит к восстановлению поверхности всех оксидов [11-13]. Для трех исследованных оксидов ("03, Та205 и Мо03) наблюдается также металлизация поверхности, причем степень металлизации заметно различается. Установлено, что на поверхности оксида образуются оксиды "0Х (2 < х < 3), "02 и большое количество металлического " (рис. 1,
Доза, 1017 см-2
Рис. 2. Зависимость содержания металлов на поверхности оксидов "03, Та205 и М003 от дозы облучения ионами Аг+ с Е = 3 кэВ по данным РФЭС.
кривая 1), а на поверхности оксида Та205 — оксиды Та02, Та0 и металлический Та (рис. 1, кривая 2). На поверхности оксида Мо03 обнаружены оксиды МоОх (2 < х < 3), МоО2 и лишь незначительное количество металлического Мо (рис. 1, кривая 3). На поверхности оксида №Ь205 имеются только оксиды №Ь02 и №Ь0, а металлический №Ь вообще не обнаружен (рис. 1, кривая 4).
На рис. 2 показаны построенные по данным РФЭС графики зависимости содержания металлов на поверхности оксидов "03, Та205 и Мо03 от дозы облучения ионами Аг+ с энергией Е = 3 кэВ. Как видно, при небольших дозах наблюдается заметный рост содержания металлов на поверхности оксидов. Затем, с увеличением дозы, кривые плавно выходят на насыщение и при больших дозах уже практически не изменяются. Установлено, что в результате облучения ионами Аг+ с энергией 3 кэВ при дозе насыщения на поверхности оксидов образуется 44 ат. % " 12 ат. % Та и 2 ат. % Мо.
Таким образом, для оксида "03 наблюдается сильный эффект ионно-лучевой металлизации
поверхности, для оксида Та205 - умеренный эффект, для оксида Мо03 - слабый эффект, а в случае оксида №Ь205 эффект металлизации не обнаружен. Отметим, что эффект сильнее выражен для оксидов металлов VI периода по сравнению с оксидами металлов V периода.
Металлизация поверхности оксида WO3 при облучении ионами На рис. 3 представлены рентгеновские фотоэлектронные спектры остовных уровней образцов "03 после облучения большими дозами ионов Не+ с Е = 1 и 3 кэВ. Как видно, спектры облученной поверхности оксидов имеют сложную форму и состоят из нескольких спин-дублетов. В результате разложения спектров на составляющие установлено, что ионное облучение приводит к восстановлению и металлизации поверхности "03 [11]. Обнаружено, что на поверхности оксида "03 образуются оксиды "0Х (2 < х < 3), "02 и металлический " (рис. 3, кривые 1 и 2), причем степень металлизации зависит от энергии ионов Не+.
На рис. 4 показаны построенные по данным РФЭС графики зависимости содержания вольфрама на поверхности оксида "03 от дозы облучения ионами Не+ с Е = 1 и 3 кэВ. Как видно, при небольших дозах наблюдается заметный рост содержания вольфрама на поверхности оксидов. Затем, с увеличением дозы, зависимости плавно выходят на насыщение и при больших дозах уже практически не изменяются. Установлено, что при дозе насыщения на поверхности "03 образуется 2 ат. % " (Е = 1 кэВ) и 10 ат. % " (Е = 3 кэВ). Отметим, что степень металлизации поверхности оксида "03 увеличивается в пять раз при увеличении энергии ионов Не+ в три раза. Кроме того, она намного меньше, сопоставима и заметно превышает степень металлизации поверхности оксидов "03, Та205 и Мо03 соответственно в результате облучения ионами более тяжелого инертного газа Аг+ (Е = 3 кэВ).
Энергия связи, эВ Энергия связи, эВ
Рис. 3. Рентгеновские фотоэлектронные спектры поверхности оксида "03 после облучения ионами Не+ с Е = 1 кэВ, Б = 1 х 1017 см-2 (кривая 1) и с Е = 3 кэВ, Б = 3 х 1017 см-2 (кривая 2). Сплошными тонкими линиями показано разложение спектров на составляющие.
Природа, механизмы и особенности эффекта ионно-лучевой металлизации поверхности оксидов.
Бомбардировка поверхности высших оксидов ионами инертных газов низкой энергии приводит к разрыву химических связей металл—кислород и преимуществен
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.