научная статья по теме ИОННО-ЛУЧЕВОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ВЫСШЕГО ОКСИДА НИОБИЯ Физика

Текст научной статьи на тему «ИОННО-ЛУЧЕВОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ВЫСШЕГО ОКСИДА НИОБИЯ»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2010, № 3, с. 66-70

УДК 537.533:543.42

ИОННО-ЛУЧЕВОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ВЫСШЕГО ОКСИДА НИОБИЯ

© 2010 г. Н. В. Алов, Д. М. Куцко

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Химический факультет, Москва, Россия Поступила в редакцию 03.08.2009 г.

Методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии исследован процесс восстановления поверхности высшего оксида №205 в результате облучения ионами инертного газа (Аг+) и ионами химически активного газа (0+) с энергией 1 и 3 кэВ в условиях высокого вакуума при комнатной температуре. Обнаружено, что при бомбардировке ионами Аг+ в поверхностных слоях оксида №205 образуется низший оксид №0 и промежуточный оксид №02. Бомбардировка ионами 02+ приводит к образованию в поверхностных слоях оксида №205 только очень незначительного количества промежуточного оксида №02. Установлено, что процесс ионно-лучевого восстановления поверхности оксида №205 зависит от типа иона, дозы и энергии облучения.

ВВЕДЕНИЕ

Ионно-лучевая обработка поверхности твердого тела, в результате которой происходит изменение состава, структуры и физико-химических свойств поверхности [1], является перспективным способом создания новых материалов для микро- и нано-электроники. Так, бомбардировка поверхности высших оксидов переходных металлов ионами инертных газов приводит к обеднению поверхностного слоя кислородом и восстановлению до низших и промежуточных оксидов, а в ряде случаев — до металла [1—7]. Наиболее эффективным методом не-разрушающего определения состава измененного поверхностного слоя облученных материалов является рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС), которая обладает малой глубиной отбора аналитической информации (3—5 нм) и позволяет надежно идентифицировать образующиеся оксиды [8].

Исследованию процесса ионно-лучевого восстановления поверхности высшего оксида №>205 методом РФЭС посвящены работы [4, 6, 7]. В [4] впервые обнаружено, что бомбардировка поверхности очень тонких оксидных пленок №205 (~5—10 нм) на № ионами Аг+ с энергией 1.7 и 5 кэВ приводит к образованию низших оксидов. Отмечено, что степень ионно-лучевого восстановления поверхности в случае оксида №205 заметно ниже, чем в случае оксидов Мо03 и В работе [6] исследовано влияние бомбардировки ионами Аг+ с энергией 3 кэВ на состав оксидных пленок №205 толщиной ~30 нм, полученных с помощью анодного окисления поверхности №. Детальный анализ тонкой структуры РФЭ-спектров показал, что в результате

ионного облучения в пленках образуются промежуточный оксид №02 и низший оксид №0, причем их относительное содержание в восстановленном слое меняется с увеличением дозы облучения. В работе [7] установлено, что бомбардировка анодных оксидных пленок №205 на № и объемных образцов №205 ионами Аг+ с энергией 0.5 и 2 кэВ приводит к образованию восстановленного слоя. При этом основным продуктом ионно-лучевого восстановления, по мнению автора работы [7], является низший оксид №0.

Количество работ по ионно-лучевому восстановлению поверхности оксида №205 невелико, а полученные результаты неоднозначны и ограничены по своему объему. В работах [4, 6] были проведены эксперименты только по бомбардировке поверхности тонких оксидных пленок №205 на №> ионами Аг+. В [7] исследованы как тонкие пленки, так и объемные образцы №>205, но представлена отличная от работы [6] интерпретация тонкой структуры РФЭ-спектров восстановленного слоя оксида №205. Поэтому представляется весьма интересным проведение систематического исследования процессов ионно-лучевого восстановления на объемных образцах оксида №205 в широком диапазоне доз облучения как ионами инертного газа (Аг+), так

и ионами химически активного газа (0+) при различных энергиях облучения. Тем более что в литературе данные по восстановлению поверхности оксида №205 при бомбардировке ионами 0 + отсутствуют.

Целью настоящей работы является изучение методом рентгеновской фотоэлектронной спектро-

скопии процесса восстановления поверхности оксида №205 при бомбардировке ионами А+ и О+.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Облучение поверхности оксида Nb2O5 ионами

Ar+ и O + и 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 использовали порошкообразные оксиды Nb2O5 (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 Ar+ или O + с энергией E, равной 1 или 3 кэВ. Доза облучения (D) составляла 1015— 3 х 1017 см-2. В экспериментах использовали сверхчистые газы фирмы Messer Griesheim (Германия): Ar (> 99.999 об. %) и О2 (>99.998 об. %). После облучения образец через вакуумный шлюз перемещали в камеру анализа электронного спектрометра, где методом РФЭС проводили качественное и количественное определение состава восстановленной поверхности.

РФЭ-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 энергий связи (Есв) фотоэлектронов — 0.1 эВ. Глубина отбора аналитической

информации--3—5 нм. Вакуум в камере анализа

спектрометра — 2 х 10-7 Па. Разложение рентгеновских фотоэлектронных спектров сложной формы на составляющие после вычитания нелинейного фона проводили с помощью смешанной функции Гаусса—Лоренца с использованием пакета программного обеспечения XPSPEAK Version 4.1 [9].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Восстановление поверхности оксида Nb2O5 при бомбардировке ионами Ar+ и O+. На рис. 1 представлены РФЭ-спектры остовных уровней Nb 3d образцов Nb2O5 до облучения (кривая 1), после облучения ионами Ar+ (кривые 2, 3) и после облучения ионами O + (кривые 4, 5) с энергией 3 кэВ при различных дозах. Видно, что ионное облучение в обоих случаях приводит к изменению формы и положения спектральных линий. Это свидетельствует о том, что ниобий в поверхностных слоях оксидов после облучения находится в нескольких зарядовых состояниях. В результате разложения на составляющие РФЭ-спектров остовного уровня Nb 3d образ-

212 208 204

Энергия связи, эВ

200

Рис. 1. Рентгеновские фотоэлектронные спектры уровня № Ъй поверхности №205: исходная поверхность

(кривая 1), после бомбардировки ионами Ar+ с D (см-2): 6.8 х 1015 (кривая 2), 9.3 х 1016 (кривая 3) (Е = 3 кэВ) и

после бомбардировки ионами 0+ с В, см 2: 2.6 х 10

(кривая 4), 2.4 х 1017 (кривая 5) (Е = Ъ кэВ). Сплошными тонкими линиями показано разложение спектров на составляющие.

16

ца №205 после бомбардировки ионами Аг+ установлено, что эти спектры состоят из трех спин-дублетов с Есв подуровней № Ъй5/2, равными 204.2, 206.0 и 207.4 эВ (тонкие сплошные линии на рис. 1, кривые 2, 3). Эти спин-дублеты соответствуют низшему оксиду №О, промежуточному оксиду №О2 и высшему оксиду №205 соответственно [6—8, 10— 16]. Разложение на составляющие РФЭ-спектров остовного уровня № Ъй образца №205 после бом-

68

АЛОВ, КУЦКО

«

о

«

о И О V

X X

<3

л §

о

100 г

(а)

80 5

60 -

40 -

20 о

№>О №>О2

№>2О5

100

0.4

017 . (б)

Б, 1017 см-2

(в о ч к

§ 60

V

X X

а

*

л § 20 и

80

40

0 12 3

Б, 1017 см-2

Рис. 2. Зависимость содержания оксидов в поверхностных слоях ^Оз от дозы облучения ионами Аг+ с Е = 1 кэВ (а) и Е = 3 кэВ (б) по данным РФЭС.

бардировки ионами О + свидетельствует о том, что эти спектры состоят из двух спин-дублетов с Есв подуровней № За?5/2, равными 206.0 и 207.4 эВ (тонкие сплошные линии на рис. 1, кривые 4, 5). Эти спин-дублеты соответствуют промежуточному оксиду №О2 и высшему оксиду №2О5 соответственно [6-8, 10-16]. Таким образом, продуктами восстановления поверхности объемного оксида №2О5 при бомбардировке ионами Аг+ с Е = 3 кэВ являются оксиды №О2 и №О. Отметим, что этот результат хорошо согласуется с данными работы [6], в которой исследовано восстановление тонких оксидных пленок №2О5 на № при бомбардировке ионами Аг+ с Е = 3 кэВ. Единственным продуктом восстановления поверхности объемного оксида №2О5 при бомбардировке ионами О + с Е = 3 кэВ является оксид №О2.

На рис. 2 показаны построенные по данным РФЭС графики зависимости содержания оксидов в восстановленном поверхностном слое №2О5 от дозы облучения ионами Аг+ при Е = 1 кэВ (а) и 3 кэВ (б). Видно, что увеличение дозы облучения ионами Аг+ при этих значениях энергии приводит к заметному уменьшению содержания оксида №2О5. При

этом наблюдается существенное увеличение содержания оксидов №О2 и №О, причем содержание оксида №О2 проходит через максимум и начинает уменьшаться при больших дозах, а содержание оксида №О продолжает монотонно расти вплоть до достижения стационарного состояния, при котором состав анализируемого слоя не меняется с увеличением дозы облучения. Состав анализируемого слоя в стационарном состоянии в %: №2О5 - 23.3, №О2 - 28.2, №О - 48.5 для Е = 1 кэВ и №2О5 -18.0, №О2 - 25.0, №О - 57.0 для Е = 3 кэВ. Отметим, что в случае оксида №2О5, облученного ионами Аг+ с Е = 1 и 3 кэВ, толщина восстановленного слоя, скорее всего, не превышает глубину отбора аналитической информации в методе РФЭС [7]. Поэтому приведенный выше состав анализируемого слоя, вероятно, несколько отличается от состава восстановленного слоя, поскольку определенный вклад в измеренный РФЭ-спектр может вносить сигнал нижележащего неизмененного оксида №2О5. Отношение оксидов №О/КЪО2 в стационарном состоянии, характеризующее степень восстановления поверхностного слоя оксида №2О5, равно 1.72 для Е = 1 кэВ и 2.28 для Е = 3 кэВ. Следовательно, восстановление протекает более интенсивно при большей энергии облучения. Высокое содержание низшего оксида №О в восстановленном слое свидетельствует о том, что этот оксид устойчив к ионной бомбардировке. Даже при больших дозах облучения он не восстанавливается до металлич

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.

Показать целиком