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

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

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2011, № 3, с. 59-62

УДК 537.533:543.42

ИОННО-ЛУЧЕВОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ВЫСШЕГО ОКСИДА ТАНТАЛА © 2011 г. Н. В. Алов, Д. М. Куцко

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Химический факультет, Москва, Россия Поступила в редакцию 20.09.2010 г.

Методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии исследован процесс восстановления поверхности высшего оксида Та205 в результате облучения ионами инертного газа (Аг+) и ионами химически активного газа (о+) с энергией 3 кэВ в условиях высокого вакуума при комнатной температуре. Обнаружено, что при бомбардировке ионами Аг+ в поверхностных слоях оксида Та205 образуются промежуточный оксид Та02, низший оксид ТаО и металлический Та. Бомбардировка ионами

0+ приводит к образованию в поверхностных слоях оксида Та205 только незначительного количества промежуточного оксида Та02. Установлено, что процесс ионно-лучевого восстановления поверхности оксида Та205 зависит от типа иона и дозы облучения.

ВВЕДЕНИЕ

Ионное облучение поверхности твердого тела приводит к изменению состава, структуры и физико-химических свойств поверхности [1]. При бомбардировке поверхности высших оксидов переходных металлов ионами инертных газов происходит преимущественное распыление кислорода, обеднение поверхностного слоя кислородом и восстановление до низших и промежуточных оксидов, а в ряде случаев до металла [1—8]. Наиболее эффективным методом неразрушающего определения состава измененного поверхностного слоя облученных материалов является рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС), которая позволяет анализировать тонкие поверхностные слои (3—5 нм) и надежно идентифицировать образующиеся оксиды [9].

Исследованию процесса ионно-лучевого восстановления поверхности высшего оксида Та205 методом РФЭС посвящены работы [4—6]. В [4] впервые обнаружено, что бомбардировка поверхности тонких оксидных пленок Та205 (~5—10 нм) на Та ионами Аг+ с энергией 1.7 и 5 кэВ приводит к образованию низших оксидов. Отмечено, что степень ион-но-лучевого восстановления поверхности в случае оксидов №205 и Та205 заметно ниже, чем в случае оксидов Мо03 и ^03. В [5] исследовано влияние бомбардировки ионами Аг+ с энергией 3 кэВ на состав оксидных пленок Та205 толщиной ~30 нм, полученных с помощью анодного окисления поверхности Та. Детальный анализ тонкой структуры РФЭ-спектров показал, что в результате ионного облучения в пленках образуются промежуточный

оксид Та02, низший оксид Та0 и металлический Та, причем соотношение их концентраций в восстановленном слое меняется с увеличением дозы облучения. В [6] бомбардировке ионами Аг+ с энергией 1.5 и 4 кэВ подвергали тонкие пленки естественного оксида Та205 на Та (~8—10 нм). Авторы наблюдали в РФЭ-спектрах линии оксидов Та02 и Та0, однако их интерпретация результатов ионного облучения прямо противоположна [5]. Авторы [6] считают, что ионная бомбардировка не приводит к восстановлению поверхности высшего оксида Та205, а промежуточный оксид Та02 и низший оксид Та0 присутствуют в пленке естественного оксида изначально.

Как видно, количество работ по ионно-лучевому восстановлению поверхности оксида Та205 невелико, а полученные результаты неоднозначны и ограничены по своему объему. В [4—6] были проведены эксперименты только по бомбардировке поверхности тонких оксидных пленок Та205 на Та ионами Аг+, а интерпретация полученных результатов в этих работах крайне противоречива. Поэтому представляется весьма интересным проведение систематического исследования процессов ионно-луче-вого восстановления на объемных образцах оксида Та205 в широком диапазоне доз облучения как ионами инертного газа (Аг+), так и ионами химически активного газа (0+Тем более что в литературе данные по восстановлению поверхности оксида Та205 при бомбардировке ионами 0+ отсутствуют.

Целью настоящей работы является изучение методом рентгеновской фотоэлектронной спектро-

32

28 24

Энергия связи, эВ

20

Рис. 1. Рентгеновские фотоэлектронные спектры уровня Та4/" поверхности Та205: исходная поверхность (1),

I 17 _2

после бомбардировки ионами Аг+ с В = 2.9 х 10 см 2 и

Е = 3 кэВ (2) и после бомбардировки ионами 0+ с

В = 1.7 х 1017 см_2 и Е = 3 кэВ (3). Сплошными тонкими линиями показано разложение спектров на составляющие.

скопии процесса восстановления поверхности оксида Ta2O5 при бомбардировке ионами Ar+ и O+.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Облучение поверхности оксида Ta2O5 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 Ta2O5 (чда), 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 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 элек-

тронного 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 энергии 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.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Восстановление поверхности оксида Tа2O5 при

бомбардировке ионами Ar+ и 0+. На рис. 1 представлены РФЭ-спектры остовных уровней Та4/ образцов Та205 до облучения (кривая 1), после облучения ионами Аг+ (кривая 2) и после облучения ионами

0+ (кривая 3) с энергией 3 кэВ. Видно, что ионное облучение в обоих случаях приводит к изменению формы и положения спектральных линий. Это свидетельствует о том, что тантал в поверхностных слоях оксидов после облучения находится в нескольких зарядовых состояниях. В результате разложения на составляющие РФЭ-спектра остовного уровня Та4/ образца Та205 после бомбардировки ионами Аг+ установлено, что этот спектр состоит из четырех спин-дублетов с Есв подуровней Та4/7/2, равными 21.7; 23.8; 25.7 и 26.9 эВ (тонкие сплошные линии на рис. 1, кривая 2). Эти спин-дублеты соответствуют металлическому Та, низшему оксиду ТаО, промежуточному оксиду ТаО2 и высшему оксиду Та205 соответственно [5, 6, 10—12]. Разложение на составляющие РФЭ-спектра остовного уровня Та4/ образца

Та205 после бомбардировки ионами 0+ свидетельствует о том, что этот спектр состоит из двух спин-дублетов с Есв подуровней Та4/7/2, равными 25.7 и 26.9 эВ (тонкие сплошные линии на рис. 1, кривая 3). Эти спин-дублеты соответствуют промежуточному оксиду ТаО2 и высшему оксиду Та205 соответственно [5, 6, 10—12]. Таким образом, продуктами восстановления поверхности объемного оксида Та205 при бомбардировке ионами Аг+ с Е = 3 кэВ являются оксиды ТаО2, Та0 и металлический Та. Отметим, что этот результат хорошо согласуется с данными [5], где исследовано восстановление тонких оксидных

ИОННО-ЛУЧЕВОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ

61

80 -

60 -

к к

Й 40 а

и Э 6 20

- Та

- Та0

а * а-Та205

(Т) (Т)

л гГЦ л

ч? А— чя —А— ч? —А

100

80

^ 60 «

а

1940

л

О 20 С

- Та02 а а а-Та205

В, 1017 см-2

В, 1017 см-2

Рис. 2. Зависимость содержания оксидов и металла в поверхностных слоях Та205 от дозы облучения ионами Аг+ с Е = 3 кэВ по данным РФЭС.

Рис. 3. Зависимость содержания оксидов в поверхностных слоях Та205 от дозы облучения ионами 0+ с Е = 3 кэВ по данным РФЭС.

0

1

2

3

0

1

2

3

4

пленок Та205 на Та при бомбардировке ионами Аг+ с Е = 3 кэВ. Единственным продуктом восстановления поверхности объемного оксида Та205 при бомбардировке ионами 0+ с Е = 3 кэВ является оксид ТаО2.

На рис. 2 показана построенная по данным РФЭС зависимость содержания оксидов и металла в восстановленном поверхностном слое Та205 от дозы облучения ионами Аг+ при Е = 3 кэВ. Видно, что увеличение дозы облучения ионами Аг+ при этой энергии приводит к заметному уменьшению содержания оксида Та205. Одновременно наблюдается увеличение содержания оксидов ТаО2 и ТаО, причем содержание оксида ТаО2 проходит через максимум и начинает уменьшаться при больших дозах, а содержание оксида ТаО продолжает монотонно расти вплоть до достижения стационарного состояния, при котором состав анализируемого слоя практически не меняется с увеличением дозы облучения. Состав анализируемого слоя в стационарном состоянии в %: Та205 - 44, ТаО2 - 17, ТаО - 27, Та -12. Отметим, что в случае оксида Та205, облученного ионами Аг+ с Е = 3 кэВ, толщина восстановленного слоя, скорее всего, меньше глубины отбора аналитической информации в методе РФЭС. 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 Та205.

На рис. 3 показана построенная по данным РФЭС зависимость содержания оксидов в восстановленном поверхностном слое Та205 от дозы облучения ионами 0+ при Е = 3 кэВ. Видно, что увеличе-

ние дозы облучения ионами 0 2+ при этой энергии приводит к незначительному уменьшению содержания оксида Та205. Одновременно наблюдается увеличение содержания промежуточного оксида ТаО2. Образование низшего оксида ТаО и металлического Та в этом случае, в отличие от бомбардировки ионами Аг+, не наблюдается.

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