научная статья по теме ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОЙ ПЛОТНОСТИ НАНОСЛОЕВ ВАНАДИЯ, НАНЕСЕННЫХ НА РАЗЛИЧНЫЕ ПОДЛОЖКИ, РЕНТГЕНОФЛУОРЕСЦЕНТНЫМ МЕТОДОМ Химия

Текст научной статьи на тему «ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОЙ ПЛОТНОСТИ НАНОСЛОЕВ ВАНАДИЯ, НАНЕСЕННЫХ НА РАЗЛИЧНЫЕ ПОДЛОЖКИ, РЕНТГЕНОФЛУОРЕСЦЕНТНЫМ МЕТОДОМ»

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2015, том 51, № 1, с. 44-48

УДК 543.422.8

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОЙ ПЛОТНОСТИ НАНОСЛОЕВ ВАНАДИЯ, НАНЕСЕННЫХ НА РАЗЛИЧНЫЕ ПОДЛОЖКИ, РЕНТГЕНОФЛУОРЕСЦЕНТНЫМ МЕТОДОМ © 2015 г. Н. И. Машин, Е. А. Черняева, А. Н. Туманова

Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского e-mail: mashin@chem.unn.ru Поступила в редакцию 03.02.2014

При определении поверхностной плотности использована вспомогательная система в виде тонкопленочных слоев ванадия, нанесенных на подложку из пленки полимера. Рассчитаны поправочные коэффициенты, учитывающие поглощение первичного излучения рентгеновской трубки и аналитических линий элементов, входящих в состав подложек. Разработана методика, позволяющая определять поверхностную плотность тонких пленок, когда исследуемые и градуировочные образцы нанесены на подложки из разных материалов.

Б01: 10.7868/80002337X15010121

ВВЕДЕНИЕ

Для большинства пленочных слоев, нанесенных на подложки из металлов, сплавов и других материалов, важным фактором, влияющим на интенсивность флуоресценции тонких пленок, является возбуждаемая одновременно с материалом пленки рентгеновская флуоресценция атомов подложки [1—5]. Последняя оказывает влияние на интенсивность флуоресценции тонких пленок, что приводит к существенному искажению определяемой величины их поверхностной плотности. Данное обстоятельство обуславливает необходимость получения для каждого материала подложки набора образцов сравнения (ОС) с гарантированным составом, полностью идентичным исследуемым слоям, что представляет большие трудности. В связи с этим нами исследована возможность замены указанных пленочных систем вспомогательными в виде однослойных од-нокомпонентных слоев элемента, наносимого на подложку из пленки полимера. Предложенный способ позволяет также решить задачу и значительного сокращения ОС — до одного. Кроме того, возможно их многократное использование при рентгенофлуоресцентных исследованиях, так как в процессе анализа слои материала пленки, нанесенные на подложку из пленки полимера, не разрушаются.

Так, унифицированные нанопленки хрома на подложках из пленки полимера были использованы нами при исследовании эффектов усиления интенсивностей флуоресценции ^а-линий хрома [6] под влиянием излучения атомов подложек из различных материалов. Аналогичные пленки служили объектами исследований эффектов межэлементного влияния при рентгенофлуоресцентном

анализе (РФлА) тонких двухслойных №/Ое-си-стем [7] и определении массовых коэффициентов ослабления излучения атомов подложек на-нопленками хрома [8].

Ранее нами для определения коэффициентов, учитывающих межэлементные влияния, предложено использование унифицированных пленочных слоев , нанесенных на подложку из пленки полимера. Так, в работе [9] рассчитаны коэффициенты усиления интенсивностей флуоресценции ^а-линий нанопленок ванадия излучением атомов, входящих в материал подложки. Показано, что анализируемые образцы и ОС должны быть нанесены на одинаковые подложки и не соблюдение данного требования может привести к существенным искажениям получаемых результатов. В этом случае для обеспечения правильности определения толщины пленочного слоя рекомендовано использовать вторичное излучение атомов подложки [10—13] в диапазоне длин волн, при котором отношение интенсивностей флуоресцентного излучения от массивной подложки с пленкой и без нее является функцией поверхностной плотности пленки. Однако погрешность определения поверхностной плотности этим способом превышает погрешность гравиметрического метода.

Цель настоящей работы — исследование возможности применения нетрадиционного подхода к определению поверхностной плотности нанопленок ванадия на различных подложках — использование ОС, нанесенных на подложку из пленки полимера [(С10И8О4)и].

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОЙ ПЛОТНОСТИ НАНОСЛОЕВ ВАНАДИЯ

45

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Исследования проведены с применением энергодисперсионного анализатора EDX-720 (8Ытаё2и, Япония). ОС в виде нанопленок ванадия на подложках из пленки полимера, закрепленных в специальном держателе, получены методом электронно-лучевого испарения с применением системы фотометрического контроля толщины на серийной вакуумной установке ВУ-1А. Давление остаточной атмосферы перед напылением составляло 2 х 10-4 Па. Для улучшения адгезии перед напылением тонких пленок проводился предварительный отжиг подложек при температуре 160 ± 5°С в течение 30 мин. Температура подложки в процессе напыления поддерживалась равной 50 ± 5°С. Исходным материалом служил металлический ванадий (степень чистоты не ниже 99.99%) в виде массивной пластины, которая использовались при расчете относительной интенсивности Ка-линии ванадия. Поверхностная плотность ОС найдена взвешиванием подложек до и после напыления пленок на весах ВРЛ-20г с точностью ±5 мкг. Для исключения погрешности, связанной с различием масс подложки и напыляемой пленки, применялся метод "компенсации". Толщина одно-компонентной пленки измерялась на многолучевом интерферометре МИИ-11 с точностью ±2 нм.

При построении градуировочной зависимости применен комплект из шести нанослоев ванадия

грав

одинаковой поверхностной плотности ту = = 314.5 ± 0.8 мкг/см2, нанесенных на подложку из пленки полимера [9]. Установленные величины относительной интенсивности для каждого из этих образцов (измеренного по шесть раз) в пределах случайной погрешности показали хорошее совпадение с относительными интенсивностями для этого комплекта при их одноразовом измерении. Последнее свидетельствует о высоком качестве ОС и позволяет применять один из образцов исследуемого комплекта при исследовании слоев ванадия. Там же показано формирование линейной зависимости относительной интенсивности

!уКа/!ука флуоресценции Ка-линии ванадия от поверхностной плотности ту тонкой пленки:

: 1Vxr,/Цкг

Т = Т 0

J пттт ■*■ \

./ т v

V/плм грав

— ГУ ' ГИ _ _

= а

VK „

m V

(1)

0

50

100

150

200 250 Шу, мкг/см2

Рис. 1. Зависимости относительной интенсивности Ка-линии ванадия от его поверхностной плотности в

ОС: плм/V (1), V/плм (2), (плм/У)/Мп (4).

(плм/V)/Ni (3) и

г0 т^

где IуКа и IуКа — интенсивности Ка-линии ванадия в спектрах флуоресценции нанопленки ванадия и соответствующего массивного образца (за

ч у/плм

вычетом интенсивности фона); а у'к — коэффициент, определяемый по пленке с известной поверхностной плотностью.

На рис. 1 приведены две градуировочные зависимости, построенные для одного из указанных ОС, но отличающиеся тем, что облучение слоя ва-

надия осуществлялось в одном случае (прямая 1) со стороны пленки полимера (плм/V), а во втором (прямая 2) — со стороны пленки ванадия (V/плм). Рассчитанные тангенсы углов наклона зависимостей 1 и 2 равны: ayK^ (1) = 375.2 ± 0.2 см2/г и

a VK™ (2) = 382.7 ± 0.2 см2/г. Некоторое различие связано с тем, что при облучении слоя ванадия со стороны пленки полимера происходит ослабление пленкой полимера интенсивности флуоресценции УКа-линии:

т плм/V _ rV , плм

Тvkа = Тvkа ехр(-аvk„тплм),

. плм

где а V™ = + ^VKа — коэффициент, отражаю-

а sin ф sin у щий ослабление УКа-линии в пленке полимера и для данного вида полимера имеющий постоянную

rV т-плм/V j-r

величину; Т VKa и Т VKJ — интенсивности ла-линии ванадия в спектрах флуоресценции нанослоя ванадия и при размещении на нем пленки полимера; и ^V™ — массовые коэффициенты погло-

МАШИН и др.

щения первичного излучения рентгеновской трубки и ^а-линии ванадия в полимере; тплм — поверхностная плотность полимера; ф = 60° и у = = 45°— углы падения и выхода рентгеновских лучей в энергодисперсионном спектрометре EDX-720.

На рис. 1 приведены также зависимости 3 и 4, построенные для образца плм/У, но подложками служили массивные пластины чистых (степень чистоты >99.99%) никеля и марганца. Тангенсы углов

наклона данных зависимостей: аУК (3) =

= 445.

1 ± 0.б и a(™/v)/Mna

а

V/плм VK а

т-плм/A г0/ A / плм/А ч плм/А Д(^) ,

где W = 1Ака exp(-a«плм); аа£ = + а а а а sin ф

плм . V

H АКа ; а V/A = Ц(А) + И АКа ; Т 0/A J плм/А т т (m™/V)/A _ + . ; а АК„ = . + . ; 1 АК„ ' 1 АК„ и 1AKа

sin у sin ф sin у а

интенсивности флуоресценции АКа-линии элемента А подложки, а также при размещении на

(4) = 473.9 ± 0.6 см2/г. Рост

этих коэффициентов по сравнению с а (1) и

(2) связан с эффектом увеличения интенсивности флуоресценции ванадия излучением атомов никеля и марганца, входящих в состав массивных подложек.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Исследования влияния рентгеновской флуоресценции атомов подложек на интенсивность флуоресценции нанесенных на них пленок ванадия разной толщины и расчет массовых коэффициентов ослабления излучения атомов подложек из А1, 81, Т1, Сг, Мп, Fe, Со, N1, Си, 2п, Ое и 2г пленками ванадия проведены с использованием вспомогательных систем (плм/У)/А. В отличие от используемого ранее способа облучения непосредственно пленочного слоя ванадия в данной работе оно осуществляется со стороны пленки полимера. В сочетании с имеющимся в нашем распоряжении целым рядом массивных подложек унифицированные слои служили для формирования исследуемых систем.

Определение поверхностной плотности нано-пленок ванадия в системах (плм/У)/А с использованием массовых коэффициентов ослабления излучения атомов подложек. Флуоресцентное излучение атомов подложек, проходя через систему (плм/У)/А, ослабляется как пленкой полимера, так и тонким слоем ванадия. В связи с этим коэффициент ослабления а АКА входит в соотношение:

т (плм/У)/А _ т 0/А ( плм/А т ) х

1 АКа _ Т АКа еХр( а АКа тплм) х (2)

/ У/А ч т плм/А , У/А ч ^ '

х ехр(-аАк тУ) _ 1 ак ехр(-аАК тУ),

ней пленки полимера без слоя ванадия и в его

плм У

присутствии; ц АК и ц АК — массовые коэффициенты поглощения ^а-линии вторичного излучения элемента А в полимере и ванадии [14]; множи-

, плм/А . ^

тель ехр(-аАК' тплм) в правой части уравнения (2) характеризует ослабление ^а-линии элемента А в пленке полимера и для данного вида полимера имеет постоянную величину. Для упрощения рас/ плм/А ч

четов учет величины множителя ехр(-аАК' тплм) осуществляется непосредственно в процессе облучения исследуе

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