ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2015, том 53, № 2, с. 312-314
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
УДК 535.341.08:539.23
ПОГЛОЩЕНИЕ И ШИРИНА ОПТИЧЕСКОЙ ЩЕЛИ ПЛЕНОК а-С, ПОЛУЧЕННЫХ МАГНЕТРОННЫМ РАСПЫЛЕНИЕМ © 2015 г. А. А. Пронкин, А. В. Костановский
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур (ОИВТРАН), Москва E-mail: pronkin.a.a@gmail.com Поступило в редакцию 03.07.2014 г.
DOI: 10.7868/S0040364415020210
Тонкие пленки углерода (а-С), обладая высокой твердостью, износоустойчивостью, химической стойкостью, оптической прозрачностью, находят широкое применение [1]. Свойства тонких углеродных пленок во многом зависят от метода и условий осаждения [1]. Использование магнетронных распылительных систем в процессе ионно-стимулированного осаждения углеродных пленок дает возможность управлять процессом осаждения, а следовательно, и свойствами получаемых углеродных пленок [2].
В данной работе исследовались оптические свойства углеродных пленок, полученных методом магнетронного распыления графитовой мишени при воздействии на растущий слой пленки радиационным потоком от модели абсолютно черного тела (АЧТ).
Схема установки для получения углеродных пленок подробно была описана в работе [3]. Напомним, что основными элементами установки являются магнетронная распылительная система "Премьера-1" и высокотемпературная модель АЧТ с рабочей температурой до 3000 К. Материал мишени магнетрона выполнен из изотропного графита марки ЭБ-24 диаметром 100 мм и толщиной 3 мм. Расстояние между мишенью и подложкой составляет 50 мм. С целью исключения загрязнения растущих пленок от элементов конструкции вакуумной камеры рабочая область (мишень-подложка) изолирована от стенки камеры протяженным цилиндрическим экраном из диэлектрика. Излучателем в модели АЧТ служит полый графитовый цилиндр длиной 80 мм с диаметром внутреннего отверстия 3 мм и перегородкой в центре толщиной 2 мм.
Исследования проведены на подложках в форме пластины размером 6 х 12 мм и толщиной 0.125 мм, которые были изготовлены из кварцевого стекла. Перед экспериментом подложка промывалась в спиртовом растворе борной кислоты, затем в ультразвуковой ванне 10 мин в 98%-ном спирте при температуре 50°С и 10 мин при температуре 70°С
в дистиллированной воде. Очищенная подложка помещалась на нагреваемый столик в вакуумной камере, которая откачивалась до давления ~10-3 Па и отжигалась 20 мин при температуре 400°C. Затем камера заполнялась аргоном высокой чистоты (объемная доля Ar > 99.993%, O2 < 0.0007%) до рабочего давления.
Углеродные пленки получены при следующих параметрах осаждения: температура подложки — 750 К, мощность магнетрона — 84 Вт, давление рабочего газа аргона — 10 Па. Толщина полученных пленок не превышала 200 нм. При осаждении углеродные пленки серии № 1 получены с использованием внешнего источника излучения (модель АЧТ). Пленка серии № 2 осаждалась без воздействия радиационного потока.
Углеродные пленки были исследованы методом спектроскопии характеристических потерь энергии электронов (СХПЭЭ) [4], который позволил установить, что при воздействии радиационным потоком от модели АЧТ происходит увеличение концентрации атомов в ^-гибидизиро-ванном состоянии, т.е. пленки серии № 1 характеризуются как алмазоподобные (АПП).
Оптические свойства углеродных пленок определяли из спектров пропускания и отражения, которые измерялись на комплексе КСВУ-23 и приставке для измерения направленно-полусферической отражательной способности образца. Кроме того, для повышения надежности полученных ранее результатов спектры пропускания и отражения углеродных пленок были измерены на вакуумном фурье-спектрометре VERTEX 80v c ИК-микроскопом HYPERION 2000 (ТИСНУМ, г. Троицк).
Так как углеродная пленка находилась на подложке, непосредственное измерение пропускания и отражения пленки было невозможно. Поэтому была использована методика, описанная в [5]. Для определения пропускания и отражения пленки было выполнено шесть измерений: четыре измере-
ПОГЛОЩЕНИЕ И ШИРИНА ОПТИЧЕСКОИ ЩЕЛИ ПЛЕНОК а-С
313
а, см 107-
10'
105
104
6
10
3
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
Е, эВ
(аЕ)1/2, (эВ/см)1/2 2000 г
1500
1000 -
500 -
4 X Х + 3
23
Е, эВ
Рис. 1. Спектральная зависимость коэффициента поглощения для образцов: 1 — серия № 1, 2 — № 2.
Рис. 2. Зависимость (аЕ)1/2 от Е для пленок: 1 — серия № 1, 2 - № 2, 3 - [7], 4 - [6].
ния на образце и два — на чистой подложке. Из результатов измерений пропускания в системе пленка—подложка и подложка—пленка и аналогичных измерений отражения, а также измерения пропускания и отражения чистой подложки определены пропускание и отражение чистой углеродной пленки. Натуральный коэффициент поглощения пленок а рассчитывается в соответствии с законом Ламберта—Бера (в предположении, что среда не рассеивающая).
Спектральная кривая натурального коэффициента поглощения, рассчитанная из спектра пропускания и отражения, для пленок двух серий в интервале 1—3 эВ приведена на рис. 1. Для серии № 1 (АПП), полученной при воздействии радиационным потоком от модели АЧТ, наблюдается уменьшение коэффициента поглощения и изменение характера его спектральной зависимости в сравнении с пленкой серии № 2 (без воздействия). Из представленного спектра (по аналогии с аморфными полупроводниками) за ширину оптической щели можно принять значение энергии Е04, соответствующее а = 104 см—1. Для пленки серии № 1 значение Е04 составило 1.2 эВ.
Другим подходом для определения ширины оптической щели является определение энергии Тауца Ет; полученное экстраполяцией зависимости (аЕ)1/2 от Е, согласно уравнению Тауца [1]:
4аЕ = 4В(Е - Ет),
где Е — энергия фотона; В — постоянная, пропорциональная плотности состояний; Ет — край поглощения. Спектральные зависимости (аЕ)1/2 от энергии фотона Е = Н\, полученные при комнатной температуре для пленок двух указанных выше
серий, представлены на рис. 2. Также на рисунке приведены данные из [6, 7]. Использование радиационного потока во время роста пленок приводит к увеличению ширины оптической щели Ет~ 1 эВ. Экспериментальные результаты показали, что для пленок серии № 1 величина Е04 больше ширины оптической щели Тауца Ет на ~20%. Различие может объясняться разным механизмом интерпретации края поглощения [1]
В последнее время получил развитие кванто-во-размерный подход к описанию вклада отдельных структурных элементов в электронное строение аморфного углерода и, как следствие, к описанию его оптических свойств [1]. Согласно этому подходу, основой материала являются структурные элементы нанометровых размеров, содержащие углерод в $рг- и «р3-гибридных состояниях, соответственно графитоподобные и алма-зоподобные фрагменты (кластеры). В [8] показано, что величина наклона зависимости Тауца и ширины оптической щели коррелирует с размерами кластеров и может быть определенным показателем качества АПП.
Анализ спектра коэффициента поглощения и спектральной зависимости (аЕ)1/2 от Е показывает, что при воздействии радиационным потоком от модели АЧТ возрастает ширина оптической щели. Это свидетельствует о росте концентрации атомов с ^-гибридизацией электронов валентных уровней. Сравнение результатов настоящих экспериментов с литературными данными [6, 7] для а-С также указывает на то, что пленки серии № 1 являются алмазоподобными.
ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР том 53 № 2 2015
314
ПРОНКИН, КОСТАНОВСКИЙ
Оценка ширины оптической щели по зависимости коэффициента поглощения а от энергии E04 и по формуле Тауца ЕТ показала, что при воздействии радиационным потоком от модели АЧТ на растущий слой пленки концентрация атомов c sp3-ra-бридизацией электронов валентных уровней увеличивается. Значения ширины оптической щели, измеренные для углеродных пленок серии № 1, которые получены при воздействии радиационного потока от модели АЧТ, находятся в согласии с литературными данными для алмазоподобных пленок.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Коншина Е.А. Аморфный гидрогенизированный углерод и применение его в оптических устройствах. СПб.: СПб НИУ ИТМО, 2010. 91 с.
2. Белянин А.Ф., Гуляев Ю.В., Самойлович М.И., Баг-дасарян А.С. Оборудование для формирования пленок алмаза и алмазоподобных материалов для акустоэлектроники // Наука и технологии в промышленности. 2006. № 4. С. 19.
3. Костановский А.В., Пронкин А.А., Кириченко А.Н. Формирование тонкой пленки, содержащей кар-
бин, при магнетронном распылении графитовой мишени и воздействии внешнего источника фотоактивации // ТВТ. 2013. Т. 51. № 5. С. 787.
4. Костановский А.В., Пронкин А.А., Костановский И.А. Образование алмазоподобной пленки методом магнетронного распыления графитовой мишени при воздействии потоком излучения от модели черного тела // Письма в ЖТФ. 2014. Т. 40. № 7. С. 35.
5. Kebbab Z., Medles M., Miloua F., Miloua R., Chiker F., Benramdane N. Experimental Study on Structural and Optical Properties of ZnO Thin Films // Альтернативная энергетика и экология. 2008. Т. 62. № 6. С. 61.
6. Faizrakhmanov I.A., Bazarov V.V., Zhikharev V.A., Khaibullin I.B. Optical and Electrical Properties of C + -Implanted Amorphous Diamondlike Carbon Films// Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. 1997. V. B127/128. P. 719.
7. Коншина Е.А., Толмачев В.А. Влияние кинетики процесса конденсации на оптические постоянные аморфных гидрогенизированных углеродных пленок // ЖТФ. 1995. Т. 65. № 1. С. 175.
8. Robertson J. Amorphous Carbon // Adv. Phys. 1986. V.35. P. 317.
ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР
том 53 № 2 2015
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.