научная статья по теме ВЛИЯНИЕ АНСАМБЛЕЙ НАНОЧАСТИЦ ЗОЛОТА НА РОСТ ZNO НА ПОВЕРХНОСТИ (0001) САПФИРА Химия

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ АНСАМБЛЕЙ НАНОЧАСТИЦ ЗОЛОТА НА РОСТ ZNO НА ПОВЕРХНОСТИ (0001) САПФИРА»

КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2014, том 59, № 5, с. 806-808

ПОВЕРХНОСТЬ, ТОНКИЕ ПЛЕНКИ

УДК 539.231:535.016

ВЛИЯНИЕ АНСАМБЛЕЙ НАНОЧАСТИЦ ЗОЛОТА НА РОСТ ZnO НА ПОВЕРХНОСТИ (0001) САПФИРА

© 2014 г. В. П. Власов, А. В. Буташин, В. М. Каневский, А. Э. Муслимов, Л. Е. Ли, Е. В. Ракова,

В. А. Бабаев*, А. М. Исмаилов*

Институт кристаллографии РАН, Москва E-mail: amuslimov@mail.ru * Дагестанский государственный университет, Махачкала Поступила в редакцию 07.04.2014 г.

На подложках сапфира (0001) осаждается распылением в вакууме золото, образующее на поверхности ансамбль наночастиц. Подложки переносятся в камеру магнетронного распыления, где они нагреваются до 650°C и на них наносится слой ZnO. Полученные слои исследуются методами РЭМ, АСМ, дифракции электронов и фотолюминесценции. Установлено, что подслой Au способствует более совершенной структуре ZnO и усиливает фотолюминесценцию. Различная морфология получаемых структур ZnO объясняется агрегацией Au в процессе нагрева подложки перед нанесением ZnO.

DOI: 10.7868/S0023476114050233

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы значительное внимание привлекает синтез неорганических соединений специфической формы, размера и морфологии с целью их применения в различных областях науки и техники [1]. Особое место среди этих соединений занимает ZnO, как перспективный фотонный материал, являющийся прямозонным полупроводником с шириной запрещенной зоны 3.36 эВ и энергией связи экситонов 60 мэВ. Кроме того, кристаллы ZnO обладают высокой механической прочностью, радиационной, химической и термической стойкостью. Способы создания наноструктур ZnO (п- и ^-типа), их свойства и возможность применения в различных областях науки и техники обсуждаются в обзорах [2, 3].

Для повышения электрофизических характеристик и фотоактивности устройств эффективным оказалось применение нанокомпозитов ZnO—Au, где золото влияет на процесс переноса заряда. Эффективность преобразования энергии в солнечных батареях на базе ZnO—Au оказалась гораздо выше таковых на базе ZnO [4, 5]. Композиты ZnO—Au также применяются для получения одномерных кристаллов (столбчатых и вискеров) ZnO [6—9]. При этом на поверхности подложки формируются наночастицы золота размером 3— 10 нм напылением золота в вакууме или с помощью химических реакций с участием золотохло-ристоводородной кислоты. Диаметр получаемых вискеров или столбчатых нанокристаллов зависит как от размера наночастиц золота, так и от температурных градиентов. Вискеры могут располагаться под разными углами к подложке, но

наиболее предпочтительно их расположение по нормали к подложке и параллельно друг другу.

УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

В качестве подложек применялись пластины сапфира (0001), приготовленные по методике, представленной в [10—12], после химико-механической полировки и отжига при ?п = 1200°C (тип I). Подложки имели на поверхности стохастический рельеф. Далее подложки помещались в вакуумную камеру и при давлении ~10-6 мбар при комнатной температуре на них напылялся слой золота средней толщиной ~3 нм. В таких условиях образовывался практически сплошной слой золота, состоящий из отдельных кристаллитов —1—1.5 нм. Затем подложки помещались в камеру магне-тронного распыления, где они нагревались до 650°C, и на них наносился слой ZnO.

Использовались два режима:

— слой ZnO наносили сразу после достижения заданной температуры подложки (тип II);

— подложка выдерживалась при заданной температуре —30 мин и затем на нее наносился слой ZnO (тип III).

В результате были получены пленки ZnO c различной морфологией поверхности. Во всех случаях в самых начальных стадиях роста ZnO получаемый осадок не ориентировался относительно подложки, ориентация возникала в процессе роста, что соответствует выводам [13].

Структуру и ориентацию пленок исследовали методом дифракции электронов высокой энергии в геометрии на отражение (электронограф

ВЛИЯНИЕ АНСАМБЛЕЙ НАНОЧАСТИЦ ЗОЛОТА НА РОСТ ZnO

807

Рис. 1. РЭМ-изображение пленки ZnO на подложке типа I. На врезке соответствующая ей картина дифракции быстрых электронов на отражение.

ЭМР 100, U = 75 кВ). Морфологию полученных пленок изучали в сканирующем электронном микроскопе (LEO SUPRA 50VP) и атомно-сило-вом микроскопе Ntegra-Prima (НТ-МДТ). Возбуждение фотолюминесценции в исследуемых образцах ZnO осуществляли излучением третьей гармоники импульсного YLF:Nd3+ лазера (X = = 351 нм, т < 10 нс). Регистрация спектров люминесценции проводилась на спектрометре-поли-хроматоре высокого разрешения (0.1 нм), оснащенном ПЗС-линейкой.

РЕЗУЛЬТАТЫ

На рис. 1 приведены РЭМ-изображение слоя пленки ZnO, полученной на поверхности сапфира (0001) при ?п = 650°C (тип I), и соответствующая картина дифракции быстрых электронов на отражение. Как следует из электронограммы,

Рис. 2. РЭМ-изображение пленки ZnO типа II. На врезке соответствующая ей картина дифракции быстрых электронов на отражение.

пленка ZnO ориентирована плоскостью (0001) параллельно подложке и состоит из блоков, разо-риентированных на 2°—3° друг относительно друга.

На рис. 2 показана пленка ZnO, полученная на поверхности сапфира (0001) при ?п = 650°C (тип II). В этом случае осаждение осуществлялось сразу после достижения заданной температуры подложки. Из рисунка видно, что пленка ZnO также ориентирована плоскостью (0001) параллельно подложке, но состоит из более крупных блоков с незначительной взаимной разориентацией.

На рис. 3 приведен РЭМ-снимок наноструктуры ZnO, полученной на поверхности сапфира (0001) при ?п = 650°C (тип III). В этом случае подложка обжигалась при заданной температуре ~30 мин, что, по-видимому, приводило к коалес-ценции кристаллитов золота, т.е. к их укрупнению. Как можно видеть, в этом случае имеет место образование столбчатых нанокристаллов гексагональной формы, расположенных параллельно друг другу.

Во всех случаях соблюдается ориентированный рост (0001)ZnO || (0001)Al2O3.

На рис. 4 представлены спектры фотолюминесценции (ФЛ) пленок оксида цинка, синтезированных при разных условиях на подложках Al2O3. Условия регистрации спектров ФЛ, включая геометрию и параметры возбуждения, были одинаковыми, что позволило провести сравнительную оценку оптического качества исследуемых образцов по относительной интенсивности УФ-полосы. Как видно из приведенных спектров ФЛ, интенсивность люминесценции для образцов, синтезированных в присутствии золота (тип II и тип III), значительно выше по сравнению с данными для образца типа I.

Рис. 3. РЭМ-изображение пленки ZnO типа III. На врезке соответствующая ей картина дифракции быстрых электронов на отражение.

808

ВЛАСОВ и др.

I, отн. ед.

X, нм

Рис. 4. Спектры фотолюминесценции образцов ZnO, синтезированных при разных условиях: 1 — тип I, 2 — тип II, 3 — тип III.

ОБСУЖДЕНИЕ

Установлено, что подслой из нанокристаллов золота на подложке сапфира (0001) способствует ориентированному росту ZnO на сапфире. Увеличение интенсивности ФЛ в ультрафиолетовой области для образцов типа II и III (рис. 4) обусловлено [15] повышением кристаллического совершенства пленки (рис. 2, 3). Морфология наноструктуры ZnO зависит от плотности нанокри-сталлов золота и их размеров. Электронограммы подтверждают, что ZnO кристаллизуется в гексагональной фазе вюрцита.

Влияние золота на эпитаксию ZnO можно объяснить химическим взаимодействием между Zn и Au на начальных стадиях осаждения ZnO при заданной температуре кристаллизации [16]. При этом образуется переходный слой между подложкой Al2O3 и наноструктурой ZnO. Как следует из работы [6], такой переходный слой может представлять собой соединение Au1.2Zn8.8, которое также кристаллизуется в гексагональной форме вюрцита. В итоге наноструктуры ZnO кристаллизуются на подложке при следующей ориентации: ZnO(0001) || Al2O3(0001); ZnO <10Т 0) || Al2O3<112 0).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследовано влияние ансамблей наночастиц золота на рост ZnO на поверхности (0001) сапфира. Установлено, что подслой Au способствует бо-

лее совершенной структуре ZnO и усиливает фотолюминесценцию. Различная морфология получаемых структур ZnO объясняется агрегацией Au в процессе нагрева подложки перед нанесением ZnO.

Авторы выражают благодарность А.Ш. Асва-рову за помощь в исследованиях морфологии методом сканирующей электронной микроскопии.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП ИК РАН при финансовой поддержке Президиума РАН (Программа фундаментальных исследований № 24 "Фундаментальные основы технологий наноструктур и наноматериалов"), Российского фонда фундаментальных исследований (проект № НК 13-02-01065/14), Министерства образования РД (Грант президента Республики Дагестан в области науки в 2013 г.).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Duan X., Huang Y., Agrawal R., Lieber C. // Nature. 2003. V. 421. P. 241.

2. Ozgur U., Alivov Y.I., Liu C. et al. // J. Appl. Phys. 2005. V.98. P. 301.

3. Fan J.C. // Progr. Mater. Sci. 2013. V. 58. P.74.

4. Sarkar S., Makhal A., Bora T. et al. // Phys. Chem. Chem. Phys. 2011. V. 13. P. 12488.

5. Zamir R. // Appl. Phys. A. 2013. V. 111. P. 487.

6. Borisov D. // Phys. Chem. Chem. Phys. 2010. V 9. P. 10.

7. Huang M.H., Mao S., Feick H. et al. // Science. 2001. V. 292. P. 1897.

8. Zhu G., Zhou Y., Wang S. et al. // Nanotechnology. 2012. V 23. № 5. P. 6.

9. Xu S., Wang Z.L. // Nano Res. 2011. V. 4. № 11. P. 1013.

10. Буташин А.В., Власов В.П., Каневский В.М. и др. // Кристаллография. 2012. Т. 57. № 6. С. 927.

11. Власов В.П., Буташин А.В., Каневский В.М. и др. // Кристаллография. 2014. Т. 59. № 3. С. 463.

12. Буташин А.В., Каневский В.М., Муслимов А.Э. и др. // Кристаллография. 2014. Т. 59. № 3. С. 459.

13. Власов В.П., Каневский В.М. // Поверхность. Рентген., синхротрон. нейтрон. исслед. 2002. № 10. С. 26.

14. Fonoberov V., Balandin A. // J. Phys. Condens. Matter. 2005. V. 17. P. 1085.

15. Novodvorsky O.A., Khramova O.D., Shevelev A.K. "Structural characteristics and photoluminescence spectra of ZnO films produced by pulsed laser deposition". Proceedings SPIE. PaperNumber: 6732-61. 2007. P. 33.

16. Shan G., Zong M. // J. Colloid Interface Sci. 2008. V. 326. P. 392.

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