научная статья по теме ФОРМИРОВАНИЕ НАНОЧАСТИЦ КОБАЛЬТА НА ПОВЕРХНОСТИ ПИРОЛИТИЧЕСКОГО ГРАФИТА В СВЕРХВЫСОКОМ ВАКУУМЕ Физика

Текст научной статьи на тему «ФОРМИРОВАНИЕ НАНОЧАСТИЦ КОБАЛЬТА НА ПОВЕРХНОСТИ ПИРОЛИТИЧЕСКОГО ГРАФИТА В СВЕРХВЫСОКОМ ВАКУУМЕ»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2012, № 6, с. 85-89

УДК 539. 53.086

ФОРМИРОВАНИЕ НАНОЧАСТИЦ КОБАЛЬТА НА ПОВЕРХНОСТИ ПИРОЛИТИЧЕСКОГО ГРАФИТА В СВЕРХВЫСОКОМ ВАКУУМЕ

© 2012 г. Д. В. Лебедев, С. А. Зиганшина, Н. И. Нургазизов, А. П. Чукланов, А. А. Бухараев

Казанский физико-технический институт имени Е.К. Завойского КазНЦРАН,

Казань, Россия Поступила в редакцию 26.09.2011 г.

Методом испарения электронным пучком твердотельной мишени в сверхвысоком вакууме получены пленки Со на подложке высокоориентированного пиролитического графита, из которых в результате последующего отжига сформированы отдельно расположенные наночастицы. Предварительное ионное облучение подложки позволяет уменьшить средний размер частиц, образованных при коалесценции, но форма крупных частиц при этом искажается. Установлено, что наночастицы Со сохраняют свою форму при контакте с атмосферой. На основании магнитно-силовых изображений показано, что полученные частицы высотой 20—40 нм являются одно-доменными.

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы широкое развитие получили методы создания и характеризации наноразмер-ных материалов. Много внимания уделяется разработке химических [1—4] и физических [5, 6] методов изготовления наночастиц различных металлов с заданным распределением по размерам и по поверхности подложки. Это связано с обнаружением необычных физических и физико-химических свойств наночастиц, а также с возможностью использования ферромагнитных наночастиц в устройствах хранения информации [7, 8] или в качестве катализаторов электрохимических реакций. Как правило, для получения наночастиц металлов заданного размера и с определенным распределением по поверхности требуется не только правильно подобрать материал подложки, на которой планируется формировать на-ночастицы, но и осуществить предварительную подготовку поверхности.

В данной работе для синтеза наночастиц кобальта был использован метод испарения твердотельной мишени электронным пучком в сверхвысоком вакууме с дальнейшим отжигом полученных пленок, в результате которого на поверхности формировались наночастицы. В качестве подложки для получения наночастиц был выбран высокоориентированный пиролитический графит (ВОПГ). Выбор подложки был обусловлен легкостью получения атомарно гладкой поверхности, на которой формировались частицы, и высокой проводимостью материала. Целью данной работы являлась разработка методики синтеза отдельно лежащих наночастиц кобальта.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Формирование и исследование наночастиц кобальта на поверхности ВОПГ осуществлялось в сверхвысоковакуумной установке Multiprobe P фирмы Omicron (Германия). В ее состав входят камера для приготовления образцов и аналитическая камера. Камера для приготовления образцов оснащена ионной пушкой с энергией пучка до 5 кэВ, нагревателем подложки и электронно-лучевым испарителем твердотельной мишени. В состав аналитической камеры входит сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) с полем сканирования 9 х 9 мкм, который может работать в туннельном и атомно-силовом режимах.

Для получения атомарно гладкой поверхности непосредственно перед загрузкой подложки в камеру приготовления образцов верхний слой ВОПГ отделялся с помощью скотча. Для удаления слоя адсорбатов с поверхности ВОПГ образцы подвергались отжигу при температуре 1000 К в течение одного часа. Напыление кобальта осуществлялось путем испарения кобальтовой мишени (чистота 99.95%) электронным пучком при токе электронной эмиссии 45 мА, ускоряющем напряжении 815 В, давлении 6 х10-9 мбар. Количество наносимого на подложку кобальта варьировалось за счет изменения времени напыления.

Для определения скорости напыления кобальта использовалась следующая методика. В течение двух часов на поверхность подложки через маску осуществлялось напыление кобальта при неизменных параметрах электронно-лучевого испарения мишени. Затем маска удалялась, и измерялась толщина напыленной пленки с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ). Из этих

86 ЛЕБЕДЕВ и др.

Методики синтеза наночастиц кобальта

Методика 1 Методика 2

Загрузка свежесколотого ВОПГ в вакуумную камеру Отжиг при Т = 1000 К в течение 1 ч Напыление кобальта Отжиг при Т = 1000 К в течение 1 ч Загрузка свежесколотого ВОПГ в вакуумную камеру Отжиг при Т = 1000 К в течение 1 ч Облучение поверхности ионами Аг+ с энергией 3кэВ в течение 4 мин Напыление кобальта Отжиг при Т = 1000 К в течение 1 ч

данных вычислялась скорость нанесения кобальта, которая составила 0.24 нм в минуту.

Исследование поверхности полученных образцов проводилось в аналитической камере с помощью СЗМ в бесконтактном режиме без выноса образцов на воздух. Дополнительные измерения топографии и магнитного контраста осуществлялись на воздухе в полуконтактном режиме с использованием СЗМ Solver HV и Solver P47 (НТ-МДТ, Россия). Использовались кремниевые зонды с резонансными частотами от 130 до 250 кГц (НТ-МДТ, Россия). Магнитные измерения проводились зондами, покрытыми слоем Co толщиной 60 нм и слоем Cr толщиной 20 нм, с резонансной частотой 80 кГц (MikroMasch).

Для построения гистограмм распределения частиц кобальта по размерам на основе полученных АСМ-изображений использовалась разработанная нами компьютерная программа [9]. Отличительная особенность этой программы — возможность построения гистограмм распределения на-ночастиц по размерам с учетом наличия на АСМ-изображении слипшихся частиц и неровностей поверхности подложки.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Ранее было обнаружено [10], что при напылении небольшого количества кобальта на поверхность ВОПГ могут формироваться отдельно расположенные наночастицы кобальта, а не сплошная пленка. При выносе таких образцов на воздух происходит увеличение размеров частиц кобальта и перераспределение их по поверхности ВОПГ, что вероятно свидетельствует о плохой адгезии формируемых наночастиц к подложке. Частицы сливаются в изолированные островки сложной формы, состоящие из нескольких частиц. Гистограммы распределения частиц по размерам, построенные для таких образцов, показывают, что средний размер частиц кобальта после контакта с воздухом увеличивается примерно в два раза [10].

В данной работе для получения наночастиц Co использовалось две методики. В первом случае наночастицы кобальта формируются в результате коалесценции кобальта, предварительно напы-

ленного на поверхность ВОПГ, во время отжига образца в вакууме при температуре 1000 К. Во втором случае перед напылением Со поверхность ВОПГ предварительно подвергается облучению ионами инертного газа (аргон). Затем, как и в первом случае, на нее напыляется пленка Со и производится отжиг образца. Для наглядности последовательность операций в каждой из методик приведена в таблице. Визуализация топографии поверхности изготовленных образцов осуществлялась на каждом из этапов описанных выше методик с помощью СЗМ, входящего в состав установки Omicron. При этом образец в течение всего цикла изготовления и измерения находился в вакууме не хуже 6 х 10-9 мбар. Невысокая адгезия Со к подложке позволяет предположить, что основным механизмом формирования наноча-стиц является коалесценция [11]. Подобное явление наблюдалось нами ранее при получении изолированных наночастиц никеля на кварцевом стекле [12]. В работах [13, 14] на примере Ni и Fe было показано, что облучение ионами с энергией до 5 кэВ способствует созданию дефектов на поверхности ВОПГ, на которых формируются частицы.

На рис. 1 приведена серия АСМ-изображений, полученных для образца, на который наносилась пленка кобальта толщиной 3 нм с использованием первой методики. На рис. 1а приведено исходное изображение поверхности ВОПГ после отжига при Т = 1000 К. На рис. 1б изображена пленка Co после напыления на такую поверхность. Видно (рис. 1б), что при толщине слоя материала в 3 нм образуется неоднородная пленка кобальта. На рис. 1в, г приведены (с разным увеличением) изображения наночастиц, образованных после отжига пленки кобальта. На рис. 1в хорошо видно, что часть частиц имеет огранку, характерную для гексагональной структуры кобальта, которая сохранялась и после извлечения образца на воздух.

На рис. 2а представлено АСМ-изображение поверхности ВОПГ, облученной ионами аргона с энергией 3 кэВ в течение 4 мин (вторая методика). На подготовленную таким образом поверхность наносилась пленка Co толщиной 3 нм (рис. 2б). При такой толщине на поверхности

ФОРМИРОВАНИЕ НАНОЧАСТИЦ КОБАЛЬТА

87

(а)

нм 150 -

100 -500 н

нм

800

600 400 200 0

нм 2.5

2.0 1.5 1.00.50-

нм 40

30 -

20 -|

10

0

нм 150

100

50

0

35

30 ц

н 25

с

о

л15

с

^ 10

нм 1.4-|

1.2 1.0-| 0.8 0.6 0.4Н 0.2 0-1

50

0 200 400 600 800 нм

100 (д)

150 нм

нм 150

100

50

0

нм

800

600 400 200 0

10 20 30 Высота, нм

40

_(в)_

нм 25

20

15

10

5

0

150 нм

нм 40-|

30 201000 200 400 600 800 нм

Рис. 1. АСМ-изображения, полученные на разных этапах процесса формирования частиц кобальта на поверхности ВОПГ (первый метод): а — чистая поверхность пиролитического графита; б — поверхность графита после напыления на нее пленки кобальта толщиной 3 нм без предварительного облучения; в, г — полученное в вакууме изображение частиц кобальта, сформировавшихся после отжига; д — гистограмма распределения частиц по высоте; е — изображение частиц, полученное на воздухе и использованное для построения гистограммы.

(а)

нм 150 -

100 -

50 -

0 -

нм 0.8 0.7 Ч 0.6 -| 0.5 0.4 -0.3 -0.2 -0.1 -

нм 150

100

50

0

нм 700 600 500 400 300 200 -| 100 0 .

0

50

100 (г)

150 нм

(в)

нм 150

100

504

нм 1086

420-

50

нм 15 10 5 -0 -I

120

100 ц

ти80

с

а

? 60 о

сл40

и

Ч

Ч20

100 (д)

150 нм

50

100 (е)

150 нм

мкм

200 400 600 нм

5 10 15 20 25 30 35 40 Высота, нм

25 20 15 10 5

1.5 мкм

Рис. 2. АСМ-изображения, полученные на разных этапах процесса формирования частиц кобальта на поверхности облученного ВОПГ (второй метод): а — поверхность пиролитического графита после облучения ионами аргона; б — пленка кобальта толщиной 3 нм, нанесенная на поверхность облученного графита; в, г — полученное в вакууме изображение частиц кобальта, сфо

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