ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 4, с. 34-37
УДК 537:534
ВЫСОКОДОЗОВОЕ ИОННО-ЛУЧЕВОЕ МОДИФИЦИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ АЛМАЗА ПРИ ПОВЫШЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
© 2015 г. Н. Н. Андрианова1, 2, *, А. М. Борисов1, 2, В. А. Казаков2, 3, Е. С. Машкова1, В. П. Попов4, 5, Ю. Н. Пальянов6,7, Р. Н. Ризаханов3, С. К. Сигалаев3
1НИИядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова,
119991 Москва, Россия
2МАТИ — российский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского,
121552 Москва, Россия 3ГНЦ — ФГУП "Исследовательский центр им. М.В. Келдыша", 125438Москва, Россия 4Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова, 630090 Новосибирск, Россия 5Национальный исследовательский Томский государственный университет, 634050 Томск, Россия 6Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева, 630090Новосибирск, Россия 7Новосибирский государственный университет, 630090 Новосибирск, Россия *E-mail: andrianova_nn@mail.ru Поступила в редакцию 16.07.2014 г.
Приводятся результаты экспериментального исследования модификации грани (111) синтетического алмаза при высокодозовом облучении ионами Ar+ с энергией 30 кэВ. Найдено, что облучение при температуре 400°C приводит к появлению проводящего поверхностного слоя, проявляющегося в спектрах комбинационного рассеяния света в виде широкой полосы с максимумом, близким к положению характерному для G-пика графита при 1580 см-1. При этом интенсивность узкого пика алмаза при 1332 см-1 уменьшается на порядок. Ионное облучение сопровождается подавлением исходной фотолюминесценции и вызывает появление слабой фотолюминесценции со спектром, характерным для ювелирных алмазов.
Ключевые слова: монокристаллический алмаз, ионное облучение, КР-спектроскопия, фотолюминесценция.
DOI: 10.7868/S0207352815040058
ВВЕДЕНИЕ
Ионное облучение является эффективным методом получения ультратонких слоев алмаза, создания микроструктур для оптоэлектронных приборов фокусированными ионными пучками [1—2]. Фокусированные ионные пучки могут также использоваться для формирования в алмазе заглубленных аморфных слоев толщиной в несколько нанометров [3]. Графитизация аморфных слоев в алмазе представляет значительный интерес для создания приборов, содержащих переход алмаз-графит. Отжиг образцов алмаза в вакууме после облучения грани (001) приводит к образованию нанокристаллической графитовой фазы с доминирующей ориентацией кристаллографической оси с графита по нормали к поверхности [4]. Недавно было показано, что под воздействием высоких давлений и температуры на облученной грани (111) алмаза формируется заглубленный слой высокоориентированного графита [5, 6].
Можно ожидать, что для алмаза, как и для ряда полупроводников и графитов [7], имеется температура динамического отжига радиационных на-
рушений Та и облучение при Т > Та к аморфизации не приводит. Можно также предположить, что облучение при повышенных температурах будет приводить к графитизации, как это отмечалось для неграфитирующихся углеродных материалов типа стеклоуглерода [8] и углеродных волокон на основе вискозы [9]. В настоящей работе приводятся результаты экспериментального исследования высокодозового ионно-лучевого модифицирования монокристаллического синтетического алмаза при повышенных температурах с использованием ионных пучков и методов оптической спектроскопии.
ЭКСПЕРИМЕНТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В эксперименте использовали кристалл синтетического алмаза 1Ь, установленный в оправку из пластинки графита МПГ-8. Облучение проводили ионами аргона с энергией 30 кэВ по нормали к поверхности грани (111) на масс-монохроматоре НИИЯФ МГУ [10] по методике, аналогичной используемой в [8, 9]. Плотность ионного тока состав-
ляла ~0.3—0.4 мА/см2 при поперечном сечении пучка 0.3 см2, флуенс облучения ф? ~ 1019 ион/см2 (ф — плотность потока падающих ионов, t — время облучения). Температуру мишени измеряли с помощью хромель-алюмелевой термопары, спай которой укрепляли на облучаемой стороне мишени вне зоны облучения. Мониторинг ионного облучения проводили с периодической регистрацией тока ионов и вторичных электронов для определения флуенса облучения и коэффициента ионно-электронной эмиссии у, который определяли как отношение электронного и ионного токов. Погрешность измерения у не превышала 2.5%. Температурные зависимости у использовали для определения наличия в изучаемом интервале температур ионно-индуцированных структурных изменений. Исследования модифицированных образцов проводили на растровом электронном микроскопе Lyra 3 TESCAN, атомно-силовом микроскопе ФЕМТОСКАН, рамановском спектрометре Horiba Jobin Yvon T64000, а также методом спектрометрии резерфордовского обратного рассеяния (РОР) в геометрии каналирования. Оптическую спектроскопию проводили при комнатной температуре на воздухе с использованием лазера на длине волны = 488 нм. Спектры комбинационного рассеяния (КР) измеряли как при = 488 нм, так и при ^д/2 = 244 нм в режиме удвоения частоты. Спектры фотолюминесценции (ФЛ) исследовали только при ^л/2 = 244 нм.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В процессе эксперимента было проведено четыре цикла облучения ионами аргона с энергией 30 кэВ с медленным подъемом температуры мишени от комнатной до 400°С и мониторингом ионно-электронной эмиссии. Флуенс облучения в каждом цикле составлял около 1019 ион/см2. Большие флуенсы (>1017 ион/см2) обычно приводят к стационарному состоянию измененного поверхностного слоя, обусловленного процессами имплантации и распыления ионной бомбардировкой [10, 11]. Коэффициент распыления, согласно моделированию с помощью программы SRIM [12], был около 1 ат./ион, соответствующая толщина удаленного слоя алмаза — около 1 мкм. Для анализа состава и структуры измененного слоя использовали спектрометрию РОР и спектроскопию комбинационного рассеяния.
На рис. 1 приведены спектры РОР для облученной и необлученной граней алмаза в геометрии осевого каналирования (111). Нормировка спектров проведена на амплитуду поверхностного пика углерода. В обоих случаях каналирование вызывает уменьшение выхода РОР от нижележащих слоев углерода более чем в три раза. Облучение ионами аргона приводит к более широкому поверхностному пику углерода и пику, обуслов-
Энергия, номер канала
Рис. 1. Спектры РОР ионов Не+ с энергией 2 МэВ для
грани (111) алмаза (осевое каналирование вдоль (111)).
ленному имплантированным аргоном. Ширина последнего соответствует расчетному проективному пробегу (~30 нм) ионов аргона в углероде с атомной плотностью алмаза. Максимальная концентрация имплантированного аргона составляет около 1 ат. %. Такой профиль аргона, а также уширенный поверхностный пик углерода для облученной грани алмаза говорят об отсутствии кана-лирования в поверхностном слое кристалла, о его кардинальных структурных изменениях. Такими структурными изменениями может быть не только аморфизация поверхностного слоя, происходящая при ионной имплантации алмаза при комнатной температуре [3, 13, 14], но также и отмеченные во введении процессы формирования графитовой фазы. В пользу последних говорят измерения электрического сопротивления мульти-метром, которые показали низкое электрическое сопротивление поверхностного слоя облученного образца. При оценке удельного сопротивления, составившего типичное значение для углеграфитовых материалов ~10-5 Ом • м, глубина проводящего слоя полагалась равной проективному пробегу 30 нм.
Образование проводящего слоя проявляется на КР-спектрах в виде широкой полосы с максимумом, близким к положению характерного для графитов G-пика с рамановским смещением Ак = 1580 см-1 [15], при этом интенсивность узкого КР-пика алмаза при Ак = 1332 см-1 уменьшается на порядок, а его полуширина практически не изменяется (рис. 2). Такие изменения в КР-спектрах наблюдали как при X = 488 нм, так и при X = 244 нм. В последнем случае интенсивность G-полосы относительно интенсивности КР-пика алмаза выше.
Фотолюминесценция (ФЛ) является одним из характерных свойств алмазов [16]. Для исследованного алмаза 1Ь ФЛ отчетливо проявляется в оптических спектрах отраженного света при осве-
36
АНДРИАНОВА и др.
В
о £
о о я <ч
и
о Я
В
Я
И
(а)
(а)
х100
J 1 М Л! II 4,
ш
1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 (б)
£ В
о £
о о я <ч
и
о Я
В
Я
И
После облучения,
1 1 1111
1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 Ак, см-1
Рис. 2. КР-спектры для алмаза до и после облучения ионами аргона с энергией 30 кэВ, измеренные при Хл = 488 нм (а) и 244 нм (б).
кл/2 + Ак
200 250 300 350 400 450 500 550 600 к, нм (б)
кл
кл + 2Ак
200 250 300 350 400 450 500 550 600 к, нм
Рис. 3. Спектры фотолюминесценции алмаза до (а) и после (б) высокодозного облучения ионами аргона с энергией 30 кэВ.
щении лазерным излучением с ^л/2 = 244 нм как для необлученной, так и облученной граней алмаза, рис. 3. Во избежание попадания в детектор излучения большой интенсивности за счет рэлеев-ского рассеяния съемка спектра производится с длины волны, несколько большей длины волны излучения лазера ^л/2. Вместе с тем, вклад релеев-ского рассеяния в спектре проявляется в виде дифракционного пика второго порядка, отмеченного на рис. 3 как пик А,л. Фотолюминесценция занимает в спектре широкую полосу от 450 до 650 нм. Комбинационное рассеяние в спектре проявляется в виде дифракционных линий первого и второго порядка, отмеченных как ^л/2 + Дк и + 2Д^. Видно, что ионное облучение приводит практически к полному подавлению исходной ФЛ в области длин волн 450-650 нм и к появлению слабой ФЛ в области 350-450 нм. Эта область длин волн характерна также для спектров фотолюминесценции, использованных для сравнения ювелирных алмазов при облучении лазером с длиной волны 244 нм.
Электропроводность является отличительным свойством углеродных материалов с ^-гибриди-
зацией атомов углерода различной степени упорядочения (пиролитические и полигранулярные графиты, углеродные волокна, стеклоуглероды). Практически важным является вопрос о степени упорядочения «р2-углерода в сформированном при повышенной температуре измененном
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.