Научный журнал

Фундаментальные исследования

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

• Авторы
• Файлы

Черемисин А.Б., Величко А.А., Пергамент А.Л., Стефанович Г.Б.

Статья в формате PDF

147 KB

Обработка материалов ионами инертных газов широко используется в науке для нанесения тонких пленок, получения профилей концентрации, в качестве источника возмущений во вторичной ионной масс спектроскопии. Понимание механизма ионно-индуцированных трансформаций поверхности материала необходимо для эффективного использования ионной обработки в технологии тонких пленок.

В данной работе представлены результаты исследований модификации электрофизических и оптических свойств анодных оксидов переходных металлов (ОПМ) при ионно-плазменной обработке (ИПО).

Для изучения модификации свойств ОПМ под действием плазмы (Ar) использовались анодные аморфные оксиды Ta₂O₅, Nb₂O₅ и V₂O₅, синтезированные на кварцевых подложках.

ИПО анодных пленок ОПМ проводилась в планарном реакторе емкостного типа с проточной схемой напуска газа. Использовался плоский симметричный разряд в аргоне на частоте 13.56 МГц при рабочем давление газа в камере - 10^-2 Тор. Мощность ВЧ разряда варьировалась в диапазоне 10 - 150 Вт, а время обработки 1-5 минут.

Структурные исследования модифицированных ВЧ плазмой (Ar) оксидов ванадия показали, что для больших доз (D_и > 5.025·10¹⁴ ион/см², 20 Вт) наблюдается кристаллизация исходно аморфного оксида ванадия - на фоне аморфного диффузного пика появляются линии поликристаллического оксида V₂O₅. Электронно-микроскопические исследования модифицированных анодных оксидных пленок (АОП) Nb и Ta дают подобный результат, но для кристаллизации требуются большие ионные дозы (мощность).

Известно [1], что при ионной бомбардировке эффективность передачи энергии ионов в облучаемый материал достигает 90 %. При этом может происходить существенный нагрев образца. Исследования в [2] показали, что для оксида V кристаллизационные процессы могут наблюдаться начиная с температур ~ 70°С, а для оксидов Ta и Nb с ~ 300°C. Таким образом, изменение структуры АОП при ИПО можно связать с процессом термостимулированной кристаллизации изначально аморфных пленок.

Существенная модификация оптических свойств при ИПО анодного оксида ванадия наблюдается в спектральном интервале 2.5 эВ < hν < 5 эВ. Последовательное увеличение ионной дозы приводит к увеличению пропускания в коротковолновой области и уменьшению интенсивности пиков поглощения в этой области.

Согласно [3], в данном интервале энергий фотонов оптические свойства ОПМ обусловлены электронными переходами между 2p-состояниями атома кислорода и 3d-состояниями атома Me. Учитывая, что

 ~ ,                     (1)

(где  - коэффициент поглощения материала,  - квадрат матричного элемента, определяющий вероятность оптических переходов,  - плотность начальных и конечных состояний), общее снижение поглощения в рассматриваемой области объясняется исходя из снижения . Это снижение  связано с уменьшением степени 3d - 2p-гибридизации, обусловленным в данном случае увеличением средних Me-O расстояний вследствие внедрения ионов аргона в структуру V₂O₅ пленки.

Процесс модификации оптических свойств оксидов Ta и Nb при ИПО качественно подобен модификации оптических свойств оксида ванадия.

В результате ИПО изменяется также электрическая проводимость рассматриваемых оксидов. С ростом мощности разряда и ионной дозы до 10¹⁴ ион/см² в области средних полей ВАХ анодного V₂O₅ наблюдается увеличение проводимости (участок с омической ВАХ не меняется). Здесь проводимость можно рассматривать с точки зрения протекания через оксид ТОПЗ, при наличии в запрещенной зоне окисла ловушечных уровней, экспоненциально распределенных по энергии (J ~ U^m, m=8.2>2)[4]. Согласно выбранной модели, рост проводимости оксидов при ИПО можно объяснить уменьшением энергия активации ТОПЗ.

Таким образом, в настоящей работе показано, что в аморфных анодных пленках ОПМ, в результате ИПО происходит модификация электрических, структурных и оптических свойств. Указанные изменения обусловлены ионным внедрением и электронной инжекцией из плазмы, термическим разогревом исследуемых оксидов.

Работа выполнена при поддержке грантов: Федеральное Агентство РФ по науке и инновациям (контракт № 02.513.11.3351), Министерство образования РФ и американский фонд гражданских исследований и развития (CRDF Award No. Y5-P-13-01).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Данилин Б.С., Киреев В.Ю. Ионное травление микроструктур.- М: Сов. Радио, 1979. -104с.
2. Стефанович Г. Б. Переход металл-изолятор в пленочных структурах на основе оксидов переходных металлов. - дисс. докт. физ.-мат. наук. Санкт-Петербург, 1997. - 360с.
3. Лагукова Н.И., Мокеров В.Г., Губанов В.А.- ФТТ, т.17, в.12, 1975, с.3696.
4. Райкерус П.А., Лалеко В.А. Физические основы пленочной электроники: Учебное пособие. - Петрозаводск, 1987. - 88с.

Библиографическая ссылка