Формирование атомно-упорядоченной структуры типа L10 при твердофазной реакции в тонких пленках Cu/Au Текст научной статьи по специальности «Физика»

Решетневс^ие чтения. 201б

Значения ЭДУ и rcrit для ряда нолунроводников

Материал а, nm Коэффициент Пуассона Модуль сдвига, GPa ЭДУ, mJ/m2 rcrit , nm

Ge 0,566 0,26 31,7 90 ~ 3,8

Si 0,543 0,27 42,9 50-60 7,9-10,1

GaAs 0,565 0,31 32,9 55±5 7,8-9,9

ZnTe 0,609 0,36 17,3 16±4 22,5-42,5

CdTe 0,648 0,41 9,2 11±1,9 26,3-41

ZnSe 0,566 0,28 27,5 11,4±1,3 38,4-51

CdS 0,527 0,4 16,1 7,8±1,9 44,9-80,2

ZnS 0,541 0,38 21,7 5-6 110-136

В таблице показана зависимость «критических» радиусов дислокационных петель, образовавшихся в полупроводниках в результате скопления точечных дефектов, в зависимости от величины ЭДУ.

Полученные значения «критического» радиуса дислокационных петель подтверждаются экспериментальными результатами, полученными методами просвечивающей электронной микроскопии. Установлено, что в сульфиде цинка, имеющем самое низкое значение ЭДУ среди полупроводников A2B6, установлены самая высокая плотность и разнообразие структурных дефектов, а размеры дислокационных петель могут достигать значений, на несколько порядков превышающих аналогичные размеры в других материалах. Поэтому использование приборов и устройств на основе сульфида цинка в космической технике осложняется высокой скоростью деградации материала.

Библиографические ссылки

1. Логинов Ю. Ю., Браун П. Д., Дьюроуз К. Закономерности образования структурных дефектов в полупроводниках А2В6. М. : Логос, 2003. 304 с.

2. Loginov Y. Y., Brown P. D., Thompson N. TEM study of the interaction of sub-threshold electron beam

induced defects in II-VI compounds // Physica Status Solidi. A: Applications and Materials Science. 1991. Vol. 127. P. 75-86.

3. Mullins J. T., Taguchi T., Brown P. D., Loginov Y. Y., Durose K. Growth and optical properties of CdS:(Cd,Zn)S strained layer superlattices // Japanese Journal of Applied Physics. 1991. Vol. 30, № 11. P. L1853-L1856.

References

1. Loginov Y. Y., Brown P. D., Durose K. The structural defect formation in A2B6 semiconductors. Moscow: Logos, 2003. 304 p.

2. Loginov Y. Y., Brown P. D., Thompson N. TEM study of the interaction of sub-threshold electron beam induced defects in II-VI compounds // Physica Status Solidi. A: Applications and Materials Science. 1991. Vol. 127. P. 75-86.

3. Mullins J. T., Taguchi T., Brown P. D., Loginov Y. Y., Durose K. Growth and optical properties of CdS:(Cd,Zn)S strained layer superlattices // Japanese Journal of Applied Physics. 1991. Vol. 30, № 11. P. L1853-L1856.

© Mo3xepHH A. B., 2016

УДК 538.911

ФОРМИРОВАНИЕ АТОМНО-УИОРЯДОЧЕННОИ СТРУКТУРЫ ТИПА L10 ПРИ ТВЕРДОФАЗНОЙ РЕАКЦИИ в ТОНКИХ ПЛЕНКАХ Cu/Au*

Е. Т. Моисеенко1*, Р. Р. Алтунин1, Н. С. Николаева2, С. М. Жарков3

1 Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 2Институт неорганической химии имени А. В. Николаева СО РАН Российская Федерация, 630090, г. Новосибирск, просп. им. Лаврентьева, 3 3Институт физики имени Л. В. Киренского СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/38 *E-mail: e.t.moiseenko@ya.ru

Исследована температурная зависимость параметра порядка атомно-упорядоченной фазы CuAuI, сформированной в результате твердофазной реакции, инициированной термическим нагревом, в тонких двухслойных пленках Cu/Au.

Ключевые слова: тонкие пленки, твердофазная реакция, атомное упорядочение, in situ исследования, просвечивающая электронная микроскопия, дифракция электронов.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты № 14-03-00515-а, 16-32-00225-мол_а).

Наноматериалы и нанотехнологии в аэро^осмичес^ой отрасли

L10 ORDERED STRUCTURE FORMATION AT A SOLID STATE REACTION

IN Cu/Au THIN FILMS

E. T. Moiseenko1*, R. R. Altunin1, N. S. Nikolaeva2, S. M. Zharkov3

Siberian Federal University 79, Svobodnyi Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation 2Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry SB RAS, 3, Acad. Lavrentyev Av., Novosibirsk, 630090, Russian Federation

3Kirensky Institute of Physics SB RAS 50/38, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation *E-mail: e.t.moiseenko@ya.ru

Order parameter temperature dependence on the CuAul phase formed during the solid state reaction in Cu/Au bilayer thin films are investigated by in situ transmission electron microscopy and electron diffraction. The reaction is initiated by heating the films at a rate of 4-8 °C/min.

Keywords: thin films, solid state reaction, atomic ordering, in situ investigations, transmission electron microscopy, electron diffraction.

В настоящее время тонкие пленки меди и золота широко применяются для изготовления электрических контактов при создании устройств микроэлектроники, интегральных схем, солнечных батарей, в том числе и в космической отрасли. Изучение процессов твердофазной реакции и атомного упорядочения в тонких двухслойных пленках Cu/Au представляет значительный интерес, так как изменение фазового состава на границе раздела меди и золота в результате твердофазной реакции и атомного упорядочения в пленках Cu/Au приводит к изменению их физических свойств.

В настоящей работе исследована температурная зависимость параметра порядка атомно-упорядо-ченной фазы CuAuI, сформированной в результате твердофазной реакции в тонких двухслойных пленках Cu/Au. Исследования проведены методами in situ просвечивающей электронной микроскопии и дифракции электронов с помощью просвечивающего электронного микроскопа JEOL JEM-2100. Расшифровка картин дифракции электронов проводилась с использованием

базы данных кристаллических структур ICDD PDF 4+ [1].

Тонкие двухслойные пленки Cu/Au получены методом электронно-лучевого испарения в высоком вакууме. Толщины индивидуальных слоев меди и золота составляли 15-30 нм и были подобраны таким образом, чтобы обеспечить атомное соотношение Cu:Au~1:1. Электронно-микроскопические исследования показали, что в исходном состоянии пленки состояли из кристаллитов размером 10-20 нм, независимо от толщины пленок. Дифракционные рефлексы на картинах дифракции электронов соответствуют кубическим гранецентрированным решеткам (пространственная группа Fm-3m) Cu с параметром a = 3.62 А [2] и Au с параметром a = 4,08 А (пространственная группа Fm-3m) [3].

Твердофазная реакция в пленках Cu/Au инициирована путем термического нагрева образцов от комнатной температуры до 450 °C со скоростью 4-8 °С/мин непосредственно в колонне просвечивающего электронного микроскопа.

1

0.9 0.8 0.7 0.6

Т, °С

Температурная зависимость параметра порядка S атомно-упорядоченной фазы СиАи1, сформированной в результате твердофазной реакции в пленке Си/Аи

Решетневс^ие чтения. 2016

В процессе нагрева при температуре 180 °С на картинах дифракции электронов зафиксировано начало размытия дифракционных рефлексов меди и золота, что свидетельствует о начале твердофазной реакции между слоями [4]. При температуре 245 °С отмечено начало формирования атомно-упорядоченной структуры типа L1o (фаза СиАи1, пространственная группа Р4/ттт, параметры решетки: a = Ь = 3,97 А, с = 3,68 А) [5].

На основании анализа изменения интенсивностей сверхструктурных рефлексов на электронограммах, полученных от образцов в процессе нагрева, проведены оценки параметра порядка атомно-упорядоченной фазы СиАи1. Для расчета параметра порядка использованы соотношения интенсивностей дифракционных рефлексов от атомных плоскостей {001} и {002} атомно-упорядоченной фазы СиАи1. В результате получены температурные зависимости параметра порядка атомно-упорядоченной фазы СиАи1 для различных скоростей нагрева. На рисунке представлена температурная зависимость параметра порядка для скорости нагрева 8 °С/мин в температурном диапазоне 280-400 °С.

На графике (см. рисунок) наблюдается рост параметра порядка до температуры 350 °С, обусловленный формированием атомно-упорядоченной структуры типа L10 за счет взаимодиффузии меди и золота. В температурном диапазоне 350-390 °С параметр порядка практически не меняется. Полученное значение параметра порядка в диапазоне 350-390 °С составило 0,54±0,10. При этом максимальное расчетное значение параметра порядка для данного атомного соотношения (Си:Аи = 48:52 ат. %) составляет 0,96. Низкое значение параметра порядка, полученное в настоящем эксперименте, объясняется, с одной стороны, недостатком времени для формирования атомно-упорядоченной фазы СиАи1, с другой - большим числом дефектов решетки, в т. ч. границ зерен. Размер кристаллитов при температуре 350 °С составлял 30-40 нм. Значения параметра порядка, близкие к максимальным, были достигнуты в работе [6] на пленках Си-Аи толщиной 55-200 нм, отожженных из атомно-неупорядоченного состояния при температуре 350 °С в течение одного часа.

Размер кристаллитов после отжига составлял 160-400 нм. При температуре 390 °С, соответствующей верхней границе температурного диапазона существования фазы L10 СиАи [7], параметр порядка резко снижается, достигая нуля при 410 °С, что свидетельствует о переходе в атомно-неупорядоченный твердый раствор. Установлено, что характер температурной зависимости параметра порядка атомно-упорядоченной фазы СиАи1 не зависит от скорости нагрева в диапазоне 4-8 °С/мин. Однако снижение скорости нагрева приводит к росту значения параметра порядка, что объясняется увеличением времени для формирования атомно-упорядоченной фазы СиАи1.

При скорости нагрева 4 °С/мии параметр порядка атомно-упорядоченной фазы CuAuI достигает значения 0,65±0,10 при 350 °C.

С целью исследования влияния времени формирования атомно-упорядоченной фазы CuAuI на параметр порядка тонкие двухслойные пленки Cu/Au были нагреты до 450 °C для формирования атомно-неупорядоченного твердого раствора, после чего проведен отжиг образцов в течение одного часа при 375 °C. В процессе отжига отмечено увеличение размера кристаллитов с 50-70 до 70-100 нм. Значение параметра порядка в образцах после отжига достигает 0,78±0,10. Высокие значения параметра порядка, полученные в результате отжига, обусловлены увеличением времени для формирования атомно-упорядо-ченной фазы CuAuI и уменьшением числа дефектов решетки в результате увеличения размера кристаллитов.

Таким образом, анализ температурных зависимостей параметра порядка атомно-упорядоченной фазы CuAuI, сформированной в результате твердофазной реакции в тонких двухслойных пленках Cu/Au, показал, что скорость нагрева в диапазоне 4-8 °С/мин не влияет на характер температурной зависимости.

При этом уменьшение скорости нагрева, либо увеличение времени отжига при фиксированной температуре приводит к росту достигаемых значений параметра порядка атомно-упорядоченной фазы CuAuI.

References

1. Powder Diffraction File (PDF 4+, 2014), Inorganic Phases, International Center for Diffraction Data, Swarthmore, PA, USA

2. Powder Diffraction File (PDF 4+), 2014, card #00-0040836.

3. Powder Diffraction File (PDF 4+), 2014, card #00-004-0784.

4. Zharkov S. M., Moiseenko E. T., Altunin R. R., Zeer G. M. In situ transmission electron microscopy and electron diffraction investigation of solid-state reactions and atomic ordering in Cu/Au bilayer nanofilms //. Journal of Siberian Federal University. Chemistry. 2013. Vol. 3. P. 230-240

5. Powder Diffraction File (PDF 4+), 2014, card #03-065-2798.

6. Zhang W., Brongersma S. H., Richard O., Brijs B., Palmans R., Froyen L., Maex K. Microstructure and resistivity characterization of CuAuI superlattice formed in Cu/Au thin films // Journal of Vacuum Science and Technology B. 2004. Vol. 22 (6). P. 2715-2717.

7. Okamoto H., Chakrabarti D. J., Laughlin D. E., Massalski T. B. The Au-Cu (gold-copper) system. Bulletin of Alloy Phase Diagrams. 1987. Vol. 8 (5). P. 454-474.

© Моисеенко E. Т., Алтунин P. P., Николаева H. С.,

Жарков С. М., 2016